0、引言
電子銅箔是電子信息產(chǎn)業(yè)的重要材料，大功率整流電源是銅箔生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。一提到整流電源，人們馬上就想到可控硅整流，這種傳統(tǒng)的整流技術(shù)都是通過對可控硅進(jìn)行移相控制來獲得的。銅箔行業(yè)所用的整流電源輸出電壓很低(DC4.5～7V)，輸出電流很大(DC40～55kA)，所以傳統(tǒng)的可控硅整流電源用于銅箔行業(yè)劣勢明顯，效率低(一般只有70～80%左右)、功率因數(shù)低(一般只有0.6～0.85)，運(yùn)行成本高等;尤其是在負(fù)載電壓變小時，可控硅導(dǎo)通角變小，其效率會大大降低，諧波會大大增大。對于銅箔生產(chǎn)工藝來說主要能耗為生箔機(jī)整流電源，如有高效的電源取代傳統(tǒng)的可控硅整流電源將會大大降低銅箔的生產(chǎn)成本。從銅箔行業(yè)的發(fā)展趨勢來看，大功率高頻開關(guān)電源將會逐步取代可控硅整流電源，本文將重點(diǎn)介紹大功率高頻開關(guān)電源的節(jié)能技術(shù)研究及應(yīng)用。
1、大功率高頻開關(guān)電源的組成
1.1電路原理
交流輸入電壓經(jīng)過三相橋式普通二極管整流電路濾波后，得到較高直流電壓，后經(jīng)4只IGBT進(jìn)行“高頻逆變”將高壓直流逆變成約18kHZ的高頻交流，經(jīng)高頻變壓器變換到次級，再通過肖特基二極管進(jìn)行單相全波整流濾波得到需要的輸出電壓?？刂齐娐穼敵鲭妷汉洼敵鲭娏魅?，閉環(huán)反饋后產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)信號控制“功率轉(zhuǎn)換”電路，使輸出電壓或電流保持穩(wěn)定。原理框圖如圖1所示：
圖1：單元機(jī)原理框圖
其中主電路原理圖如圖2所示，主電路前級部分采用三相橋式二極管整流電路，核心部分采用成熟的PWM控制IGBT逆變技術(shù)，后級高頻整流部分采用低損耗肖特基二極管單相全波整流電路。
圖2：主電路原理圖
1.2整機(jī)原理
銅箔工藝要求直流電源的規(guī)格為50KA/7V，電流能連續(xù)可調(diào)，采用穩(wěn)流技術(shù)，常年不間斷運(yùn)行。整機(jī)通過采用N+2臺單元機(jī)并聯(lián)來獲得50KA電流，其中任意2臺為冗余熱備用單元，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。如正常運(yùn)行中的某個子單元出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將自動關(guān)閉故障單元機(jī)，將故障單元的電流平均分配給其它單元機(jī)上，使整機(jī)總輸出電流不變，然后切斷故障單元機(jī)的電源，拆下故障單元機(jī)進(jìn)行維修，整個過程不會影響正常生產(chǎn)。整機(jī)采用抽屜模塊化結(jié)構(gòu)，各單元底部帶滑輪，易抽出，且單元機(jī)重量輕，多人即可搬下;單元機(jī)維修采用不停機(jī)帶電熱更換。
在N+2臺單元機(jī)并聯(lián)的情況下，自動均流控制也是一項關(guān)鍵的技術(shù)，實驗表明當(dāng)多臺單元機(jī)并聯(lián)輸出電流不平均時與平均時比較，，整機(jī)損耗約高0.5～1%，為了提高整機(jī)效率大功率高頻開關(guān)電源采用基于虛擬阻抗平均自動均流控制技術(shù)。
針對多臺高頻開關(guān)電源單元機(jī)并聯(lián)的均流問題，在分析單元機(jī)并聯(lián)模型的物理特性基礎(chǔ)上，擬采用基于虛擬電阻的電壓反饋方法，將高頻DC/DC變換器從控制上虛擬成一個具有內(nèi)阻為K的可變電源，這樣高頻開關(guān)電源單元機(jī)控制上不受其物理內(nèi)阻的限制，具有可控的輸出特性，大大提高了裝置的適應(yīng)能力。當(dāng)多臺開關(guān)電源單元機(jī)并聯(lián)時，采用一個相同的K值，使各臺開關(guān)電源單元機(jī)在控制上具有的輸出特性，通過閉環(huán)控制方法可以實現(xiàn)多臺并聯(lián)高頻開關(guān)電源的均流控制，提高了整機(jī)效率和裝置的可靠性。
為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，采用混合冷卻方式，單元機(jī)內(nèi)開關(guān)器件的冷卻采用純水冷卻方式，用純水帶走其熱量，單元機(jī)箱壁安裝散熱風(fēng)扇用來帶走其余器件產(chǎn)生的熱量。
1.3高頻開關(guān)電源的控制系統(tǒng)
采用RS485網(wǎng)絡(luò)控制方式控制N+2臺單元機(jī)，利用兩芯雙絞屏蔽線通訊，全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)傳輸;控制精度高、無衰減，抗干擾能力極強(qiáng)、通訊距離遠(yuǎn)(最遠(yuǎn)可達(dá)1.2km)?？刂葡到y(tǒng)采用西門子PLC作為中央處理器，繼電回路采用高可靠、節(jié)能型新型器件。所有控制轉(zhuǎn)換均可由PLC進(jìn)行控制，并可通過通訊接口與以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，傳遞有關(guān)數(shù)據(jù) 。
主機(jī)的本地顯示及操作面板采用西門子觸摸屏進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，可對輸出電流進(jìn)行設(shè)定及控制;顯示及查詢主機(jī)各種故障信息(過壓保護(hù)故障信號、冷卻水壓過低、水溫過高故障信號、冷卻水水位過低信號等)以及電解槽槽壓情況。
2、大功率高頻開關(guān)電源節(jié)能的機(jī)理
2.1采用移相控制的可控硅整流電源為了達(dá)到穩(wěn)流效果，一般要留3～10°的控制角，且一般工作在額定輸出的80%狀態(tài)，導(dǎo)致功率因數(shù)低、損耗大、諧波大，而采用脈寬控制(PWM)的高頻開關(guān)電源前級三相橋式整流和后級單相全波整流始終工作在全開通狀態(tài)，功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，效率可達(dá)90%以上，減少了不必要的無功損耗，免除了功率因素補(bǔ)償設(shè)備的投資成本。
2.2 高頻開關(guān)電源整流元件及變壓器損耗比可控硅整流電源小，一般高頻開關(guān)電源整流二極管管壓降為0.5V，高頻變壓器損耗約占二極管損耗10%左右，而可控硅整流電源整流二極管為0.7V，整流變壓器損耗約占二極管損耗20%左右。以輸出50KA/6V理論計算：高頻開關(guān)電源損耗為P1=0.5×50+(0.5×50×10%)=27.5KVA，可控硅電源損耗為P2=0.7×50+(0.5×70×20%)=42KVA;損耗相比高頻開關(guān)電源比可控硅電源低35%。
2.3 由于高頻開關(guān)電源采用N+2熱冗余備用設(shè)計，所以在運(yùn)行中可以不停機(jī)進(jìn)行維修，保證了正常生產(chǎn)，提高了產(chǎn)量。
3、實際運(yùn)行節(jié)能效果
3.1本單位生箔機(jī)上使用的整流電源有可控硅電源和高頻開關(guān)電源，現(xiàn)場實際運(yùn)行實測數(shù)據(jù)如下表：
從上表可知高頻開關(guān)電源與可控硅電源功率相差(269-225)=44kw，效率提高了16.4%，如電價平均按0.72元/kwh計算，則一臺機(jī)一年可節(jié)約電費(fèi)為：44*24*300*0.72=22.8萬元(一年按300天計)。
3.2 無功損耗，從上表可知可控硅電源功率因素cos￠=0.712，而開關(guān)電源功率因素為cos￠=0.996;線路上無功損耗大大降低(電纜及變壓器無功損耗)。
3.3 由于采用了冗余系統(tǒng)設(shè)計，生產(chǎn)上停機(jī)故障率大大降低，產(chǎn)品成品率提高5%左右。
4、結(jié)束語
銅箔的生產(chǎn)成本主要為電能，每噸成品銅箔需要1萬度電左右，這種大功率高頻開關(guān)電源的使用大大降低了生產(chǎn)成本，提高了公司在市場競爭中的優(yōu)勢。公司從2009年一直運(yùn)行到現(xiàn)在，至今運(yùn)行效果良好，節(jié)能顯著，且操作簡單、維護(hù)方便。
參考文獻(xiàn)：
1、《電力電子設(shè)備設(shè)計和應(yīng)用手冊》 中國電工技術(shù)學(xué)會電力電子學(xué)會組編 王兆安 張明勛主編 機(jī)械工業(yè)出版社
2、《電力電子技術(shù)》 王兆安 劉進(jìn)軍主編 機(jī)械工業(yè)出版社
聲明：
“大功率高頻開關(guān)電源節(jié)能技術(shù)的研究及應(yīng)用” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
979
編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：安徽銅冠銅箔有限公司
分享 0
舉報 0
收藏 0
反對 0
點(diǎn)贊 0
中冶有色技術(shù)平臺
2025年03月21日 ~ 23日 
