磁选机激磁高频开关电源技术原理与应用

2010-12-31李建中杨文龙赵志刚

中国钨业 2010年6期

李建中，杨文龙，赵志刚

（赣州有色冶金研究所，江西赣州 341000）

0 引言

激磁整流装置是各类磁选机的主要配套设备，在该行业，应用较多的是可控硅调节整流柜，这种设备通过相控调压及整流获得直流输出，当相控角较小时，设备的传输效率可达80％左右，其功率消耗主要发生在可控硅调压、整流变压器降压以及二极管整流等电能转换过程；另有一部分消耗在线路传输过程，如导电体和压接点等。其中整流变压器是主要功耗部位。实际工作中，由于现场工艺参数的不同要求，其负载往往低于额定工作状态，此时可控硅相控角后移，实际传输效率比额定工作状态更低。从现场实测数据看，一般的可控硅整流装置其整流传输效率仅70％左右，当可控硅深控调压时，其传输效率会低于50％、功率因数低至0.5以下，同时，带来电源网侧污染和波形畸变。

近年来，随着新材料、新器件和新技术的不断出现，一种新型的电源变换装置——高频大功率开关电源逐步在多个行业开发应用。高频开关电源是通过高频功率变换技术，将直流或交流整流后的直流电压斩波成频率很高的脉冲电压加到变压器上，经变压器高频转换及整流滤波输出，最终变成各种需要的稳定直流电压。由于脉冲电压频率相比交流工频大大提高，变压器和滤波电感等磁性元件的体积和质量就大大缩小，同时效率也明显提高。高频大功率开关电源具有传输效率高、功率因数高、节能效果好、体积小、质量轻等优点；另一较大的特点是，当负载低于额定输出功率时，能始终保持较高的整机传输效率和功率因数。据现场测试，在额定状态下传输效率达90％以上，功率因素达0.95以上，比同类可控硅整流装置节能约10％～30％。其节能的主要因素是采用了高频传输电路、高频逆变电路、高频变压器及高频整流电路等［1］。

在钨选矿行业，磁选机常用于除铁、黑钨精选和细泥选别。磁选机主要由激磁线圈、铁芯、转环、磁介质和其他辅助部件组成。根据磁选机的工作原理，稳定的直流激磁电流是保障工艺选别效果和设备高效运行的必要条件。

1 系统结构与工作原理

1.1 系统结构

系统由输入电路、逆变电路、整流电路、控制与驱动电路等几大部分组成。系统结构框图见图1。

图1 系统结构框图

线路系统由三相380V/50Hz供电输入，经整流、滤波加至绝缘栅双极型晶体管（IGBT）组成的逆变电路，由控制电路使其转换成脉宽可调的高频交流（15～20kHz），再经以非晶软磁材料为铁芯的高频变压器降压、快速二极管整流转换成适于工作要求的低压直流。控制单元输出的控制信号可以对主电路输出做出迅速响应，从而给出优良的动、静态输出特性，对输入电压的波动予以补偿，并对各种原因造成的故障做出迅速的保护响应。

1.2 电路单元工作原理

1.2.1 输入电路

输入电路是将三相交流转换成直流，主要由电源开关、网侧滤波器、三相整流模块（IPM）和直流滤波器组成。

电源开关是整台设备的电源分断装置；直流侧滤波器包括电感线圈和无感电容器，作用是有效抑制逆变过程产生的尖峰脉冲，同时具有平波作用，保证逆变前谐波分量最小；三相整流模块采用IPM（Intelligent Power Module）大规模集成器件，该器件不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。

实际线路中，输入电路还包括输入过压保护、IPM温度检测、直流侧过流保护等相关器件和功能。

1.2.2 高频逆变电路

高频逆变电路是通过绝缘栅双极型功率管（IGBT管）的导通/关断特性将直流电转换成高频交流电。电路由4个IGBT管模块、阻容器件和高频变压器原边绕组组成一套全桥逆变单元，见图2。

图2 逆变电路原理图

全桥电路中的IGBT管在控制电路驱动下，VT1与VT4同时导通或关断、VT2与VT3同时关断或导通，二组IGBT管交替进行，相位差180°，在高频变压器原边形成脉冲电流。控制电路输出脉宽可调（PWM）的方波，使全桥电路在工作频率固定的情况下输出可变占空比的交流方波，方波面积越大，输出电流越大。鉴于IGBT管和高频变压器铁芯的频率特性，脉冲频率一般设计在15～20kHz左右。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型功率管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

1.2.3 电压转换电路

转换电路用高频变压器取代传统的工频变压器，大大减小了设备的体积和质量。开关电源变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能承受较高的外加电压，因此，在输出一定功率要求下，可减小磁芯体积。近年多采用非晶纳米晶软磁材料作为高频变压器铁芯。非晶主要是指铁基非晶、铁镍基非晶、钴基非晶以及在非晶化基础上热处理而得到的纳米晶，这些合金材料因其独特的非晶组织结构与纳米晶组织结构而呈现优异软磁合金特性，与传统的金属磁性材料相比，由于非晶原子排列无序，没有晶体的各向异性，而且具有高的电阻率、高的饱和磁感、高磁导率、低矫顽力、低的高频损耗和良好的温度特性，其综合磁性能远远优于硅钢、铁氧体、坡莫合金等。

由于受材料的磁饱和、发热条件和加工工艺的限制，目前单个非晶铁芯能绕制高频变压器的最大允许承载功率15～20kW、电流400～500A。因此，要得到较大功率转换和输出，就涉及到高频变压器拼接使用技术。

1.2.4 高频整流电路

高频整流电路是将高频变压器副边的高频脉冲方波转换成直流。该电路由高频变压器副边线圈、高频整流二极管和滤波电路组成。整流电路采用全波整流，整流二极管选用高频特性好的快速恢复二极管。滤波电路吸收和消除逆变电路开通和管断产生的高频尖峰脉冲，高频尖峰脉冲的存在使得二极管的耐压必须提高，耐压越高，其通态电压越大，功耗越大，这不仅使整流效率降低，而且使电路可靠性降低，损毁器件；另外，高频干扰的存在也对环境造成污染。因此，滤波电路设计应重点考虑高频尖峰脉冲的处理。电路原理见图3。

图3 高频整流滤波电路

1.2.5 控制与驱动电路

控制电路由PWM控制器和IGBT驱动电路组成（见图4）。PWM控制器产生固定频率、脉宽可调的方波通过驱动电路控制IGBT全桥的开通和关断，PWM控制器产生工作频率为15～20kHz。常用的PWM控制器有多种形式，如UC3828、SG3525等电路模块。本文仅以SG3525介绍其控制功能［3］。

图4 控制电路原理框图

SG3525是美国硅通用半导体公司（Silicon General）生产的电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。原理见图5。

图5 SG3525A电路原理图

SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0％，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。在CT（引脚5）和Discharge（引脚7）之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要在接入端（引脚8）外接一个5μ定时电容即可达到软启动效果。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。实际电路中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM锁存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当禁止端（引脚10）上的信号为高电平时，PWM锁存器立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断的同时，软启动电容将开始放电。此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM锁存器才被复位。

SG3525的输出级采用图腾柱式结构，其灌电流/拉电流能力超过200mA。原理图见图6。

VT1和VT2分别由SG3525的输出端A和输出端B输出的正向驱动电流驱动。电阻R2和R3是限流电阻，是为了防止注入VT1和VT2的正向基极电流超出控制器所允许的输出电流。C1和C2是加速电容，起到加速VT1和VT2导通的作用。

图6 SG3525输出结构原理图

1.2.6 检测与保护电路

设备中的电子器件除高频变压器外过载能力都比较差，工作温度过高、过电压、过电流极易损毁器件。由于线路系统工作在高频状态，因此，要求检测电路有快速的反应，才能有效实施保护。

（1）温度保护。温度检测的部位有：IPM散热底板、每个IGBT管散热底板、输出阳极板和阴极板等。温度检测有一定的滞后性，设定保护动作临界值应有提前量。

（2）过流保护。在直流回路和逆变回路均设有电流环，对瞬间产生的过电流检测和动作保护。输出电流信号在分流器上获得，该信号只做最大电流限制而不产生停机动作。在逆变前的直流线路中串入快速熔断器，当后续电路产生不可逆转过流故障时，该熔断器切断直流供电电源，避免事故进一步扩大。

（3）过压保护。在电路中设置了较多的RC阻容保护电路，吸收电路各环节产生的尖峰脉冲。对输入三相电路电压差进行比较，当电压超过/低于设定值或三相电压之间偏差过大时产生关断保护。

2 效果分析

针对磁选机激磁线圈负载，大功率高频开关电源与某型号的可控硅整流电源进行了比较试验。磁选机主要电参数：激磁电流1 000A，激磁电压16V（最大）。

试验时磁选机带负荷，试验过程中两种电源装置输出电流分别从600A调节至1 000A，每100A读取一组数据，两种电源均处同等输入状态。两种设备的检测结果见表1和表2。

对比表1和表2，分析出两种设备各自输入/输出的关系及相互比较的差异。

（1）传输效率。当激磁电流达到额定值1 000A时，高频开关电源输出功率P1=9.95kW，对应输入有功功率P2=11.01kW，传输效率达90％；可控硅整流电源输出功率P1=10.1kW，输入有功功率P2=17.02kW，传输效率仅59％，二者相差31％。可见在额定状态，开关电源比可控硅电源直接节能30％以上。从额定电流调至600A时，开关电源的传输效率降到79％；可控硅整流电源传输效率则降到52％，二者相差27％。由此说明，在深控时，开关电源仍能保持较高的传输效率。

表1 可控硅整流电源试验检测数据

（2）功率因数。表2所示，高频开关电源在600～1 000A电流输出调节过程中，功率因数COSΦ始终维持在0.98以上，此时，输入有功功率接近视在功率，说明该设备基本上不存在无功消耗，也就保证了电网送电效率及线路的用电安全。从表1可知，可控硅整流电源在额定输出时的功率因数是0.62，电流下调时降至0.41，这就是可控硅整流电源能耗高、设备和线缆发热严重的主要原因之一。

表2 高频开关电源试验检测数据

（3）输入电流。额定状态时，高频开关电源的平均输入电流15.9A，可控硅整流电源平均输入电流40.91A，后者高25.01A，这从另一个方面说明高频开关电源要比可控硅整流电源更加节能。不考虑功率因数直接测量输入电流是判断用电设备电耗的快速方法，在日常的电工测量中使用十分普遍。

（4）输出电压。从表1和表2中直流输出电压U值可看出，同等工况条件下可控硅整流电源比开关电源的输出电压更高，其原因是可控硅整流电源对50Hz工频截波整流获得直流输出，该直流脉动成分较大，是由于谐波分量较大引起的；而开关电源输出高频直流方波，谐波分量相当小，由此引起的功耗也就相当小。

通过上述分析，高频开关电源的用电参数和用电指标是可控硅整流电源无可比拟的。磁选机激磁电源功耗较大，输出电流从几百安至几千安、输出电压几十伏、功率几十千瓦至一百多千瓦，仅钨选矿行业各类磁选机每年装机容量就达10 000kW以上，如果采用大功率高频开关电源取代可控硅整流电源，按节能30％计，每年节约电能达3 000kW以上。由此可见经济效益和社会效益十分巨大。