Buck变换器在射流清洗设备电源中的应用

举世企业家

2018-07-01

Buck变换器在射流清洗设备电源中的应用

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高压水射流清洗技术是近年来在国际上兴起的一门高科技清洗技术,具有清洗速度快、效率高、成本低、清洁环保、不腐蚀损伤基体、适用范围广、易于实现自动化和智能化控制等优点,可清洗形状结构复杂的零部件[1]。 近年来,随着自动控制技术的不断发展,工业自动化水平日益提高。 为了提高高压水射流设备的清洗效率和清洗效果,有研究人员将自动控制技术运用到射流清洗过程中。

其清洗效果和清洗效率相对于传统的人工清洗有了很大的提升,但该过程对于控制系统的实时性、稳定性具有较高的要求。 因而作为控制系统的驱动部分,直流电源输出的快速性、稳定性也有较高的要求。

传统的驱动电源多以线性直流稳压电源为主,由于电压调整功能的器件始终工作于线性放大区,因而在应用过程中存在着功耗大、能量转换效率低、输出响应速度慢等问题。 这为线性直流电源的应用带来了很大的局限性。

近年来,随着电力电子的不断发展,开关电源得到了越来越广泛的应用,其相关的技术及发展现状如文献[2]所述。

开关电源具有较多的优点。 如内部功率损耗小、转换效率高。 随着超高频功率变换技术[3]的不断发展与应用,开关电源的转换效率可以大幅度提高,其转换效率可高达90%以上,即达到文献[4]所述合理使用能源、减少能量损耗的目的。 而且开关电源由于没有传统的工频变压器,散热器相对较小,因而具有体积小、重量轻的特点。

开关电源不仅具有以上所说的优点,与其相应的电路的控制方法也比较多,如循环控制方法[5]、滞环控制方法[6]、移相控制方法[7]等。

设计人员可以根据实际应用的要求和需要,灵活地选用各种类型的开关电源电路和控制方法。

本文针对传统线性直流稳压电源与开关直流电源的以上特点,结合射流清洗设备的触摸屏驱动电源输入输出响应要求。

设计了一种基于传统线性直流电源电路的开关电源电路结构,文中首先给出了相应的电路结构,并对相应的工作原理做了简要说明,其次给出了仿真结构图的搭建方法及结果分析,最后给出了所得结论。 1传统线性直流电源概述传统的线性直流电源采用的一般结构形式如图1所示,图中Ui为电网中引入的220V工频交流电,T为变压器,U为整流器,D1为二极管,R1~R6均为电阻,C1为稳压电容,Dz为稳压管,VT1、VT2为工作在线性状态的开关管,RL为负载电阻。

工作原理简述如下:工频交流电Ui,经降压变压器T变为幅值可调的交流电,然后经整流器U整流为脉动的直流电,最后经滤波、缓冲、输出反馈、稳压为负载提供直流稳压电源。 在线性直流电源中开关管工作在线性放大状态,直流稳压电路的种类较多,为了不失线性直流电源的一般化,此处选取常用的带放大环节的串联型稳压电路,其中VT1为功率调整管,VT2与R3组成比较放大电路。 假设变压器T的一次侧电压为U1,二次侧电压为U2,变压比为n:1,负载电压为Uo,Ui为工频电网电压,若不计及变压器一次侧损耗、变压器漏抗。 则当空载时,负载获得的平均电压最大为:实际设计时,往往根据负载的情况确定电容C1的值。 2引入Buck变换器的直流稳压电源变换器的结构及工作原理Buck变换器原理图如图2所示,其中Ui为直流电源,V为IGBT(绝缘栅双极晶体管),D为二极管,L为电感,C为电容,R、RL均为电阻。

其工作原理简述如下:在某一时刻,驱动信号控制开关管V导通,电源Ui向负载RL供电,负载电压Uo=Ui,负载电流io按指数曲线上升。

当开关管V关断时,负载电流经二极管D续流,负载电压Uo近似为0,负载电流呈指数曲线下降。 若所取电感L值较大,则负载电流连续且输出脉动较小[8]。

假设V的一个通断周期为T,导通时间为ton,关断时间为toff,导通占空比为α,则负载电压的平均值:由式(3)可知,输出到负载的电压平均值Uo最大为Ui,减小占空比α,Uo随之减小。

引入Buck变换器的直流稳压电源由于传统线性直流电源存在的上述问题,本文将Buck变换器引入其中,同时去除了前置的交流变压器,将线性直流电源变换为体积小、重量轻的开关电源。

其电路原理图如图3所示,其中Ui为电网引入的220V工频交流电,U为整流器,C1为滤波电容,C2为稳压电容,C3为缓冲电容,V1、V2为IGBT开关管,VD1、VD2、VD3均为二极管,L1、L2为电感,R1、RL为电阻。 其工作原理简述如下:220V工频交流电,经整流器U整流得到纹波较大的直流电,经滤波电容C1滤波,然后经稳压装置稳压形成较为稳定的直流电。 其输出到负载的功率,可由后置的Buck变换器进行调节,通过调节主开关管V1的占空比,即可得到输出功率合适的直流电。

图中V2、VD1、L1、C3构成辅助电路,其作用是实现主开关管的零电压关断与开通。

假设V1的导通比为α,负载电压为Uo,电容C1两端的电压为Uc1,Ui为电网电压的有效值,若不计及电路中电感的感抗,则当空载时,负载获得的电压最大为:由上述分析不难看出,含Buck变换器的直流电源比线性直流电源更容易进行调节,通过控制开关管的导通比可以满足不同直流输出的要求。

而线性直流电源的输出受负载的大小影响较大,而较难实现不同直流电源实时输出的要求。

在高压水射流的应用中,对于系统响应的实时性有较高的要求,在不同的应用环境下负载往往存在较大的变化。

因而,通过以上理论分析可以看出,含Buck变换器的直流电源能够更好的适应高压水射流的应用需求,下面通过仿真实验分析加以说明。