基于TL494控制的大功率极化电源研究

曾小波，张小平

（1.湖南理工职业技术学院太阳能工程系，湘潭411104；2.湖南科技大学先进矿山装备教育部工程研究中心、机械设备健康维护湖南省重点实验室，湘潭411201）

基于TL494控制的大功率极化电源研究

曾小波1，2，张小平2

（1.湖南理工职业技术学院太阳能工程系，湘潭411104；2.湖南科技大学先进矿山装备教育部工程研究中心、机械设备健康维护湖南省重点实验室，湘潭411201）

针对目前电化工业电解槽极化电源主电路普遍采用晶闸管相控整流方案存在的不足，提出了采用不可控整流-斩波变流技术的新型主电路方案。设计了系统方案，介绍了系统主电路结构及工作原理，并分析了器件参数及器件选型。阐述控制电路的设计及控制方法分析，最后建立仿真模型并进行仿真分析。仿真结果表明：该方案具有输出电压稳定、谐波含量少、动态性能好等特点，能有效提高电源系统功率因数，且效率在97.5%以上，具有较好的应用价值。

极化电源；斩波调压；PWM控制；仿真

引言

极化电源是电化学整流系统中的一个中大功率直流备用电源，其主要功能有两个：一是为电解槽提供几十至几百安培的直流电流，用来进行槽电压的检测；二是当正常运行的电解槽突然或计划停车时，为电解槽提供正向极化电流，达到保护电解槽防止被腐蚀的目的［1］。传统的极化电源主电路方案常采用晶闸管相控整流技术，而且电解槽的单元电压在运行前期和运行中后期会有较大变化，因此工程设计中常采用最大槽电压设计。该种方案的弊端在于极化电源常处于控制角较大的运行状态，导致系统谐波和无功问题非常突出，电网污染严重，隔离变压器发热，能量损耗严重，且影响动力电源的稳定性。

本文提出采用不可控整流-Buck降压斩波技术设计主电路的方案，并采用TI公司的双端驱动集成芯片TL494作为电源系统核心控制器。设计中利用单片机系统给出控制电压，通过调节输出脉宽调制PWM脉冲占空比，达到控制后级Buck降压电路的输出电压，实现稳压输出电压的目的［2］。仿真结果表明，该方案设计的极化电源输出电压稳定、减少谐波和无功损耗，具有较好的应用价值。

1 系统整体设计方案

电源系统整体方案主要由主电路部分、控制电路和辅助直流电源3部分组成，如图1所示。主电路部分由二极管不可控整流电路和电容滤波实现三相不可控整流与滤波作用，而DC-DC Buck直流变换部分主要由开关管IGBT及辅助元件组成，在PWM信号的控制下，实现输出电压电流的调节功能。控制电路部分由单片机控制系统、PLC（programmable logic controller）检测系统、TL494PWM脉冲控制模块、电压电流采样、A/D转换、D/A输出及人机交互部分等组成，其中单片机系统实现采集输出电压与给定比较，并进行相关运算处理和人机交互的功能；PLC检测系统用于检测DCS（distributed control system）启停信号和电解槽实际运行电流电压值，决定控制部分的启停；PWM脉冲控制模块以TL494为核心，负责产生PWM信号并调节IGBT开关管的导通时间，达到稳定输出电压的目的；电压电流采样电路实现输出电压电路的监测功能。辅助电源为控制系统提供直流电源。

图1 系统整体框图Fig.1 Block diagram of whole system

2 主电路研究

2.1 主电路结构与原理分析

系统主电路设计思路是将DC-DC变换部分设计为降压斩波电路，系统控制部分采用脉宽调制（PWM）工作方式。通过维持开关器件IGBT控制脉冲的周期T不变，调节导通时间ton，达到稳定输出的目标。

系统主电路由二极管整流桥、滤波电容、开关管IGBT和电抗器等主要元器件组成，如图2所示。根据我国电化工业中极化电源的电压常在100～400 V范围内的情况，极化整流器设计时常采用380 V的动力电源。图中，输入端为三相交流380 V，经过整流桥整流后和大电容滤波后，得到输出直流电压UD和输入三相交流的关系［3］为

式中：α1为三相交流整流的整流系数，一般取值约为1.35；α2为平波电容滤波后电压的上升系数，一般取值为1.1。当IGBT在PWM信号的控制下，不论IGBT导通或截止，电感L1两端电压均为常数，即周期性稳态电路中电感两端的平均直流电压为0，周期性稳态电路中电感无直流电压［4］，则

设计时考虑ton＜T，输出平均电压Uo总小于UD时，则为降压斩波器，系统通过控制ton达到调节输出电压的大小。由式（1）、式（2）得出这种降压模式的极化电源输入三相交流电压和输出直流电压的关系为

由式（3）可知，只要控制α的取值，即脉冲占空比在0～98%范围调节时，输出极化直流电压可在0～507 V范围调节。考虑回路阻抗损耗和安全袼量，实际可调的极化直流电压约在0～500 V之间。

图2 极化电源主电路Fig.2 Main circuit of Polarization power supply

2.2 主电路参数计算与器件选型

系统以图2中400 V/100 A额度输出的直流稳压电源为例设计电路参数与器件选型。考虑谐波的因素，开关频率需要较大数值，结合回流电路100 A的实际情况，过高开关频率又会影响IGBT的开关损耗和瞬间峰值电压过高，因此采用5 kHz的开关频率。主要器件模型确定如下。

整流桥部分：输入端为380 V的交流电压，二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值［5］，即为×380 V；考虑开关器件在开通和关断时有瞬间峰值电压存在，并考虑器件的余量，整流模块选用电流300 A，耐压值1 200 V的三相桥整流模块；开关管IGBT，选用英飞凌公司的300 A/1200 V的半桥或单管模块。

平波电容C1、C2：由于极化电源仍相当于一个电感性器件，考虑无功消耗因素和直流电源的电压稳定性，平波电容选用2 200 μF/450 V的电解电容器，并采取2个电容串并联结构。

吸收电容C3：为了防止功率器件因瞬间的峰值电压或电流过高而损坏，提高IGBT的使用寿命，增加尖峰吸收电容，选用薄膜电容0.47 μF/1 200 V。

平波电抗器L1：根据参考文献［4］的经验公式可得，在开关频率为5 kHz的前提下，考虑到极化电源对电流的稳定性和纹波系数要求，选取3 mH/ 150 A电抗器。

3 控制电路设计

控制电路采用脉宽调制（PWM）的工作方式。脉冲调制控制由集成电路TL494产生基本PWM控制脉冲，脉冲宽度由PI调节器输出调节，保证负载电压跟随给定［5］。并且电源系统设置模拟给定和数字给定两种模式，数字控制工作状态显示均由单片机系统完成，模拟电路实现过压和过流保护，实现保护迅速动作目的。

3.1 闭环控制设计

系统闭环控制原理如图3所示，电压给定值Ug对应于400 V输出电压的反馈值。当输出电压反馈值Uf与Ug不相等时，电压PI调节器1起作用，调节输出脉冲的宽度，使输出稳定在400 V。电流给定Ig对应所要求的最大过载电流150 A（150%Ie）的反馈值If。当实际负载电流小于150%Ie时，则If＜Ig，电流PI调节器2输出小于电压调节器1的输出，脉宽调制仅由电压调节器控制，系统在电压负反馈作用下稳压运行；当负载电流超过150 A时，电流调节器的输出大于电压调节器的输出，脉冲宽度仅受电流调节器控制，电流反馈使系统执行限流动作［8］。任何时刻系统仅有一个PI调节起作用，在正常工作状况时，则只考虑电压反馈闭环。

控制电路中设计数字给定和模拟给定2种方式，当数字通讯出现故障时，可以采用模拟电位器进行调节，方便调试人员进行调试和检修。该系统中的PI调节器均采用模拟电路实现，在这种控制方案中，单片机系统只进行数值给定、电压电流状态监测和报警，可以有效地提高系统的响应速度。

图3 系统闭环控制原理框图Fig.3 Block diagram of close-loop control system principle

3.2 PWM调制电路设计

PWM输出控制电路［6］如图4所示，调制电路以TL494芯片作为PWM控制系统核心器件。TL494具有抗干扰能力强、结构简单、可靠性高以及价格便宜的等特点［7］。TL494内置5 V基准电压参考源，脚5和脚6外接电阻与电容，产生对应锯齿波并送比较器比较后产生一定周期的振荡信号，脚4为死区时间控制端，脚13为输出方式控制端，设计中将脚13接地。TL494内触发器Q1和Q2不起作用，两路输出相同，使TL494工作在单端输出方式，其频率和振荡器相同，实现PWM占空比0～98%连续可调。

电路中TL494的脚1作反馈电压输入端。Vin由模拟给定或数字给定经闭环PI控制器输出调节，控制PWM脉冲的占空比。脚5、6分别接0.1 μF的电容和10 kΩ可调电阻，产生频率可调的振荡频率。脚16用于保护动作封脉冲，也可以由按钮开关SW1手动封脉冲。为了增大TL494的输出驱动电流，提高驱动能力，将脚9和脚10并联后作为振荡脉冲输出端，并采用2个高速二极管并联输出的方式，输出最大达500 mA的电流，提高输出的驱动能力。

图4 PWM输出控制电路Fig.4 PWM output control circuit

4 仿真及结果分析

极化电源主回路仿真模型如图5所示。根据设计确定的负载容量，在Matlab/Simulink中建立了极化电源系统主回路模型并设置仿真参数为：三相交流输入为380 V，平波电容C1、C2为2 200 μF，电感L1＝50 mH，滤波电容C4为33 μF，负载R为3 Ω，开关频率6 kHz。仿真所得PWM脉冲占空比为80%和90%时的输出直流电压仿真波形分别如图6、图7所示。

图5 极化电源主回路仿真模型Fig.5 Simulation model of polarization power supply main loop

图6 占空比为80%时的输出直流电压波形Fig.6 Output DC voltage waveform with duty cycle 80%

图7 占空比为90%时的输出直流电压波形Fig.7 Output DC voltage waveform with duty cycle 90%

从图6、图7可以看出，输出电压上升速度较快，输出电压只需40 ms的时间就可以达到稳定，反应迅速，且稳定电压400 V左右，与理论计算值相近，验证了可调电压计算结果的准确性。如果进一步分析，还可以得到三相输入侧功率因数变化曲线，实际测得输入侧功率因数可高达0.975。

5 结语

本文以TI公司的TL494作为PWM控制芯片，设计了一种PWM控制的新型极化整流电源。其中过流保护与过压保护的设计直接结合TL494的特点利用硬件电路实现，具有较高的安全性与可靠性，单片机系统完成数据采集和数据运算等功能，系统具有较快的响应速度。整个控制系统结构简单、工作稳定。并采用开关器件IGBT，开关频率高，损耗小，变流效率高。通过仿真实验，并与采用相控整流技术的极化电源对比分析，该新型极化电源系统具有较高的负载调整率和电压调整率，功率因数高，效率高达97%以上，具有较高的应用价值。

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Research on High Power Polarization Power Supply Based on TL494 Control

ZENG Xiaobo1，2，ZHAN Xiaoping2
（1.Department of Solar Engineering，Hunan Vocational Institute of Technology，Xiangtan 411104，China；2.Engineering Research Center of Advanced Mining Equipment Ministry of Education，Hunan Provincial Key Laboratory of Health Maintenance for Mechanical Equipment，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China）

In view of the deficiendcy of the thyristor rectification circuit mainly adopted by polarization electrical source in electric tank of electrochemical industry，the paper puts forward a new electrocircuit plan of uncontrollable rectification-variable chopped wave technology.It designs the systematic plan，and introduces instruction and operation principle of the main circuit，and analyses the device parameter and its lectotype.The paper states the controllable circiut design and the analysis of the controll methods.Simulation model is built and analyzed at last.The results make clear that this plan has such characteristics as stable output voltage，little harmonic wave，good dynamic function and so on，which can raise the power factor of electric sourcewith the efficiency above 97.5%.The design has good application value.

polarization power；chopper；pulse width modulation（PWM）control；simulation

曾小波

荀倩

曾小波（1979-）通信作者，男，硕士研究生，讲师，研究方向：电力电子技术、嵌入式技术 ，E-mail：253124267@qq.com；

张小平（1966-），男，博士，教授，硕士生导师，研究方向：电力电子与电力传动，E-mail：zxp836@163.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.1.61

：TM 921

：A

2014-08-07

国家自然科学基金资助项目（51477047）；湖南省教育厅科学研究项目（12C1097）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51477047）；Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department（12C1097）