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基于PS-FB-ZVZCS的稀土电解电源的研究

作　者: 宋坚锋
导　师: 贲洪奇
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 稀土电解电源移相全桥软开关损耗分析热回路设计电磁兼容
分类号: TM461.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近几年,随着各国“稀土价格战”的不断升级,国内有关部门及稀土行业对稀土的开采和电解越发重视,作为电解稀土用的电解电源又一次被提上议程。IGBT具有体积小、反应速度快、反向恢复时间短、功耗小等优点。稀土电解电源采用IGBT作为开关管,解决了以往电解稀土用的可控硅整流电源体积大、效率低等缺点。同时,采用IGBT作为开关管,提高了开关电源频率,优化了电源的输出性能。通过对移相全桥软开关(FB-ZVZCS)的拓扑结构以及大、中功率开关电源副边整流回路的研究分析和探讨比较,确定了主电路原边采用串联饱和电感和阻断电容的FB-ZVZCS拓扑结构,主电路副边采用全波整流方式。主电路原边串联饱和电感,缩短了变换器的换流时间,防止了占空比的丢失;串联阻断电容,帮助了原边电流复位,同时还具有防止高频变压器偏磁的作用。建立了稀土电解电源损耗模型,分析了稀土电解电源中IGBT开关管、高频变压器及副边整流二极管等器件的损耗情况,根据此,选择了稀土电解电源中有关主要器件的型号和参数,计算了单个模块在某一个工作点的效率,预测了稀土电解电源的效率。结果表明,此种模型计算预测的效率与实测计算的效率相差不到50W。根据器件损耗的不同,结合主电路的拓扑结构,对稀土电解电源热回路进行了设计。分析了稀土电解电源系统中产生电磁干扰的原因,并对产生电磁干扰的干扰源进行了分析和处理。从磁性器件入手,设计和优化了高频变压器和饱和电感等磁性器件,减小了磁性器件本身对电源的干扰以及磁性器件相互间的干扰。除此之外,对电源系统中的其他干扰源及易受干扰的部位采用屏蔽、吸收等方法进行处理,从而提高了电源系统的稳定性及电磁兼容性能。研制了一台输入电压380V,输出电压0～15V可调,输出电流0～15000A的稀土电解电源样机,采集和分析了超前臂和滞后臂的电压电流波形,验证了超前臂的零电压(ZVS)开通以及滞后臂的零电流(ZCS)关断,实现了稀土电解电源在全工作范围内的软开关;对稀土电解电源的整机效率进行了测试和计算,结果表明,此稀土电解电源效率可达81%以上。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-10
  1.2 稀土电解工艺概述及其对电源的要求  10-15
    1.2.1 稀土工业概述  10-11
    1.2.2 稀土生产的工艺技术  11-14
    1.2.3 稀土电解对电源的要求  14-15
  1.3 稀土电解电源的技术要求及其方案的确定  15
  1.4 本课题研究的主要内容  15-16
第2章稀土电解电源主电路的确定  16-31
  2.1 FB-ZVZCS 变换器拓扑比较  16-20
    2.1.1 变压器原边串联饱和电感的FB-ZVZCS 变换器拓扑  16-18
    2.1.2 变压器副边采用辅助网络的FB-ZVZCS 变换器拓扑  18-19
    2.1.3 变压器副边采用钳位电路的FB-ZVZCS 变换器拓扑  19-20
  2.2 几种副边整流回路比较  20-26
    2.2.1 整流管导通损耗  21-25
    2.2.2 变压器尺寸  25-26
  2.3 稀土电解电源主电路拓扑确定  26-27
  2.4 稀土电解电源主电路运行机理及模态分析  27-30
  2.5 本章小结  30-31
第3章稀土电解电源损耗分析及热回路设计  31-46
  3.1 开关电源功率损耗的数学模型  31-41
    3.1.1 输入整流模块功率损耗的数学模型  31-32
    3.1.2 逆变模块功率损耗的数学模型  32-37
    3.1.3 高频变压器模块功率损耗的数学模型  37-39
    3.1.4 输出整流模块功率损耗的数学模型  39-40
    3.1.5 饱和电感功率损耗的数学模型  40-41
  3.2 稀土电解电源功率损耗计算  41-43
  3.3 稀土电解电源热回路设计  43-45
    3.3.1 热回路设计概述  43
    3.3.2 散热器设计  43-45
  3.4 本章小结  45-46
第4章稀土电解电源磁性元件及电磁兼容设计  46-53
  4.1 主要磁性元件的设计  46-48
    4.1.1 高频变压器设计  46-47
    4.1.2 饱和电感的设计  47-48
  4.2 稀土电解电源电磁兼容性设计  48-52
    4.2.1 稀土电解电源产生电磁干扰的原因  48-51
    4.2.2 减少稀土电解电源电磁干扰的方法  51-52
  4.3 本章小结  52-53
第5章实验结果与分析  53-61
  5.1 整机实验所用主要参数和器件  53
  5.2 仿真电路建立及结果分析  53-55
    5.2.1 仿真实验电路的建立  53-54
    5.2.2 仿真实验结果及分析  54-55
  5.3 模块实验结果及分析  55-57
    5.3.1 超前臂ZVS 的波形分析及验证  56
    5.3.2 滞后臂ZCS 的波形分析及验证  56-57
  5.4 模块并联均流运行的均流实验  57-59
    5.4.1 并联均流方式比较与选择  57-58
    5.4.2 并联均流实验结果分析  58-59
  5.5 整机效率分析  59-60
  5.6 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-66
致谢  66

基于PS-FB-ZVZCS的稀土电解电源的研究

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