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Buck变换器在射流清洗设备电源中的应用

导读: 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。

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,随着电力电子功率器件的不断发展,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220 V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。

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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:

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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

2.1 Buck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。

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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:

Buck变换器在射流清洗设备电源中的应用

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。

2.2 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220 V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。

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其工作原理简述如下:

220 V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:

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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。

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