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模块电源在机床上的应用

作者:广州市爱浦电子来源:原创 日期:2018年5月23日 10:41
引言
当前大型机床设备上使用的模块电源虽能满足日常生产使用,但一般效率较低,造成损耗较大,造成资源浪费。本文通过对模块电源进行改进,主电路采用正激变换器并结合新型控制算法,减小开关损耗,使模块电源效率得到很大提高。
现代经济社会的生产已经离不开机械设备,而电能作为机器的血液更是发挥着关键的作用。特别是当前我国的各个产业处于高速发展阶段,电能供不应求。
为此可以考虑技术手段,采用高效率的电源,既能保证正常的生产生活,节约能源,也能取得良好的经济效益。
 
1 机床模块电源现状
电源转换效率就是电源的输入功率与输出功率的比值:即电源转换效率=电源为主机提供的即时输出功率/输入电源的即时功率×100% 。一般来说,工业用电源规范对转换效率有一定的要求。最初电源转换效率仅有60%左右,在后来的电源规范中,规定电源的转换效率满载时不得小于75% ,如今,很多设备对电源的转换效率提出了更高的要求一不得小于80% ,而华星电源设计的电源模块一般效率都在85%以上,甚至很多达到90%多的效率。目前大部分机械设备采用的常规技术设计的开关电源,虽然能够满足日常生产需要,但是效率较低,一般在满载时只能达到75%左右,这样在无形中浪费了很多资源。而且电源效率低下,将造成电源自身的损耗过大,发热量过大,散热所带来的体积、成本的差异将会非常明显。因此研究高效率开关电源技术不仅能够减少电源的设计成本,也能为日后企业生产带来经济效益。本文设计的开关电源指标:功率:30~1 000 W,效率≥85% ,电压纹波率≤0.5% 。
 
2 节能技术可行性分析及技术原理
2.1 可行性分析
一般情况下电源效率主要由以下几个因素决定:电路的拓扑结构、控制算法、开关管损耗、线路损耗、变压器损耗。普通电源采用传统电路拓扑和控制算法,电源内部电路设计较为简单,也能满足一般的应用场合,但是其效率普遍不高,这是因为有相当一部分能量损耗在开关管上。
高效率节能开关电源以正激变换器作为主电路拓扑,拓扑结构简单,元器件较少,这样消耗在主电路的能量也较少,而且采用新型的准谐振控制算法,保证开关管在电压应力为零时开通,即开关管开通损耗为零,这样在很大程度上减少了开关管损耗,大幅度提高电源效率。同时采用准谐振控制算法可以降低电源对周围电子设备的电磁干扰。
2.2 高效率节能开关电源技术原理
图1为准谐振正激变换器的基本原理图,其中Tr为变压器,Lp为原边漏感,电容Cds 包括开关管Q1的输出电容Coss 、变压器的层间电容以及电路中的其他一些杂散电容,n为变压器的原副边匝比,Rp包括变压器原边绕组的电阻以及线路电阻,L1为输出滤波电感,Cf为输出滤波电容,R为负载电阻。图2给出了准谐振变换器的主要工作波形。
 
当变压器副边的电感电流减为0时, 原边的电压不再箝位在0,电容Cd、原边电感Lp 以及电阻Rp 串联谐振,开关管Q1两端的电压Vds满足:
 
从上式可以看出,如果Vin≤nVo,开关管能够实现零电压开通;如果Vin>nVo,尽管开关管无法实现零电压开通,但是让开关管在谷底电压时刻导通仍然可以最大程度地减小开关管的开通损耗。图3为模块电源的实现框图。
 
3 仿真结果验证
电路参数:Vin=28 V,输出电压Vo=15 V,输出功率P=30 w。变压器励磁电感Lm =100μH,变压器漏感Ls=1.5μH,并联谐振电容Cs =2000 pF,原边电流检测电阻rs =0.1Ω,等效串联电阻ESR=10 mΩ,滤波电感90μH,滤波电容40μH,变压器匝数比np:ns:nt=6:6:1,fs=350 kHz。
在软件PSIM中对主电路参数和准谐振算法进行电路仿真验证,下面给出了几个主要波形。
 
由上述仿真图4、图5可以看出,采用准谐振控制时,通过谷底电压检测电路,可以保证管子在电压谷底时开通,这样可以有效的减少开通损耗,提高系统效率表1列出了分析结果。
 
4 结束语
通过理论分析和仿真证明,采用文中介绍的模块电源可以很大程度上提高模块电源的效率,并改善开关电源的性能。未来随着国家对节能减排的重视,大型机械设备不仅要有良好的机械性能,也要能达到相应的技术指标,高效率节能的机床设备必将大受欢迎。机床生产企业也必将响应国家号召,顺应趋势,采取高效率的电源,同时也能给企业带来良好的经济效益。
 
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