本發(fā)明涉及蓄電池充電領(lǐng)域，特別涉及一種大功率直流脈沖電源。

背景技術(shù)：

在電化工領(lǐng)域電解法生產(chǎn)所需的直流電源一般都有數(shù)千安培至數(shù)萬(wàn)安培，這些電源裝置絕大多數(shù)都是由整流變壓器加二極管整流器或晶閘管整流器組成，只能輸出固定的或幅度可調(diào)的直流電流。而在電化工生產(chǎn)工藝中特別希望能在特定的條件下將這種直流電變?yōu)橐环N脈沖式的直流電輸出到電解槽中。例如在高氯酸鉀生產(chǎn)過(guò)程中，如果采用脈沖直流電可以有效解決極板表面沉積和電極表面極化效應(yīng)的問(wèn)題，提高轉(zhuǎn)換效率，減少清理時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，在節(jié)能增效中會(huì)有顯著效果。

在常用的鉛酸蓄電池快速充電中也離不開(kāi)脈沖直流電。鉛酸蓄電池在充電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種極化反應(yīng)，從而阻礙充電電流的增加，延長(zhǎng)了充電時(shí)間。脈沖直流電的反向脈沖電流可以消除蓄電池充電過(guò)程中的極化反應(yīng)，可使蓄電池接受更大的充電電流，達(dá)到快速充電的目的。在大容量蓄電池組快速充電中所需的脈沖直流電的功率也是很大的。

要實(shí)現(xiàn)大功率大電流的脈沖式直流供電是一件十分困難的事，即便是采用新型大功率電子器件（如IGBT、MOSFET）生產(chǎn)這樣的脈沖式直流裝置，要想達(dá)到幾千安培到幾萬(wàn)安培的輸出電流其成本也是非常高的，經(jīng)濟(jì)性很難被市場(chǎng)所認(rèn)可。同時(shí)這樣集中式的脈沖電源在使用過(guò)程中還會(huì)存在以下問(wèn)題：1.由于IGBT的管壓降高，所以裝置的效率會(huì)低于傳統(tǒng)的整流器電源；2.裝置周期性產(chǎn)生的脈沖電流必然對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生次波干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使周邊用電設(shè)備無(wú)法正常工作；3.新型電力電子器件的可靠性比傳統(tǒng)整流器低，因?yàn)镮GBT、MOSFET的過(guò)載能力遠(yuǎn)低于整流管和晶閘管，且驅(qū)動(dòng)要求高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高效節(jié)能、性能優(yōu)良的大功率直流脈沖電源。

本發(fā)明解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是：一種大功率直流脈沖電源，包括整流電源、正極匯流母排、負(fù)極匯流母排、脈沖控制器和多個(gè)基本單元，所述整流電源的正極與正極匯流母排相連，整流電源的負(fù)極與負(fù)極匯流母排相連，多個(gè)基本單元并聯(lián)設(shè)置在正極匯流母排與負(fù)極匯流母排之間，所述脈沖控制器與每個(gè)基本單元相連。

上述大功率直流脈沖電源，所述基本單元包括若干個(gè)相互并聯(lián)的電解單元組，每個(gè)電解單元組均包括脈沖變壓器、第一電解單元、第二電解單元、脈沖工作電源和兩個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)管，第一電解單元、第二電解單元結(jié)構(gòu)相同，所述脈沖變壓器的原邊側(cè)和副邊側(cè)均為帶中心抽頭的雙線圈結(jié)構(gòu)，脈沖變壓器原邊側(cè)雙線圈的中心抽頭與脈沖工作電源的正極相連，脈沖變壓器原邊側(cè)雙線圈的兩端分別與兩個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)管的漏極相連，兩個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)管的源極均接脈沖工作電源的負(fù)極，兩個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)管的柵極均接脈沖控制器，脈沖變壓器副邊側(cè)雙線圈的中心抽頭與正極匯流母排相連，脈沖變壓器副邊側(cè)雙線圈的兩端分別與第一電解單元、第二電解單元的正極相連，第一電解單元、第二電解單元的負(fù)極均與負(fù)極匯流母排相連。

上述大功率直流脈沖電源，所述脈沖控制器包括脈沖發(fā)生器和脈沖放大器，所述脈沖發(fā)生器的輸出端與脈沖放大器的輸入端相連，脈沖放大器的輸出端與每個(gè)電解單元組的兩個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)管的柵極相連。

上述大功率直流脈沖電源，所述脈沖控制器輸入到兩個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)管柵極的脈沖信號(hào)在時(shí)序上的相位差為180°。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明的電解單元采用分布式結(jié)構(gòu)，通過(guò)帶脈沖驅(qū)動(dòng)管的脈沖變壓器并利用磁平衡原理和電量的矢量疊加效應(yīng)對(duì)每一個(gè)電解單元實(shí)現(xiàn)脈沖直流供電，容量不受限制，可滿足任何規(guī)格電壓電流等級(jí)的脈沖電源的需求。

2、本發(fā)明效率高、損耗低、非常節(jié)能。本發(fā)明以變壓器作為脈沖發(fā)生元件，其損耗遠(yuǎn)低于IGBT、MOSFET等電力電子器件的通態(tài)損耗。

3、本發(fā)明不會(huì)對(duì)供電電網(wǎng)產(chǎn)生污染。本發(fā)明的脈沖變壓器工作時(shí)并不停止整流電源的工作，整流電源本身也不受脈沖輸出電壓的影響，所以不會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生次波干擾；此外脈沖變壓器本身也是采用分時(shí)工作的方式，所需的脈沖工作電源的功率也很小，其產(chǎn)生電磁干擾也很小。

4、本發(fā)明運(yùn)行的可靠性高。本發(fā)明采用分布式結(jié)構(gòu)，每一個(gè)脈沖變壓器都是獨(dú)立環(huán)節(jié)，就是其中個(gè)別出了問(wèn)題也不會(huì)對(duì)整體設(shè)備運(yùn)行造成影響。此外，即便是脈沖控制器沒(méi)有了輸出脈沖，所有脈沖變壓器停止工作，設(shè)備仍可按常規(guī)供電方式運(yùn)行工作。

5、本發(fā)明具有成本低經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。本發(fā)明的主電源使用的是按常規(guī)方式供電的整流電源，產(chǎn)生脈沖的脈沖變壓器、脈沖工作電源、脈沖控制器生產(chǎn)成本都很低，尤其是用于現(xiàn)有設(shè)備改造時(shí)，成本優(yōu)勢(shì)更加顯著。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例一的脈沖分配時(shí)序圖。

圖3為本發(fā)明電解單元組的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明脈沖變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明電解單元的電壓電流波形示意圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例二的脈沖分配時(shí)序圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明包括整流電源、正極匯流母排1、負(fù)極匯流母排2、脈沖控制器和多個(gè)基本單元3，所述整流電源的正極與正極匯流母排1相連，整流電源的負(fù)極與負(fù)極匯流母排2相連，多個(gè)基本單元3并聯(lián)設(shè)置在正極匯流母排1與負(fù)極匯流母排2之間，所述脈沖控制器與每個(gè)基本單元3相連。

如圖3、圖4所示，所述基本單元3包括若干個(gè)相互并聯(lián)的電解單元組，每個(gè)電解單元組均包括脈沖變壓器5、第一電解單元6、第二電解單元7、脈沖工作電源8和兩個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)管9、10，第一電解單元6、第二電解單元7結(jié)構(gòu)相同，所述脈沖變壓器5的原邊側(cè)和副邊側(cè)均為帶中心抽頭的雙線圈結(jié)構(gòu)，脈沖變壓器5原邊側(cè)雙線圈的中心抽頭X與脈沖工作電源8的正極相連，脈沖變壓器5原邊側(cè)雙線圈的兩端A、B分別與兩個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)管9、10的漏極相連，兩個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)管9、10的源極均接脈沖工作電源8的負(fù)極，兩個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)管9、10的柵極分別接脈沖控制器輸出的脈沖信號(hào)Ai、Bi，脈沖變壓器5副邊側(cè)雙線圈的中心抽頭y與正極匯流母排1相連，脈沖變壓器5副邊側(cè)雙線圈的兩端a、b分別與第一電解單元6、第二電解單元7的正極相連，第一電解單元6、第二電解單元7的負(fù)極均與負(fù)極匯流母排2相連。

所述脈沖控制器包括脈沖發(fā)生器和脈沖放大器，所述脈沖發(fā)生器的輸出端與脈沖放大器的輸入端相連，脈沖放大器的輸出端與每個(gè)電解單元組的兩個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)管的柵極相連。所述脈沖控制器輸入到兩個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)管柵極的脈沖信號(hào)在時(shí)序上的相位差為180°。

電化工領(lǐng)域所用的直流電源雖然總功率很大，但每一個(gè)電解單元所需要的電流和電壓并不是很大，例如高氯酸鉀生產(chǎn)線電解槽中的單個(gè)電解單元所需的電流約130～140安培，電壓僅4.2～4.8伏。每一個(gè)基本單元（即電解槽）中會(huì)有幾十個(gè)這樣的電解單元組通過(guò)母排并聯(lián)在一起，而且電解槽之間還可以通過(guò)母排進(jìn)一步并聯(lián)使得總電流達(dá)到數(shù)千安培至數(shù)萬(wàn)安培，同時(shí)多組這樣的電解槽再通過(guò)母排串聯(lián)起來(lái)使得總電壓達(dá)到幾十伏至幾百伏，最終使得這種生產(chǎn)線對(duì)直流電源需求的總功率非常巨大。

本發(fā)明保留原有的直流供電電源，增加的脈沖變壓器原邊側(cè)和副邊側(cè)均設(shè)計(jì)為帶中心抽頭的雙線圈結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中要求脈沖變壓器副邊側(cè)線圈設(shè)計(jì)的通流能力必須滿足基本單元的最大工作電流值要求。下面以高氯酸鉀生產(chǎn)線為例介紹其原理：

取相鄰的兩個(gè)電解單元編為一組，將其正極或負(fù)極與原匯流母排斷開(kāi)，分別接入脈沖變壓器副邊側(cè)的a端和b端，脈沖變壓器副邊側(cè)中心抽頭y點(diǎn)接入正極匯流母排1上。圖3是按照從電解單元正極端插入脈沖變壓器繪制，如果在電解單元負(fù)極端插入脈沖變壓器也同樣是可行的，但此時(shí)須將中心抽頭y點(diǎn)接入負(fù)極匯流母排2上。

在任何情況下脈沖變壓器都不能有直流磁勢(shì)存在，否則其磁路將嚴(yán)重飽和，不可能正常工作。在直流電路使用脈沖變壓器的首要任務(wù)就是要消除直流磁勢(shì)。本發(fā)明用帶中心抽頭線圈結(jié)構(gòu)接兩個(gè)完全相同的負(fù)載單元，就保證了流經(jīng)脈沖變壓器兩副邊線圈的直流電所產(chǎn)生的直流磁勢(shì)大小相等、方向相反，合成磁勢(shì)為零，即脈沖變壓器處在磁平衡狀態(tài)。另外脈沖變壓器原邊側(cè)也設(shè)計(jì)為帶中心抽頭線圈結(jié)構(gòu)，Ai、Bi端輸入脈沖信號(hào)在脈沖變壓器中產(chǎn)生的磁勢(shì)方向也是相反的，但Ai、Bi端輸入脈沖信號(hào)在時(shí)序上的相位差為180°，這樣就使得脈沖變壓器在交變電勢(shì)驅(qū)動(dòng)下平均磁勢(shì)為零，保證脈沖變壓器的磁路始終處于有效性工作段，不會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)。

本發(fā)明的基本工作原理：在Ai、Bi端無(wú)脈沖信號(hào)時(shí)，匯流母排的直流電經(jīng)脈沖變壓器次級(jí)側(cè)流入兩個(gè)電解單元6和7，進(jìn)行正常供電，由于副邊線圈直流阻抗很低，產(chǎn)生的損耗也是極低的。此時(shí)有：VA=V , VB=V 。

當(dāng)Ai、Bi端有脈沖信號(hào)時(shí)，變壓器副邊側(cè)將產(chǎn)生感應(yīng)電壓Vab,Ai端脈沖和Bi端脈沖產(chǎn)生Vab電壓的極性是反向的。此時(shí)有： VA=V-Vay , VB=V+Vyb 。且 Vay=Vyb=Vab/2 ,所以 VA=V-Vab/2, VB=V+Vab/2。

由以上二式可以看出當(dāng)脈沖變壓器輸出電壓Vab為正值時(shí)電解單元6上的合成電壓將降低甚至為負(fù)值，即電解單元6此時(shí)受到負(fù)脈沖作用；而電解單元7上的合成電壓將上升，即電解單元7此時(shí)受到正脈沖作用；當(dāng)電壓Vab為負(fù)值時(shí)，電解單元7受到負(fù)脈沖作用，而電解單元6受到正脈沖作用。負(fù)脈沖正是基本單元所需的脈沖波形，正脈沖對(duì)基本單元并不是所需的脈沖波形，但是電解單元或蓄電池對(duì)正脈沖也是能夠接受的，即短暫正脈沖的對(duì)其電解過(guò)程或充電過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生有害影響。圖5 是電解單元的電壓電流波形示意圖，對(duì)于圖中波形和上述公式推演需說(shuō)明以下幾點(diǎn)：1.圖中的脈沖寬度是有所放大的，實(shí)際應(yīng)用中的脈寬要遠(yuǎn)窄于圖中顯示的比例；2.電壓波形中的正脈沖同時(shí)用虛線和實(shí)線表示，虛線代表理論值，實(shí)線代表實(shí)際值，這是由于電解單元均屬于電容性負(fù)載帶來(lái)的差異；3.這里的理論公式推演是一種簡(jiǎn)化的定性推演，因?yàn)殡娊鈫卧蛐铍姵刂惺谴嬖谟谢瘜W(xué)電勢(shì)，而這種化學(xué)電勢(shì)的大小隨著工況改變而變化，所以為簡(jiǎn)化分析過(guò)程將其忽略，同時(shí)這種忽略并不影響本發(fā)明給出的定性分析結(jié)論。

本發(fā)明接入的脈沖變壓器僅對(duì)與之相連的兩個(gè)電解單元產(chǎn)生作用，對(duì)于兩個(gè)匯流母排間并聯(lián)的其他電解單元沒(méi)有任何影響，對(duì)于串聯(lián)的匯流母排更不會(huì)產(chǎn)生影響，所以這種脈沖變壓器的使用具有很好的獨(dú)立性，可以進(jìn)行非常靈活的組合應(yīng)用。圖1和圖6就是在高氯酸鉀生產(chǎn)線中兩種不同組合使用的方法。圖中小寫字母n代表同一級(jí)并聯(lián)匯流母排間接入的脈沖變壓器個(gè)數(shù)，大寫字母N代表并聯(lián)匯流母排串聯(lián)級(jí)數(shù)。生產(chǎn)線中使用的脈沖變壓器總個(gè)數(shù)為n×N個(gè)。在圖1的組合中，脈沖控制器在一個(gè)周期需要發(fā)出2n個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖需驅(qū)動(dòng)N路脈沖變壓器。在圖6的組合中，脈沖控制器在一個(gè)周期需要發(fā)出2N個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖需驅(qū)動(dòng)n路脈沖變壓器。無(wú)論圖1還是圖6的組合均保證了每臺(tái)脈沖變壓器的兩個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間相位差為180°。圖6的脈沖分配方式有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)省脈沖連線，因?yàn)樗鼘⑼浑娊獠壑械拿}沖連線并聯(lián)起來(lái)這樣就大大減少了長(zhǎng)距離的跨接連線。

在脈沖變壓器總個(gè)數(shù)確定的條件下，脈沖控制器在一個(gè)周期中發(fā)出的脈沖數(shù)越多每個(gè)脈沖需驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器路數(shù)就越少，對(duì)脈沖工作電源功率要求就越低。脈沖控制器包括脈沖發(fā)生器和脈沖放大器兩部分組成，脈沖發(fā)生器可以由單片機(jī)或數(shù)字電路構(gòu)成，要求其產(chǎn)生的脈沖寬度和脈沖周期是可調(diào)的，以便在應(yīng)用中探索出最佳工藝參數(shù)。同樣對(duì)脈沖工作電源的輸出電壓值最好也能有一定的調(diào)整范圍，來(lái)滿足生產(chǎn)工藝要求。脈沖控制器和脈沖工作電源實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不復(fù)雜，這里就不再詳述。