[发明专利]嵌入式智能节点型模块式高频软开关电解电源

说明书

技术领域

本发明涉及光机电一体化技术领域，还涉及金属冶炼与加工技术、电力电子技术、高频逆变技术、数字化控制技术以及自动控制理论与技术领域，具体是指一种嵌入式智能节点型模块式高频软开关电解电源。

背景技术

我国高能耗工业领域(电解铝、电解铜、电镀、电解锰、电泳等)的电能消耗超过生产总成本的一半以上，是主要的特大耗能用户，其主要能耗集中在电源装备电能转换过程及工艺实施过程。例如，电解铝是高能耗产业之一，其耗电量约占到整个有色金属行业(包括铝、铜、铅、锌等10类高耗能产品)能耗的60％，出口电解铝被称为“出口国家电力”。统计数字显示，2006年，我国电解铝产量为935万吨，综合交流电耗为14671千瓦时/吨，总耗电1372亿千瓦时，占全国电力消费的5％，而同年电解铝的总产值还不到国内GDP的1％。自2004年以来，电解铝行业一直是国家宏观调控的重点领域。

在电解铝的生产过程中，如采用传统的硅整流电源设备，效率一般为65％，电解1吨铝的设备内部耗电为5136度；如采用晶闸管电源设备，效率一般为75％，电解1吨铝的设备内部耗电为3668度。随着国民经济的快速发展，我国已逐渐成为“全球加工基地”，近几年电解铝的产量猛涨，2005年突破780万吨，2006年突破935万吨，2007年预计突破1100万吨，耗电1614亿度。此外，2006年，我国精炼铜产量约为295万吨，电解锌产量约为300万吨，我国十种有色金属总产量将超过1800万吨，这些有色金属的制造过程耗电量巨大，高达270亿KVA。

由于受到器件质量以及科技水平的限制，目前的大功率/特大功率电解电源基本上都是采用效率低、对网电冲击大、无功损耗大的传统硅整流式、可控硅式电源，电源装备电能转换过程中电能损耗巨大。它们消耗的铜铁铝材也特别多，而且控制、调节性能和输出稳定性较差，直接影响电解、电镀生产效率与质量的提高。

20世纪70年代末期以来，逆变技术因其高效节能省材等优点开始得到越来越多的关注，被誉为“明天的电源”、“新一代的电源”。采用逆变技术是解决以上这些问题的好方法。首先，逆变技术大幅度提高电源的转换频率，使得电源主变压器的体积、质量大幅度地减小；同时，由于电子功率器件工作于开关状态，变压器等可以采用铁损系数很小的磁芯材料，效率得到极大地提高；由于主电路中存在电容，功率因数得到提高，节能效果明显；此外，由于工作频率很高，主电路中滤波电感值小，电磁惯性小，易于获得良好的动特性，因此可控性好。

目前，严重制约大功率特种工业逆变电源发展的问题之一就是其对环境的污染问题，“电磁污染”已经继“水、气、渣、声”之后被确定为第五大环境污染源。为进一步提高我国电气电子产品的安全性和可靠性，电气电子产品的电磁兼容性要求将纳入国家强制性产品认证范围。在出口方面，由于受欧盟指令的限制，我国特种工业逆变电源产品很难进入欧洲市场。中国已经加入WTO，随着世界经济一体化进程的加快，如不加快逆变电源的“绿色化”改造进程，国产的特种工业逆变电源很可能被挤出国际甚至国内市场。采用软开关高频逆变技术，不仅可以有效改善功率器件工作环境、提高系统可靠性，还可以有效地降低大功率特种工业电源的电磁干扰，提高逆变电源的电磁兼容性。

此外，数字化控制易于采用先进的控制方法和智能控制算法，使得工业电源的智能化程度更高，性能更加完美；能够容易的实现恒电压或者恒电流自动控制、恒电流密度的智能控制和脉冲电流多参数的匹配与控制。通过高频下的低频脉冲调制，获得断续的方波和其它任意脉冲波形的电流输出以及通过断比、峰值电流密度、脉冲频率调节等，实现脉冲多参数的优化匹配，提高工艺质量和生产效率。它是今后发展和普及推广的电解技术。

因此，采用具有显著高效节能环保、节材、高可靠性的大功率高频电源装置，代替传统的硅整流电源、晶闸管电源设备，并以此为平台对其工艺工程进行过程智能监控，实现能量的合理配置，达到节能增效的目的，将具有重要的经济价值和社会意义。在大功率电解电源领域，目前还未见有采用基于ARM的智能节点型模块式电解电源结构，通过积木式方式增大功率输出的报到，也未见有数字化控制的采用软开关高频逆变技术的产品报道。

发明内容