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)的問題，提高轉(zhuǎn)換效率，減少清理時間，降低勞動強度，在節(jié)能增效中會有顯著效果。

在常用的鉛酸蓄電池快速充電中也離不開脈沖直流電。鉛酸蓄電池在充電過程中會產(chǎn)生多種極化反應(yīng)，從而阻礙充電電流的增加，延長了充電時間。脈沖直流電的反向脈沖電流可以消除蓄電池充電過程中的極化反應(yīng)，可使蓄電池接受更大的充電電流，達到快速充電的目的。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，要想達到幾千安培到幾萬安培的輸出電流其成本也是非常高的，經(jīng)濟性很難被市場所認(rèn)可。同時這樣集中式的脈沖電源在使用過程中還會存在以下問題：1.由于IGBT的管壓降高，所以裝置的效率會低于傳統(tǒng)的整流器電源；2.裝置周期性產(chǎn)生的脈沖電流必然對電網(wǎng)產(chǎn)生次波干擾，嚴(yán)重時會使周邊用電設(shè)備無法正常工作；3.新型電力電子器件的可靠性比傳統(tǒng)整流器低，因為IGBT、MOSFET的過載能力遠低于整流管和晶閘管，且驅(qū)動要求高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，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、負極匯流母排、脈沖控制器和多個基本單元，所述整流電源的正極與正極匯流母排相連，整流電源的負極與負極匯流母排相連，多個基本單元并聯(lián)設(shè)置在正極匯流母排與負極匯流母排之間，所述脈沖控制器與每個基本單元相連。

上述大功率直流脈沖電源，所述基本單元包括若干個相互并聯(lián)的電解單元組，每個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脈沖驅(qū)動管，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脈沖驅(qū)動管的漏極相連，兩個脈沖驅(qū)動管的源極均接脈沖工作電源的負極，兩個脈沖驅(qū)動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、第二電解單元的負極均與負極匯流母排相連。

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電解單元組的兩個脈沖驅(qū)動管的柵極相連。

上述大功率直流脈沖電源，所述脈沖控制器輸入到兩個脈沖驅(qū)動管柵極的脈沖信號在時序上的相位差為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)，通過帶脈沖驅(qū)動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)對每一個電解單元實現(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，其損耗遠低于IGBT、MOSFET等電力電子器件的通態(tài)損耗。

3、本發(fā)明不會對供電電網(wǎng)產(chǎn)生污染。本發(fā)明的脈沖變壓器工作時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)明運行的可靠性高。本發(fā)明采用分布式結(jié)構(gòu)，每一個脈沖變壓器都是獨立環(huán)節(jié)，就是其中個別出了問題也不會對整體設(shè)備運行造成影響。此外，即便是脈沖控制器沒有了輸出脈沖，所有脈沖變壓器停止工作，設(shè)備仍可按常規(guī)供電方式運行工作。

5、本發(fā)明具有成本低經(jīng)濟性好的特點。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，成本優(yōu)勢更加顯著。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例一的脈沖分配時序圖。

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)明實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明實施例二的脈沖分配時序圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

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

如圖3、圖4所示，所述基本單元3包括若干個相互并聯(lián)的電解單元組，每個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和兩個脈沖驅(qū)動管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分別與兩個脈沖驅(qū)動管9、10的漏極相連，兩個脈沖驅(qū)動管9、10的源極均接脈沖工作電源8的負極，兩個脈沖驅(qū)動管9、10的柵極分別接脈沖控制器輸出的脈沖信號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的負極均與負極匯流母排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電解單元組的兩個脈沖驅(qū)動管的柵極相連。所述脈沖控制器輸入到兩個脈沖驅(qū)動管柵極的脈沖信號在時序上的相位差為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。每一個基本單元（即電解槽）中會有幾十個這樣的電解單元組通過母排并聯(lián)在一起，而且電解槽之間還可以通過母排進一步并聯(lián)使得總電流達到數(shù)千安培至數(shù)萬安培，同時多組這樣的電解槽再通過母排串聯(lián)起來使得總電壓達到幾十伏至幾百伏，最終使得這種生產(chǎn)線對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：

取相鄰的兩個電解單元編為一組，將其正極或負極與原匯流母排斷開，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，如果在電解單元負極端插入脈沖變壓器也同樣是可行的，但此時須將中心抽頭y點接入負極匯流母排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。本發(fā)明用帶中心抽頭線圈結(jié)構(gòu)接兩個完全相同的負載單元，就保證了流經(jīng)脈沖變壓器兩副邊線圈的直流電所產(chǎn)生的直流磁勢大小相等、方向相反，合成磁勢為零，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)計為帶中心抽頭線圈結(jié)構(gòu)，Ai、Bi端輸入脈沖信號在脈沖變壓器中產(chǎn)生的磁勢方向也是相反的，但Ai、Bi端輸入脈沖信號在時序上的相位差為180°，這樣就使得脈沖變壓器在交變電勢驅(qū)動下平均磁勢為零，保證脈沖變壓器的磁路始終處于有效性工作段，不會進入飽和區(qū)。

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

當(dāng)Ai、Bi端有脈沖信號時，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為正值時電解單元6上的合成電壓將降低甚至為負值，即電解單元6此時受到負脈沖作用；而電解單元7上的合成電壓將上升，即電解單元7此時受到正脈沖作用；當(dāng)電壓Vab為負值時，電解單元7受到負脈沖作用，而電解單元6受到正脈沖作用。負脈沖正是基本單元所需的脈沖波形，正脈沖對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正脈沖也是能夠接受的，即短暫正脈沖的對其電解過程或充電過程不會產(chǎn)生有害影響。圖5 是電解單元的電壓電流波形示意圖，對于圖中波形和上述公式推演需說明以下幾點：1.圖中的脈沖寬度是有所放大的，實際應(yīng)用中的脈寬要遠窄于圖中顯示的比例；2.電壓波形中的正脈沖同時用虛線和實線表示，虛線代表理論值，實線代表實際值，這是由于電解單元均屬于電容性負載帶來的差異；3.這里的理論公式推演是一種簡化的定性推演，因為電解單元或蓄電池中是存在有化學(xué)電勢，而這種化學(xué)電勢的大小隨著工況改變而變化，所以為簡化分析過程將其忽略，同時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與之相連的兩個電解單元產(chǎn)生作用，對于兩個匯流母排間并聯(lián)的其他電解單元沒有任何影響，對于串聯(lián)的匯流母排更不會產(chǎn)生影響，所以這種脈沖變壓器的使用具有很好的獨立性，可以進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代表同一級并聯(lián)匯流母排間接入的脈沖變壓器個數(shù)，大寫字母N代表并聯(lián)匯流母排串聯(lián)級數(shù)。生產(chǎn)線中使用的脈沖變壓器總個數(shù)為n×N個。在圖1的組合中，脈沖控制器在一個周期需要發(fā)出2n個脈沖，每個脈沖需驅(qū)動N路脈沖變壓器。在圖6的組合中，脈沖控制器在一個周期需要發(fā)出2N個脈沖，每個脈沖需驅(qū)動n路脈沖變壓器。無論圖1還是圖6的組合均保證了每臺脈沖變壓器的兩個脈沖驅(qū)動信號之間相位差為180°。圖6的脈沖分配方式有一個突出的優(yōu)點就是節(jié)省脈沖連線，因為它將同一電解槽中的脈沖連線并聯(lián)起來這樣就大大減少了長距離的跨接連線。

在脈沖變壓器總個數(shù)確定的條件下，脈沖控制器在一個周期中發(fā)出的脈沖數(shù)越多每個脈沖需驅(qū)動脈沖變壓器路數(shù)就越少，對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，來滿足生產(chǎn)工藝要求。脈沖控制器和脈沖工作電源實現(xiàn)起來并不復(fù)雜，這里就不再詳述。