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数字式5kW紫外灯电子镇流器的研究与设计


发布日期:2022-05-11 04:28   来源:未知   阅读:

  紫外线固化是辐射固化的一类,是一种光化学过程,它利用紫外线灯进行照射,将工业中广泛使用的油墨、油漆、黏合剂等加以瞬间固化。与传统的热固化技术相比,紫外光固化提高了生产速度,减少了废品率,增强了耐擦伤性和耐溶剂性,具有更好的附着力。大多数企业选用变压器镇流器作为紫外线固化系统,该镇流器工作在工频50 Hz,体积笨重,发热量大,且调节功率速度缓慢,而能工作在0.02~20 kHz的频率,可实现输出功率的快速可调,同时自身能耗却非常小,且由于输出为方波,与传统变压器镇流器输出的正弦波相比,可获得更好的固化效果。此处的研究目标就是研制一套针对紫外线固化系统的绿色、稳定、智能、数字化的高性能大功率。

  紫外灯是典型的气体放电灯,具有强烈的负阻抗特性。典型的紫外灯的电压、电流与时间的特性曲线所示。

  在点亮前阶段,随着电场的进一步增强,所有带电粒子全部到达阴极,此时电流达到饱和,电流数值从数毫安到数十毫安,灯的等效内阻非常大。当电压升高,且大于灯的击穿电压后,紫外灯进入击穿阶段工作。此时,强电场使初始带电粒子速度急速增加,它们又与中性气体氩气原子碰撞使之电离,从而形成更多的电子,这样电子数目雪崩似地增加,同时随着温度的升高,汞也随之汽化,进而使电子产生速率加快,从宏观上看也就是灯管的等效内阻大幅下降,电流迅速飙升。同时在镇流器的作用下,为了不至于将灯烧毁,管压也会迅速下降,以保证紫外灯电流在一个合理的范围内,该过程是辉光放电阶段。之后为预热阶段,该阶段是辉光转弧光放电阶段,随着灯管温度的上升,其电阻也呈非线性地增大,此时灯管电流和电压也慢慢上升,直到它们都升到额定工作的电压和电流,此时灯管的电阻、电压、电流将会保持在一个动态的平衡状态,该时刻便进入弧光放电阶段工作。由上述分析可知,紫外灯的启动过程可分为高压击穿、辉光放电、辉光转弧光放电、弧光放电4个阶段。

  由不控整流和全桥逆变组成的两级拓扑不适用于大功率电子镇流器,结合此处所使用的5 kW紫外灯冷态击穿电压为480~500 V,采用380 V三相工频电压整流后电压波动为510~610 V,因此无需将母线电压经过Boost电路产生紫外灯的击穿电压,因此这里将在保留传统三级电子镇流器优点的同时,选择适合于所用紫外灯的电路拓扑。其中第1级为无源PFC电路,是一颗矽钢片制成的工频电感,接在整流滤波电解电容之前,它利用电感线圈内部电流不能突变的原理调节电路中电压与电流的相位差,使电流趋向于正弦化以提高功率因数。第2级与第3级继承了传统的三级式电子镇流器的形式。第2级Buck电路实现对灯电流和功率的调节,控制从灯击穿到稳态工作的所有过程,是整个电路的核心。第3级为全桥逆变,不进行调制仅为灯提供20~400 Hz,14~17 kHz方波交流电。主电路如图2所示。

  Buck电路是该电路的核心,在此着重分析其关键能量传递器件,即电感和电容的设计。在大功率Buck电路中,其电感不能按照开关电源中的计算方法设计。因为小功率的Buck电路用在恒压输出、电流不大的场合,所以在该电路中设计电感时应先根据输入电压与输出电压确定占空比,然后再根据纹波电流、电感压降等条件计算电感值,而且常规的Buck电路通常工作在电流连续模式。但在紫外灯电源中,Buck电路用来调节整个电源的输出功率致使其输出电压变化范围很宽,同时由于负载电流较大,如果工作在电流连续模式,将需要一个很大的电感,这在实际应用中实现比较困难;另外,电感工作在电流断续模式时,续流二极管能在开关管开通之前截止,可减小尖峰电流的产生。因此,采取Buck电路在最大占空比时工作在临界电流连续模式,其表达式为:

  式中:Uinmax为最大输入电压;Usat为IGBT导通管压降;Uo为Buck电路输出电压;△iL为电感纹波电流,在临界电流连续模式,其值为最大输出电流10A。

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