一种低压大电流可调电源及金刚石生产设备的制作方法

1.本发明涉及设备供电技术领域，尤其涉及一种低压大电流可调电源及一种金刚石生产设备。


背景技术：

2.现有金刚石生产设备的供电电源一般是通过单相可控硅调压，调压后通过一个大功率单相工频降压变压器进行降压，存在体积大、接线复杂、成本高、效率低、无法实现变频的问题；其次，在生产金刚石流程工艺中，供电电源相当于处在短路状态，在短路状态下可控硅调压导通角变小，产生谐波很大，对电网其它设备干扰大，可控硅导通角变小的时候功率因数降低，无功损耗增大，导致电网的负载容量降低；此外，采用单相调压方式容易造成三相不平衡，导致其它用电设备异常。
3.现有另一些金刚石生产设备的供电电源通过三相调压器调压，然后通过三相转单向变压器进行降压，这种供电方式虽然能够改善三相不平衡的问题，但无法解决频率不可调的问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种低压大电流可调电源及金刚石生产设备，不仅能够变频，而且具有体积小、转换效率高、功率因数高、谐波低、三相不平衡度低的优点。
5.为了解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供了一种三相转单相交流的低压大电流可调电源，包括：整流模块、高频逆变模块、高频变压器、控制模块、逆变输出模块、驱动保护模块、电压电流反馈模块以及频率调节模块；所述整流模块用于与接入三相交流电，并用于将所述三相交流电转换为直流电；所述高频逆变模块与所述整流模块连接，并用于将所述直流电转换为高频交流电；所述高频变压器与所述高频逆变模块连接，并用于降压；所述逆变输出模块与所述高频变压器连接，并用于输出负载电压；所述控制模块通过所述驱动保护模块与所述高频逆变模块连接，并分别通过所述电压电流采用模块和频率调节模块与所述逆变输出模块连接；所述驱动保护模块用于采集故障信号和驱动所述高频逆变模块，所述电压电流模块用于采集电压反馈信号和电流反馈信号，所述控制模块用于根据给定信号以及所述故障信号、电压反馈信号和电流反馈信号向所述驱动保护模块发送第一控制信号，所述驱动保护模块用于根据所述第一控制信号控制所述高频交流电的大小，所述控制模块用于根据给定信号向所述频率调节模块发送第二控制信号，所述频率调节模块用于根据所述第二控制信号控制所述负载电压的频率。
6.作为上述方案的改进，所述高频变压器包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈的一端与所述高频逆变模块的第一输出端连接，所述初级线圈的另一端与所述高频逆变模块的第二输出端连接；所述逆变输出模块包括第一链路和第二链路，所述第一链路的一端与所述次级线圈的一端连接，所述第二链路的一端与所述次级线圈的另一端连接，所述第
一链路的另一端和第二链路的另一端均与负载的一端连接，所述次级线圈的中心抽头与所述负载的另一端连接；所述第一链路和第二链路均由多个开关单元串联构成。
7.作为上述方案的改进，所述第一链路由第一开关单元和第二开关单元串联构成，所述第一开关单元包括相并联的第一开关元件和第一rc串联电路，所述第二开关单元包括相并联的第二开关元件和第二rc串联电路；所述第一开关元件的一端与所述次级线圈的一端连接，所述第一开关元件的另一端通过所述第二开关元件与所述负载的一端连接；所述第二链路由第三开关单元和第四开关单元串联构成，所述第三开关单元包括相并联的第三开关元件和第三rc串联电路，所述第四开关单元包括相并联的第四开关元件和第四rc串联电路；所述第三开关元件的一端与所述次级线圈的另一端连接，所述第三开关元件的另一端通过所述第四开关元件与所述负载的一端连接。
8.作为上述方案的改进，所述整流模块包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管；所述三相交流电的第一输出端与所述第一二极管的正极连接并与所述第二二极管的负极连接，所述三相交流电的第二输出端与所述第三二极管的正极连接并与所述第四二极管的负极连接，所述三相交流电的第三输出端与所述第五二极管的正极连接并与所述第六二极管的负极连接；所述第一二极管的负极、第三二极管的负极和第五二极管的负极相连接，所述第二二极管的正极、第四二极管的正极和第六二极管的正极相连接。
9.作为上述方案的改进，所述高频逆变模块包括第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块和第四开关模块；所述第一开关模块的一端和第二开关模块的一端与所述整流模块的正输出端连接，所述第一开关模块的另一端与所述第三开关模块的一端连接，所述第二开关模块的另一端与所述第四开关模块的一端连接，所述第三开关模块的另一端和第四开关模块的另一端与所述整流模块的负输出端连接。
10.作为上述方案的改进，所述驱动保护模块包括驱动芯片、第一光耦、第一限流电阻、第一下拉电阻、第一稳压二极管、第二稳压二极管、第七二极管、第二限流电阻、第一电容、第三限流电阻、第一led和第二led以及第一分压电阻；所述驱动芯片的第一输入端与所述第一限流电阻的一端连接，所述第一限流电阻的另一端与所述控制模块连接并通过所述第一下拉电阻接地，所述驱动芯片的第二输入端接地；所述驱动芯片的检测端与所述第一稳压二极管的负极和第二稳压二极管的负极连接，所述第一稳压二极管的正极接地，所述第二稳压二极管与所述第七二极管的正极连接，所述第七二极管的负极与所述高频逆变模块连接；所述驱动芯片的输出端通过所述第二限流电阻与所述高频逆变模块连接并与所述第一led的正极连接，所述第一led的负极通过所述第三限流电阻接地；所述驱动芯片的故障输出端与所述第二led的负极连接并通过所述第一电容接地，所述第二led的正极与所述第一光耦的阴极连接，所述第一光耦的阳极通过所述第一分压电阻与所述工作电压连接，所述第一光耦的集电极与所述控制模块连接，所述第一光耦的发射极接地。
11.作为上述方案的改进，所述电压电流反馈模块包括电压采样模块和电流采样模块，所述控制模块包括控制器、第一低通滤波器和第二低通滤波器；所述电压采样模块与所述逆变输出模块连接并用于采集所述电压反馈信号，所述电流采样模块与所述逆变输出模块连接并用于采集所述电流反馈信号；所述控制器通过所述第一低通滤波器与所述电压采样模块连接，并通过所述第二低通滤波器与电流采样模块连接。
12.作为上述方案的改进，所述电压采样模块包括运算放大器、滑动电阻、第二电容、第四限流电阻、第二下拉电阻以及rc并联电路；所述运算放大器的正输入端通过所述第四限流电阻与所述逆变输出模块连接并通过所述滑动电阻接地，所述第二电容与所述滑动电阻并联，所述运算放大器的负输入端通过所述rc并联电路与所述运算放大器的输出端连接并通过所述第二下拉电阻接地，所述运算放大器的输出端与所述控制模块连接。
13.作为上述方案的改进，所述频率调节模块包括第二光耦、第二分压电阻和第三电容；所述第二光耦的阳极与第一电压连接并通过所述第二分压电阻与所述第二光耦的阴极连接，所述第二光耦的阴极与所述控制模块连接；所述第二光耦的电源端与第二电压连接并通过所述第三电容接地，所述第二光耦的接地端接地，所述第二光耦的输出端与所述高频逆变模块连接。
14.另一方面，本发明还提供了一种金刚石生产设备，包括金刚石压机以及上述的低压大电流可调电源；所述金刚石压机与所述低压大电流可调电源连接。
15.实施本发明实施例，具有如下有益效果：
16.所述低压大电流可调电源在供电时，首先通过所述高频逆变模块将直流电转换为高频交流电，然后通过所述变压器进行降压，最后通过所述逆变输出模块输出负载电压，相对于现有的供电电源，采用了高频链逆变，变压器利用率更高，功率因数更高，谐波低，三相不平衡度更低，转换效果更高；供电时，所述控制模块通过所述驱动保护模块采集故障信号、通过所述电压电流反馈模块采集电压反馈信号和电流反馈信号并根据给定信号以及所述故障信号、电压反馈信号和电流反馈信号控制高频交流电的大小，从而实现调节负载电压的大小，以满足工艺需求，其次所述控制模块还可根据给定信号控制所述负载电压的频率，从而达到变频的效果，以满足工艺需求。此外，所述低压大电流可调电源中省去了工频变压器，相对于现有的供电电源，具有体积小、成本低、结构简单的优点。
附图说明
17.图1是本发明所提供的低压大电流可调电源的原理框图；
18.图2是本发明所提供的低压大电流可调电源的具体电路图；
19.图3是图2中控制模块的电路示意图；
20.图4是图2中逆变输出模块的放大示意图；
21.图5是图2中驱动保护模块的电路示意图；
22.图6是图2中电压采样模块的电路示意图；
23.图7是图2中频率调节模块的电路示意图。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
25.结合图1～图2所示，本发明的一实施例，提供了一种三相转单相交流的低压大电流可调电源，包括：整流模块1、高频逆变模块2、高频变压器3、控制模块4、逆变输出模块5、驱动保护模块6、电压电流反馈模块7以及频率调节模块8；所述整流模块1用于接入三相交流电，并用于将所述三相交流电转换为直流电；所述高频逆变模块2与所述整流模块1连接，
并用于将所述直流电转换为高频交流电；所述高频变压器3与所述高频逆变模块2连接，并用于降压；所述逆变输出模块5通所述高频变压器3连接，并用于输出负载电压；所述控制模块4通过所述驱动保护模块6与所述高频逆变模块2连接，并分别通过所述电压电流采用模块和频率调节模块8与所述逆变输出模块5连接；所述驱动保护模块6用于采集故障信号和驱动所述高频逆变模块2，所述电压电流模块用于采集电压反馈信号和电流反馈信号，所述控制模块4用于根据给定信号以及所述故障信号、电压反馈信号和电流反馈信号向所述驱动保护模块6发送第一控制信号，所述驱动保护模块6用于根据所述第一控制信号控制所述高频交流电的大小，所述控制模块4用于根据给定信号向所述频率调节模块8发送第二控制信号，所述频率调节模块8用于根据所述第二控制信号控制所述负载电压的频率。在本实施例中，所述电压电流反馈模块7包括电压采样模块71和电流采样模块72；所述电压采样模块71与所述逆变输出模块5连接并用于采集所述电压反馈信号，所述电流采样模块72与所述逆变输出模块5连接并用于采集所述电流反馈信号。
26.需要说明的是，所述低压大电流可调电源在供电时，首先通过所述高频逆变模块2将直流电转换为高频交流电，然后通过所述高频变压器3进行降压，最后通过所述逆变输出模块5输出负载电压，相对于现有的供电电源，采用了高频链逆变，变压器利用率更高，功率因数更高，谐波低，三相不平衡度更低，转换效果更高；供电时，所述控制模块4通过所述驱动保护模块6采集故障信号、通过所述电压电流反馈模块7采集电压反馈信号和电流反馈信号并根据给定信号以及所述故障信号、电压反馈信号和电流反馈信号控制高频交流电的大小，从而实现调节负载电压的大小，以满足工艺需求，其次所述控制模块4还可根据给定信号控制所述负载电压的频率，从而达到变频的效果，以满足工艺需求。此外，所述低压大电流可调电源中省去了工频变压器，相对于现有的供电电源，具有体积小、成本低、结构简单的优点。
27.下面对该低压大电流可调电源进行具体展开：
28.一、控制模块
29.如图3所示，所述控制模块4包括控制器u2、第一低通滤波器41、第二低通滤波器42、第一滤波单元43和第二滤波单元44；所述控制器4通过所述第一低通滤波器41与所述电压采样模块81连接并通过所述第二低通滤波器42与电流采样模块82连接，所述控制器u2的第一信号输入端(引脚7)依次通过所述第一滤波单元43和限流电阻r3与外部输入设备连接并用于获取第一给定信号，所述控制器u2的第二信号输入端(引脚16)依次通过所述第二滤波单元44和限流电阻r11与外部输入设备连接并用于获取第二给定信号。其中，所述第一低通滤波器41由电阻r12和电容c7构成，所述第二低通滤波器42由电阻r13和电容c6构成，所述第一滤波单元43由电解电容c3、电阻r2和电容c2构成，所述第二滤波单元44由电解电容c5、电阻r10和电容c4构成。在本实施例中，所述控制器u2的型号优选为pic16f689-i/ss，但不限于此，能够实现上述功能即可。
30.二、整流模块
31.如图2所示，所述整流模块1包括第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5和第六二极管d6；所述三相交流电的第一输出端ua与所述第一二极管d1的正极连接并与所述第二二极管d2的负极连接，所述三相交流电的第二输出端ub与所述第三二极管d3的正极连接并与所述第四二极管d4的负极连接，所述三相交流电的第
三输出端uc与所述第五二极管d5的正极连接并与所述第六二极管d6的负极连接；所述第一二极管d1的负极、第三二极管d3的负极和第五二极管d5的负极相连接以作为所述整流模块1的正输出端s1+，所述第二二极管d2的正极、第四二极管d4的正极和第六二极管d6的正极相连接以作为所述整流模块1的负输出端s1-。在本实施例中，所述整流模块1还通过rc并联电路(由电阻r1和电容c1并联构成)与所述高频逆变模块2连接，所述rc并联电路中的电容c1用于滤波和吸收高频开关尖峰，电阻r1的主要作用是断电时将储存的电能放掉，防止维修人员触电。
32.三、高频逆变模块
33.如图2所示，高频逆变模块2包括第一开关模块q1、第二开关模块q2、第三开关模块q3和第四开关模块q4，在本实施例中，第一开关模块q1、第二开关模块q2、第三开关模块q3和第四开关模块q4均优选为igbt模块，所述igbt模块是由igbt芯片和续流二极管通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品。在其他实施例中，所述第一开关模块q1、第二开关模块q2、第三开关模块q3和第四开关模块q4还可以是碳化硅或者其它开关器件。
34.具体地，所述第一开关模块q1的集电极和第二开关模块q2的集电极与所述整流模块的正输出端连接，所述第三开关模块q3的发射极和第四开关模块q4的发射极与所述整流模块的负输出端连接；所述第一开关模块q1的发射极与所述第三开关模块q3的集电极连接以作为所述高频逆变模块2的第一输出端ha1，所述第二开关模块q2的发射极与所述第四开关模块q4的集电极连接以作为所述高频逆变模块2的第二输出端ha2。所述高频逆变模块2采用pwm脉宽调制控制开关模块的导通或截止，当所述高频逆变模块2接上直流电后，所述第一开关模块q1和第四开关模块q4与所述第二开关模块q2和第三开关模块q3交替导通，以使所述高频变压器3的初级线圈上形成正负交变方波，进而产生高频交流电。
35.四、高频变压器
36.如图2所示，所述高频变压器3包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈的一端与所述高频逆变模块2的第一输出端连接，所述初级线圈的另一端与所述高频逆变模块2的第二输出端连接。
37.五、逆变输出模块
38.结合图2和图4所示，所述逆变输出模块5包括第一链路51和第二链路52，所述第一链路51的一端与所述次级线圈的一端连接，所述第二链路52的一端与所述次级线圈的另一端连接，所述第一链路51的另一端和第二链路52的另一端均与负载r2的一端连接，所述次级线圈的中心抽头与所述负载的另一端连接；所述第一链路51和第二链路52均由多个开关单元串联构成。具体地：
39.所述第一链路51由第一开关单元和第二开关单元串联构成，所述第一开关单元包括相并联的第一开关元件q5和第一rc串联电路(由电容c21和电阻rca25-rca30串联构成)，所述第二开关单元包括相并联的第二开关元件q6和第二rc串联电路(由电容c22和电阻rca31-rca36串联构成)，在本实施例中，所述第一开关元件q5和第二开关元件q6优选为mos管。在其他实施例中，所述第一开关元件q5和第二开关元件q6还可以是碳化硅或者其它开关器件。
40.具体地，所述第一开关元件q5的漏极与所述次级线圈的一端连接，所述第一开关元件q5的源极与所述第二开关元件q6的源极连接，所述第二开关元件q6的漏极与所述负载
r2的一端连接。
41.所述第二链路52由第三开关单元和第四开关单元串联构成，所述第三开关单元包括相并联的第三开关元件q7和第三rc串联电路(由电容c23和电阻rca37-rca42串联构成)，所述第四开关单元包括相并联的第四开关元件q8和第四rc串联电路(由电容c24和电阻rca43-rca48串联构成)，在本实施例中，所述第三开关元件q7和第四开关元件q8优选为mos管。在其他实施例中，所述第三开关元件q7和第四开关元件q8还可以是碳化硅或者其它开关器件。
42.具体地，所述第三开关元件q7的漏极与所述次级线圈的另一端连接，所述第三开关元件q7的源极与所述第四开关元件q8的源极连接，所述第四开关元件q8的漏极与所述负载的一端连接。
43.同理，所述逆变输出模块5采用pwm脉宽调制控制开关元件的导通或截止，进而通过控制每根链路的导通时间来实现变频。其中，每个rc串联电路用于吸收开关元件的开关尖峰，使开关元件工作更稳定，同时用于避免振荡。
44.六、所述驱动保护模块
45.如图5所示，所述驱动保护模块6包括驱动芯片u1、第一光耦u5、第一限流电阻r1、第一下拉电阻r3、第一稳压二极管z5、第二稳压二极管z1、第七二极管(由二极管d27和二极管d28串联构成)、第二限流电阻r2、第一电容c5、第三限流电阻r4、第一led d4和第二led d6以及第一分压电阻r14；所述驱动芯片u1的第一输入端in1与所述第一限流电阻r1的一端连接，所述第一限流电阻r1的另一端与所述控制器u2连接并通过所述第一下拉电阻r3接地，所述驱动芯片u1的第二输入端in2接地；所述驱动芯片u1的检测端detect与所述第一稳压二极管z5的负极和第二稳压二极管z1的负极连接，所述第一稳压二极管z5的正极接地，所述第二稳压二极管z1与所述第七二极管的正极连接，所述第七二极管的负极与所述高频逆变模块2连接；所述驱动芯片u1的输出端vout通过所述第二限流电阻r2与所述高频逆变模块2连接并与所述第一led d4的正极连接，所述第一led d4的负极通过所述第三限流电阻r4接地；所述驱动芯片u1的故障输出端fault out与所述第二led d6的负极连接并通过所述第一电容c5接地，所述第二led d6的正极与所述第一光耦u5的阴极连接，所述第一光耦u5的阳极通过所述第一分压电阻r14与所述工作电压连接，所述第一光耦u5的集电极与所述控制器u2连接，所述第一光耦u5的发射极接地。在本实施例中，所述控制器u2向所述驱动芯片u1发送pwm信号，所述驱动芯片u1根据所述pwm信号控制所述高频逆变模块2中igbt模块的导通情况，进而控制所述高频交流电的大小。其次，当正常工作时，所述驱动芯片u1的故障输出端fault out输出高电平，所述第一光耦u5的发射端截止，导致所述第一光耦u5的接收端截止；当发生电流突然上升(过流)、电压突然上升(过压)等异常情况时，所述驱动芯片u1的故障输出端fault out输出低电平，所述第一光耦u5的发射端导通，导致所述第一光耦u5的接收端导通以产生故障信号并发送至所述控制器u2。其中，所述第一稳压二极管z5和第二稳压二极管z1用于保护所述驱动芯片u1，所述第一led d4用作工作指示灯，所述第二led d6用作故障指示灯。
46.七、电压采样模块
47.如图6所示，所述电压采样模块71包括运算放大器u3a、滑动电阻vk1、第二电容c11、第四限流电阻r15、第二下拉电阻r16以及rc并联电路(由电阻r14和电容c8并联构成)；
所述运算放大器u3a的正输入端通过所述第四限流电阻r15与所述逆变输出模块5连接并通过所述滑动电阻vk1接地，所述第二电容c11与所述滑动电阻vk1并联，所述运算放大器u3a的负输入端通过所述rc并联电路与所述运算放大器u3a的输出端连接并通过所述第二下拉电阻r16接地，所述运算放大器u3a的输出端与所述控制器u2连接。其中，所述滑动电阻vk1用于分压，通过调节所述滑动电阻vk1的阻值来改变所述电压反馈信号的大小，满足不同工艺需求的电压。
48.八、电流采样模块
49.电路结构与所述电压采样模块71类似，不再赘述。
50.九、频率调节模块
51.如图7所示，所述频率调节模块8包括第二光耦u4、第二分压电阻r4和第三电容c1；所述第二光耦u4的阳极与第一电压连接并通过所述第二分压电阻r4与所述第二光耦u4的阴极连接，所述第二光耦u4的阴极与所述控制器u2连接；所述第二光耦u4的电源端与第二电压连接并通过所述第三电容c1接地，所述第二光耦u4的接地端接地，所述第二光耦u4的输出端与所述高频逆变模块2连接。当所述控制器u2向所述第二光耦u4的阴极输出高电平，所述第二光耦u4的发射端截止，导致所述第二光耦u4的接收端截止；当所述控制器u2向所述第二光耦u4的阴极输出低电平，所述第二光耦u4的发射端导通，导致所述第二光耦u4的接收端导通，进而控制所述负载电压的频率。
52.相应地，本发明还提供了一种金刚石生产设备，包括金刚石压机以及上述的低压大电流可调电源；所述金刚石压机与所述低压大电流可调电源连接。
53.综上所述，采用本发明实施例，不仅能够变频，而且具有体积小、转换效率高、功率因数高、谐波低、三相不平衡度低的优点。
54.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。