1 引言
當(dāng)前，城市燃?xì)?、輸油、輸水、電力電纜、通訊光纖等埋地管線越來(lái)越密集復(fù)雜，管道防腐層由于埋地時(shí)間長(zhǎng)而出現(xiàn)老化、脫落，造成管道腐蝕、穿孔，引發(fā)泄漏，爆炸等，從而造成不可估計(jì)的損失。
傳統(tǒng)的管道防腐方法是在管道上涂上油漆或纏繞復(fù)合材料作為防腐絕緣層，采用這種方式防腐的管道因防腐層容易脫落和易受腐蝕，故其使用壽命短，施工繁瑣，防腐效果差?，F(xiàn)代的管道防腐一般采用電化學(xué)原理，實(shí)行陰極保護(hù)的方法，向被保護(hù)金屬管道通入合適的直流電，使其對(duì)于陽(yáng)極接地裝置變成一個(gè)大陰極，對(duì)保護(hù)管道形成保護(hù)電位，從而使腐蝕降低到最低限度，進(jìn)而延長(zhǎng)管道的使用壽命。
隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以及系統(tǒng)可靠性和容錯(cuò)技術(shù)的提高，開發(fā)研制具有安全性好、可靠性高、不間斷供電、少維護(hù)甚至免維護(hù)、智能化、適于遠(yuǎn)程集中控制的新一代埋地管線防腐電源，就顯得非常必要，而且迫在眉睫!這也是本文研究的關(guān)鍵所在。
2 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)
從陰極保護(hù)原理中得知，由外部直流電源向被保護(hù)的金屬構(gòu)筑物施加陰極電流，可使其發(fā)生陰極極化，達(dá)到降低甚至完全抑制金屬腐蝕的目的。由此決定了外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的3個(gè)組成部分：直流電源，輔助陽(yáng)極和被保護(hù)的陰極。如圖1為埋地管線外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。
3 半橋電壓型PWM控制方案的選擇
3.1 PWM開關(guān)變換技術(shù)簡(jiǎn)介
隨著功率開關(guān)器件的全控化，電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了逆變時(shí)代。電力開關(guān)變換技術(shù)始終是電力電子技術(shù)的重要組成部分，也一直是人們的重點(diǎn)研究方向，目前比較有代表性的電力開關(guān)變換技術(shù)有脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制（PFM）和混合調(diào)制方式（PWM和PFM的混合）。
PWM是脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation)的簡(jiǎn)稱，這種方式采用恒定開關(guān)頻率(即恒定開關(guān)周期)，用改變導(dǎo)通脈沖寬度，即通過改變Ton 或Toff來(lái)改變導(dǎo)通比。PWM控制方式以其電路簡(jiǎn)單、控制方便從而在DC/DC和DC/AC電路中獲得了極為廣泛的應(yīng)用。脈寬調(diào)制型控制電路的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3.2 電力開關(guān)變換器拓?fù)潆娐贩治?br> PWM型電力開關(guān)變換器通常分為兩類，一類是基本的DC—DC變換器，即通常所說的無(wú)變壓器式時(shí)間比例控制(TRC)變換器；另一類是由變壓器和開關(guān)組成的直流變換器，它是在各種基本的DC—DC變換器中嵌入變壓器以實(shí)現(xiàn)不同的功能要求。
按照變換功能可將DC—DC變換器分為兩種，一種是電壓-電壓變換器，即這種變換器輸入是一個(gè)電壓源，輸出也是一個(gè)電壓源。屬于這種類型的有Buck變換器、Boost變換器和Buck-Boost變換器；一種是電流-電流變換器，即這種變換器輸入是一個(gè)電流源，輸出也是一個(gè)電流源。屬于這種類型的有Cuk變換器、帶有輸入濾波器的Buck變換器和帶有輸出濾波器的Boost變換器。
3.3 半橋型功率變換器的工作原理
本文選用半橋電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，采用電壓型反饋控制模式?！“霕螂娐返脑韴D如圖3。
4 主電路設(shè)計(jì)
4.1 輸入級(jí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在開關(guān)整流模塊中，輸入級(jí)的結(jié)構(gòu)如圖4所示 。從圖中可知，此部分主要由熔斷器、浪涌電壓抑制電路、自動(dòng)空氣開關(guān)、合閘控制電路、抗EMI電路等組成。
4.2 主開關(guān)器件的選擇
目前，在逆變電路中被廣泛應(yīng)用的電力電子開關(guān)器件主要有SCR，TRIS，GTO，GTR，VMOSFET和IGBT。由于他們的電流容量和開關(guān)速度各不相同，所以他們?cè)谀孀冸娐分衅渲械膽?yīng)用范圍也不相同。在設(shè)計(jì)中，電源輸出功率為500W，逆變頻率為100KHz，根據(jù)以上原則，主開關(guān)器件選用VMOSFET，VMOSFET型號(hào)選擇為IRFP450。
4.3 驅(qū)動(dòng)電路的選擇
在大功率場(chǎng)合，VMOSFET的驅(qū)動(dòng)電路不論是分立器件還是集成電路，主要采用光電耦合或變壓器耦合方式。而光電耦合型驅(qū)動(dòng)電路存在抗干擾能力差，信號(hào)傳輸頻率低等缺點(diǎn)(一般不超過20KHz)；當(dāng)本電路中開關(guān)頻率為100kHz，采用變壓器耦合驅(qū)動(dòng)具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。
本設(shè)計(jì)中，選用變壓器驅(qū)動(dòng)方式，變壓器選用的是EI-28鐵氧體磁芯(寬28mm×高20.5mm×厚11.0mm)。由于SG3525A的供電電壓15V，驅(qū)動(dòng)變壓器的副邊繞阻需要稍許降壓，并且在柵極與源極之間并聯(lián)箝位穩(wěn)壓二極管，以防范柵極浪涌電壓損壞IRFP450功率開關(guān)管，如圖5所示。
5 控制電路設(shè)計(jì)
5.1 電壓模式的PWM控制器SG3525A簡(jiǎn)介
本設(shè)計(jì)中的脈寬調(diào)制器是按反饋電壓調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈電壓的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電壓跟隨誤差電壓變化而變化。控制器SG1525/7A是目前比較理想的新型的控制器，其中3字頭編號(hào)(如3525/7)為民用品，是美國(guó)硅通公司率先制造出來(lái)的。我國(guó)相應(yīng)的型號(hào)為CW1525A和CW1327。SG3525A是標(biāo)準(zhǔn)的16腳DIP封裝芯片。
5.2 SG3525A控制電路
SG3525A的接法見圖6。
6 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
6.1 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示：
監(jiān)控系統(tǒng)選用SCB-31-5計(jì)算機(jī)板和通用鍵盤顯示板。
SCB-31-5的資源有8031、74LS373、2764、6264、ADC0809、DAC0832各一片，時(shí)鐘為6MHz；通用鍵盤顯示采用8279(通用鍵盤/顯示接口芯片)。8279能與8031的數(shù)據(jù)總線直接連接，不占用CPU時(shí)間，能自動(dòng)完成掃描顯示。
6.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)主要是完成如下功能：
(1) 實(shí)現(xiàn)防腐電源輸出電壓給定信號(hào)的設(shè)置；
(2) 顯示采樣電壓；
(3) 顯示采樣電流；
(4) 顯示當(dāng)前功率值。
7 結(jié)論
本設(shè)計(jì)根據(jù)陰極保護(hù)工藝的要求，研究了高頻開關(guān)電源的基本原理，并結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種新型的防腐電源系統(tǒng)以代替老式的相控電源系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠，且成本低，可廣泛用于埋地管線防腐工程。
參考文獻(xiàn)：
1 李愛文 現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用，科學(xué)出版社 2000.9
2 劉勝利 現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)，電子工業(yè)出版社 2001.9
3 馬忠梅等 單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)(修訂版)，北京航空航天大學(xué)出版社 2001.1
當(dāng)前，城市燃?xì)?、輸油、輸水、電力電纜、通訊光纖等埋地管線越來(lái)越密集復(fù)雜，管道防腐層由于埋地時(shí)間長(zhǎng)而出現(xiàn)老化、脫落，造成管道腐蝕、穿孔，引發(fā)泄漏，爆炸等，從而造成不可估計(jì)的損失。
傳統(tǒng)的管道防腐方法是在管道上涂上油漆或纏繞復(fù)合材料作為防腐絕緣層，采用這種方式防腐的管道因防腐層容易脫落和易受腐蝕，故其使用壽命短，施工繁瑣，防腐效果差?，F(xiàn)代的管道防腐一般采用電化學(xué)原理，實(shí)行陰極保護(hù)的方法，向被保護(hù)金屬管道通入合適的直流電，使其對(duì)于陽(yáng)極接地裝置變成一個(gè)大陰極，對(duì)保護(hù)管道形成保護(hù)電位，從而使腐蝕降低到最低限度，進(jìn)而延長(zhǎng)管道的使用壽命。
隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以及系統(tǒng)可靠性和容錯(cuò)技術(shù)的提高，開發(fā)研制具有安全性好、可靠性高、不間斷供電、少維護(hù)甚至免維護(hù)、智能化、適于遠(yuǎn)程集中控制的新一代埋地管線防腐電源，就顯得非常必要，而且迫在眉睫!這也是本文研究的關(guān)鍵所在。
2 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)
從陰極保護(hù)原理中得知，由外部直流電源向被保護(hù)的金屬構(gòu)筑物施加陰極電流，可使其發(fā)生陰極極化，達(dá)到降低甚至完全抑制金屬腐蝕的目的。由此決定了外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的3個(gè)組成部分：直流電源，輔助陽(yáng)極和被保護(hù)的陰極。如圖1為埋地管線外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。
3 半橋電壓型PWM控制方案的選擇
3.1 PWM開關(guān)變換技術(shù)簡(jiǎn)介
隨著功率開關(guān)器件的全控化，電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了逆變時(shí)代。電力開關(guān)變換技術(shù)始終是電力電子技術(shù)的重要組成部分，也一直是人們的重點(diǎn)研究方向，目前比較有代表性的電力開關(guān)變換技術(shù)有脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制（PFM）和混合調(diào)制方式（PWM和PFM的混合）。
PWM是脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation)的簡(jiǎn)稱，這種方式采用恒定開關(guān)頻率(即恒定開關(guān)周期)，用改變導(dǎo)通脈沖寬度，即通過改變Ton 或Toff來(lái)改變導(dǎo)通比。PWM控制方式以其電路簡(jiǎn)單、控制方便從而在DC/DC和DC/AC電路中獲得了極為廣泛的應(yīng)用。脈寬調(diào)制型控制電路的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3.2 電力開關(guān)變換器拓?fù)潆娐贩治?br> PWM型電力開關(guān)變換器通常分為兩類，一類是基本的DC—DC變換器，即通常所說的無(wú)變壓器式時(shí)間比例控制(TRC)變換器；另一類是由變壓器和開關(guān)組成的直流變換器，它是在各種基本的DC—DC變換器中嵌入變壓器以實(shí)現(xiàn)不同的功能要求。
按照變換功能可將DC—DC變換器分為兩種，一種是電壓-電壓變換器，即這種變換器輸入是一個(gè)電壓源，輸出也是一個(gè)電壓源。屬于這種類型的有Buck變換器、Boost變換器和Buck-Boost變換器；一種是電流-電流變換器，即這種變換器輸入是一個(gè)電流源，輸出也是一個(gè)電流源。屬于這種類型的有Cuk變換器、帶有輸入濾波器的Buck變換器和帶有輸出濾波器的Boost變換器。
3.3 半橋型功率變換器的工作原理
本文選用半橋電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，采用電壓型反饋控制模式?！“霕螂娐返脑韴D如圖3。
4 主電路設(shè)計(jì)
4.1 輸入級(jí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在開關(guān)整流模塊中，輸入級(jí)的結(jié)構(gòu)如圖4所示 。從圖中可知，此部分主要由熔斷器、浪涌電壓抑制電路、自動(dòng)空氣開關(guān)、合閘控制電路、抗EMI電路等組成。
4.2 主開關(guān)器件的選擇
目前，在逆變電路中被廣泛應(yīng)用的電力電子開關(guān)器件主要有SCR，TRIS，GTO，GTR，VMOSFET和IGBT。由于他們的電流容量和開關(guān)速度各不相同，所以他們?cè)谀孀冸娐分衅渲械膽?yīng)用范圍也不相同。在設(shè)計(jì)中，電源輸出功率為500W，逆變頻率為100KHz，根據(jù)以上原則，主開關(guān)器件選用VMOSFET，VMOSFET型號(hào)選擇為IRFP450。
4.3 驅(qū)動(dòng)電路的選擇
在大功率場(chǎng)合，VMOSFET的驅(qū)動(dòng)電路不論是分立器件還是集成電路，主要采用光電耦合或變壓器耦合方式。而光電耦合型驅(qū)動(dòng)電路存在抗干擾能力差，信號(hào)傳輸頻率低等缺點(diǎn)(一般不超過20KHz)；當(dāng)本電路中開關(guān)頻率為100kHz，采用變壓器耦合驅(qū)動(dòng)具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。
本設(shè)計(jì)中，選用變壓器驅(qū)動(dòng)方式，變壓器選用的是EI-28鐵氧體磁芯(寬28mm×高20.5mm×厚11.0mm)。由于SG3525A的供電電壓15V，驅(qū)動(dòng)變壓器的副邊繞阻需要稍許降壓，并且在柵極與源極之間并聯(lián)箝位穩(wěn)壓二極管，以防范柵極浪涌電壓損壞IRFP450功率開關(guān)管，如圖5所示。
5 控制電路設(shè)計(jì)
5.1 電壓模式的PWM控制器SG3525A簡(jiǎn)介
本設(shè)計(jì)中的脈寬調(diào)制器是按反饋電壓調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈電壓的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電壓跟隨誤差電壓變化而變化。控制器SG1525/7A是目前比較理想的新型的控制器，其中3字頭編號(hào)(如3525/7)為民用品，是美國(guó)硅通公司率先制造出來(lái)的。我國(guó)相應(yīng)的型號(hào)為CW1525A和CW1327。SG3525A是標(biāo)準(zhǔn)的16腳DIP封裝芯片。
5.2 SG3525A控制電路
SG3525A的接法見圖6。
6 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
6.1 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示：
監(jiān)控系統(tǒng)選用SCB-31-5計(jì)算機(jī)板和通用鍵盤顯示板。
SCB-31-5的資源有8031、74LS373、2764、6264、ADC0809、DAC0832各一片，時(shí)鐘為6MHz；通用鍵盤顯示采用8279(通用鍵盤/顯示接口芯片)。8279能與8031的數(shù)據(jù)總線直接連接，不占用CPU時(shí)間，能自動(dòng)完成掃描顯示。
6.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)主要是完成如下功能：
(1) 實(shí)現(xiàn)防腐電源輸出電壓給定信號(hào)的設(shè)置；
(2) 顯示采樣電壓；
(3) 顯示采樣電流；
(4) 顯示當(dāng)前功率值。
7 結(jié)論
本設(shè)計(jì)根據(jù)陰極保護(hù)工藝的要求，研究了高頻開關(guān)電源的基本原理，并結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種新型的防腐電源系統(tǒng)以代替老式的相控電源系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠，且成本低，可廣泛用于埋地管線防腐工程。
參考文獻(xiàn)：
1 李愛文 現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用，科學(xué)出版社 2000.9
2 劉勝利 現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)，電子工業(yè)出版社 2001.9
3 馬忠梅等 單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)(修訂版)，北京航空航天大學(xué)出版社 2001.1
