1 引言
當前，城市燃氣、輸油、輸水、電力電纜、通訊光纖等埋地管線越來越密集復(fù)雜，管道防腐層由于埋地時間長而出現(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。現(xiàn)代的管道防腐一般采用電化學(xué)原理，實行陰極保護的方法，向被保護金屬管道通入合適的直流電，使其對于陽極接地裝置變成一個大陰極，對保護管道形成保護電位，從而使腐蝕降低到最低限度，進而延長管道的使用壽命。
隨著微電子技術(shù)、計算機技術(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、少維護甚至免維護、智能化、適于遠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 外加電流陰極保護系統(tǒng)
從陰極保護原理中得知，由外部直流電源向被保護的金屬構(gòu)筑物施加陰極電流，可使其發(fā)生陰極極化，達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系統(tǒng)的3個組成部分：直流電源，輔助陽極和被保護的陰極。如圖1為埋地管線外加電流陰極保護系統(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)進入了逆變時代。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來改變導(dǎo)通比。PWM控制方式以其電路簡單、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)變換器拓撲電路分析
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，即通常所說的無變壓器式時間比例控制(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電壓源，輸出也是一個電壓源。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電流源，輸出也是一個電流源。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撲結(jié)構(gòu)形式，采用電壓型反饋控制模式。 半橋電路的原理圖如圖3。
4 主電路設(shè)計
4.1 輸入級的結(jié)構(gòu)設(shè)計
在開關(guān)整流模塊中，輸入級的結(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，所以他們在逆變電路中其中的應(yīng)用范圍也不相同。在設(shè)計中，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型號選擇為IRFP450。
4.3 驅(qū)動電路的選擇
在大功率場合，VMOSFET的驅(qū)動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)動電路存在抗干擾能力差，信號傳輸頻率低等缺點(一般不超過20KHz)；當本電路中開關(guān)頻率為100kHz，采用變壓器耦合驅(qū)動具有經(jīng)濟實用的優(yōu)點。
本設(shè)計中，選用變壓器驅(qū)動方式，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
5.1 電壓模式的PWM控制器SG3525A簡介
本設(shè)計中的脈寬調(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與誤差放大器輸出信號進行比較，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(如3525/7)為民用品，是美國硅通公司率先制造出來的。我國相應(yīng)的型號為CW1525A和CW1327。SG3525A是標準的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
6.1 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計
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計算機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時間，能自動完成掃描顯示。
6.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計
本監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)主要是完成如下功能：
(1) 實現(xiàn)防腐電源輸出電壓給定信號的設(shè)置；
(2) 顯示采樣電壓；
(3) 顯示采樣電流；
(4) 顯示當前功率值。
7 結(jié)論
本設(shè)計根據(jù)陰極保護工藝的要求，研究了高頻開關(guān)電源的基本原理，并結(jié)合計算機控制技術(shù)，設(shè)計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)計簡單、可靠，且成本低，可廣泛用于埋地管線防腐工程。
參考文獻：
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)電源實用技術(shù)，電子工業(yè)出版社 2001.9
3 馬忠梅等 單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(修訂版)，北京航空航天大學(xué)出版社 2001.1
當前，城市燃氣、輸油、輸水、電力電纜、通訊光纖等埋地管線越來越密集復(fù)雜，管道防腐層由于埋地時間長而出現(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。現(xiàn)代的管道防腐一般采用電化學(xué)原理，實行陰極保護的方法，向被保護金屬管道通入合適的直流電，使其對于陽極接地裝置變成一個大陰極，對保護管道形成保護電位，從而使腐蝕降低到最低限度，進而延長管道的使用壽命。
隨著微電子技術(shù)、計算機技術(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、少維護甚至免維護、智能化、適于遠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 外加電流陰極保護系統(tǒng)
從陰極保護原理中得知，由外部直流電源向被保護的金屬構(gòu)筑物施加陰極電流，可使其發(fā)生陰極極化，達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系統(tǒng)的3個組成部分：直流電源，輔助陽極和被保護的陰極。如圖1為埋地管線外加電流陰極保護系統(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)進入了逆變時代。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來改變導(dǎo)通比。PWM控制方式以其電路簡單、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)變換器拓撲電路分析
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，即通常所說的無變壓器式時間比例控制(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電壓源，輸出也是一個電壓源。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電流源，輸出也是一個電流源。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撲結(jié)構(gòu)形式，采用電壓型反饋控制模式。 半橋電路的原理圖如圖3。
4 主電路設(shè)計
4.1 輸入級的結(jié)構(gòu)設(shè)計
在開關(guān)整流模塊中，輸入級的結(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，所以他們在逆變電路中其中的應(yīng)用范圍也不相同。在設(shè)計中，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型號選擇為IRFP450。
4.3 驅(qū)動電路的選擇
在大功率場合，VMOSFET的驅(qū)動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)動電路存在抗干擾能力差，信號傳輸頻率低等缺點(一般不超過20KHz)；當本電路中開關(guān)頻率為100kHz，采用變壓器耦合驅(qū)動具有經(jīng)濟實用的優(yōu)點。
本設(shè)計中，選用變壓器驅(qū)動方式，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
5.1 電壓模式的PWM控制器SG3525A簡介
本設(shè)計中的脈寬調(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與誤差放大器輸出信號進行比較，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(如3525/7)為民用品，是美國硅通公司率先制造出來的。我國相應(yīng)的型號為CW1525A和CW1327。SG3525A是標準的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
6.1 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計
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計算機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時間，能自動完成掃描顯示。
6.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計
本監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)主要是完成如下功能：
(1) 實現(xiàn)防腐電源輸出電壓給定信號的設(shè)置；
(2) 顯示采樣電壓；
(3) 顯示采樣電流；
(4) 顯示當前功率值。
7 結(jié)論
本設(shè)計根據(jù)陰極保護工藝的要求，研究了高頻開關(guān)電源的基本原理，并結(jié)合計算機控制技術(shù)，設(shè)計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)計簡單、可靠，且成本低，可廣泛用于埋地管線防腐工程。
參考文獻：
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)電源實用技術(shù)，電子工業(yè)出版社 2001.9
3 馬忠梅等 單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(修訂版)，北京航空航天大學(xué)出版社 2001.1
