（电气工程专业论文）基于dsp的逆变式弧焊电源设计.pdf

声明尸明 删i l l l l i q l t l i i l llll l l l l lq u y 17 8 5 6 5 8 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的逆变式弧焊电源设计， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：b 鱼虫 日期： 如盘，6 。g 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：b 譬数 日 期：滴：! 笸 导师签名： i； 文 j 气 氇 华北电力人学l ：程硕十学位论文摘要 摘要 逆变式弧焊电源以多种优势成为当今弧焊电源发展的主流方向，随着d s p 的迅速发展，其数字化控制技术更多得以d s p 为核心进行研制并且深入发展。 本设计选用i g b t 作为主电路功率变换器件，以a c d c - a c d c 为设计思路，选 择器件和参数搭建4 5 k v a 功率等级的逆变式弧焊电源。课题着重对电源控制电 路进行了数字化研究。通过分析a d 转换、p w m 脉冲信号发生及p i d 闭环控制 等功能的实现方法，详细介绍了逆变控制的实现。同时对p i d 控制策略作了分 析和m a t l a b 仿真。最后，结合硬件电路与软件程序对整机做实验调试，实验结 果表明该控制电路达到了预期的效果。 关键词：逆变式弧焊电源，数字化控制电路，p w m ，d s p a b s t r a c t a st h el e a d i n gd e v e l o p m e n tt r e n do fa r cw e l d i n g ，t h ei n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e r s u p p l yh a sm a n ya d v a n t a g e s w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n td s p , i tu s e sd s p a si t sc , o r e 劝ed e s i g nc h o o s e si g b ta st h es w i t c hd e m e n t so fm a i nc i r c u i t , t h ec o m p o n e n t sa n d p a r a m e t e r sa r ec h o s et ob u i l dt h ew e l d i n gi n v e r t e rw i t ht h ec a p a b i l i t yo f4 5 k v a w i t h t o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo fa c d c a c - d c t h et h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e st h ec o n t r o ls y s t e m o ft h ew e l d i n gi n v e r t e r i td e t a i l st h er e a l i z a t i o no fi n v e r t e rc o n t r o lb ya n a l y z i n gt h e i m p l e m e n t a t i o no fa ，dc o n v e r s i o n ，p w mp u l s es i g n a lo u t p u ta n d p i dc l o s e d l o o p c o n t r o la n ds oo n m e a n w h i l et h ep i dm e t h o di sa n a l y z e da n dt h ec o n t r o ls y s t e mi s s i m u l a t e db ym a t l a b s i m u l i n k f i n a l l y , b o t hh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ep r o c e s sa r e e x p e r i m e n t e d 1 1 1 er e s u l t sp r o v e dt h a tt h ec o n t r o lc i r c u i tm e e tt h er e q u i r e m e n t s s u n b a o z h u ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f p e ng y o n g l o n g k e yw o r d s ：w e l d i n gi n v e r t e r ，d i g i t a lc o n t r o lc i r c u i t ，p w m ，d s p 哇 。 戋 x 华北电力人学i - g lt 硕十学位论文目录 中文摘要 英文摘要 目录 第一章引言1 1 1 弧焊电源发展概况1 1 2 逆变式弧焊电源的特点与发展趋势2 1 3 弧焊逆变器控制电路的发展一3 1 4 控制算法介绍4 1 5 课题的研究内容及达到的目标5 第二章主电路的设计与计算7 2 1 主电路的设计思想7 2 2 逆变电路的设计8 2 2 1i g b t 逆变电路拓扑结构的选择8 2 2 2 逆变电路的计算8 2 3 输入整流滤波电路的设计1 5 2 3 1 整流二极管的计算1 5 2 3 2 滤波电容的计算1 6 2 3 3 合闸软启动电路的设计1 7 2 4 输出整流滤波电路的设计1 8 2 4 1 输出整流二极管的选取1 8 2 4 2 输出直流电抗器的设计1 9 2 4 3 二极管r c 吸收回路的计算2 l 第三章pld 算法与u a t l a b 仿真2 2 3 1p i d 控制算法简介2 2 3 2p i d 控制原理2 2 3 3m a t l a b 仿真软件的简介2 6 3 4 控制电路的仿真研究2 6 3 4 1p i d 参数的确定2 6 3 4 2 控制电路的m a t l a b 仿真2 9 华北电力人学i ：程硕十学位论文目录 第四章d s p 硬件介绍与控制电路软件设计3 l 4 1d s p 硬件介绍3 l 4 1 1d s p 芯片介绍3 l 4 1 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的硬件资源3 2 4 2 控制电路设计思想3 3 4 3 控制电路的软件设计3 3 4 3 1 控制电路主程序设计3 3 4 3 2 控制模块子程序设计3 5 4 3 3 外设中断设计3 9 4 4d s p 软件开发环境简介4 l 第五章驱动电路的设计4 3 5 1i g b t 的开关过程分析4 3 5 2 门极电阻对驱动电路的影响“ 5 3i g b t 门极驱动电路的设计要求4 5 5 4 门极驱动电路的设计4 5 第六章实验结果与分析4 7 6 1a d 数字滤波实验4 7 6 2p w m 脉冲波形实验4 7 6 3 驱动电路实验4 8 6 4 整机调试实验4 9 第七章结论与展望5 3 7 1 课题结论5 3 7 2 课题展望5 3 参考文献5 4 致谢5 7 学期间发表的学术论文和参加科研情况5 8 1 1 弧焊电源发展概况 华北电力大学j i ：程硕七学位论文 第一章引言 焊接技术与国民经济各个部门，如矿山、冶金、国防工业、农业机械、石油化 工、航空、宇宙飞行和海洋工程开发等方面的发展有着直接的关系。不同的电弧焊 工艺方法需要与之对应的电弧焊机，而弧焊电源是电弧焊机的主要部分，是对焊接 电弧提供电能的一种装置，它必须具备电弧焊接所要求的主要电气特性。弧焊电源 的性能、工作状态、先进性等是决定电弧能否稳定燃烧、焊接过程是否可以顺利进行并 能实现先进的焊接工艺的重要因素n 1 。 弧焊电源的具体分类如图1 1 所示。 华北电力人学j l ：程硕七学位论文 弧焊电源的发展较活跃，出现了多种形式的弧焊整流器，如抽头式、磁放大器式、 动铁式、动圈式、晶闸管式、滑动变压器式、附加变压器式、高压引弧式和交直流 两用式等，同时期还出现了脉冲弧焊电源，这种电源的主要特点为焊接电流以低频 调制脉冲方式馈送。脉冲电源按其结构特点，可分为整流式、磁放大器式、晶闸管 式和晶体管式等c - 1 。 1 9 7 8 年由美国首先研制成功了3 0 0 a 晶闸管弧焊逆变器，从此以后，弧焊电源 进入弧焊逆变器时代，从八十年代以后，电力电子技术的快速发展，使以功率 m o s f t e 、绝缘栅双极性晶体管i g b t 为代表的自关断功率开关器件取得了长足的 进步。1 9 8 2 年瑞典的e s a m 公司率先推出了晶闸管弧焊逆变器产品，之后，美国的 l i n c o l n 、m i l l e r 、p o w c o n 公司，芬兰的k e m p p i ，瑞士的e l t r o n ，同本的大阪变 压器公司等国际著名的焊接设备公司都相继推出了各自的弧焊逆变器产品 2 1 。 在我国，弧焊逆变器方面的研究工作开展较早，发展十分迅速。7 0 年代末我国 就着手研制晶闸管式弧焊逆变器，8 0 年代初取得初步成果。1 9 8 2 年华南理工大学 研制出z x 7 5 0 型场效应管手工弧焊逆变器，接着成都电焊机研究所、清华大学等 单位也相继有弧焊逆变器样机通过鉴定。近几年，国内弧焊逆变器发展相当快，已 经有一批大规模的弧焊逆变器生产企业出现，前景十分乐观。 1 2 逆变式弧焊电源的特点与发展趋势 弧焊逆变器是一种新型的弧焊电源，即逆变式弧焊电源，它把单相( 或三相) 交流电经整流后，由逆变器转变为几百、几千甚至几万赫兹的交流电，经降压后输 出交流或者直流电。整个过程由电子电路控制，使电源具有符合需要的外特性和动 特性。 弧焊逆变器由于利用了逆变技术，可以将工作频率大幅度提高，这使得弧焊电 源的结构和性能有了很大的变化。频率的提高减小了变压器的体积和重量，节约了 材料，提高了功率因数，节省了电能，并且给弧焊逆变器的电气性能、弧焊工艺带 来了明显的好处伽： 1 因为频率高，交变电流过零的时间短，电流换向和熄弧期间由于热惯性使得 电弧空间的残余热场可以保持在较高水平，这样变换极性后电弧空间重新进行气体 放电所需的电场强度可以降低，从而有助于交流电弧的稳定性； 2 在输入整流电路和输出整流回路中均存在储能的电容器，减少了无功损耗， 提高了功率因数； 3 焊接回路滤波电抗器的电感量因频率的提高而减小，减小了时间常数。 华北电力人学：【程硕十学位论文 由于以上种种原因，弧焊逆变器与传统的弧焊变压器、直流弧焊发电机、弧焊 整流器等焊接电源相比，具有如下显著的优点： 1 高效节能，效率可达8 0 9 0 ；空载损耗极小； 2 重量轻、体积小，主变压器质量仅为传统弧焊电源主变压器的几十分之一； 3 具有良好的动特性和弧焊工艺性能，可以设计出最合适的外特性曲线形状， 并根据焊接工艺要求对外特性和动特性进行任意控制，以适用于各种不同的焊接方 法，做各种位置的焊接，获得优良的焊接工艺效果和焊接结果。 现今，弧焊逆变器正朝着以下方向发展： 1 高频化，以2 0 k h z 为基础，开发研制5 0 k h z 、1 0 0 k h z 级别的弧焊逆变器； 2 软开关技术的研究应用，包括电路拓扑结构和工程实现。高频谐振软开关技 术在数百k h z 以上的逆变器中能够显示其巨大的优越性，但是由于材料、技术和器 件等客观原因，在今后较长的一段时间内，弧焊逆变器仍然以硬开关技术为主，但 软开关技术也将愈来愈多地得到开发和应用： 3 研制和生产大容量的逆变焊机： 4 研究功率因数校正和减少电网谐振干扰。目前弧焊逆变器多采用不控二极管 整流和大的滤波电容来做其滤波单元，它会产生交变的严重非正弦化和窄脉冲电 流，导致有的逆变器功率因数很低，因此研究功率因数校正和减少电网谐振波干扰 也就成为了弧焊逆变器发展的一个主要研究方向和发展趋势； 5 研制和生产智能控制的逆变式焊机。为适应高质量、高性能和焊接工作的市 场需求，愈来愈多地研究开发和生产智能控制型逆变焊机成为弧焊逆变器的另一重 要发展方向。随着微计算机技术及各种控制算法的日渐成熟，智能型弧焊逆变器也 越来越多的纳入研究范围，数字信号处理技术、模糊控制技术、人工神经网络技术、 自适应控制技术等都可以作为弧焊逆变器的控制手段。 1 3 弧焊逆变器控制电路的发展 弧焊逆变器的控制电路开始是模拟控制电路，后来发展为数字控制电路。早期 的弧焊逆变器采用分立元件搭建模拟电路来实现控制目的，控制效果不甚理想，主 要存在以下缺点： 1 控制电路的元器件比较多，电路复杂，所占的体积较大； 2 在硬件电路设计好后，控制策略就不能改变，因此灵活性较差： 3 由于所使用的器件各自的特性差异致使各电源问特性有所差异，电源的一 华北电力人学ji ：样硕七学位论文 致性不好，因此参数不一致，以至于逆变电源不便于调试； 4 精度较差，个别器件的一些参数受外界因素影响较大。 所以控制电路摒弃了模拟控制策略，向着数字控制策略发展。近年来，大规模 集成电路a s i c ，现场可编程逻辑器件f p g a 及数字信号处理器d s p 技术的发展， 为数字化控制研究提供了机会，同时数字智能化p w m 调制技术的控制技术也有了 长足的发展。数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更 改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点 5 】。采用性能高的数字信 号处理器( d s p ) 来解决电源控制器的计算量不断增加和非常快的速度需求的问题 就成了目前最主要的做法。因为d s p 有其自身优势： 1 非常高的集成度。d s p 有运算快速的c p u ，大容量的存储器，内置的波特 率发生器和f i f o 缓冲器，高速同步串口和标准异步串口大多数指令在一个周期 内就可以完成，同时d s p 采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许 同时存取程序和数据。又配有内置高速硬件乘法器、多级流水线、使d s p 器件具有 高速的数据计算能力。此外，d s p 器件提供了j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 接 口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便： 2 电源控制器选用d s p 芯片制造大大降低了对传感器等外围器件的要求。利 用复杂的算法可以达到同样的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于专利技术保 密： 3 d s p 运算速度快，控制策略中可以使用先进的实时算法，如自适应控制、卡 尔曼滤波、状态预估等，大大提高控制系统的品质。另外采用d s p 芯片制造的电源 控制器非常利于用户的调试和应用，是因为d s p 控制软件可用c 语言、汇编语言编 写或者二者嵌套使用的缘故。 1 4 控制算法介绍 弧焊逆变器硬件资源的不断发展，也带动了其控制算法的发展。弧焊逆变器控 制由早期开环控制发展到输出电压瞬时值反馈控制，由模拟控制逐渐发展到数字控 制，大幅度的提高了电源系统的性能。目前逆变器的控制一般采用反馈控制，在正 弦波逆变电源数字化控制方法中，国内外研究较多的主要有数字p i d 控制，无差拍 控制，状态反馈控制，重复控制，模糊控制以及神经网络控制等【6 】。 p i d 控制是一种传统控制方法，其鲁棒性好，可靠性高，是由于其算法简单成 熟，设计过程中不过分依赖系统参数。随着微处理器技术的发展和数字智能控制器 的实际应用，许多新型数字p i d 算法也应运而生。p i d 控制算法具有较快的动、静 4 华北电力大学i ：程硕士学位论文 态响应特性。 无差拍控制是一种基于精确的p w m 逆变器模型的控制方法，它主要是实现系统 的零极点对消。从本质上说，它是一种基于理想电路方程的控制方法，对于固定线 性负载来说，无差拍控制是能取得最佳效果的控制方法。但电路方程的形式和系数 必然随着电路元件的性质与参数的变化而变化，即该方法对系统参数反映灵敏。一 旦系统参数发生变化或系统模型建立不正确，系统将会出现振荡，且空载时由于算 法的不足会出现十分严重的振荡。 状态反馈控制是根据时域指标提出一组期望的极点，通过对反馈增益矩阵的设 计，使闭环系统的极点恰好处于根平面上所期望的位置，以获得期望的动态特性， 即所谓的极点配置问题。此控制方法可实现系统极点的配置，所以克服了无差拍控 制空载时振荡的缺点，逆变器工作在一种稳定状态。 重复控制是一种十分有效的波形校正技术，是利用内模原理来实现控制的控制 技术。此控制方法早期应用于重复性机械运动机构的控制，近年来在u p s 逆变电源 的波形控制中也得到了应用，获得了良好的控制效果。它对于消除非线性负载及其 它周期性干扰引起的波形畸变，会产生很好的效果。系统稳定性和鲁棒性都很好， 但是一个周期轮空不调是其最大的缺点，因此系统动态特性较差。 模糊控制，主要是模糊p i d 控制，是为了解决传统p i d 控制鲁棒性差的问题而 提出的一种智能控制策略。它首先将输入的精确量( 一般为跟踪误差及其导数) 转 换为模糊量，然后根据专家经验总结的语言规则进行模糊推理，根据推理结果确定 当前情况下最适合的p i d 控制参数。模糊控制系统的优点是像一个有经验的专家一 样，能根据实际情况变动控制器参数，从而提高了控制系统的鲁棒性，改善了逆变 器系统对非线性负载的适应能力。 神经网络控制是近几年来新兴的一种智能控制。上世纪九十年代初，日本的 y o s h i h i s a 等人将人工神经网络技术应用到逆变器中，构成一个数字电流调节器。 它模拟人的大脑实现对系统的控制。神经网络控制同时适用于线性系统和非线性系 统，而像逆变电源系统这样的大多数系统或多或少的都带有非线性因素，所以神经 网络控制系统是具有明显优越性的。但因为硬件系统的限制，目前还不能实现在线 神经网络波形控制，多数应用都是采用离线学习获得优化的控制规律，然后利用得 到的规律实现系统的在线控制。由于其控制规律的获得不依赖于系统模型，而且学 习实例包含了各种情况，因此系统的鲁棒性特别强，适用于各种负载情况。 1 5 课题的研究内容及达到的目标 本课题研究的是基于d s p 实现的4 5 e v a 功率等级的逆变式弧焊电源，涉及自 5 华北电力人学j l ：程硕士学位论文 动控制领域、功率电子学、计算机科学等多个学科领域，属于交叉学科。弧焊电源 输入2 2 0 v ，5 0 h z 的电网电压，要求输出电流变化范围为0 1 6 0 a 的直流电。控制电 路为达到改善控制性能，提高系统可靠性的目的，使用d s p 作为控制内核，取代了 原有的中规模集成电路控制系统。 课题研究的主要内容： 1 主电路的设计计算及器件选型； 2 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片设计控制电路，利用软件编程实现a d 转换， p w m 波形产生和闭环p i d 控制等功能： 3 进行系统调试，分析结果，进一步改进与完善控制系统的性能与设计。 课题要求达到的技术指标： 1 输出功率4 5 k v a ，输出电流0 1 6 0 a ； 2 稳流精度 l s ( c m 4 ) ( 2 6 ) 符合设计要求。 3 ) 匝数的确定 中频变压器原边电压是电网输入电压配经滤波后的电压，按电网峰值电压计算 得到： u = 凰= 1 4 1 4 x 2 2 0 = 3 1 1 v ( 2 7 ) 式中，u 中频变压器输入电压幅值，v 配电网电压有效值，v 副边电压，起弧电压u w ( 2 6 4 v ) ，空载电压取其1 5 7 2 5 倍，则空载电压取 4 1 一6 6 v ，实际电压取到3 5 v 就可以满足要求。所以变压比n 为： 刀= u = 3 1 1 3 5 = 8 9 ( 2 - 8 ) 式中，n 一一中频变压器变压比，u 。与u 2 分别为中频变压器原边与副边电压。 i n 华北电力人学l ：程硕十学位论文 若弧焊电机的逆变频率f = 2 0 k h z ，周期t = 5 0 us ，单相电路两个桥臂轮流导通且考 虑防止直通加入的死区时问，要求一个桥臂一周期内导通时间t o 2 5 | js 。鲁吾= 等x 2 5 = 1 8 9 9 s ( 2 - 9 ， 考虑到电网波动，电压最大值应为： u 。= 4 2 x 1 1 = 1 4 1 4 x 2 2 0 x i 1 = 3 4 2 v ( 2 1 0 ) 原边匝数 ： m = 等= 等0 8 x2 _ 2 8 9 ( 匝)1 1 ) 1 b a 8 ”7 按2 9 匝计算，那么副边匝数 = 2 9 8 9 = 3 2 6 ，取3 5 匝。 校验：m = 2 9 匝，2 = 3 5 匝， 实际变比： 以= m 2 = 2 9 3 5 = 8 3 ( 2 1 2 ) 输出电压： = u i n = 3 1 l 8 3 = 3 7 4 7 v ( 2 1 3 ) 取3 7 v ，导通脉宽0 ： 乙= 鲁吾= 等x 2 5 = 1 7 8 4 , u j 浯 符合设计要求，实际脉宽取1 7i is 2 5i is 。 2 ig b t 的选型 逆变电路选择全控型开关器件i g b t 作为其功率变换器件。由于目前通用型i g b t 最大频率可达5 0 k h z 、最大电流可达4 0 0 a ，而且具有无逆变噪声、输入阻抗高、导 通电阻小、电流密度大等优点，因此在电机控制、中频开关电源，以及要求快速、 低损耗的领域中备受青睐。在逆变电路设计中，选择i g b t 应考虑到整个弧焊电机 安全性及可靠运行等要求，因此参数必须选择在其安全区内，在计算过程中应留有 足够的余量9 | 。 1 ) 额定电压叱 输入电网电压整流滤波后，考虑到安全系数，直流输出电压最大值 华北电力大学：j ：程硕士学位论文 u 。= 皿1 1 口= 1 4 1 4 x2 2 0 x 1 ix 1 1 = 3 7 7 v 式中，u 。i g b t 承受的稳态电压最大值，v 阢电网电压有效值，v ( 2 - 1 5 ) 1 1 波动系数 口安全系数，取1 1 i g b t 关断时的峰值电压 = ( u 。x 1 1 5 + l s o ) x t t = ( 3 7 7 x i 1 5 + 1 5 0 ) x 1 1 = 6 4 2 v ( 2 1 6 ) 式中，i g b t 关断时的峰值电压，v 口安全系数 1 1 5 过电压系数 1 5 0 磁西引起的尖峰电压，v 额定电压，留有一定余量并向上靠拢i g b t 实际电压等级，取1 2 0 0 v 。 2 ) 额定电流l 电网电压2 2 0 v ，弧焊电源额定输出功率4 2 k v a ，额定电流l 是i g b t 手册给出 的在结温2 5 c 条件下的额定值，由 得到， p = 压v o i o 砜= o 9 v , 厶= 厶“压1 5 x 1 4 ) ( 2 - 1 7 ) = ! 弓筹09=生!114旦14兰x警02 2 0 = 4 4 5 5 彳 ( 2 一1 8 )=r一=44、 i y i x l 2 配 9 式中，p 弧焊电源额定输出功率，v a 砜一一波动的电网电压，v 波动的电网电流，a u 输入电网电压有效值，v 0 9 一一电网电压向下波动系数 1 2 华北电力人学j f ：程硕十学位论文 1 5 1 分钟过载容量系数 1 4 j 减小系数 根据计算出的额定电流l 并留有一定的电流余量，i g b t 的电流等级取i o o a 。 综上计算，所选i g b t 为额定电压1 2 0 0 v ，额定电流i o o a 。 3 、r c d 吸收回路的计算 i g b t 关断时，由于中频变压器漏感的作用与输出整流二极管反向恢复时间引起 的短路效应，集电极会形成电压尖峰。关断电压越高，尖峰电压越高，在高功耗区 滞留时间越长。当该电压超过i g b t 反偏安全电压时，i g b t 直接损坏。为保证i g b t 的正常工作，通常选用r c d 吸收回路来吸收电压尖峰。吸收回路是由并联在i g b t 上的电阻r ，电容c 及二极管d 构成的，如图2 4 所示，其中d 采用超快速恢复二 极管 1 0 ，1 1 。 d 图2 4 吸收回路 当i g b t 关断时，通过二极管d 给电容充电，以降低i g b t 集电极上的电压上升 率d u d t ，防止擎柱效应的发生。c 上积累电压，吸收了关断功耗。当i g b t 开通时， 电容通过阻值较大的r 放电，减小d i d t ，减轻i g b t 开通时的负担，将开通损耗从 i g b t 转移到电阻上，同时由于中频变压器漏感的作用，产生反向电动势，也限制了 i g b t 上的开启电流。这样，中频变压器漏感上的储能完全释放到电容中 1 2 ，1 3 ， 就有下列等式： 知21 2c ar2(2-19) a u = 吒一u ( 2 2 0 ) 综合( 2 1 9 ) 、( 2 - 2 0 ) 两式有， c 2 厶( 去) 2 = 2 0 x l o - 6 x ( 蒜杀) 2 。0 6 6 f ( 2 翻) 华北电力人学：i ：程硕十学位论文 式中，c 吸收电容，f 丘漏感，经验取值2 0 j h - - 2 0 0 u h ，此处取2 0 日 i g b t 上瞬时电流，即中频变压器原边电流， = 厶n = 1 6 0 8 - 3 = 1 9 a 厶中频变压器副边电流，a i g b t 集射极间最大电压值，v u 输入直流电压，v 为了保证i g b t 再次关断前能放完电容中的能量，电阻r 可按下式取值： 尺一：毒i _ = ：1 2 6 3 q 2 x 3 c f2 3 x 2 0 x 1 0 3x 0 0 6 6 x l o - 6 式中，r 吸收电阻，q c 吸收电容，f f 开关频率，h z 为了防止c 放电产生振荡，应使放电过程过阻尼 验 尺磅悟专藤一s 7 q 式中，r 吸收电阻，q 丘漏感，日 c 吸收电容，f ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 因此，吸收电路参数可按下式校 ( 2 - 2 4 ) 所以8 7 rs1 2 6 3 ，取r 值为9q 。 需要说明的是，吸收网络中元件的特性是非常重要的，由于电流变化率非常的 大，吸收电路及其元件的内部非常小的寄生电感现象就可以使整个网络完全失效， 为了减小寄生电感，必须采取以下措施： ( 1 ) 直流母线越短越好； ( 2 ) 吸收回路要尽量贴近i g b t 管： ( 3 ) 选用无感电容和与i g b t 相匹配的快恢复二极管。 另外，由于吸收了i g b t 的开关能耗，吸收回路( 尤其是电阻) 会产生较大热 量，所以应考虑加散热装置。通常i g b t 与其吸收回路都会紧密的安装在一块散热 1 4 华北电力人学i ：群硕+ 学位论文 板上，并在i g b t 上涂硅胶以利于导热。 2 3 输入整流滤波电路的设计 连接电网与逆变回路的是输入整流滤波电路梁，其作用是将电网交流电变换为 直流电，并且要储存足以使电源具有一定的输出电压保持能力的能量；能防止合闸 浪涌电流；同时，它既要防止来自电网的干扰进入电源，又要防止电源本身产生的 干扰反串入电网，即具有一定的抗干扰性 1 4 ，1 5 。输入整流滤波电路采用带电容 滤波的单相桥式不控整流电路，设计内容包括整流二极管的计算、输出滤波电容的 计算和合闸软启动电路的设计计算，其电路结构图如图2 - 5 所示。 k 协 二 一【d l 】洲予 r 3 ! c i 【】= u ：2 0 v5 0 h z：- - c i r 4 - c 2 2d 2 】【d d 9 车 0甲= 2 i 图2 5 输入整流滤波电路结构图 图中二极管d l d 4 和c 组成单相不控整流滤波电路，其中c 为高频滤波电容， 隔离电网与逆变电路之间的谐波干扰；r 为限流电阻，限制启动时的合闸浪涌电流； 继电器k 控制限流电阻切换，启动后闭合，短路r ；电阻墨、心和电容c - 、c ：组 成滤波电路；电阻r 、是、稳压管d 9 、电容c 组成延时电路，控制限流电阻r 的 切换时间。 2 3 1 整流二极管的计算 厂家给定的二极管额定电流l ，是流过管子的正弦半波平均值。相应正弦半波 有效值为 厶= 1 5 7 i n ( 2 2 5 ) 华北电力人学i ：程硕士学位论文 式中，厶电流有效值，a l 额定电流值，a 对于单相桥式整流电路，在一个周期内，每只管子导通1 2 周期， 较小，可以近似平均值l ，那么一个周期内管子的发热量 q = 弓11 d 2 r t 式中，q 电流通过二极管的发热量，j 由于电流脉动比 ( 2 - 2 6 ) l 输入电流平均值，即中频变压器原边电流值，a r 负载电阻，q t 周期，s 管子电流有效值在厶一个周期内的发热量也是q ，根据发热量相等的原则有 i b 2 r t = 三11 j2rt(2-27) 厶= 万1 厶( 2 - 2 8 ) 综合以上各式有 厶= 0 4 5 1 d = 0 4 5 x i t = o 4 5 1 9 = 8 5 5 a ( 2 - 2 9 ) 二极管最高承受电压u 。e h 前面的计算可知，u 。= 3 4 2 v ，要留有1 5 倍的安全裕量， 经计算1 2 8 3 a 5 1 3 v ，可知选用3 0 a 6 0 0 v 的普通二极管即可。 2 3 2 滤波电容的计算 滤波电容能够把整流输出脉动电流变得平滑，也可以抑制高频干扰。滤波电容 最好选用等效电阻低且电容量大的电解电容，为了减少等效电阻，可以采用多个电 容并联获得所需的电容量n 引。 弧焊逆变器的输出电流是1 6 0 a ，起弧电压为2 6 4 v ，那么整机输出效率 p = 4 2 x 1 0 3 w ，参见式( 2 4 ) 。电网电压经整流电路整流后输出电压u = 3 1i v ，参 见式( 2 - 7 ) ，那么输出等效电阻为 尺：翌：垩：2 3 q ( 2 3 0 ) p4 2 x1 0 在单相整流电路中，滤波电路的时问常数必须为纹波中基波周期时间的6 倍以上， 华北电力大学：l ：程硕士学位论文 即 r c ：堕 1 0 0 c ：盟：坚x 上一l 。3 4 8 1 0 203 ，= = x = 1 。， 1 0 0 月l ( ) o2 3 电容承受电压峰值为3 4 2 v ，电容选择3 3 0 0 ，4 5 0 v 的电解电容。 2 3 3 合闸软启动电路的设计 ( 2 - 3 1 ) ( 2 - 3 2 ) 电容式输入整流滤波电路在合闸时由于电容充电，会引起持续时间较长的数百 安培以上的合闸浪涌电流。这样不仅会引起电源开关点的熔接，保险丝的熔断，而 且会干扰外部用电设备。更有甚者，会使滤波电容和整流器反复经受大电流冲击， 性能恶化而引起一系列可靠性问题，必须设法加以抑制 1 4 ，1 7 。通过合闸瞬间时 在输入回路中串入限流电阻的方法来限制浪涌电流，见图2 - 5 ，加入电阻足后，合 闸电流最大值为 ，：丝堕 ( 2 3 3 ) 尺+ 墨 式中，r 整流滤波回路内阻，q q 一一交流电网电压有效值，v 主电路中合闸电流要求为1 9 a 时，有 r + 足：业：1 4 1 4 x 2 2 0 ：1 6 3 8 q ( 2 3 4 ) 3 ，10 取足2 1 5 q 。 限流电阻只在合闸送点时才需要，在主回路向负载提供功率时必须设法将r 5 短接。短接方法通常有无触点和有触点两种类型。有触点电路一般用普通继电器或 接触器经过简单的延时来实现，无触点电路一般用晶闸管来短接r 5 。本课题采用继 电器方式来短接r 。，参见图2 - 5 ，电阻r 。、r ：、稳压管d 9 、电容c ，组成延时电路， 控制限流电阻r 。的切换时间，延时时间是c ，的充电时间，一般要求是输入滤波电路 时间常数的3 倍以上。那么延时时间f 有下式 f = 3 尺c = 3 1 5 x 3 3 1 0 3 = 0 1 5 s( 2 - 3 5 ) 那么在合闸0 1 5 s 后继电器闭合，短接限流电阻兄。 华北电力人学i ：程硕士学位论文 2 4 输出整流滤波电路的设计 输出整流滤波电路的作用是将中频变压器副边方波电压整流成单相脉动直流， 并将其平滑成设计要求的低纹波直流电压。常用全波中心抽头电路，它比全波桥式 电路少用了一对二极管，减少一个二极管的正向压降，这样就提高了这部分的效率。 这部分计算主要包括：输出整流二极管的选取、输出直流电抗器的设计和二极管r c 吸收回路的计算。输出整流滤波电路结构图见图2 - 6 所示。图中t l 为中频变压器， 快恢复二极管d 7 、d 8 和直流电抗器乙l 组成单相全波整流滤波输出电路；r 7 、c 5 和 r 8 、c 6 组成d 7 、d 8 的吸收回路。 图2 - 6 输出整理滤波回路结构图 2 4 1 输出整流二极管的选取 输出整流二极管的导通与关断特性， 在一定程度上影响着主电路的工作频率， + 0 对电源整体效率有着关键的影响，因为其 影响着i g b t 瞬时集电极电流和损耗大小。 由于逆变电路输出的是2 0 k h z 的高频交流方波，所以输出整流二极管要选择大功率 快速恢复二极管，要求正向导通压降小、反向恢复时间短、反向恢复电流小，除此 之外还要考虑到快速恢复二极管的耐压值和电流容量 1 8 ，1 9 。 对于单相全波整流电路，整流二极管额定电流 2 = 0 5 , = o 5 x 1 6 0 = 8 0 a ( 2 。3 6 ) 式中，厶整流二极管额定电流，a 厶弧焊电机输出电流，a 二极管承受最大反压 u 2 m 2 半- 2 罟硼( 2 - 3 7 ) 1 8 华北电力人学i ：程硕十学位论文 式中，。输出整流二极管承受的最大反压，v u 。一i g b t 承受的稳态电压最大值，v 1 1 中频变压器变压比 考虑到留有一定的安全裕量，输出整流二极管额定值选为1 5 0 a 2 0 0 v 的快恢复二极 管。 2 4 2 输出直流电抗器的设计 输出直流电抗器除滤波作用外，还有限制短路电流上升速度，改善动特性的作 用。由于输出直流电抗器的工作频率较高，所需的电感量要比工频电源整流回路电 抗器的电感量要小得多，一般仅为几微亨，因此直流电抗器的体积、重量减小很多。 1 直流电抗器电感量的计算 主回路中的高频脉冲断续电流，要使其成为连续的输出，输出直流电抗器的电 感量应满足以下关系式乜们： 瓦u 2 - i u o 乙 ( 2 3 8 ) 式中，l 直流电抗器的电感量，h 中频变压器副边电压，v 砜电感滤波输出电压，即弧焊电机输出电压，v l 而。最小电流，a i g b t 最大导通时间，ps 对于最小电流乞。h 有 l 。i 。0 5 t = 0 5 x o 0 5 x 1 6 0 = 4 a ( 2 3 9 ) 式中，。电抗器中电流，即弧焊电机输出电流，a 虬一一t 的变化量，一般取t 得5 留有余量取l 。i 。为5 a 。代入式( 2 - 3 8 ) 有 瓦u 2 - u t o = 等x 1 7 = 1 8 0 2 p h ( 2 _ 4 0 ) 1 9 华北电力大学i ：程硕十学位论文 查阅相关资料心h2 2 1 ，当焊丝直径为0 0 9 m m 时，l 取值范围在0 o l m h 、0 0 8 m h 之间， 那么l = o 0 5 m h 。 2 电抗器绕组匝数 n = 4 隼0 0 式中，n 直流电抗器绕组匝数，匝 见铁芯的最大磁感应强度，t 直流电感量，m h t 直流电抗器中的电流，a 3 绕组中径截面积 以= 三以2 = 半3 0 2 2 = 7 1 6 c m 2 4 绕组中线圈中径 = 2 8 ( 匝) ( 2 - 4 1 ) ( 2 - 4 2 ) d=243y。l睡辨2l=24可_1匡16亘0事3 x0 0 5x 1 0 - 3 = 3 。2 伽 ( 2 4 3 ， 5 条形铁心截面积 4 = 1 5 4 = o 5 x 7 1 6 = 3 2 5 c m 2 6 铜导线截面积 & 1 3 = 4 8 5 m m 2 取s o = 4 9 m m 2 。 7 电感线圈长度 厶= 2 3 叱= 2 3 3 0 2 = 6 9 6 c m 8 铁心长度可以略长于电感线圈长度 0 = z o + 1 5 c m = 6 9 6 + 1 5 = 8 4 6 c m 2 0 ( 2 - 4 4 ) ( 2 - 4 5 ) ( 2 - 4 6 ) ( 2 - 4 7 ) 华北电力人学。i ：程硕士学位论文 2 4 3 二极管r c 吸收回路的计算 图2 - 7r c 吸收回路 快速整流二极管工作在高频状态，在正向导通之后，正向电流所积蓄的电荷在 加反压时，会在极短时间内产生反向恢复电流，因而产生较大的电流变化率，造成 电压尖峰和振荡，因此，同样需要吸收回路来保护二极管，见图2 7 。 根据i g b t 吸收回路的计算方法，电容c 有： c _ “去) 2 = 0 3 x 1 0 6x ( 忐) 2 _ o - 5 3 f ( 2 _ 4 8 ) 式中，厶，变压器次级漏感，a f ；厶二极管上流过的电流，a 唧二极管上承受的最大电压，v ；二极管上的电压，v 电阻r 有： 尺丽1 = 2 x 3 x 0 百x 杀丽x 2 0 x = 1 5 7 2 q ( 2 _ 4 9 ) 2 3 c 厂 5 31 0 - ol 矿 。 尺圭捂一o 5 j 等等一o 3 8 q 5 。， 二极管r c 吸收回路的电阻r 及电容c 值为： r = 1 5q c = o 5 3i jf 2 l 华北电力人学1 ：程硕士学位论文 第三章p id 算法与m a tia b 仿真 3 1p i d 控制算法简介 p i d 控制是把偏差的比例、积分、微分线性组合构成控制量，对被控对象进行 控制的一种算法。p i d ( 比例、积分、微分) 控制是最早发展起来的控制策略之一， 由于其控制算法简单、可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适合于可建立 精确数学模型的确定性控制系统乜孔州。 数字p i d 控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在冶金、机械、化 工等行业中获得广泛应用。 3 2p i d 控制原理 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是p i d 控制。常规p i d 控制系统 原理框图见图3 - 1 ，系统由模拟p i d 控制器和被控对象组成。 偏差 图3 - 1p i d 控制系统原理框图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r ( t ) 与实际输出值c ( t ) 构成控制 p ( f ) = c ( o r ( f ) ( 3 - 1 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控 对象进行控制，故称p i d 控制器。其控制规律为 比m 小( f ) + 扣肌学】 ( 3 - 2 ) 2 2 华北电力大学i ：程硕十学位论文 或写成传递函数形式 g = 鬻“羽+ 乃i l s 哪) ( 3 - 3 ) 式中，k 。比例系数 乃积分时间常数 瓦微分时间常数 p