（材料加工工程专业论文）igbt逆变式等离子弧切割电源.pdf

硕士学位论文 摘要 等离子切割法是以等离子弧为热源的高能率熔化切割方法，具有切割速度快、切口 的热影响区窄、工件变形小、可切割材料广泛、操作方便等优点。目前空气等离子切割 已成为机械制造工业中不可缺少的新工艺。 切割逆变技术是针对切割电弧负载特性和切割工艺要求，应用现代电力电子学理论 和自动控制理论，实现电能的高效变换和控制的一门应用学科。其研究内容横跨焊接电 弧物理、切割工艺学、功率电子和电磁器件及开关电路拓扑等各个领域。切割逆变电源 现在正向着高效、节能、优质的方向发展。 本论文主要介绍了所研制的等离子切割电源的组成结构和控制原理。分别就电源主 电路、控制系统中的驱动电路、保护电路以及高频引弧电路做了详细的分析，并从软硬 件两个方面给予了系统的阐述。 该切割电源选取i g b t 为主控开关功率转换器件，采用输出功率较大的全桥式逆变 结构，配以高频变压器和输出电抗器组成了本系统的主电路系统，讨论了高频变压器的 设计要点，i g b t 的特性与使用时的注意事项等，并在m a t l a b 中对所设计的主电路进行 了仿真。 控制电路以1 6 位高性能单片机8 0 c 1 9 6 k c 为核心，对整个电源进行实时精确闭环 控制，文中采用了目前比较常用的脉宽调制方法来控制切割电源的输出外特性，单片机 输出的控制量经d a 转换后，通过脉宽调制芯片s g 3 5 2 5 调制出两路互不重叠的触发脉 冲，再经i g b t 专用驱动模块进行功率放大后触发i g b t ，以实现功率的输出。系统实时 对输出电流进行采样，并将采样结果送入单片机进行a d 转换，在单片机内部实现离散 p i 算法后，输出相应的控制量来调节脉宽调制芯片的输出脉宽，进而调整输出电流， 以此来达到控制切割电源外特性的目的。保护电路主要涉及到过流保护、过热保护、过 压以及欠压保护等。 在电源的主电路和控制电路部分都进行了可靠性与抗干扰设计，系统分析了可能影 响电源正常工作的各种干扰及其产生原因，并在原理图设计、p c b 制作以及程序编制的 过程中采取了相应的软硬件抗干扰措施。所采取的硬件措施主要包括：屏蔽技术、滤波 技术、隔离及接地技术等；采取的软件措施主要有! 看门狗、冗余指令、数字滤波等。 另外，还对逆变电源设计中存在的不足进行了探讨。通过试验，对该电源的实施方 案、组成部分以及调试中的一些问题进行了分析，得到了初步的结果。 l g b t 逆变式等离子弧切割电源 最后，针对该切割电源的后续研究工作提出了进一步完善的建议，为本切割电源今 后的深入研究打下了良好的基础。 关键词：逆变电源；等离子切割；舯c 1 9 6 k c ；i g b t 硕士学位论文 a b s t r a c t p l 弱m ac i i t t i n gm e t h o di sal l i g h 曲e r g ym e l t i n gc l l t t i n gm e t h o d ，w m c hi sb a s e d0 n p l 雒m aa r c i th 弱a d v 卸t a g e sc o m p 撕n gw i t h0 t h e rc u t t i n gm e t h o d s ，s u c h 勰l l i g hc l l t t i n g s p e c d ，珊i r r d wh e a te f f ：e c tz o n e ，l i t t l ed e f 0 珊a t i o no fw o r k p i e c c ，w i d es u i t a b i l i t y ，s i n l p l e 0 p e r a t i 衄卸d 伽s 0f 缸p l a s m ac i l t t i i 培h 鹤b e c o m e 觚i n d i s p e n s a b l en e wt e c ：i l l l i c si n m a c l l i n em a l 【i n gt c c l l n o l o g y h i v e r t e rc u t t i n gt e c h n o l o g yi s 锄i m p o n 锄ta p p l y i n gs u b j e c tt h a tr e q u 眈s 盯c c u t t i n gl o a d c h a r a c t e r i s t i 岱锄d 伽t t i n gt e c 铬nu s e sm o d e mp o w e re l e c 们i l i c s 觚d 卸t o m a t i cc 0 咖l t l l e o r ) rt 0r c “注ep 0 1 w e r 岫s f 0 珊柚dc 0 n 仃i d l t h er c s e 砌i n d u d e sw e l d i l l ga r cp h y s i c a l ， c i l n i n gt e c h o l o g y p o w e re l c c t r o l l i 璐锄de l e 咖m a g n e t i ce q u i p m e n t ，s w i t c t l i n g 商r a l i t t o p o l o 鼢c t c c u t t i n gi l l v e r t e ri sd c s i 印e dt 0h i g he f f i c i e n c y ，l e s sp o w e rc 0 n s u m p t i 趾d e x c e l l e n tq u a l l i t y t h ec o m p o n e n tp a n sa n dc o m r o lp r i n c i p l eo fp l 笛m ac u t t i n gi n v c n e rp i ) w e r u r o c 哦 i n t r o d u c e di nt h ep a p e lm a i nc i r c u i t ，s a f e g u a r dc 慨i t ，“v c rc m ：i l i t 卸寸h i g hf b q u e n c ya r c s t a n e ra r er e s p e c t i v e l y 趾a l y z e d h 衲a r e 锄ds o f t w a 托a r cb o t hc x p a t i a t c ds y s t e m a t i c a l l y t h em a i nc i r 饥i ti sm a d eu po f 删i f i e r ，f i l t e r l l i g h - 能n q u e n c yt 砌s f 0 加e r o u t p u t r c a c t o r 柚df u l l b r i d g ei 删e r t c r ，i nw h i c h4i g b tm o d u l e sa r ea d o p t e d t l h ek e yp o i n t si n d e s i 俨i n gh i g l l 一骶q u e n c y 仃狃s f o 咖e r 嬲w e u 弱t h ec h a r a d 耐s t i c so fi g b t 眦d i s c i l s s e d n em 血c i r c u i ti ss i m u l a t e d b ys i m u l i n k0 f 蚴 a tt h cs 锄et i m e ，i no r d e rt 00 b t a i na a c u r a t e 觚dr c a l - t i m ec o n t r o l ，l l i g l lp e 哟加柚 1 6 - b i tm i 啪p 眦s 河8 0 c 1 9 6 k ci sa d o p t e df o rc o n t r o lk c m e ln ed i 垂t a ls i 印a l 劬m m i c r o p r o c e s s o ra r c 丘r s t l yc o n v e n e di n t o 姐a l o g ys i 伊a l ，w h i c hi st h e nm o d u l a t e db yp u l s e w i d t hm o d u l a t e ( p w m ) c h i ps g 3 5 2 5i l l t ot 、0p u l s e sw i t h o u to v e r l a p p i n ge a c ho t l l e la tl 弱t t h ep u l s c s 缸eu s e dt 0 t r i g g e r i n gi g b t 世e r t h e y 批m 鲥f i e d i na d d i t i o n ，t h er e u 觥 d i s t r i b u t i o no fm i c r o p r o c c s s o ra n dt h ef u n c t i o n so fp e r i p h e r a lc 慨i ta r e 舀v 锄t 1 l es a f e g i l a r d 曲i u tm a i n l yc o n s i s t so fo v e r - c i l 玎e n t ，0 v e r - h e a t ，o v e r v o t a g e 如dl o w - v o g a t cc 硫u i t s r e l i a b i l i t ya i l dn o i s er e s i s t 锄c ed e s i 伊sa r ea l s 0i i l t r o d u c e d i o u sn o i s e sp r o b a b l y a p p e 痂gi nt h ew h o l es y s t e m ，弱w e l l 弱t h e i rc a u s a t i o n ，a r e 卸a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y t 1 l e n ， i no r d e rt 0r e d u c et h e i rb a di n 】咕嘶。璐，s o m eh 删w a r e 锄d 胁a r em e a s u r e sa r ca d 叩t e d 恤l ed e s i 伊i n gs c h e m a t i cc h a n ，p c bb o a r d ，粗dc o m p i l i n gc o d e i na d d i t i o n ，s o m ep f o b l e m si nd e s i g n i n go fi n v e n e rp o w e rs o u r c ea r ca l s op r o b e d t 1 l e c o n 仃o ls y s t e ma r cd e b u g g e d ，柚dt h ei n l p l e m c n tm e a s u r c s ，c o m p o n e n tp a n sa n ds o m e p r o b l e m sa r i s i n gi nd e b u g 百n gp r o c e s sf o rt h ei n v e n e rp o w e rs o u r c ew e r e 柚a l y z e dt h r o u g h t h ee x p e r i i i l e n t a t i o n v i g b t 逆变式等离子弧切割电源 a tl 硒t ，m ea d v i c e ：so nf i l t u r cf e s e 缸c hf o rt h ep l 嬲m ac i l t t i l l gi i i _ v e n e rp o w c ra r e 酉v c n ， 柚dt l l e yw i l ll a yt h ef o u n d a t i o nf o r t h ef u t l l r cr c s e a r c h0 fp l 弱m ac i i t t i n gp o w c r k e y w o i d s ：i n v e n e rc i r c u i t ；p l a s m ac u t t i n g ；8 0 c 1 9 6 k c ； i g b t 硕士学位论文 插图索引 图1 。1 等离子电弧的形成 图1 2 等离子弧基本类型3 图1 3 三种热切割法切割速度对比。5 图1 4 三种热切割法的切割成本对比 图1 5 空气等离子弧切割电源系统框图8 图2 1 主电路原理图1 0 图2 2i g b t 的输出和转移特性1 4 图2 3i g b t 动态特性示意图1 4 图2 4i g b t 等效电路1 5 图2 5i g b t 的安全工作区1 5 图2 6 门极负偏压与集电极浪涌电流的关系1 6 图2 7 栅极驱动条件改善1 8 图2 8 用继电器防止合闸浪涌电流1 8 图2 9p 删模块产生的驱动方波2 0 图2 1 0 仿真模型图2 1 图2 1 1 电路仿真波形2 1 图3 1 单片机闭环控制示意图2 3 图3 2 控制系统硬件框图2 4 图3 38 0 c 1 9 6 k c 内部结构图2 4 图3 4 单片机复位电路2 6 图3 5s g 3 5 2 5 内部结构框图。2 7 图3 6p 嗍信号波形2 7 图3 7 由s g 3 5 2 5 构成的p 删电路。2 8 图3 8 实测s g 3 5 2 5 输出波形2 9 图3 9e x 明4 1 内部结构框图2 9 图3 1 0e x b 8 4 1 过流保护波形3 0 图3 1 1e x b 8 4 1 驱动电路。3 0 图3 1 2 电流信号采集与调理电路3 2 图3 1 3 电弧电压信号采集与调理电路。3 2 图3 1 4 保护电路示意图3 3 图3 1 5 显示电路3 4 图3 1 6 切割机的工作时序3 5 图3 1 7 高频引弧电路3 6 图3 1 8h a l7 5 5 内部电路3 6 图3 1 9 切割电源工作主程序流程图。3 7 图3 2 0 中断服务程序流程图3 8 图4 1 干扰三要素。4 1 图4 2 多层屏蔽变压器的应用。4 2 图4 3 接口电路 v i g b t 逆变式等离子弧切割电源 图4 4 串联直流稳压电源电路接线图4 5 图5 1e 8 4 1 的驱动波形和负载波形5 0 图5 2e x b 8 4 1 的驱动波形和负载波形( 加缓冲电路后) 5 0 图5 3 实测的全桥电路时负载波形5 1 硕士学位论文 附表索引 表1 1 切割质量对比4 表2 1 逆变电路的比较1 1 表2 2 三菱c m 2 0 0 d y 一2 4 h 的电气特性( t c = 2 5 ) 1 6 表2 3i g b t 栅极驱动条件与元件特性的关系1 6 表2 4 推荐的栅极电阻值1 7 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：陈耍欢 日期：弘? 年石月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 陈霪诒 锨 日期：矽? 年 日期：知古年 月日 f 月f o 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 等离子弧切割技术的发展及课题意义 1 1 1 等离子弧切割技术的发展 等离子弧切割是1 9 5 5 年在美国首先投入工业上应用的，当时采用氩气等离子弧用 于切割铝及其合金，以后又开发出氩一氢混合气、氮一氢混合气等离子弧切割法，并推 广用于切割不锈钢、铜及其合金等有色金属。它作为氧一乙炔焰气割法难以加工有色金 属的一种有效切割手段而获得广泛应用。 我国也在1 9 5 9 年就开发出了等离子弧切割技术和设备，并于1 9 6 0 年开始逐步在生 产上得到应用，而且首先采用廉价的氮气作为工作气体。现在使用大电流等离子弧切割 设备已能切割如下厚度的金属：不锈钢 2 0 0 砌，铝和铸铁 2 e 输出相同 功率时集 i ci c2 i c2 i c 电极电流 功率开关 2422 管数量 输出滤波 电容数量 1121 宜获得的 大大中中、小 输出容量 ( 3 ) 确定磁心窗口利用系数，要充分考虑逆变主电路的拓扑形式、输出电路形式、 可操作的绕制工艺，而这些与逆变器的负载、输入输出电压等级、输出容量、可靠性指 标等有很大关系。 ( 4 ) 确定合适的最大工作磁通密度要根据磁心的材料、变压器的最高温升、工作 环境和散热技术诸多因素，既要使磁心具有合理的利用率，又要能限定磁心损耗。 ( 5 ) 确定铜线的电流密度，要根据逆变电路的工作频率，充分考虑导线的形状和 集肤效应，以合理设计导体的截面积和合适的铜耗，既要节省材料，又要使铜耗和铁耗 相匹配。 这里采用高频变压器最常用的设计方法之一：面积乘积( a p ) 法n 射，即先求出磁心 窗口面积a i 与磁心有效截面积凡的乘积a p ( a p = 九九，称磁心面积乘积) ，再根据a p 值，确定所需磁心材料的编号。 2 2 1 磁心选择 目前，适合逆变电源变压器所用的磁心材料一般有铁氧体、坡莫合金材料、非晶合 金和超微晶材料。这些材料中，坡莫合金价格最高，从降低电源产品的成本方面来考虑 不宜采用。非晶合金和超微晶材料的饱和磁感应强度虽然高，但在假定的测试频率和整 个磁通密度的测试范围内，它们呈现的铁损最高，因此，受到高功率密度和高效率的制 约，它们也不宜采用。虽然铁氧体材料的损耗比坡莫合金大些，饱和磁感应强度也比非 l g b t 逆变式等离子弧切割电源 晶合金和超微晶材料低，但铁氧体材料价格便宜，可以做成多种几何形状的磁心。这里 采用综合特性较好且应用广泛的m n z n 铁氧体，以下用a p 法确定磁心的具体型号： 艘f 一卫生r ( 2 1 ) k n k f s b w k j1 式中： a p 为九与九两面积的乘积( c 一) ； p t 为变压器的视在功率( w ) ， b - 昂( 压+ ) ( 2 2 ) 其中： p o 为输出功率，p 产1 0 0 a 1 5 0 v = 1 5 0 0 0 w ，由公式( 2 2 ) 得：p t 为3 6 2 1 0w ； b - 为工作磁通密度( t ) ，b - = 0 2 5 t ； f i 为开关工作频率( h z ) ，f l = 2 5 0 0 0 h z ； l ( 0 为窗口使用系数( 1 ( o ，漏极电流i 。不随k 而变化时， i g b t 处于饱和区，导通压降较小。相当于一只合闸的开关。 0 a ) b ) 图2 2i g 盯的输出和转移特性 a ) l g b t 的输出特性b ) i g b t 的转移特性 i g b t 的转移特性如图2 2b ) 所示。当栅极电压小于开启电压( t h ) 时，i g b t 处于阻 断状态。在开启电压v 晓附近，i 。与v 诬呈非线形关系，i g b t 导通后，在大部分漏极电 流范围内，i 。与v 证呈线形关系。 2 动态特性 图2 3 表示了i g b t 的主要动态特性，开通过程动态特性包括开通延迟时间t a 佃) 和电 流上升时间t ，关断过程动态特性有关断延迟时间t 。和电流下降时间t ，。开通延迟 时间与t 。o n ) 是指从给i g b t 施加触发电压开始，到其栅 极电压大于开启电压v 诬( 呦所经历的时间，在此之后， i g b t 导通。电流上升时间t ，是指i g b t 导通后电流上升 到稳定值所需要的时间。关断延迟时间t a 是指从取消 栅极触发电压开始，到其栅极电压小于开启电压c t h ) 所经历的时间，在此之前i g b t 仍维持导通状态。电流 下降时间t 。是指从i g b t 关断到电流下降为零所需要的 时间1 1 5 蛔。 3 擎住效应与安全工作区 1! 一 f filf j出- j蚋f f ) 一 图2 3i g b t 动态特性示意图 ( 1 ) 擎住效应 i g b t 为四层结构，体内存在一个寄生晶体管，其等效电路如图2 4 所示。在n p n 寄生 1 4 硕士学位论文 晶体管的基极和发射极之间并接有一个体区扩展电阻k 。在此电阻上，会产生一定压降， 对寄生晶体管来说，相当于一个正偏置电压。在规定的集极电流范围内，这个正偏置电 压不大，n p n 晶体管不起作用。当i 。电流大到一定程度时，该正偏置电压使n p n 晶体管开 通，进而使n p n 和p n p 晶体管处于饱和状态。于是寄生晶体管开通，门极失去控制作用， 这就是所谓的擎住效应。 由于漏极通态电流的连续值过大而产生的擎住效应称 为静态擎住效应。此外，在i g b t 关断过程中，由于重加 帆d t 过大，在p n 结j 2 引起的位移电流( c j 2 d d t ) 流过 体区电阻艮，产生较大正偏置电压，致使寄生晶体管导通， 称为动态擎住效应。 i g b t 发生擎住效应后，集极电流增大，造成过高的功 图2 4i g b t 等效电路 耗，导致器件损坏。因此使用过程中必须防止i g b t 发生擎住效应，为此可限制i 。电流的 最大值，同时用加大门极电阻r 。的办法延长i g b t 的关断时间以减小重加d 嘣d t 值或者在 i g b t 关断时，栅极采用一定负偏压以减小重加d v d t 值n l 剐町 ( 2 ) 安全工作区 i g b t 开通的正向偏置安全工作区是由电流、电压、功耗三条边界极限包围而成。最 大漏电流( i j 是根据避免动态擎住而确定的；最大漏源电压( v o 是由i g b t 中p n p 晶体管 的击穿电压确定；最大功耗( p 0 受限于最高允许结温，与导通时间密切相关。导通时间 长，发热严重，安全工作区变窄，如图2 5 a ) 。i g b t 的反向偏置安全工作区随i g b t 关断 时的集射电压变化率d v d t 而改变，d v d t 越高反向偏置安全工作区越窄，如图2 5 b ) 因此，设计电路使i g b t 关断时，栅极应施加一定反偏压，以减小吼d t ，同时可以缩小 关断时间。 b l 撕 o i ) v 璐 o b ) 图2 5i g b t 的安全工作区 2 3 2lg b t 电路参数的计算 i g b t 工作最需要考虑的是各种情况下的过压损坏，因此选择i g b t 应该优先考虑 i g b t 的最大耐压值。根据切割机的空载电压、额定输出电流，全桥逆变结构的工作状态， 以及变压器原、副边绕组的变比，并考虑切割机工作的安全性，本系统选用三菱公司的 c m 2 0 0 d y 一2 4 h 模块，在2 5 时，它的工作电压有效值为1 2 0 0 v ，输出额定电流为2 0 0 a 的。 i g b t 逆变式等离子弧切割电源 该模块的电气特性如表2 2 洲所示。 j j 表2 2 三菱渊2 0 y - 2 4 h 的电气特性( t f 2 5 项目符号测试条件最小标准最大单位 门极漏电流 i g 酷v g e = v g 醪，v c e = 0 v o 5 a 集电极漏电流i c e sv c e = v c b s ，v g e = 0 v 1m a 门极一发射极电压)i c = 2 0 m a v c e = 1 0 v 4 56 o7 5v 集电极一发射极 饱和电压 虼猫i c = 2 0 0 a v g e = 1 5 v 2 53 4 ”v 输入电容瓯v g e = 0 v v 傀= 1 0 v 4 0n f 上升时间t r 4 0 0璐 开通延迟时间 t d ( 砌 协6 0 0 v i c = 2 0 0 a 2 5 0璐 开关时间v 既1 = v g 砣= 1 5 v 3 5 0璐 下降时间t f r g = 1 6 0 关断延迟时间 t d ( 啪 3 0 0n s 反向恢复时间t r fi l 严2 0 0 a d i e 也= - 4 0 0 a 加s 2 5 0璐 r t h 0 曲 p e r i g b t 0 0 8 5侧 热阻 r t h 0 曲 p e r f w d i0 1 8例 从内部结构看，i g b t 相当于一个由m o s f e t 驱动的厚基区g t r ，因此i g b t 的驱动原 理与m o s f e t 基本相同，属于电压驱动元件。i g b t 的栅极驱动参数主要有栅极正偏电压 ，负偏电压一和栅极电阻r 。三个n 3 1 。表2 3 列出了i g b t 栅极驱动条件与元件特性的 关系。 表2 3i g b t 栅极驱动条件与元件特性的关系 特性 虼雅移 t o ne 叽t 疆k负载短路能力斟| |