（电力系统及其自动化专业论文）逆变直流弧焊电源控制系统辅助电源的研究.pdf

a b s t r a c t e l e c t r i cw e l d i n g ，c o n s i d e r e d 酗t h es a r t o r i u so fi n d u s t r y , p l a y e d 锄i n d i s p e n s a b l er o l e i t sc o r e , d cc o n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e rs u p p l yh a ds o m es p e c i a la d v a n t a g e s ，s u c ha s d y n a m i cr e s p o n s eq u i c k e r , c o n t r o ld e g r e ea c c u r a t e r , w h i c hm a d ei ta p p l i e dm o r ew i d e l y b u tt h e 陀、v e 旭s e v e r a ll i m i t a t i o n si nt h et e r m so f t h ee f f i c i e n c y , e m ia n dr e l i a b i l i t yf o rt h e w h o l em a c h i n e t h eo u t p u tp o w e ro fi n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e rs u p p l yw a s al i t t eb i tb i g g e r , w h o s e l o a dw o r k e di nt h ef o l l o w i n gr u l e s “i d l el o a d - s h o r tc i r c u i t - d r a w i n ga r c b u r n i n ga r c - s h o r t c i r e u i t - d r a w i n ga r c ”s oi t sr a d i a t i o na n dc o n d u c t i v ei n t e r f e r e n c ew e r em o r es e r i o u s o l d f a s h i o na u x i l i a r yp o w e rs u p p l i e si n c l u d e ds e v e r a li n d e p e n d e n tl i n e a rp o w e rs u p p l i e s , w h i c ho f f e r e dp o w e rt oc o n t r o lc i r c u i t , t e s t i n gc i r c u i ta n dd r i v ec i r c u i ts e p a r a t e l y e a c h d r i v ec i r c u i tm u s th a v ei t so w nl i n e a rp o w e rs u p p l yt oa v o i dt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h e d r i v es i g n a l s o n c et h eo u t p u to fl i n e a rp o w e rs u p p l yw a ss h o r t , t h ep o w e rs u p p l yc a n t p r o t e c ti t s e l f t h ec o n v e r t e rd c a r cw e l d i n gp o w e rs u p p l yw a se a s yt ob em a n g l e db e c a u s e o fa b o m i n a b l ew o r k i n gs i t u a t i o n a n dt h el i n e a rp o w e rs u p p l yb i g g e ra n d i t se f f i c i e n c yw 撼 i o w e r c o m p a r e dw i t hi n t e g r a t e da u x i l i a r ys w i t c hp o w e rs u p p l yw i t hm u l t i - o u t p u t , i t sc o s t w a sb i g g e r s oan o v e la u x i l i a r yp o w e rs u p p l yo fi n v e r t e ra w e l d i n gp o w e rs u p p l y c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hw a ss a f e r , m o r ec r e d i b l e ，m o r ee c o n o m i c a la n d m o r ep r a c t i c a l ，w a s d e v e l o p e d a r e rr e s e a r c h i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f a l m o s ta l lk i n d so f a d o p t a b l ec i r c u i tt o p o l o g i e s , o n ep r a c t i c a la u x i l i a r yp o w e rs u p p l yo fd ci n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e rs u p p l yc o n t r o l s y s t e mw a sd e s i g n e d i ta d o p t e dt w o - t r a n s i s t o rf l y b a c k c o n v e r t e ra si t sm a i nc i r c u i t , w h i c h w a ss u i t a b l ef o rm u l t i - o u t p u ta n dh i g h e rv o l t a g ei n p u t t l 3 8 4 4 ，w h i c hw o r k e di nt h ep e a k c u 门r e n tc o n t r o lm e t h o d ，w a su s e dt oc o n s t i t u t et h ec o n t r o ls y s t e m t h ep o w e rs u p p l y s o l v e dt h ep r o b l e mt h a tt h e r em u s tb es o m ei n d e p e n d e n tl i n e a rp o w e rs u p p l i e st oo f f e r p o w e rf o r a l lp a r t so fc o n t r o lc i r c u i t t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ea u x i l i a r yp o w e rs y s t e mw a sa n a l y z e di nd e t a i la n d s o m e r u l e sa n dm e t h o df o rt h ed e s i g no ft h ec e n t r a lp a r a m e t e r sw e r eg i v e n a n dh o wt h e a u x i l i a r yp o w e rs u p p l yw a su s e di n t h ed ci n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e rs u p p l yc o n t r o l s y s t e mw a si n t r o d u c e da n ds o m ep a r t sw e r e a l s op r e s e n t e d t h er e s e a r c hw a sh e l p e db yd i n to fc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) t e c h n o l o g y t h e d ca n da cs m a l ls i g n a lm o d e l s ，w o r k i n gi nd i f f e r e n tm o d e ，w e r es e tb yt h em e a n s o f s t a t e s p a c ea v e r a g em e t h o d , a n dt h et r a n s f e rf u n c t i o n sw e r ec o n c l u d e da c c o r d i n g l y a n dt h e i r 摘要 b o d ed i a g r a m sw e r eg o t t e nf r o mm a t l a b s o m ea p p r o p r i a t ec o m p e n s a t i o nn e t w o r k sa n d f e e d b a c ks y s t e mw e r ed e s i g n e d 1 1 1 ed y n a m i cc h a r a c t e r s t a b i l i t ya n da n t i i n t e r f e r e n c e w e r ea n a l y z e d n em a t h e m a t i c sm o d e lo ff e e d b a c kc i r c u i tw a sd e r i v e df r o mt h ea c t u a l c o n t r o ls y s t e ma n dt h es i m u l a t i o nw a v e f o r mo f o u t p u tv o l t a g ew a sg i v e n n co p t i m i z a t i o n o fs y s t e mp a r a m e t e r sw a sp r o c e s s e d as w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , w i t hi n p u tv o l t a g et h r e e - p h a s e ，3 8 0 v 5 0 h z , a c ，a n de i g h t i s o l a t e do u t p u t s , w a sd e s i g n e da n db u i l t t h ee x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e d t h a tt h et o p o l o g yo ft w o - t r a n s i s t o rf l y b a c kc o n v e r t e rn o to n l yk e p tt h ee x c e l l e n c eo f s i n g l e - e n df l y b a c kc o n v e r t e r s u c ha se a s yc o n s t r u c ta n dm u l t i - o u t p u t , b u ta l s oi m p r o v e d i t ss e c u r i t ya n dd e p e n d a b i l i t yi nh i g h - v o l t a g es i t u a t i o n t h ea u x i l i a r yp o w e rs u p p l yw a s a b l et os a t i s t r yt h ed e m a n do fd i g i t a ld cc o n v e r t e ra r ew e l d i n gp o w e rs u p p l ya n dt a k et h e l i n e a rp o w e rs u p p l y sp l a c e k e yw o r d s ：a r ew e l d i n gp o w e rs u p p l y ；a u x i l i a r yp o w e rs u p p l y ；t w o - t r a n s i s t o r f i y b a c kc o n v e r t e r ；m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n 学位论文独创性声明与知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可论文内容未包含法律意义上已 属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果 论文作者签名：留 日期：1 。o 飞锨月1 0 日 j 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利本人高校后 发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛 大学 本学位论文属于： 保密口，在 年解密后适用于本声明 不保密留。 ( 请在以上方框内打。 ” ) 日 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 7 5 第一章绪论 1 1 本课题的背景 第一章绪论 现今电焊机已广泛应用于造船、化工、冶金、建筑、机械、汽车、轻工、电力 等行业，也是航天、电子、原予能等国防尖端工业中不可缺少的加工设备。世界钢 产量的一半以上是用焊接：l r ：艺把它们制成钢制品的，而焊接- 1 ：艺则依靠号称“：j 二业 缝纫机”的电焊机来完成。中钢协预计2 0 0 8 年我国的粗钢产量会达到5 4 亿吨l l j ， 这样对焊机的需求量会更大。 电焊机的核心是弧焊电源，而逆变直流弧焊电源被世界公认为最有发展前途的 焊接电源，它直接影响到电焊机的质量、可靠性、寿命、生产成本以及效率。数字 化、小型化和高效化的逆变直流弧焊电源囚具有焊接性能好、动态响应速度快、体 积小、重量轻、效率高、节能、有利于实现焊接过程的自动化和智能控制等诸多优 点而成为焊接电源的主要发展方向之_ 2 捌。弧焊电源中采用高频技术、软开火技术、 数字化技术以及辅助电源的集成化技术可以减少电磁干扰，减轻变换器中变丛器、 电感、电容的体积和重量，降低输出纹波，提高功率密度，增强系统的可靠性和安 全性，可以满足现代工业对焊接设备的要求1 4 l 。数字化主要指d s p 等数字芯片的应用， 小型化依靠高频技术的引进，其高效化主要依赖软开关技术及合理的辅助电源的采 用。 电焊机在作为一个整体电源为电弧提供能量的同时，其内部控制系统的各个芯 片也需要电源供电，可以说电焊机是大电源中包含着小电源，即辅助电源( a u x i l i a r y p o w e rs u p p l y ，a p s ) 。逆变直流弧焊电源控制系统辅助电源性能的好坏关系到电焊 机整体性能的优劣，该辅助电源的优化研究成为数字化逆变直流弧焊电源发展的一 个热点。 长期以来，辅助电源较多的使用线性稳压电源，它反应速度快，输出纹波较小， 工作产生的噪声低，但是电源的效率较低，体积大，发热量大( 尤其是大功率电源) ， 间接地给系统增加热噪声。 对于一个实际的数字化逆变直流弧焊电源来说，其输出功率一般较大，而它的 负载不断重复着“空载短路引弧燃弧短路引弧”的变化规律， 因而它的辐射和传导干扰都比一般电源大，以前的辅助电源大多采用多个独立的线 性电源分别为控制电路、保护电路、检测电路及驱动电路供电，特别是每个驱动电 路必须单独用一个线性电源供电，以防止驱动信号之间的相互干扰。当线性电源输 出短路时，电源自身不能保护，而弧焊逆变直流电源一般在恶劣的场合工作，如船 坞等潮湿溅水的地方，这样线性电源很易损坏。虽然线性电源制作技术成熟，带载 青岛大学硕十学位论文 能力强，但是线性电源的缺点非常明显，它通常需要体积人而又笨重的工频变压器 进行降压和隔离，这样弧焊电源中辅助电源占了不少空间，而且电源组效率较低， 相对多路输出一体化辅助开关电源成本也较高，也抵消了逆变弧焊电源高频化的意 义。为此必须研发一种安全、可靠、经济、实用的新型逆变弧焊电源控制系统辅助 电源。 在现今主流的数字化逆变直流弧焊电源中，控制系统对其辅助电源输出电压的 要求非常高。例如，数字化逆变直流弧焊电源主电路采用半桥逆变器，它的两个功 率开关器件i g b t 驱动信号不能共地，必须要有可靠的驱动电路。实际中可以考虑采 用四片专门的l g b t 驱动光耦t l p 2 5 0 ，正常工作时只有两，i 工作，另外两片作为后备， 或者网片驱动芯片可以同时应用在全桥电路拓扑中，只是每片t l p 2 5 0 需要单独的供 电电源，并且彼此的供电电源不能共地，这就要求辅助电源提供相互隔离的多路输 出电压。此外，数字化逆变直流弧焊电源巾，构成保护电路的电压比较器l m 3 9 3 p ， 构成电流检测电路的l e m 传感器，控制系统中运算放人器，8 位串行接u 数码湿示 驱动器m a x 7 2 1 9 ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型号的d s p 芯片，三态输出双向收发器 7 4 h c 2 4 5 ，总线传输器s n 7 5 1 7 6 b p ，e 2 p r o m ，蜂鸣器等元器件所需要的隔离的+ 5 v 、 + 1 2 v 、+ 3 3 v 、1 2 v 的：l ：作电压都由辅助电源直接提供或者经过电压转换芯片 m c 7 8 0 5 、a s 2 8 1 0 3 3 v 变压后提供。 为了克服线性稳压型辅助电源的缺点，开关电源在数字化逆变直流弧焊电源控 制系统辅助电源中的应用成为更好的选择。它是一种比较新型的电源，整流电路把 交流电压直接经过初级整流滤波器后得到直流电压，再由逆变器逆变成高频交流脉 冲电压。逆变器输出经高频变雎器隔离并转换成适当的交流电眶，再经过输出整流 和滤波变成所需要的直流输出电压，当交流电输入电拯、负载等变化时，直流输出 电压也会变化，但此时可以调节逆变器输出的脉冲电压的宽度，使直流输出电压保 持稳定，完全可以用在电力电子装置中。 开关电源电路结构比线性稳压电源复杂，但该电源既具有自身高效的优点，又 具有线性稳压电源的稳压特性好的特点，因而是一种集各种电源优点于一身的较为 理想的实用化电源。开关电源和线性稳压器相比，其性能对比如下【5 】： ( 1 ) 开关电源的效率高，可达7 0 - 9 5 ，而线性稳压器的效率仅为2 0 - 6 0 ； ( 2 ) 开关电源可以升压和降压，而线性稳压器仅可以降压： ( 3 ) 开关电源采用体积小的高频变压器，而线性稳压器需要笨重的t 频变压器： ( 4 ) 线性稳压器在输出上产生很少的电气噪声，开关电源设计4 合理，可能产 生相当多的噪声，这是开关电源的缺点。 可以看出，开关电源在绝大多数指标上都具有很大的优势，随着新的电子元器 件、新变换技术、新控制理论不断的出现，开关电源的应用越来越广泛，目前己应 2 第一章绪论 用在通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术等领 域。在数字化逆变直流弧焊电源中，设计一种安全、可靠、经济、实用的新型辅助 电源更是成为可能。 1 2 国内外研究状况与发展方向 现今很多高校、企业及科研单位投入了大量的精力进行高端化的逆变弧焊电源 研究，其中就包括了对控制系统辅助电源的设计研究。针对中小功率的数字化逆变 直流弧焊电源控制系统辅助电源或其他设备的辅助电源，很多单位采用不同的电路 拓扑，进行了深层次的研究或做出了样机，取得了实质性的进展。单单针对数字化 逆变直流弧焊电源控制系统进行辅助电源设计的资料很少。 文献【6 】中，d u s a ns k e n d x i e 于1 9 9 0 年研究了双管反激变换器e m i 的设计，主 要是指出了变换器中干扰源的位置和布线、布局中应该注意的事项，并且在不增加 元器件的基础上，改进了电源的输出特性，其布线、布局原则适合于一般变换器。 文献【7 】中，浙江大学的顾亦磊等人于2 0 0 6 年研究了宽范围反激变换器辅助电 源的t 作原理，并且从有效占空比的范嗣以及占空比对输入电压、输出电压的调节 能力说明变换器的宽范围适应性，适合应刖于高输入电压和特别宽输入电压范围的 辅助电源或较小功率电源，同时，为解决双管反激变换器占空比不能大于5 0 的问 题，可以在双管反激结构的基础上，去掉一个钳位二极管，并且对两个开关的关断 时序进行合理控制，使得两个主开笑管分别承受输入电压和输出电压，具有占空比 大于5 0 的优点。但还只是在理论研究阶段。 文献【8 】中，黑龙江省计量检定测试院的吴长顺和哈尔滨工业大学的张继红等人 于2 0 0 7 年研究了一种利用u c 3 8 4 4 集成芯片实现的多路输出单端反激式开关电源。 它采用基于峰值电流检测方法的控制，并加入低电压保护功能，该电源适用于i g b t 开关管等驱动电路供电，可作为高压大功率场合辅助电源使用，同时文章给出了电 路原理及实测波形，此电路目前已成功应用在一台软开关全桥p w m 变换器的辅助 电源中。但是其反馈电路的设计没有电流隔离，输出电压经电阻分压后直接连到控 制芯片，可靠性不高。 文献【9 】中，浙江大学的杜磊、钱照明、张帆、彭方正等人于2 0 0 6 年针对传统单 管反激电路的不足，将交错并联技术用于双管反激电路中，具有工作频率高，输出 纹波小，功率等级高等优点。分析了两路交错并联双管反激变流器的工作模式，采 用开关平均法建立了电流断续模式下的变流器小信号模型。详细论述了采用电流峰 值控制和光耦隔离系统时，其反馈补偿回路的设计方法，有一定的参考价值。 文献【l o 】中，南京电子技术研究所的封心歌于2 0 0 4 年研究了双管反激电路拓扑 的工作原理，给出了一些关键技术参数的计算公式，设计并研制了一种高电压输入、 3 青岛大学硕士学位论文 多路输出的开关电源，具有功率密度高、变换效率高、可靠性高等优良的综合性能。 该变换器在高电压输入情况下有重要的应用价值。它只是单纯的根据公式、经验进 行相关参数的设计，没有充分的理论依据，但是对课题的研究有一定的参考价值。 文献【l l 】中。南京航空航天大学的谢春2 0 0 5 年得到国家自然科学基金装甲部 队“十五”预研项h 的资助，在关于异步电机起动发电实验系统中d c d c 变换装 置的设计中，研究了一种单管反激变换器，其控制系统所用的控制芯片为u c 3 8 4 x ， 其主电路也有多路输出。同时给出了由u c 3 8 4 x 为控制核心的整个电源系统作小信 号特征与电路模型分析。采用反激的电路拓扑，在对电源系统作了稳定性和动态性 能分析的基础卜，分别用电阻分雎反馈和光耦隔离反馈的方法研制了以3 0 - 5 2 v 电 压输入，有多路输出且相互隔离的电源。分别用b u c k 式和交错并联的双管正激式 电路拓扑，研制了磁粉制动器的直流励磁电流源，其中对于交错并联双管正激式的 电路进行了基于s a b e r 的仿真，确保了电路参数的选取能够保证电路稳定性与动 态性能要求，有一定的参考价值。 同时，还有南京航空航火大学、华南理工大学、哈尔滨工业火学等高校致力于 开关电源的研制与开发，从理论和实际应用等各个方面对开关电源进行了研究探讨 并有了一定的突破 t 2 , 1 3 1 。 开关电源的应用越来越广，除了很大功率范阐以外，凡是用到直流电源的地方， 都会想到采用开关电源，各种电子装置工作电源都是直流电源。由于计算机等电子 装置的集成度不断增加，功能越米越强，它们的体积却越来越小。因此，迫切需要 体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就成了开火电源技术发展的强大 动力。高性能的开关电源始终会主导市场发展的方向，结合收集的资料和以上文献 中的研究状况，本人将积极吸收其中的可取之处，避免其中的缺陷，进一步研究逆 变直流弧焊电源控制系统辅助电源，其主要发展方向： ( i ) 高频化、小型化、低噪声、低污染、高效化。小型化需要提高开关频率， 随着开关频率的提高，开关变换器的体积也随之减少，功率密度也得到大幅提升， 辅助电源的工作频率将越来越高，实现兆赫兹级不是没有可能。但随着开关频率的 不断提高，开关元件和无源元件损耗的增加、e m i 等新的问题也将随之产生。而且 由于以前国内只追求技术上的一些高指标，对环保，电网管理等方面的要求不是很 严格，目前已经逐步认识到这个问题，软开关技术、新型弧焊逆变器辅助电源拓扑 结构越来越多的应用于辅助电源中，可以有效的降低开关损耗、开关应力、噪声污 染等方面的问题，有助于变换器变换效率的提高【1 4 l 。 ( 2 ) 辅助电源的计算机辅助分析与设计【15 1 。利用计算机对开关电源进行辅助设 计和仿真实验，十分有效，是最为快速经济的设计方法。 ( 3 ) 适合于高端电力电子装置的多输出、低损耗、可靠性高、稳定性好、抗干 4 第一章绪论 扰能力强的模块化辅助电源的研究。 ( 4 ) 电源系统的管理和控制。应用微处理器或微机集中控制和管理，可以及时 反映开关电源的环境的各种变化，中央处理单元实现智能控制，可自动诊断故障， 减少维护工作量，确保电源的正常运行6 1 。 1 3 本课题的意义 我国弧焊逆变电源的研制起步较晚，1 9 7 8 年成功研制了第一台弧焊逆变电源样 机。从最甲从事数字化焊机生产制造的奥地利f r o n i u s 公司到芬兰的k e m p p i 公司、 德国e w m 公司、日本松下，他们都推出了各自的采用新型辅助电源的数宁化逆变 焊机，并向中国市场大量推销高端焊机，国内电焊机市场的一半以上被其占领。目 前我国大约有9 0 0 多家电焊机生产厂家，而成规模的生产厂家寥寥无几，大部分企 业年产值在两千万左右，达到一两个亿的厂家屈指可数，且生产的产品大部分为低 端产品，而高端产品的自动和半自动电弧焊机几乎全部靠进口。为了振兴民族焊接 工业，占领高端产品市场，开发一体化、高性能的数字化逆变直流弧焊电源已刻不 容缓。 在逆变直流弧焊电源控制系统中采用高性能的辅助电源对高端弧焊逆变电源的 研究、生产、销售和出口具有重要意义，有利于促进国内高档焊机及焊接设备的发 展，减少进口；有利于精密控制电弧焊巾各种物理现象，提高焊接设备的技术含量 和附加值。例如：每台进u 的全数字化逆变焊机价格为1 2 1 5 万元，国内同功率焊 机为2 4 万元；有利于在成本增加不多的情况卜，使产品性能发生质的变化。 由于技术不成熟、电路参数和结构设计不合理、器件选择不合适，保护电路不 合理，试验检测手段落后或不严格等方面的原因，逆变弧焊电源控制系统的辅助电 源或多或少的存在可靠性和安全性的问题。 研究新型的逆变弧焊电源控制系统辅助电源在焊接领域引起巨大影响，使得逆 变弧焊电源控制系统辅助电源具有以下显著特点【l7 】： ( 1 ) 体积小，重量轻：是工频线性电源重量的1 5 1 1 0 ，减少材料( 铜、钢等) 消耗8 0 9 0 ； ( 2 ) 高效节能：节能2 0 3 0 ，效率8 0 0 - 一9 0 以上，功率因数0 9 5 以上； ( 3 ) 供电性能好，使得逆变弧焊电源安全可靠运行，对研究和发展弧焊电源的 数字化控制、智能控制及软开关控制意义重大。 新型辅助电源完全可以适用于逆变弧焊电源的主流数字化、软开关化。近 年来开关电源的发展情况表明，新型逆变弧焊电源控制系统辅助电源的优化设计是 可行的，数字化焊机的研究前景是光明的，其辅助电源的研究前途也是远大的，其 未来的市场也必将更加广阔。 5 青岛大学硕十学位论文 1 4 本课题的基本内容、方案、难点及创新点 1 4 1 基本内容 本系统的研究包含以下内容： ( 1 ) 辅助电源主电路拓扑的分析、对比、选择及相应工作原理分析； ( 2 ) 辅助电源丰电路、控制电路元器件参数的计算选择及器件选型； ( 3 ) 逆变弧焊电源过欠电雎保护电路、辅助电源驱动电路等控制系统的设计； ( 4 ) 辅助电源在数字化逆变直流弧焊电源中的应用； ( 5 ) 辅助电源小信号建模和仿真分析，检验辅助电源主电路的设计是否满足稳 定性要求； ( 6 ) 进行辅助电源主电路和控制电路的联调实验，采集控制电路、主电路各点 电压波形，并分析多路输出电压性能指标。 1 4 2 基本方案 数宁化逆变直流弧焊电源系统框图如图1 1 所示。 逆变弧焊电源主电路包括输入整流滤波电路、高频逆变器、高频变压器和输出 整流滤波电路，它将工频交流电变换成为高质量的直流电，为负载电弧供电。控制 系统中，d s p 是核心，在电源输出端，分别有电流和电压采样电路检测弧焊逆变电 源的电流输出和电压输出，并将检测结果通过信号调理电路输入到控制芯片d s p 的 a d 端口。d s p 读取此数据后根据给定对逆变电源进行控制，并将相应输出电压、输 出电流显示给用户【i 引，实现了对电源输出的实时检测和控制，其详细工作过程在此 不冉赘述。从图中可以看出辅助电源作为逆变直流弧焊电源控制系统的供电电源， 将为控制系统中的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 、弧焊电源主电路中i g b t 的驱动模块、 保护电路中的电压比较器等外围电路供电，其性能的好坏直接影响到整个逆变弧焊 电源的可靠性。完整的数字化逆变弧焊电源是个很复杂的系统【l9 1 ，国内采用d s p 技 术、数字化技术和辅助电源集成化技术的逆变直流弧焊电源很少。 6 第一章绪论 图1 i 逆变直流弧焊电源系统框图 在参阅大量的研究资料后，经过对各种电路拓扑、控制芯片优缺点等性能指标 的分析，拟采用的逆变直流弧焊电源控制系统辅助电源结构框图如图1 2 所示 2 0 , 2 1 】。 图1 2 辅助电源结构框图 本辅助电源拟采用双管反激变换电路拓扑，其两个开关管同时导通与同时关断， 在一个工作周期中，两管导通时间只是其中的一部分。因此，可以很方便地选择一 种能够提供双路脉冲输出的控制：醛片，来满足双管反激变换电路的控制要求。本方 案的驱动芯片选择t l 3 8 4 4 ，其输出p w m 波形经脉冲变压器隔离后，得到不共地的 两路驱动脉冲，分别驱动两个开关管，不需附加电源( 如使用光耦t l p 2 5 0 时需要) 。 设计时选取所需要计算参数的上限值，并在上限值的基础上加上一定的保险系 7 青岛大学硕十学位论文 数，提高整个逆变弧焊电源及辅助电源工作的可靠性；主电路采用双管反激电路， 整流器采用脉动较小的三相桥式整流电路，输出电路采用单管半波整流，控制核心 采用峰值电流控制模式芯片的t l 3 8 4 4 ，开关管采用高性能的m o s f e t ；考虑采用 m a t l a b 、s a b e r 等软件对辅助电源进行小信号模型分析和电路仿真，以达到参数 的合理化，并且可以对辅助电源系统的性能指标进行分析。 1 4 3 本课题难点及创新点 课题的难点： ( 1 ) 涉及用双管反激变换器进行辅助电源的设计、对辅助电源的主电路和控制 电路进行建模和仿真等深入分析的资料较少。 ( 2 ) 数字化逆变直流弧焊电源的负载不断变化，辐射和传导干扰都比较大，辅 助电源在为数字化逆变弧焊电源控制系统提供多路电压的同时，必须有较强的可靠 性、安全性和抗十扰性的要求。 课题的创新点： ( 1 ) 找到了一种适合于数字化逆变直流弧焊电源高输入电压、要求多路输出、 结构简单、可靠性高、抗干扰能力强的电路拓扑作为其控制系统的辅助电源。 ( 2 ) 对辅助电源的主电路和控制电路进行了建模研究，并依据电路和数学模型 进行了补偿网络的设计及分析。 ( 3 ) 采用m a t l a b 、s a b e r 、p s i m 等软件对主电路和控制电路的参数进行仿 真和优化，并且与实验结果相对比，证明方案的合理性。 8 第二章逆变直流弧焊电源控制系统辅助电源设计 第二章逆变直流弧焊电源控制系统辅助电源设计 2 1 逆变直流弧焊电源控制系统辅助电源拓扑方案确定 常用的辅助电源拓扑很多，主要有单端反激、单管正激、双管正激、推挽、半桥 和伞桥等逆变电路【2 2 1 。它们都是电气隔离型变换器，适用于升降范围宽、输入输出 间需要电气隔离的场合。 图2 1 正激变换器 图2 2 单管反激变换器 图2 1 为正激变换器拓扑，它由b u c k 变换器中插入隔离变压器后演变而来，具有 电路简单、输入输出隔离、容易实现多路输出等优点，但其变压器必须复位，否则它 的励磁电流就会不断的增加，最后导致磁芯饱和，损坏电路中的开关器件。磁复位的 基本要求是隔离变压器的原边励磁和去磁过程中所加的伏秒积相等，极性相反。 图2 2 为单端反激变换器拓扑，该电路是将b o o s t 变换器中的电感换成变压器绕组 r l l 和n 2 相互藕合的电感而得到的，其变压器总是经历着储能放电的过程，起着电感和 变压器的双重作用，这一点与正激变换器不同，正激变换器的隔离变压器不起电感的 作用，只是起到隔离、升降压的作用。变压器磁芯处于直流偏磁状态，为防止磁芯饱 和，需要较大气隙，因此漏感较大，电感值相对较低。当功率开关关断时，由漏感储 能引起的电流突变引起很高的关断电压尖峰；功率管导通时，电感电流变化率大，电 流峰值人。因此，必须用钳位电路来限制反激变换器功率开关管的电压、电流应力， 一般采用r c d 吸收电路。 由于反激变换器具有结构简单、元器件少、成本较低、可靠性高、输入输出电气 隔离、升降范围宽、易于多路输出等优点，广泛应用于各种电子设备。但是其变压器 仅t 作于磁化曲线平面的第一象限，利用率低，而且开关器件承受的电压峰值很大， 不适合应用于较大输出功率、较高输入电压的场合，它是中小功率开关电源理想的拓 扑。 9 青岛大学硕士学位论文 图2 j 双管正激变换器 l 、 、l l i ，j d i c 亍一 1u r s 、肌妻 蚴 i 、 乒 1伽2 ； 啦 之 啦 l、 图2 4 推挽变换器 图2 3 为双管正激变换器拓扑，其工作原理与单管正激电路基本相同，特点是它 的每个开关管承受的断态电压均为输入电压，比相同条件下的单管正激电路低，而且 双管正激变换器在开关关断期间，其变压器中储存的能量可以通过与其并联的二极管 返回到电源中，不需要采用复位电路就可以保证变压器的可靠磁复位，适合用于高压 输入电源中。该电路与全桥变换器或半桥变换器相比，它的每个桥臂都是由一个二二极 管和一个开关管串联组成，故在结构 ：不存在桥臂直通的问题，可靠性高。 图2 4 为推挽变换器，两只开关管轮流导通，输出脉动电压小，滤波容易，变压 器能够双向励磁，磁j 占利用率高，开关管的电压应力高，达到输入电压的两倍，故适 用于低输入电压的中、人功率的开关电源巾。由于开关的导通压降和开关时间不可能 一致，容易引起变压器偏磁，甚至饱和，应选用特性较+ 致的开关管，并适当增加变 压器磁路中的气隙，使之在电路不平衡状态下，磁通不至于饱和田j 。 、：丁 已 图2 5 半桥变换器 t c l一 已 图2 6 全桥变换器 图2 5 为半桥变换器拓扑，一个桥臂两个开关管串联，另一桥臂两个电容串联， 这两个电容用来分压，流通交流电流成份，同时也对输入电压进行滤波。开关管电压 应力为输入电源电压，开关管开通时，变压器原边所加的电压只有输入电压的一半， 故该电路适用于较高的直流输入电压，限制了变换器的输出功率，要增加输出功率， 必须提高开关的电流应力。半桥变换器利用输入电容的充放电特性自动调整两个输入 电容上的电压，使变压器在工作周期的正负半周伏秒平衡，故该电路不容易发生变压 器偏磁和直流饱和的问题。半桥变换器的桥臂为两开关管串联，故存在桥臂直通的问 1 0 第二章逆变直流弧焊电源控制系统辅助电源设计 题，需要设置适当的死区时间。 图2 6 为全桥变换器拓扑，其结构复杂，成本高，逆变电路由四个开关管组成， 互为对角线的两个开关管同时导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，存在桥臂直 通问题，需要设置适当的死区时间。全桥变换器的变压器双向励磁，并且与推挽变换 器相比较，在输入电压相同的条件下，开关管的电压应力为输入电压的1 2 ，因此适 用于输入电压高的数百瓦至数十千瓦的各种工业用开关电源中。若互补导通的开关管 导通时间不对称，会在变骶器一次电流中产生很大的直流分量，并可能造成磁路饱和， 故全桥变换器应避免电压直流分量的产生，可以在一次回路中串联一个隔直电容以 上几种电路拓扑性能比较如表2 1 所示 表2 i 各种直流变换器的比较 电路优点 缺点 正激电路简单，成本低，可靠性变压器单向励磁，利用牢低 高，驱动电路简单 反激电路非常简单，成本很低，变压器单向励磁，利用率低，难 可靠性高。驱动电路简单以到达较大功率 变压器双向励磁，容易达到结构复杂，成本高，有直通问题， 全桥 大功率可靠性低，需要复杂的多组隔离 驱动电路 半桥变压器双向励磁，没有偏磁有直通问题，可靠性低，需要复 问题，开关管较少，成本低杂的隔离驱动电路 变压器双向励磁，只有一个有偏磁问题，适用于低输入电压 推挽开关，通态损耗较小驱动的电源 简单 在逆变直流弧焊电源这种应用场合中，主电路变换器必须满足高压输入、多路输 出、高可靠性、高稳定性的要求。从以上的对比可以看出，相对于正激变换器，反激 变换器不需要输出滤波电感，具有结构简单，成本低的优势；相对于半桥、全桥变换 器，反激变换器输入电压范围广，成本低。相对于其他非隔离输入变换器，反激变换 器输入输出电气隔离，安全性可靠性高，反激变换器易于多路输出，常用于多路输出 的巾小功率场合。但是对于输入电压较高的场合，单管反激变换器的开关管要承受约 两倍于输入电压的高压，这对系统的可靠性和开关管的选择都十分不利，针对此种情 况，提出采用双管反激这种电路拓扑，双管反激变换器拓扑如图2 7 所示。 同单管反激变换器相比，双管反激变换器在变压器的原边增加了一个开关管和两 青岛大学硕士学位论文 个二极管，将开关管电压钳位在输入电压，同时为变压器的去磁电流提供通路。双管 反激变换器开关管电压应力低，抗桥臂直通能力强，可靠性高。本方案采用双管反激 变换器的拓扑，其每个开关管的电压应力仅为输入电压，此外，无需外加吸收电路， 效率比单管高，适用于高输入电压场合t 2 4 , 2 5 。多路输出双管反激式数字化逆变直流弧 焊电源控制系统辅助电源简图如下图2 8 所示。 图2 7 双管反激变换嚣 图2 3 多路输出双管反激式逆变直流弧焊电源控制系统辅助电源简图 1 2 第二章逆变直流弧焊电源控制系统辅助电源设计 数字化逆变直流弧焊电源输入为三相3 8 0 v a c ，整流滤波后的直流输入电压u 。大 约为5 4 0 v d c ，该电路中含有四片t l p 2 5 0 作为变换器的负载，t l p 2 5 0 供电电压为 2 4 v d c ，相互隔离。当弧焊电源主电路采用半桥电路拓扑时，其中的两片工作，另 外两片可以备用。由于弧焊电源控制板中的芯片如d s p 、e 2 p r o m ( x 5 0 4 3 ) 等需要+ 5 v 、 + 3 3 v 、1 2 v 的供电电压，并且彼此间相互隔离，因此设计了两路隔离输出1 2 v 电压，经过电压转换芯片如m c 7 8 0 5 等转换后，就可得到相应的供电电压。 2 2 控制系统辅助电源主电路工作原理 2 2 1 基本工作原理 图2 9 双管反激变换器 辅助电源主电路如图2 9 所示，辅助电源的交流输入和逆变直流弧焊电源主电路 的交流输入相同，其输入端的整流滤波电路没有在图中显示，需要指出的是输入整流 部分主要由输入整流桥、e m i 滤波器、热敏电阻、滤波电容等组成，输入的三相交流 电压经整流滤波后变为直流输出电压u 。，加到逆变电路上作为d c d c 变换器的输入。 当控制电路有触发信号输出时，在q l 和q 2 两开关管的门极与源极问加一正i 幻电 压使q 1 、q 2 同时开通，则电流由直流电源u 。正极经q l 、主变压器初级和q 2 流回u 。负 极。变压器t r 初级有电流流过得到感应电势，通过耦合，使变压器次级也相应得到 电压。若q 1 、q 2 的门源极的控制电压变为零或负值，则两管同时截止，变压器初级 无感应电势。当q l 、q 2 关断瞬间，变压器初级两端会感应得到一个瞬时高压，其方 向为上负下正，此高压加在q 1 、q 2 上对开关管极为不利，但是凶为有d l 、d 2 的存在， 变压器两端的瞬时高压能量可通过d i 、d 2 释放出来，使q i 、q 2 得到保护。 控制电路的脉冲信号不断地作用在q 1 、q 2 的门源极间两端，两管交替地同时导 通或同时截止，使t r 的初级得到脉冲电压( 其频率由控制电路输出脉冲的频率决定， 本设计设定为2 5 k h z ) ，该电压经变压器降压后由其次级耦合输出，经整流二极管整流、 1 3 青岛大学硕士学位论文 滤波电容滤波后供给负载直流电压。 根据双管反激变换器的稳态工作原理，可以看出由于两个功率开关管同时开通、 关断，每个开关管只承受输入电压的大小，适合于弧焊电源这种输入电压较高的场合； 续流二极管将变