（材料加工工程专业论文）软开关逆变电源主电路和基于小波变换短路信号检测系统研制.pdf

河拇人学- 亡学硕卜学位论文 软开关逆垒 乜源主电路和基于小波变换婚路信九- 榆测系统研制 摘要 本文围绕实现数字化的波控逆变c 0 2 焊机的目标，构建了软开关逆变电源 主电路和基于小波变换的c 0 2 焊短路信号检测系统。 针对基于i g b t 的软开关全桥逆变电源实现2 0 k h z 开关频率的技术要求，建 立了软开关逆变电源的主电路。首先根据软开关逆变电源实现移动臂中功率开关 元件零电压开通和固定臂中功率开关元件零电流关断的工作机理建立了主电路 中各元件参数之间的约束方程，为验证主电路中各元件参数设计的正确性建立其 理论基础。其次根据全桥逆变电源主电路的拓扑结构建立了逆变电源的 m a t l a b 仿真模型，同时根据计算出的功率开关元件i g b t 及其并联电容、隔 直电容、串联谐振电感、中频变压器等元件参数值设置了m a t l a b 仿真模型中 的元件值，通过仿真分析验证了软开关逆变电源主电路拓扑结构的合理性，以及 各元件参数设计的正确性。最后构建逆变电源主电路，实验验证该电路能在一定 的负载范围内实现软开关，具有减小开关损耗和开关应力的功能，为进一步提高 逆变电源的开关频率打下基础。 针对课题中所需元件的特殊性，自制了电感值可变的可饱和电感和对原边漏 感具有较高要求的中频变压器。实验验证，自制的可饱和电感为和中频变压器满 足既定技术性能要求。 针对目前波控焊机无法准确、可靠、及时检测到短路、缩颈信号的问题，研 制了基于小波变换的c 0 2 焊短路信号d s p 检测系统，以提高信号检测的准确性、 可靠性和实时性。首先从理论上验证利用小波变换检测短路信号的可行性和其优 越性，为基于小波变换的c 0 2 焊短路信号d s p 检测系统建立了理论基础。其次 建立基于快速傅立叶变换的d s p 信号频谱分析系统，实时分析弧焊电源的电弧 电压信号的频谱特征，据此设计短路信号检测系统的信号预处理电路，为短路信 号检测提供了既滤除了干扰信号又保留了信号细节的电弧电压信号。再次通过 m a t l a b 中小波工具箱对实测电弧电压信号的仿真分析建立最优数字滤波器 组。最后构造了基于小波变换的d s p 短路信号检测系统，通过实验验证了该信 号检测系统的实时性、可靠性、准确性和对真、假短路信号判定条件具有可调性， 为实现焊接电压、电流波形控制提供了决定性的前提条件。 关键词：逆变电源；软开关：波形控$ 1 h 短路信号检测；小波变换；d s p ； 可饱和电感 摘要 a b s t r a c t i tm a d ead i g i t i z e dw a v e f o r mc o n t r o ls o f t - s w i t c h i n gc 0 2w e l dm a c h i n ei nt h i s p a d e ls o rs w i t c hi n v e n e rm a i nc i r c u i ta n dt h es h o r tc i r c u i ts i g n a ld e t e c t i o ns y s t e mo f c 0 ，w e l d i n gb a s e do nt h ew a v e l e tt r a n s f o r i l lw e r em a d e s o f ts w i t c hi n v e r t e rm a i nc i r c u i to f2 0 k h zi nf r e q u e n c yb a s e do ni g b ti sm a d e ， f i r s t l yt h ee q u a t i o na m o n gt h ec o m p o n e n tp a r a m e t e r so fm a i nc i r c u i ti sc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n tt h a tt h ez e r ov o l t a g ei ns h i f i e dl e gi ss w i t c h e da n dt h e z e r oc u r r e n ti ns t a t i cl e gi ss w i t c h e d t h ee q u a t i o ni st h ef o u n d a t i o no ft e s t i f y i n gt h e c o r r e c t i o no ft h ec o m p o n e mp a r a m e t e r si nm a i nc i r c u i t u n d e rt h eb a c k g r o u n do f m a t l a b t h es i m u l a t e dm o d e lo fi n v e r t e rp o w e ri sb u i l tb a s e do nt h et o p o l o g yo f m 1 1b r i d g ei n v e r t e rm a i nc i r c u i t f r o mt h ee q u a t i o n t h ep a r a m e t e r so fc o m p o n e n ti n s i m u l a t e dm o d e lw e r es e t ，s u c ha ss n u b b e rc a p a c i t a n c e i g bt s e r i e si n d u c t o r , t r a n s f o r u l e r , b l o c kc a p a c i t a n c e t h er a t i o n a l i t yo ft h et o p o l o g yo fs o f ts w i t c hf u l l b r i d g ei n v e r t e rm a i nc i r c u i ta n dt h ec o r r e c t i o no ft h ec o m p o n e n tp a r a m e t e r sw e r e t e s t i f i e db yt h es i m u l a t i o n a n dt h ee x p e r i m e n tt e s t i f i e dt h a ts o f ts w i t c hi nr a n g eo f l o a di sa c h i e v e da n dt h em a i nc i r c u i th a ss w i t c hl o s s e sa n dl e s ss w i t c hs t r e s s a 1 1o f t l l a ti st h ef o u n d a t i o no fi m p r o v e m e n tt h ei n v e r t e rf r e q u e n c y d u et ot h es p e c i a l t yo ft h ec o m p o n e n t s s a t u r a b l ei n d u c t o ra n dt r a n s f o r m e rw i n l l i t t l el e a k a g ew e r em a d e a n dt h e yw e r et e s t e dm e tw i t ht h er e q u i r e m e n tb y e x p e r i m e n t n es h o r tc i r c u i ta n dl i q u i db r i d g ep i n c hs i g n a l sc a l ln o tb ed e t e c t e dp r e c i s e l y , r e l i a b l ea n dd u l y ，s ot h ed s ps y s t e mb a s e do nw a v e l e td e t e c ts h o r tc i t e u i ts i g n a lw b s d e v e l o p e dt oi r e p r o v e t h cp r o b a b i l i t ya n da d v a n t a g eo ft h es h o r tc i r c u i ts i g n a l d e t e c t i o no fc 0 2w e l d i n gs y s t e mb yw a v e l e tw e r et e s t e dt h e o r e t i c a l l y , w h i c hi st h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no ft h ed s ps y 7 s t e m b a s e do nf f tt h ed s ps p e c t r u ma n a l y s i s s y s t e mo fa r cv o l t a g ei ss e t p r e t r e a t m e n tc i r c u i to ft h es h o r tc i r c u i ts i g n a ld e t e c t i o no f c 0 2w e l d i n gi sd e s i g n e d t h en o i s ei sf i l t e r e da n dt h ed e t a i la r cv o l t a g es i g n a li s r e s e r v e dw i t ht h ec i r c u i t t h e nt h eo p t i m u md i g i t a lf i l t e rg r o u pa n a l y z i n ga r cv o l t a g e i sd e r i v e db yt h ew a yw a v e l e tt o o l si nm a t l a b f i n a l l yt h ed s pd e t e c t i o ns y s t e mo f s h o r tc i r c u i tb a s e do nw a v e l e ti sc o n s t r u c t e d ，a n dt h ep r e c i s i o n 。r e l i a b i l i t ya n d r e a l t i m eo f t h es y s t e mi sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t t h es y s t e mc a nd i s t i n g u i s ht r u ea n d f a l s es h o r tc i r c u i ts i g n a l s a n dp r o v i d e sp r e c o n d i t i o no f w a v ec o n t r 0 1 k e y w o r d s ：i n v e r t e rs u p p l y , s o f t - s w i t c h i n g ，w a v e f o r mc o n t r o l ，d e t e c to ft h es h o r t c i r c u i ts i g n a l ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，d s p , s a t i a b l ei n d u c t o r l i 学位论文独创性声明： 本人匮呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同 事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：刍 、留 冬乔 叫年3 月夕口日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：男鳓 知7 年3 月罗口日 河鹰太学工学硬上学垃论文软开关逆变电源土电路和基于小波变换如路信弓捡测系统研制 第一章绪论 1 1c 0 2 气体保护焊的发展现状 焊接已成为我国制造业中最重要的加工工艺方法之一，2 0 0 4 年有近一亿吨钢 材通过焊接成为有用的产品。我国已经成为世界上最大的焊接钢结构生产国。为 配合钢产量的发展，我国焊接材料的年产量也达n 2 0 0 多万吨的世界最高水平【l 】。 c o2 气体保护焊具有成本低，能耗低，抗锈能力较强，焊缝含氢量低，抗 裂性好，焊后不需清渣，效率高等特点。c o2 气体保护焊已广泛应用于低碳钢 和低合金、薄板钢结构的焊接以及全位置焊接的场合，且其是明弧焊接，便于监 视和控制，有利于实现焊接过程的机械化和自动化。鉴于c 0 2 气体保护焊的应用 优势，c 0 2 气体保护焊已成为钢结构生产中主要的焊接方法之一。我国虽然自 5 0 年代末就开始研制与应用c 0 2 气体保护焊，但由于生产水平不高，该焊接方法 的发展一直比较迟缓。直到8 0 年代后，外国的焊接设备和材料大量进口，同时也 从国外引进了c 0 2 气体保护焊接设备的生产技术和焊接生产线，极大地推动了我 n c 0 2 气体保护焊接技术的发展 2 】。目前我国西部大开发的许多基础项目如公路、 铁路、机场建设及西气东输、西油东送等都应用t 0 0 2 气体保护焊接技术【3 】。 c 0 2 气体保护焊在使用过程中也暴露出其显著问题：金属飞溅大、焊缝成型 差等问题。其中飞溅是逆变c 0 2 气体保护焊最主要的缺点，它除了带来金属的浪 费以外，还会造成喷嘴堵塞，送丝阻碍而引起熄弧等故障。这些问题，重阻碍了 c 0 2 气体保护焊的进一步发展。 1 2c 0 2 气体保护焊熔滴过渡形式及飞溅产生的机理 焊接过程中造成的金属飞溅大小与熔滴过渡形式有很大的关系。熔滴过渡形 式大体上可分为三种类型：自由过渡、接触过渡和渣壁过渡【4 j 。接触过渡又分短 路过渡和搭桥过渡，c 0 2 气体保护焊熔滴过渡形式属于短路过渡。熔滴短路过渡 是在较小电流及低电压时，熔滴未长成大熔滴就与熔池短路，在表面张力及电磁 力收缩力的作用下，熔滴向母材过渡的形式。焊接过程中，大部分焊丝熔化会属 可过渡到熔池，也有一部分熔化会属飞向熔池外，飞到熔池外的金属称为飞溅。 c 0 2 气体保护焊短路过渡中有两种主要的飞溅形式：一是短路初期的瞬时短路飞 溅：二是短路末期液桥缩颈电爆炸飞溅。前者是当熔滴与熔池刚接触的瞬间，电 流较大，又由于接触面积小，与熔滴完全铺展开时相比电阻较大，此时如果短路 电流上升速度过快，熔滴受电磁力过大，熔滴来不及铺展就被迅速排斥出熔池， 形成飞溅。后者是短路过程中形成的液桥被急剧加热，过量的能量积累导致液桥 气化爆炸引起的飞溅【5 l 。飞溅的多少与爆炸能量有关，此能量主要指在小桥破断 之前的1 0 0 - 1 5 0 p s 短时间内积聚起来的，爆炸能量主要由这段时间内短路电流大 小所决定。所以减小飞溅的主要途径是改善电源的动特性，限制短路期间内两处 的峰值电流。 第一章 绪论 1 3 减小c 0 2 气体保护焊飞溅的措施 在细丝小电流c 0 2 气体保护焊时，飞溅率较小，通常为5 。但是租焊丝 c 0 2 气体保护焊大规范焊接时，飞溅很严重，飞溅率可达2 0 ，这时就不能进 行证常焊接工作了【4 】。因此，c 0 2 气体保护焊的应用要进一步的发展，就必须 很好地解决飞溅的问题。 从短路过渡和飞溅产生的机理分析可知减小短路过渡飞溅的措施有两方面： 一方面是改善冶金因素，另一方面是改善力学因素。改善冶金因素即调整焊丝成 分采用低飞溅率焊丝，在保护气体中加入一定量的氨气a r 改善电弧状态和熔 滴过渡形式。改善力学因素即减小短路小桥爆炸力，产生爆炸力的作用与电流波 形密切相关，这就要从焊接设备性能方面进行改善。通过改善冶金因素改进电弧 状态和熔滴过渡形式，虽然这种途径可以取得显著效果，却失去了c 0 2 焊固有 的经济简便的特点【6 l 。随着焊接电弧物理理论的不断丰富和完善，对c 0 2 焊短路 过渡过程认识的不断深入，同时借助现代电力电子技术和计算机技术日新月异的 新成果，从焊接设备性能方面进行改善这一途径减小飞溅表现出越来越明显的优 势。 改善焊接设备性能减小飞溅的方法中比较典型的有以下几类： l 、电流切换法 每个熔滴过渡过程中，在液桥缩颈达到临界尺寸之前允许短路电流自然增 大，保证其电磁压缩力的有利作用。一旦缩颈尺寸达到f 临界尺寸后，立即进行电 流切换，将电流迅速从高值切换到低值，使液桥缩颈处在小电流下断开。但在短 路焊接中存在着固有的非规律性的过渡特性，有时会造成提前或滞后的不正常切 换。正常切换率只能达到8 5 左右。 2 、电源外特性控制 利用电源外特性控制的方法有双阶梯外特性和复合外特性控制法。与电流波 形控制方法类似，只是电流不是固定波形，而是固定的外特性。因而电弧具有较 好的弧长调节作用，在保证液桥顺利过渡的前提下，短路期1 日j 的外特性可以对短 路电流进行一定限制。 3 、采用脉动送丝方式进行c 0 2 焊接 脉动送丝就是通过特殊的送丝机构，采用“一送一停”的送丝方式，使送丝 速度周期性变化，对熔滴过渡进行控制。在焊丝“停”的过程中，电弧烧长并在 焊丝端头形成熔滴，电弧逐渐拉长，当电弧反烧到一定程度，焊丝高速送进，将 熔滴强制推向熔池，电弧逐渐缩短，惯性力促使熔滴完成短路过渡。每次送进都 造成一次短路过渡，即一步一个焊滴，熔滴的大小决定于送丝步距。由于脉动送 丝对，是这种强制往的短路过渡方式可以有效地克服斑点压力，帮助熔滴顺利进 入熔池，大大降低飞溅，而且不必过分降低电弧电压。脉动送丝的实现方式很 河海大学丁学硕士塑塑软开关逆变电源主电路和基于小波变换短路信号检测系统研制 多，包括凸轮脉动送丝、送丝回抽和焊接电流联合控制等。但在实际应用中，检 测和控制系统的动态响应，电机和减速机系统的动态响应及焊丝在送丝软管中运 动的动态响应比液桥后期的收缩过程要慢得多，系统很难做到送丝与熔滴过渡的 同步f 5 7 叫。 4 、波形控制 随着逆变技术及对飞溅机理认识的深入，产生了具有分时控制特点的波形控 制法。波形控制法就是通过控制输出电流波形，使金属液桥在低的电流上升速度 和低的短路峰值电流下断丌，即使液桥在低的爆炸能量下爆断，以减小飞溅。液 桥爆断，电弧再引燃后，立即提高燃弧电流，经一段时间燃弧，电流再从高值过 渡到稳定值，这样来增加燃弧期间母材输入热量，从而达到增加熔深和改善焊缝 成形的目的1 1 0 】。 ( 1 ) 、粗糙控制 传统的c 0 2 焊接电源中，在具有恒压外特性的焊接电源输出回路中，串联 一个电感量大小适中的电抗器。在短路期间由于电感的存在，短路电流增长率及 液桥爆断时的短路峰值电流受到抑制，从而控制了飞溅。而且电感还起着十分重 要的储能作用，在短路期间将电能转化为磁能待燃弧期间再向电弧放出，这就 有助于增加燃弧能量，有利于改善焊缝成形。 电感量不能太大也不能太小，较大的电感有助于增大燃弧能量，但是过大的电感 在抑制电流上升和短路峰值的同时会延长短路时间，这会严重影响焊接质量。只 有对不同的焊接电流选取不同的适当电感，才能起到减小飞溅的效梨一2 1 。 ( 2 ) 、精细控制 精细控制方面比较有代表性的是美国林肯公司的表面张力过渡( s t t ) 控制 电源【”。表面张力过渡将短路过程细分为：液桥形成段、颈缩段、液桥破断段、 重燃弧段、稳定燃烧段、燃弧后期段等6 个阶段加以控制。s t t 法电流电压波形 波形如图1 1 所示。 在t l 时刻，短路开始，迅速减小电流并持续约o 7 5 m s 左右至t z ，使短路稳 定进行，防止能量局部集中和瞬时短路飞溅的产生；t 2 t 3 是短路电流上升阶段， 此阶段增大电流上升速度有利于提高短路过渡过程的规则性与稳定性：t 3 时刻， 熔滴缩颈己达临界尺寸，即将断歼，为防止金属小桥上能量集中而产生电爆炸飞 溅，迅速将电流减小并持续至小桥断开；t 4 时刻，进入重新燃弧阶段，此时电压 达到了重新燃弧所需的较高值，但电流被控制在较小值，因为小桥刚刚断裂，液 态金属正向熔池铺展，熔池正处于一种不稳定状态，若此时电流较大，会产生较 大的电弧吹力，在熔池上加剧这种不稳定状态；到t 5 时刻，迅速增大电流，持续 至t 6 时刻，熔池在大电流的电弧作用下铺展；之后，电流被迅速降至正常的燃弧 基值电流，到t 7 时刻，再次发生短路，进入下一次循环【h i 。 第一章 绪论 九 l f _ ju l | l 彳 广 图1 1s t t 电流电压波形图图1 2 a w p 波形控制图 ( 3 ) 、a 、v p ( a d a p t i n gw e l d i n gp h y s i c sp r o c e s s ) 波形控制法 a w p 波形控制法主要针对c 0 2 焊时因瞬时短路形成的大颗粒飞溅和园电爆 炸而形成的细颗粒飞溅并兼顾焊缝成形。图1 2 为a w p 波形控制示意图。 其要点如下： 、当检测到熔滴与熔池发生短路后，启动控制系统，运用脉宽调制技术降 低回路电流，让熔滴在较低电流水平下与熔池充分接触，以避免瞬时短路现象发 生： 、电流在较低水平下维持一段时间后，取消降电流措施，使液桥中流过的 电流按指数规律增长，以保证足够的电磁压缩作用； 、当检测到形成缩颈后，再次启动控制系统强迫短路电流迅速降低，使液 桥在较低电流水平下柔顺地被表面张力所拉断，以杜绝电爆炸现象的发生； ，液桥断开后，电压达到了重新燃弧所需要的较高值，但电流需控制在较 低值并维持一段时间，使液态金属在较低的电流下向熔池铺展，以降低熔池的不 稳定因素： 、燃弧初期维持较低电流一段时间后，迅速增加电流，熔池在较大电流的 电弧作用下，铺展良好，焊缝成形改善，随后迅速减小电流，达到正常稳定的燃 弧状态并等待下一次短路的发生。 ( 4 ) 、并联式电流波形控制 并联式电流波形控制的原理是在原有电源输出波形的任意一点上叠加一电 流负脉冲，实现电流波形的实时控制，从而得到所需的焊接电流波形，以改善熔 滴过渡状况。如图1 3 所示，图中t 0 、t 、1 分别为电流负脉冲的发生时间、宽度 与幅度。微机控制系统的电流负脉冲发生器与常规c 0 2 焊电源并联，并联式微机 控制系统的电路组成框图如图1 4 所示。通过微机系统程序控制，t o 、a t 、a i 的 值任意可调电流负脉冲可迭加在电流波形的任意处，负脉冲的宽度与幅值皆可 调【1 6 1 。 4 河拇大学工学硕士学位论文 软开关逆变电源圭电路和基于小缝变换算龉信呼柃柳系统研制 - 瑚 基 卜稚 “卜 、- _ ，_ - _ 一 r 。， 戮1 1 微机控制i 一 电弧 嚣畿h ”菇”芭曼 负载 发生电路ll 。p 一一 图1 3 ，f 联式电流波形控制示意图图1 4 并联式波控的微机系统框图 在短路期间的电流波形中叠加一负脉冲电流，对降低飞溅有明显效果。因为 短路过渡时产生电爆炸的能量不仅来自短路期间的电阻热，短路前熔滴中所积 累的过剩能量也是导致电爆炸的重要原因，它也是瞬时短路时引起飞溅的主要 原因。因此在熔滴短路之前的菜一时刻，应将焊接电流降低到仅能维持电弧燃烧 的最低程度直到熔滴发生短路。由于这段时间的电弧功率大大降低，熔滴会释放 掉大量积蓄的能量。因此当熔滴脱落时，尽管也出现了液态金属缩颈，短路电 流上升很快，短路峰值电流也很大，但缩颈部分产生的电阻热并没有达到使小桥 发生电爆炸的能量水平，因而不会出现电爆炸现象，熔滴过渡比较平稳，同时短 路过渡前所施加的负脉冲也减小了电弧力，可促使熔滴下垂，促进熔滴过渡，使 熔滴成为受控过渡咿j 。 1 4 本课题的研究意义及设计目标 分析以上各种减小飞溅的措施中发现，最具发展潜力的就是基于表面张力过 渡理论的波形控制法。美国林肯公司利用逆变焊机的高速可控性，采用波形控制 技术研制了s t t 型c 0 2 半自动焊机【盯j 。该焊机在西气东输工程中扮演了一个很 重要的角色，据统计，按工程量计算，林肯焊机大约完成工程量的8 5 左右。 这种焊机最大的优点就是可以极大地减小飞溅pj 。由于波形控制可以有效的减小 飞溅，所以受到普遍关注。天津大学的杨立军，山东大学的张光先，兰州理工大 学的马跃洲等都在波形控制逆变c 0 2 焊机的研制方面开展了较为深入的研究。 目前实现波形控制法仍然存在较多的难点，其难点主要有如下三个方面： 第一个难点，对波形进行控制就是控制金属液桥在低的电流上升速度和低的 短路峰值电流下断开，即使液桥在低的爆炸能量下爆断，以减小飞溅【l 。但是由 于熔滴过渡的随机性和分散性，预置电流波形难以与实际过渡过程同步：而且对 每个熔滴收缩过程后期控制缺乏针对性，难以达到波形控制的预期效果。因此， 必须在对电流波形进行控制前准确、可靠、及时地检测到短路信号和缩颈信号， 才可以对电流波形进行精确的控制，达到减小飞溅，改善焊缝成型的耳的。即是 否能准确、可靠、及时地检测到短路信号和缩颈信号是c 0 2 焊机能否实施电流波 形波控的前提性条件。目前常规的短路信号和缩颈信号检测方法无法保证其准确 性、可靠性和实时性。所以，必须打破常规采用新的信号检测方法。 第一章绪论 第二个难点，为了使飞溅最小，使短路电流的上升速度适当小一些，使熔滴 在大电流下的时间不能太长：而在缩颈产生后，又要使电流尽可能快地从峰值降 下来一般要求0 3 m s 内将电流从峰值电流4 0 0 a 左右降到1 0 0 - - 5 0 a 内才能有效减 小飞溅。这必然造成一个矛盾，为抑制短路电流的上升速度，输出回路电感值必 须取得较大。然而这将影响电流的下降速度；输出回路电感值取得较小时，提高 了电流的下降速度，但无法有效的抑制短路电流的上升速度。这两种情况都将影 响减小飞溅的效果。所以，输出回路电感不能采用线性电感，只能采用可饱和电 感来满足上述控制电流的动特性要求。 第三个难点，要对电流波形进行精确控制必须要求逆变电源具有很高的开关 频率，这样才能在几百微秒内对电流在2 0 4 0 0 a 范围内的实施精细控制。然而， 随着逆变电源开关频率的提高，目前逆变电源通常采用的硬开关控制方式必将造 成较大的开关损耗和开关应力，这将使逆变电源无法正常工作。所以，必须采用 一定的措施减小开关损耗和开关应力，为提高逆变电源歼关频率做准备。 围绕最终实现数字化的波控逆变c 0 2 焊机的研制目标，本课题的任务就是 尽力解决上述实施波控存在的困难。针对目前波控焊机无法准确、可靠、及时检 测到短路、缩颈信号问题，本课题拟研制基于小波变换的c 0 2 焊短路信号d s p 检测系统，以提高信号检测的准确性、可靠性及实时性：针对逆变电源中普通输 出滤波电感不能满足波控焊机输出特性要求，本课题拟研制电感值可变的可饱和 电感取代输出回路中的普通电感，以满足电源输出电流的输出特性要求：针对实 现精细化波控需要逆变电源具有很高的开关频率的要求，本课题研制基于i g b t 的软开关逆变电源主电路，设计、优化逆变电源主电路元件的参数，使逆变电源 实现软丁f 关的工作方式以解决提高逆变电源的开关频率引起的丌关损耗和开关 应力问题，为提高逆变电源的开关频率做好准备工作。针对上述解决实施波控的 难点的三条措施，将本课题任务分解为以下三个具体任务来完成： l 、为设计、优化软开关逆变电源主电路中各元件参数建立其理论基础，根 据逆变电源的工作机理建立主电路各元件参数之间的约束方程；根据逆变电源主 电路的拓扑结构和理论计算出的各元件参数值建立m a t l a b 仿真模型，仿真分 析逆变电源主电路拓扑结构的合理性，各元件参数设计的讵确性，为实际构建逆 变电源主电路提供参考；根据计算所得各元件参数，构建逆变电源主电路，使其 能在一定的负载范围内实现软开关，以减小开关损耗和开关应力，为进步提高 逆变电源的开关频率打下基础。 2 、分析可饱和电感和中频变压器的工作原理和制作工艺要求，自行设计、 制造可饱和电感和中频变压器。在逆变电源输出回路中采用可饱和电感代替普通 电感，以满足波形控制对输出电流特性的要求；在逆变电源中采用自制中频变压 器以满足逆变电源实现软开关工作方式对中频变压器原边漏感的要求。 6 河海大学工学硕士学位丝 软开关逆变电源主电路和基于小渡变换短路信号检测系统研制 3 、理论上验证小波变换检测短路信号的可行性和其优越性，为基于小波变 换的c 0 2 短路信号d s p 检测系统建立理论基础；建立基于快速傅立叶变换的d s p 信号频谱分析系统，实时分析弧焊电源的电弧电压信号的频谱特征，据此设计小 波变换检测短路信号的预处理电路。通过m a t l a b 中小波工具箱对实测电弧电 压信号的仿真分析建立最优数字滤波器组，为建立基于d s p 的小波变换检测短 路信号系统做准备；构造基于小波变换的c 0 2 短路信号d s p 检测系统，通过实 验验证该系统的实时性、可靠性、准确性以及该系统对真、假短路信号的判定条 件可调性，为实现焊接电压、电流波形控制提供决定性的前提条件。 7 第二章软开关逆变电源系统整体垃计 第二章软开关逆变电源系统整体设计 2 1 逆变电源系统整体设计简介 逆变焊机电源系统整体结构如图2 1 所示，主要由主电路、控制电路、驱动 电路等三个主要部分组成。主电路承担着转换、传递能量的任务，是整个电源 的基础。主电路必须安全、可靠，元件参数的选择应该以极限工作条件为依据， 并留有一定余量，保证所选元件工作在安全区域。控制电路就是以脉宽调制 ( p w m ) 为任务核心，通过电流、电压负反馈闭环控制，实现输出功率的调节， 获得符合要求的逆变电源静特性和动特性。驱动电路的作用是将控制电路输出 的p w m 脉冲放大到足以驱动开关功率器件，所以单从原理上讲，驱动电路主要 起功率放大作用。但驱动电路重要性在于功率开关元件的开关特性与其性能密 切相关，其性能决定着逆变器的开关损耗大小、整机效率的高低以及功率器件 工作的可靠性，所以驱动电路的优化设计显得尤为重要。 输入电源整漶 滤渡全挢遵变嚣中频变压嚣辅出整i 瀛输出滤菠电感赣出 朝啊t 3 8 0 v j 钭禹罢日 | 蛔饼碴 l 驱挚i 压 l 鼋 蓄裂 p 管暂 h i d 一 哮羡 = i 翟s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，一过漉、过匿 。1和过终俘i 产 图2 1 软开芙波控逆变c 0 2 焊机系统 该系统的工作原理如下：5 0 h z 、3 8 0 v 三相电源经整流、滤波得到5 4 0 v 的 直流电压加载在全桥逆变器上。全桥逆变器将5 4 0 v 的直流电压转变成2 0 k h z 的交流方波，交流方波通过中频变压器降压，再通过输出整流、输出滤波电感 滤波得到工作电压。系统工作时产生的电弧反馈电压u f 和反馈电流i f 分别经光 电耦合电路和霍尔电流传感器耦合到d s p 内部的a d 转换模块的输入端口。 a d 转换模块采集反馈电压( 电流信号亦以电压形式表示) 模拟信号后将其转 换成为数字信号，再经过数字p i d 模块运算求出输出电压控制的纠偏量，软开 关p w m 控制模块根据纠偏量调整输出的四路p w m 脉冲。最后，p w m 脉冲经 驱动电路产生相应的四路驱动脉冲，从而控制全桥逆变器中四只功率开关元件 i g b t 的通断，实现有效控制燃弧电压的输出。此外，系统工作时若有过电流、 过电压、过热现象产生，d s p 控制系统即产生中断、复位，关断驱动脉冲。 8 河海大学_ 学硕士学位论文软开关逆变电源主电路和崔于小波变换衙路售弓检蒯系统研制 2 2 逆变电源主电路设计 2 2 1 主电路的设计简介 逆变电源是当前焊接电源的发展趋势( 1 s l ，而逆变电源的发展趋势是高频化、 大功率化。目前弧焊逆变电源多采用脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n - - p w m ) 硬开关控制方式，但p w m 硬开关控制方式由于自身工作原理的限制，功率开关 元件存在较大的开关损耗和开关应力，同时开关电路工作时造成严重的电磁干 扰，严重限制了逆变电源的可靠性和逆变电源工作频率的进一步提高【l9 1 。针对 硬开关的缺点，有人提出了软开关的控制方式。软开关变换技术的实质是在主 电路中增加储能元件l 、c 产生间隙谐振，迫使功率开关元件上的电压或电流 在开关前迅速降为零，从而提供理想的开关条件。因此，本设计中逆变电源采用 软开关的控制方式。 弧焊逆变器的主电路拓扑结构有单端逆变、半桥逆变和全桥逆变电路3 种 形式，在此基础上衍生发展的软开关电路拓扑也有3 大类【2 0 1 。其中单端与半桥 实现零电压或零电流软歼关变换多采用变频控制，而变频控制带来了诸多的问 题，如控制电路复杂，易受于扰；不同的负载条件工作模式不同，电路设计和 分析较为困难：开关频率变化范围大，使得变压器、滤波器和反馈控制电路的 设计难以优化。因而目前研究的软开关弧焊逆变器多数采用全桥变换电路。目 前适合采用软开关技术的全桥电路拓扑结构，有全桥串、并联谐振变换电路拓 扑结构；高频直流谐振环电路拓扑结构：移相控制全桥变换电路拓扑结构。其 中移相控制全桥变换电路拓扑结构把软开关电路和p w m 移相控制技术有机地 结合在一起，在大范围内实现p w m 控制，而在开关瞬间则利用谐振达到功率 器件零电压开通，实现了固定开关频率下的软开关，是目前应用最广、最有前 途的一种软丌关电路拓扑结构。因此，本设计中逆变电源采用移帽全桥逆变电 路。 准谐振电路是最早出现的软开关电路，但该控制方式的谐振周期随输入电 压、负载变化而改变，因此电路只能采用脉冲频率调制( p u l s ef r e q u e n c y m o d u l a t i o n - - p f m ) 方式来控制。该控制方式弧焊电源空载时的无功电流太大 主回路中电流峰值很高，存在电流连续与非连续两种状态，控制复杂，仅美国 米勒公司在某些类型的焊机中采用【2 i j 。 全桥零电压脉宽调制( f b z v s 。p w m ) 交换器把p w m 控制技术和软开关 变换技术的优点结合在一起，克服了p w m 硬开关控制方式工作原理的限制，在 大功率高频变换方面，成为最有吸引力的电路形式2 2 】。在f b 。z v s p w m 变换 器中，为了进一步减少占空比损失，拓宽零电压切换的负载范围。减少变压器 副边的寄生振荡需要采取一系列有效措施【2 4 1 。所以本设计主电路选用p w m 控 制技术。 9 第二章 软开关逆变电源系统整体改计 为了进一步降低电路的成本，提高电源的功率密度，在各式各样的中大功 率变换器中，绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 有代替功率场效应管( 功率m o s f e t ) 的趋势1 2 4 l 。在以往的研究中，f b z v s p w m 变换器多采用功率m o s f e t 作为 开关元件，若直接将i g b t 用到f b z v s p w m 变换器中，由于i g b t 的拖尾电 流会造成大量的开关损耗，另一方面箝位续流的环流造成的附加导通损耗，使 f b z v s p w m 变换器难以适用于大功率变换的应用场合中【2 4 l 。全桥零电压零电 流脉宽调制( f b z v z c s p w m ) 变换器就克服了f b z v s p w m 变换器的这两 个缺点，成功的解决了关断损耗和附加环流的问题。因此，本设计中逆变电源 采用i g b t 作为开关器件，同时采用零电压零电流软开关的控制方式。 2 2 2 全桥零电压零电流逆变电源主电路拓扑结构 全桥零电压零电流逆变器拓扑结构如图2 2 所示。该图中v d l v d 4 即为功 率开关元件 g b t t i g b t a 。l x 为谐振电感，c x 为隔直电容。c l c 4 为功率开 关元件的并联电容，d 1 d 4 为续流二极管。t 为中频变压器，c 5 ，d 5 、r 5 和c 6 、 d 6 、心组成输出整流回路，l l 为输出滤波电感，r 为负载。全桥逆变器的四个桥 臂中，i g b t l 和i g b t 2 所在桥臂称为逆变桥的移动臂，i g b t 3 和i g b t 4 所在桥臂 称为逆变桥的固定臂。该逆变器的工作频率为2 0 k h z ，即一个工作周期为5 0 1 x s 。 一个工作周期可划分为上、下两半周期，各为2 5 1 x s 。具体工作过程原理分析详 见第三章3 1 3 小节介绍。 e , l = 、1 卜_。 一r j 们 h kl鬲l 留 量i l i ： l 弋 e 埘= 譬p _ 1 (， ?。 1 n m j j 图2 2 全桥零电压零电流逆变电源主电路 2 3 控制系统d s p 外围电路的设计 2 3 1 电压信号反馈与隔离电路的设计 焊机的输出电压相对较高，空载电压可达6 0 v ，平均工作电压为2 5 v 左右， 不宜直接作为检测电路的信号源。因此，设计了线性度好、响应速度快的光电耦 合电路。该电路既隔离了主电路和控制电路，又将实际的电弧电压降压变为0 0 河海大学工学顾士学位论文软开关逆变电源主电路和基于小波变换照墅信号硷翮系统研制 3 3 v 的电压信号接入d s p 芯片的a d 转换输入接口。其电路原理图如图2 3 所 示。图中u f 是焊机输出电弧电压，经过由r 5 和c 9 ( r s 、c 9 较小，r s c 声1 0 l s ) 组成的低通滤波回路滤波后，送入光耦6 n 1 3 6 ，经过其隔离降压后得到电压反馈 信号u f 。 为了确保6 n 1 3 6 可靠工作，设计中选取6 n 1 3 6 的最大输入工作电流为2 0 m a ， 线性工作时最大输出电流为6 m a ，6 n 1 3 6 的电源电压为5 v ，输出电压最大为 3 3 v ，焊机最大空载电压为7 0 v 。因此电阻r 5 和r 6 均选取2 w ，1 5 0 0 f 2 的电阻， r 7 选用o 2 5 w ，3 0 0 f ! 的电阻，选用0 2 5 w ，5 5 0 q 的电阻。 - i t - 5v 图2 3 光电耦合电路 2 3 2 电流信号反馈与隔离电路的设计 本设计中采用闭环霍尔电流传感器来采集电流信号。霍尔电流传感器不仅能 及时地采集信号，同时也保证了控制电路与主电路的隔离。 i n 原边兜硫 图2 4 闭环霍尔电流传感器原理图 闭环霍尔电流传感器工作原理图如图2 4 所示。被测电流i n 流过导体产生磁 场，由通过霍尔元件输出信号控制的补偿电流i m 流过次级线圈产生的磁场补偿， 当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流i m 即可精确反映原边电流i n 值。 为了保证反馈电路的及时性与准确性，本设计中选用的霍尔电流传感器的主 要参数如下：测量频率为0 l o o k h z ：精度为o 2 1 ；响应时间小于ll l s ： 无测量插入损耗：原边电流与副边输出信号高度隔离；额定电流为i n = 1 0 0 a ；匝 数比为1 ：2 0 0 0 。 反馈电流值一方面用于判断引弧是否成功( 主要用于软件设计中) ，另一方 面用于过流保护电路。 第二章软开关逆变电源系统整体设计 2 4 驱动电路与保护电路的设计 由于d s p 输出的四路p w m 脉冲最大峰值电压均为3 3 v ，两功率开关元件 i g b t 所需要的有效驱动电压为1 5 v ，所以p w m 脉冲不能够直接驱动i g b t ，同 时无法实现控制电路与i g b t 间的隔离，因此本系统设计了如图2 5 所示的驱动 电路。图中的驱动电路仅为p w m t 和p w m 4 控制的 g b t l 和i g b t 4 的两路驱动， 另外两个i g b t 的驱动电路与之相同，只是输入信号改为p w m 2 和p w m 3 而已。 驱动电路分为前级驱动电路和后级驱动电路，它们分别实现不同的功能。 葫矿 。莹巳 一强 j 厂。型l 几吲一 l l e = 墨 ；，2 5 i ! 苎2；h2 寻15茎4 k _ ll。 。t ： 一1 l 与 2 缝哇 ：。，j li = 。 l j 1 u n 量一 “ j 1 i ” l p 1i 雨 也。邓。”盛b 。上| = i = ”一。 图2 5功率开关元件i g b t 的驱动电路原理图 l 、前级驱动电路及保护电路 前级驱动电路一方面将d s p 输出的四路移相脉冲进行功率放大；另一方面 河海火学工学硕l 学位论文软开关逆变电源主电路和属于小波变换辑路信号捡蒯系统研制 采用快速光耦6 n 1 3 7 实现驱动电路与控制电路的信号隔离。 如图2 5 所示，前级驱动电路中电阻r i 、r 2 限制光耦的输入电流，保证光 耦正常工作。r 3 与z l 及l b 与z 2 组成稳压电路为m i 、m 2 提供导通电压，同时 为光耦输出端提供拉高电平。功率放大管m 卜m 2 组成功率放大电路。前级驱动 电路将脉冲波形的峰值电压由3 3 v 提高为5 v ，后又经m o s 管驱动放大为1 5 v ， 同时提高了驱动功率。在本设计中，6 n 1 3 7 的供电电压是由5 1 v 的稳压管组成 的稳压电路提供的，一旦出现电网电压低于额定值范围的情况，就很有可能出现 欠压状态。为了保护i g b t ，由此引出欠压保护信号。一旦出现欠压状态，保护 电路会立即产生一个低电平加之d s p 的两万i 丙砑