（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的弧焊逆变电源的研究.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e r b r i e f l yi n t r o d u e e da r cw e l d i n gi n v e r t e r r e c e n t l yt h ea c d cr a t h eu s u a l l y u s e st h eu n c o n t r o l l e do rt h ep h a s ec o n t r o l l e dr e c t i f i e r , a n dt h o u 曲t h es m o o t hd cv o l t a g ei s a v a i l a b l eb yt h ep r i m a r yc a p a c i t o r , i tl e a d st ot h ed e f a u l t so ft h el o wp o w e rf a c t o ra n dh i 曲 h a r m o m c so ft h ew h o l ep l a t i n gp o w e rs o u l e o nt h es h o r t c o m i n go fe x i s t i n ga r cw e l d i n g i n v e r t e r , s u c ha st h eb i gs w i t c h i n gt e n s i o no fm a i np o w e rt r a n s i s t o r , t h el a r g ew a s t a g eo f m a c h i n e ，t h el o wr e l i a b i l i t ya n dt h ep o l l u t i o nf o rt h ee l e c t r i cn e t , t h ep a p e ra d o p t ss o f t s o f t - s w i t c h i n gc i r c u i tt o p o l o g ya n dp f c t oa d a p tt h el o a dd e m a n d , t h eu l t r a s o n i cp o w e r d e s i g np o w e rr e g u l a t i o nf u n c t i o na n da d o p ts o f t - s w i t c h i n gp h a s es h i f tp w m m e t h o dt oe d j n s t t h eo u t p u tp o w e rc o n t i n u o u s l y i no r d e rt os u i tt h es t a n d a r do fl i m i t a t i o n so i lh a r m o m c p o l l u t i o n , c i r c u i tc o n f i g u r a t i o no ft h r e e - p h a s ea c t i v ep o w e rf i l t e r i n gc o n v e r t e ri n c l u d i n gf o u r s w i t c h e si si n t r o d u c e d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df o r m u l ad e r i v a t i o ni na r cw e l d i n gi n v e r t e r , s o f t - s w i t c h i n gf b - z v z c s - p w mc o n v e r t e rc f f c u i ta n df o u rs w i t c ht h r e e - p h a s ea c t i v ep o w e r f i l t e r i n gc o n v e r t e ra r ei n t r e d u e e d o nt h eb a s i so ft h r e et y p e sp h a s e - s h i f t e dc o n t r o ls o f t - s w i t c h i n gf b - z v z c s - p w m c o n v e r t e r , t h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o ls y s t e mo fi n v e r t e ra r ed e s i g n e d t h em a i nc i r c u i t d e s i g na r ec o m p r i s e do f u n c o n t r o l l e dr e c t i f i e r 、p o w e rr e g u l a t i o nf u n c t i o nc i r c u i ta n di n v e r t e r c i r c u i t t h es p e c i a ld s p c h i po f 田讧s 3 2 0 l p 2 4 0 7 at h a tp r o d u c e db yt ic o m p a n y i su s e da s m a i nc o n t r o l l e ro ft h ep o w e rt os i m p l yt h es y s t e m i th a sc o m p l e t e df u n c t i o n s ：r e a d i n gi n p u t o f c o n t r o lp a n e l ；u s i n ga di n v e r t e ra n dd i f f e r e n ta r i t h m e t i cp r o d u c e sp w ms i g n a li no r d e rt o s u i tp l a t i n gc r a f i w o r kp e r f o r m a n c e ；d e a h n gw i t ht r o u b l e s ；s y s t e mi so n l i n ep r o g r a m m e da n d d e b a g g e du s i n gc o m m u n i c a t i o no fd s e m e a n t i m et h ep a p e rd e s i g nd r i v e r i n gc i r c u i t 、 r e s i s t i v ec a p a c i t i v ea b s o r b i n gc i r c u i ta n dp r o t e c t i v ec i r c u i ti n c l u d i n gt h eo v e r - v o l t a g e ， o v e r - c u r r e n t ，l e a n i n gm a g n e t i s ma n do v e r - h e a tp r o t e c t i o n o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc i r c u i td e s i g n , t h er e s u l tp r o v e dt h ed e s i g n c o u l da c h i e v e f l - s w i t c ha n da d v a n c ep o w e rf a c t o r , r e d u c e dt h es y s t e ml o s sa n ds a t i s f i e dt h e r e q u e s to fh a r m o n i c s i na d d i t i o n , i tc a l l r e a l i z et h ep o w e rr e g u l a t i o nc o n t i n u o u s l ya n d a c h i e v ea l lk i n d so fp r o t e c t i o nf u n c t i o n t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h es a f e t ya n d 托l i a b i l i t y , e x c e l l e n tp e r f o n n a n c e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n da d a p t a b i l i t ) ，d u r i n gt h ew o r k c o n s e q u e n t l yt h e s y s t e mi sw o r t h w h i l et or e c o m m e n d k e y w o r d s ：a r ew e l d i n gi n v e r t e r ；, p f c ；s o f t - s w i t c h i n g r p h a s e s h i f tc o n t r 0 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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，也不包含 本人为获得江南大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名；羞生名i 篓 日期：翮 年f 月堙日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将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、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 日期：如7 年歹月豳日 第一章绪论 第一章绪论 1 1弧焊逆变电源的状况 电弧作为一种气体导电的物理现象是在1 9 世纪初被发现的，但1 8 8 5 年俄国人别那 尔道斯发明碳极电弧可看作是电弧作为热源应用的创始，而电弧真正用于工业则是在 1 8 9 2 年发明金属极电弧后，特别是1 9 3 0 年前后出现了薄皮和厚皮焊条以后才开始的。 上个世纪4 0 年代成功研制了埋弧焊，而随着航天与原子能工业的发展出现了氩弧焊。 5 0 年代又出现了0 0 2 与各种气体保护焊，并研究出了等离子弧焊，到6 0 年代，由于大 容量硅整流元件、晶闸管的问世，为发展硅整流器、晶闸管式的弧焊整流器等提供了条 件。到7 0 ，8 0 年代，弧焊电源的发展更是出现飞跃，多种形式的弧焊整流器相继出现 和完善，研制成功多种形式的脉冲弧焊电源，为进一步提高焊接质量和适应全位置焊接 自动化提供了性能优良的弧焊电源。1 9 8 1 年出现晶体管式弧焊逆变器。此外，还先后研 制成功了高效节能，性能好的晶闸管式、晶体管式，场效应管式、i g b t 弧焊逆变器。 随着新型弧焊技术的发展，弧焊电源也不断地得到发展【”。 回顾弧焊电源的发展，传统的设计有抽头式、动铁式、动圈式、饱和电抗器式以及 磁放大器式等类。到6 0 年代末期发展了晶闸管移相式控制，7 0 年代初又增加了脉冲控 制，7 0 年代期末有了晶体管开关式脉冲控制电源，到1 9 8 2 年直流逆变式弧焊电源问世， 1 9 8 7 年又开发了交流逆变式弧焊电源。但是，对于旋转式弧焊发电机形式的直流电源， 除了由内燃机驱动的弧焊发电机外，国外在7 0 年代中期已全淘汰，而我国却还占到直 流弧焊电源的9 0 。由于弧焊逆变式电源是一种节约能源和原材料，且焊接性能良好的 新一代弧焊电源，因此，受到了国内外普遍重视，具有广阔的发展前途翻。 弧焊逆变器( 逆变弧焊整流器) 被称第四代弧焊电源，它是弧焊电源发展史上的一次 重大突破。与弧焊发电机和弧焊整流器相比，这类焊机中没有笨重的工频变压器和电抗 器，因此整机体积小、重量轻，在制造中可节约8 0 9 0 的钢材和硅钢片。使用过程 中与弧焊发电机相比，可节电3 3 左右，如考虑空载运行时的功耗仅几十瓦。这样节能 效果非常显著。另外还有动态响应快、性能优越等特点，因此，自其问世以来，发展十 分迅速。 在1 9 8 1 年世界焊接与切割博览会上，首次展出4 个厂家的晶闸管式和晶体管式弧 焊逆变电源，主要用于焊接点弧焊、低压引弧式的钨极氩弧焊和c 0 2 气体保护焊，最大 电流为3 5 0 a 。1 9 8 9 年在同样的博览会上已有3 0 多个厂家展出弧焊逆变器。除场效应管 式、晶体管式弧焊逆变器以较大的比例增加之外，开始出现i g b t 式弧焊逆交器，最大 容量达5 0 0 k v a ，其用途迸一步扩大到等离子弧切割、微机控制等。在1 9 9 3 年的焊接与 切割博览会上，绝大多数展览公司均推出他们的弧焊逆变器产品，并出现场效应管式和 i g b t 式并举的格局，技术水平达到了新的境界，额定电流1 3 0 a 、负载持续率3 5 的场 效应管式弧焊逆变器，质量仅有4 k g ，逆变频率1 0 0 1 3 0 k h z 。 江南大学硕士学位论文 在我国，弧焊逆变器的发展迅速，应用前景也十分广阔，7 0 年代末我国着手研制晶 闸管式弧焊逆变器，8 0 年代初取得初步成果。特别可喜的是，1 9 8 2 年我国华南理工大 学的学者在德国首次展出世界上第一台场效应管式弧焊逆变器试验样机，而大功率场效 应管在1 9 8 1 年才出现在世界工业博览会上。1 9 8 9 年又出现新型大功率开关元件 g b t ，1 9 9 0 年华南理工大学就研制出i g b t 式弧焊逆变器。上述两种逆变器逆变 频率分别为5 0 k h z 和2 0 k h z 。3 1 5 场效应管式弧焊逆变器重量仅为2 0 k g 左右，效率达 8 8 6 ；6 3 0 ai g b t 式弧焊逆变器的重量仅有5 0 k g 多。目前部分弧焊逆变器已经投入小 批量生产阶段，正在为大批量生产和大面积推广作努力，以m o s f e t 和i g b t 为并举发 展，可应用于焊条电弧焊、m a g c 0 2 m i g 焊、等离子弧焊、空气等离子弧切割、矩形 波交流弧焊和机器人焊接，以及电脑控制的高性能焊接等场合【3 j 。 目前，在经济发达国家中，已有手工焊、气体保护焊等不同用途、不同规格的系列 产品，且市场覆盖面与日俱增。在我国近年来，弧焊逆变器也有很大的发展，不同模式 和不同容量的弧焊逆变器相继问世，随着我国电子技术的发展的普及，新颖、实用、性 能优良、工作可靠的弧焊逆交器，必将成为直流弧焊电源中的新军，以加速直流弧焊电 源的更新换代。 1 2弧焊逆变电源的发展方向 弧焊逆变器对弧焊工艺性能的改善很大，传统的弧焊电源均用工频( 5 0 h z 和6 0 h z ) 来传递电能和变换电参数，而弧焊逆变器则把工频提高到几千至十多万赫兹进行电能的 传递和变换，因而给它在结构和性能上带来突出的特点：高效、轻巧、性能优良。焊接 电源正高速发展，未来的弧焊电源将朝着以下几个方面发展【4 l ： 1 轻重量、小体积、大容量 随着微电子技术和材料学科的迅速发展，功率开关器件、输出整流器、快速整流二 极管等器件性能不断改进，在器件容量加大的基础上，其频率也在提高，节约大量贵重 的纯铜和硅钢片，减少体积和重量，节省电能等等。同时电力电子器件制造水平的提高 必将促使弧焊逆变器向着高频率、大容量、小型化的方向发展。 2 软开关 目前广泛应用的硬开关逆变器具有功率器件的开关损耗及开关应力大，电路的寄生 电感和功率器件的寄生电容在高频时产生严重的电压尖峰和浪涌电流的缺点。为了克服 硬开关逆变器的上述缺点，软开关变流技术应运而生。 3 高功率因数 对于目前的逆变焊机来说，网侧输入电流的流通时间很短，输入电流是尖峰状，输入 相电流呈现严重非正弦特征。畸变的输入相电流不仅向电网注入大量的谐波，也降低了 逆变焊机的功率因数。 4 数字化 电源的控制已经由模拟控制、模数混合控制，进入到全数字控制阶段。全数字控制 2 第一章绪论 是一个新的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用1 5 1 。 1 3选题的意义和主要工作 1 3 1 选题的意义 为了提高交流点焊的稳定性，弧焊电源必须使交变电流过零时间短，同时也为减少 无功损耗，提高效率因素和减少器件的体积，必须提高开关频率。但开关频率的提高使 开关损耗增加，所以软开关技术在弧焊逆变电源上的应用显得格外重要。2 0 世纪7 0 年 代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及 家庭中的应用日益广泛，谐波对电网的污染越来越严重，谐波造成的危害也日益严重。 世界各国都对谐波问题予以充分的关注，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系 统谐波和用电设备谐波的标准和规定，如国际电工技术委员会( 简称m c ) 、国际电气电 子工程师协会( 简称i e e e ) 和欧洲的e n 系列标准中，都对用电设备的电流谐波限值作了 规定 6 - 8 1 。目前使用的弧焊逆变电源如果没有采取抑制电流谐波的措施，一般很难满足 标准中规定的要求。国内对逆变焊接电源的功率因素校正装置的研究相对较少，清华大 学、西安交通大学、浙江大学、华南理工大学等高校已有相关的研究报道【9 】。提高功率 因数迫在眉睫，特别是三相电路功率因素校正技术在弧焊逆变电源上的应用还在试验阶 段。随着电子技术、数字化技术的发展，数字化焊接电源开始问世。高速数字信号处理 芯片( d s p , d i g i t a ls i g n a li r o c e s s o r ) 的出现，使得数字化控制在电气控制领域应用中提供 了可能性，也成为主要发展趋势之一。有了高速数字处理芯片的支持，采用数字化的控 制策略不仅可以较好的解决模拟控制中的有关问题，而且还增加了模拟控制中较难实现 的一些控制功能。一般认为，数字化焊接电源实际上就是将数字化技术运用到焊接电源 的控制环节中，尤其是焊接电源的核心控制部分中。若将数字化核心控制环节拓展，将 可以实现核心控制环节与外围电路之间数字化的信息流通，就目前面言，关于数字化焊 接电源的研究仍处在探索性研究阶段翻。 1 3 2 主要工作 1 为了提高弧焊逆交电源的功率因数，解决由于采用二极管整流或相控整流引起的 功率因数低、谐波大的问题，在a c d c 整流部分，采用了四开关三相功率因数校正电 路，并进行了详细的分析，通过仿真和实验验证，证明其在弧焊逆变电源上的应用可行 性。 2 为了简化功率调节电路，减少开关损耗，采用了基于移相全桥式软开关逆变器 ( f b - z v z c s p w m ) ，对其工作原理、换流过程及特点进行了详细的分析和研究，得出实 验结果。 3 设计弧焊逆变电源的系统方案，主电路元器件参数计算和型号选择，设计了接 口电路，包括信号检测、驱动电路及过流、过热、过欠压、偏磁保护电路。 4 采用基于d s p 芯片实现弧焊逆变电源的数字化，设计了d s p 外围电路。 3 江南大学硕士学位论文 第二章弧焊逆变电源的总体设计 传统弧焊电源直接由工频变压器将交流电网电压隔离降压，然后整流供给负载。因 为有工频变压器，体积、重量庞大，而且输出为工频整流得到，导致纹波大，控制效果 差。其原理框图如图2 - 1 所示f l o 】。 图2 - l 传统弧焊逆变电源原理框图 与传统弧焊电源不同，逆变弧焊电源将电网电压先直接整流为直流，然后经逆变桥 逆变为高频( 目前以2 0 k h z 为典型) 交流脉冲，再由功率变压器进行隔离和降压变换，最 后经整流滤波得到直流输出。即a c - d c - a c - d c ，如图2 - 2 所示。 图2 2 弧焊逆变电源原理框图 2 1调功方式的确定 弧焊逆变电源主电路一般有四个部分组成：a c d c 、d c d c 、d c a c 、a c d c 。通 常不会在最后整流输出部分进行调功。所以功率的调节在前三部分任意选择：整流侧晶 闸管相控a c d c 调功、直流侧斩波d c d c 调功、逆变侧d c a c 调功。如图2 3 所示。 i a c d c d c d c d c a c 负载l 图2 - 3 弧焊逆变奄源主电路等效框图 2 1 1 整流侧晶闸管相控a c i ) c 调功 图2 - 4 为整流侧a c d c 调功，整流部分采用相控整流调节输出直流电压，可以是 半控或全控整流。相控整流采用三相桥式晶闸管全控整流电路，通过改变其导通相位角 实现对输出功率的调节。可控硅整流的缺点是输出的直流电压中含有较大的脉动成分， 使输出滤波困难，另外，相控整流使得交流电网的输入电流并非正弦波，交流侧的谐波 含量高，输入功率因数低，对电网有严重的谐波电流污染。 直流调功可以大范围调节功率，而且功率调节的线性比较好。但是必须在逆变桥前 级加可控电路。而且在需要加入功率因素校正的时候，直流调功较难实现。 4 第二章弧焊逆变电源的总体设计 0 d l p 一少5 一f zzll 、 一f 一f 一 f、z i ) 4d 6d 2 图2 - 4 三相桥式全控整流电路 2 1 2 直流侧斩波d c d c 调功 图2 5 为三相桥式直流斩波调功电路，通过调节d c d c 变换器的输出电压来调节 弧焊逆变电源的输出功率，该模式采用不控整流方式，大大降低了系统对供电电网的干 扰，且提高了功率因素；但需在主电路增加额外的功率器件和储能元件( 电抗器和滤波 电容) ，大大增加了电源的体积和成本，且斩波主开关器件工作在硬开关状态，开关损 耗大1 1 1 】。 1 i r i ) 0 o n 图2 - 5 三相桥式直流斩波调功电路 2 1 3 逆变侧d c a c 调功 逆变调功是通过调节输出电压的频率来调节负载的功率因数，或调节输出电压的有 效值的大小( 调节占空比) 来实现功率调节，其调节方案有多种。常规的逆变调功方式 主要有脉冲频率调制( p f m ) 、脉冲密度调制( p d m ) 、脉宽移相调制( p s _ p w m ) 等。 5 江南大学硕士学位论文 逆变调功主电路如2 - 6 所示。 v q ez稍j lc 3 l2 = v d ai i +l ；d 丰。v 列zd 丌u ) u i 。i i v 吻f2 1 图2 - 6 逆变调功主电路 ( 1 ) 频率调制( p f m ) p f m ( p u l s e f r e q u e n c y m o d u l a t i o n ) 的方法就是调节逆变开关管的开关频率，从而改变 负载等效阻抗来达到调节输出功率的目的【l2 1 。这种调功方式比较常用于负载谐振式逆变 电源，优点是调节方法比较简单，但是功率调节线性不好，而且调节范围不大【1 3 1 。不适 用于弧焊逆变电源。 ( 2 ) 脉冲密度调制( p d m ) p d m ( p u l s ed e n s i t ym o d u l a t i o n ) 方法通过控制脉冲的密度，从而控制输出平均功率， 实际上就是控制向负载馈送能量的时间，达到控制功率的目的【1 4 1 。 其基本思路是：假设共有n 调功单位，在其中m 个调功单位里逆变器向负载输出 功率，而剩下的( n - m ) 个单位内逆变器停止工作，负载能量以自然振荡的形式逐渐衰减， 输出的脉冲密度为m n ，即输出功率与脉冲密度有关，通过改变脉冲密度来改变输出 功率。缺点是输出电流波动较大，属于有级调功，不能实现输出功率的连续调节。 ( 3 ) 移相控制( p s - p w m ) 移相控制通过控制逆变桥开关脉冲的相位差来实现输出功率的调节。这种方法的优 点是频率固定，可以在一定的范围内调节功率。 通过改变移相角妒，来调节输出电压宽度，同时输出的电流幅度变化，从而实现输 出功率的调节。在p s p w m 控制电路基础上采用软开关技术，实现开关器件的零电压 或零电流开通和关断，减少器件损耗。 2 1 4 调功方式的确定 综上所述，整流部分调功，对供电电网干扰严重，有谐波污染，输入功率因数低， 动态响应慢，且输出滤波困难，直流电压中含有较大的脉动成分，使输出滤波困难，不 宜选取；直流部分调功，主电路由于增加额外的功率器件和储能元件( 电抗器和滤波电 容) ，体积和成本大大增加，同时开关损耗大，e m i 较大，且电路参数选择不当时，会 造成电路工作在断续模式，引起功率调节非线性和控制模型复杂化；逆变部分的调功方 式有p w m 、p f m 、p d m 、p s - p w m 等。硬开关p w m 可应用于弧焊逆变电源，但因其 缺点是开关损耗大、效率低、e m i 大，高频时不能实现调功；对p f m 方式而言，因输 出是直流不能实现谐振，不能用来实现调功；p d m 属于有级调功，电流波形峰值波动 6 第二章弧焊逆变电源的总体设计 很大，甚至会出现电流断续不利于实现弧焊电源的稳定工作，故p d m 方式不能用来实 现调功。p s - p w m 能实现功率的连续调节，并有较宽的功率调节范围，同时采用软开关 技术，实现开关的零电压开通和关断，减少开关损耗，提高效率，故本课题选用移相调 功方式。 2 2弧焊逆变电源总体设计方案的确立 本课题设计的弧焊逆变电源，在整流部分选择不控整流，其电路简单。同时为了减 少对供电电网干扰，减少谐波污染，提高功率因数，在a c d c 和d c a c 间加了三相四 开关功率因数校正电路，其开关频率为2 k h z 。全桥逆变的拓扑采用的是移相控制 f b - z v z c s - p w m 拓扑电路。以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为系统的控制核心，采用硬件电路和 控制软件共同完成数据的采集处理、功率调节、驱动、各种保护如过压、过流、过热等 一系列功能。其系统结构如图2 7 所示。 a s r i g 图2 - 7 弧焊逆变电源系统框图 图2 8 所示为弧焊逆变电源的主电路拓扑。其工作原理是三相5 0 h z 交流电压经输 入整流和滤波后，获得直流电压，经过功率因数校正电路，通过功率开关器件( i g b t 等) 构成的逆变电路，变成2 0 k h z 的中频电压，再经中频变压器降压，经输出整流和滤波， 把中频交流电变成直流输出，借助于控制电路及反馈回路，以及焊接回路的阻抗，可以 得到焊接工艺所需的外特性和动特性。 -；i v u ( jm e = 叠v t 3 一_ j 9 一。 一。、 t a ：= 、d 1 ， l r i 扛 c 、l 巨、m岫2 勃v f 4 d ( 书j 法 t a a 斗t 一 b il j 一 一 c - lzi 、l v l l ，一 图2 - 8 弧焊逆变电源的主电路拓扑 2 3本章小结 本章介绍了传统弧焊电源的和弧焊逆变电源的区别，并由此引出对弧焊逆变电源调 功的讨论。调功方式有三种：整流侧晶闸管相控a c d c 调功、直流侧斩波d c d c 调功、 逆变便4d c a c 调功。通过讨论分析最后决定采用逆变侧调功，并且采纳了脉宽移相调 7 江南大学硕士学位论文 制p s p w m 调功方式。p s p w m 能实现功率的连续调节，并采用软开关技术，提高系 统的整机效率。 8 第三章软开关弧焊逆变电路拓扑及工作原路 第三章软开关弧焊逆变电路拓扑及工作原理 近年来，软开关变换技术成为新型逆变电源的研究热点。软开关技术和逆变技术相 结合，能够实现功率器件在零电流或零电压条件下开通和关断，极大地降低了开关损耗， 改善器件的运行环境，代表着焊接逆变电源发展的趋势f l 舅。软开关技术的兴起，有力的 推动了焊接逆变电源向大容量化、高频化、高效化、数字化、智能化方向发展。 本课题逆变部分选择p s - p w m 调功方式。在移相控制全桥式软开关弧焊逆变器中， 目前研究最多一般有三种软开关模式( 零电压开关、零电流开关、零电压零电流开关) 。 3 1软开关概述 所谓“软开关教术，是指“零电压开关”或“零电流开关”，它是应用谐振变流原理， 使开关器件中的电流( 或电压) 按正弦或类似正弦规律变化，当电流自然过零时使器件关 断或电压自然过零时使器件开通，实现开关损耗为零，从本质上克服硬开关型弧焊电源 的缺点。同时谐振参数中吸收了高频变压器漏抗、电路中寄生电感和功率器件的寄生电 容，可以消除高频产生的电压尖峰和浪涌电流，降低器件的开关应力，从而大大地提高 逆交焊接电源的可靠性 以软开关方式为基础的谐振变流技术，从控制方式上分有变频控制和恒频控制两 种。变频控制电路分析、设计麻烦且控制复杂，易受干扰，输出范围较小，磁性元件利 用率不高。恒频控制在常用p w m 基础上，在逆变主电路中串入谐振电感和谐振电容， 利用控制系统中移相方波驱动开关器件，依靠反并联二极管的续流，功率器件的软开关 控制。在全桥逆变主电路中，使对角线上的功率开关器件不同时开通和关断，以错开一 个时间间隔，来实现零电压开通或零电流关断，并通过调节桥路占空比来实观输出电压 或电流的控制。这种控制方式参数设计比较方便，输出范围较大，电路结构也相对简单， 因而更适合于弧焊逆变器中的应用。 目前最常用的软开关型逆变主电路基本形式有八种：零电流开关( z c s ) 谐振拓扑、 零电压开关( 2 = v s ) 谐振拓扑、多谐振( m r c ) 拓扑、串联谐振逆拓扑、并联谐振拓扑、 e 类电路拓扑、直流母线谐振拓扑、移相控制全桥式拓扑嘲。 上述八种常见软开关型逆变器电路拓扑中，前六种电路拓扑，均为调频控制。其输 出功率的调节均依靠调节频率来调节的，电路中的电流或电压是正弦变化的，电路中功 率器件所受的电压电流应力较大，且变压器设计难以优化，弧焊逆变器中应用较少。直 流母线谐振电路拓扑是整流、谐振、逆变三种积木组合电路，功率器件实现零电压开关 与负载无关，易于控制，主要缺点为：直流环节振荡电压幅值较大；为了使l 、c 振荡 电路每次过零点，需设置附加电路补充振荡电路的能量损耗，以提供足够的能量使振荡 幅值过零点；由于只能在u = o 时，才能切换开关状态，谐振直流环逆变器只能采用离散 脉冲调制的方法来控制。由于以上缺点，一般也不用直流母线谐振拓扑。移相控制全桥 式软开关电路拓扑采用移相控制软开关技术结合p w m 控制技术，极大的降低了功率器 9 江南大学硕士学位论文 件的高频开关损耗，减少了对电网的污染，提高了逆变器的效率，是目前软开关弧焊逆 变器最为流行的电路拓扑。移相控制全桥软开关电路拓扑如图3 1 所示。 誓 d 1 ”叫lz(z = + v d 2v 。1 z 翻3 l 移相控制全桥式软开关电路 3 2移相控制全桥式软开关逆变器 移相控制全桥式软开关电路拓扑将p w m 控制与软开关相结合，代表目前弧焊逆变 电源发展的方向。在移相控制全桥式软开关弧焊逆变器中，目前研究最多的是零电压开 关( f b - z v s - p w m ) ，零电流开关a p b z c s p w m ) 和零电压零电流开关( f b - z v z c s - p w m ) 三种软开关模式i l p l 8 1 。 3 2 1移相控制n 屹v s - p w m 逆变器 f b - z v s - p w m 变换器巧妙利用电路寄生元件实现谐振切换。其利用变压器的漏感 或原边串联电感和功率管的寄生电容来实现开关管的零电压开关。图3 - 2 是一个基本的 f b - z v s p w m 逆变电路。其中v t l v r 4 为功率开关器件i g b t 。定义l ，v t 2 为超 前桥臂，v t 3 、y r 4 为滞后桥臂。4 个开关管在恒定的频率下持续运行，通过调节桥臂驱 动脉冲的相位来调整功率输出。谐振产生在前后桥臂的2 个功率开关切换的微小延迟时 间( 死区) 内。 移相控制z v sp w i v i 全桥逆交器有如下特点： ( 1 ) 由于工作于零电压开关条件下，因而大大减小了开关损耗，有利于提高开关频 率，减小逆变器的体积和重量； ( 2 ) 无论幅边是全桥整流方式还是全波整流方式，变压器原副边的电压电流符合变 压器的基本规律； o ) 超前桥臂比滞后桥臂容易实现零电压开关： ( 4 ) 谐振电感串联于主回路中，副边存在占空比丢失。 l o 第三章软开关弧焊逆变电路拓扑及工作原路 图3 2 基本f b - z v s - p w - m 逆变电路 3 2 2 移相控制f b - 7 _ , c s - p w m 逆变器 在有些场合下要求开关管均实现零电流开关，该变换器可满足要求，如图3 3 所示 其中k 是升压电感，v t l y r 4 为功率开关管i g b t ，v d l v d 4 为串联二极管，使功率 管只能单相导遁，同时承受反向电压，c r 是谐振电容。超前桥臂( 或滞后桥臂) 两开关管 之间有一重叠时间，用来实现开关管的z c s 。 移相控制z c sp w m 全桥变换器有如下特点： ( 1 ) 开关管实现了零电流开关，大大减小了开关损耗，避免了电流拖尾，提高了开 关频率，减小了变换器的体积和质量； ( 2 ) 超前管比滞后管容易实现零电流开关； ( 3 ) 谐振电容的存在使得副边输出电流存在占空比丢失： “) 输出整流管实现零电压开关，不存在反向恢复问题； 该变换器与另外两种相比，较少的应用于孤焊逆交器中。 图3 - 3 移相控制f b - z c s p w m 逆变器电路 3 2 3 移相控制f b - z v z c s p w m 逆变器 该变换器是在移相控制z v sp w m 变换器的基础上发展起来的一种新型软开关变换 器，它可以实现超前桥臂的零电压开关和滞后桥臂的零电流开关，其主电路如图3 4 所 示。其中v t l 和、叩2 构成超前桥臂，v t 3 和v t 4 构成滞后桥臂，c i c 4 分别为其并联 电容( 包含寄生电容) ，l r 是饱和电感。与移相控制z v sp w m 全桥变换器相比，它增 1 1 江南大学硕士学位论文 加了一个隔直电容c b 。 移相控制z v z c sp w m 全桥变换器有如下特点： ( 1 ) 前桥臂零电压开关，滞后桥臂零电流开关，改善了功率器件的开关性能，并只 有最小的二次寄生震荡； ( 2 ) 占空比损失和续流期间的环路电流减小，提高了变换器的效率和变压器的能量 传输性能； 3 ) 增加一个隔直电容，使在很大负载范围内实现了软开关切换； ( 4 ) 减小了关断和附加环路损耗，给使用具有拖尾电流特点的i g b t 提供了方便， 适于大功率场合下应用。 圈3 4 移相控制f b - z v z c s - p w m 逆变器电路 f b z c s p w m 变换电路较少的应用于弧焊逆变器。而在f b - z v s - p w m 软开关技术 由于兼有p w m 控制和谐振开关的优点并克服各自缺点，被广泛应用于弧焊逆变电源。 但目前弧焊逆变电源广泛使用的i g b t 存在较大的拖尾电流造成大量的开关损耗，另一 方面箱位续流的环流造成的附加导通损耗，使其难以在大功率变换中应用。移相控制 f b z v z c s p w m 逆交器克服了这两个缺点，成功的解决了关断损耗和附加环流的问题。 综合比较上述三种移相控制模式，本课题采用移相控制f b - z v z c s - p w m 变换电路【1 9 1 。 3 3移相控制f b z v z c s - p w m 逆变器工作原理 3 3 1 逆变器工作过程及其理论分析 图3 5 是对图3 _ 4 电路拓扑的拓展，v d l v d 4 分别是v t l v r 4 的反并联二极管， l 1 k 是变压器漏感。 在分析其工作原理之前对电路作如下假定【烈墟1 】： ( 1 ) 所有开关管、二极管、电感和电容均为理想器件； ( 2 ) 隔断电容( 阻直电容) c b 足够大； ( 3 ) 电感h 是理想磁性开关，未饱和时它的电感值无限大的，在一定的伏秒积下饱 和后，电感值为零； ( 4 ) 鬈2 l ，工i 。， k 为变压器原副边匝数比。 第三章软开关弧焊逆变电路拓扑及工作原路 l ij ：i c r 丰l t 一 1陪 卜 图3 - 5 移相控制f b - z v z c s - p w m 逆变器拓展电路 对图3 5 和控制方式分析得出的图3 - 6 是工作时序波形图。 v t i i v t 2iiv t l1 v t 4iiilv t 3iii v t 4 1 r u c e 2 ； u c e lx ： u c e 2 7 r u c e 3 ；xu c e 4u c e 3 ， i o k - l ：+ 图3 - 6f b - z v z c s - p w m 变换器工作时序波形图 图3 - 5 中超前桥臂i g b t 的开通和全桥零电压软开关电路相同，其关断可通过器件 并联吸收电容实现低电压关断；滞后桥臂的关断是利用隔直电容c b 在箱位续流期间加 快电流衰减，直至电流为零并保持，磁性开关断开，i g b t 在零电流下关断，稍后另一 器件开通时，由于磁性开关不能很快饱和，又实现了近似的零电流开通。 一个工作周期里，f b z v z c s - p w m 变换器有十种工作模态，工作时序波形图如图 3 - 6 所示。下面详尽阐述其工作过程。 ( 1 ) 工作模态一( t 一1 ) 见图3 - 7 所示，在该时间区间内，功率开关v t l ，j 开通，属于功率输出阶段。 变压器初级电流i 口经、偈，c b ，初级线圈，v r 4 形成回路。隔断电容c b 被充电，因滤 波电感足够大，等效为恒流源，i 。= 1 0 依，i 。为负载输出电流，k 为变压器变比。 1 3 江南大学硕士学位论文 ；划mr 7 ，上f | 竹l j ej 镐lr孓。采。竹ul：z i 则 口t l l +l ) u i 。j l j 。 竹刍fz炎、 4 t c t r匕 图3 7 工作模态一 ( 2 ) 工作模态- ( t lt 2 ) 对应于t l 时刻，v t l 关断，结束了能量传输阶段，开始工作模态二，如图3 - 8 变 压器初级电流从v t l 转移到超前桥臂的并联电容c i 与c 2 上，c l 充电，c 2 被放电，v t l 是零电压关断。由于滤波电感储能和漏感储能共同参与该过程，故此过程近似一个恒流 源，交压器初级电流保持不变，电容c l 上电压u d 从零开始线性增加，电容c 2 上电压 u c 2 呈线性下降，此时间段内，l r 处于饱和状态，低阻导通。 2 丽j o ( 一) ( 3 - i ) j c 2 - - - 一丽i o ( 一) ( 3 - 2 ) t l t 2 时间为2 ：掣巩( 3 3 ) o 在t 2 时刻，c 2 电压下降接近零，v t 2 反并联二级管v d 2 自然导通，并将v t 2 电压 箱位为零。可以实现v t 2 零电压开通。因此，超前桥臂v t i 和v t 2 间的死区时间t m i 至 少不能小于t 1 2 即墨掣。否则，容易发生直通危险。 l _ r ：c v 1 3 j ez 一 c 3一 r 1 竹- ( d f i d 尹 = = 【斗 c r = u i n j c b i ! l r1 则 j 叼r _ j 一 焱、 毒1 2v 7 4 _ i ( j 、= j 。二r 1 ) 4 c 4 图3 - 8 工作模态二 1 4 第三章软开关弧焊逆变电路拓扑及工作原路 ( 3 ) 工作模态三( t 2 t 3 ) 在该模态时，由于v d 2 导通，v t 2 零电压开通，u a b = o ，l r 依然饱和，低阻导通， 变压器初级电流开始减小，变压器次级绕组电势也发生反向，变压器次级处于续流状态， v d 5 与v d 6 同时导通，次边绕组被短接。如图3 - 9 。这样，变压器次级电压降为零，初 级电压也急剧下降为零，漏感l i k 与隔直电容c b 产生谐振。漏感储能转移到隔直电容上， 这一过程可以等效为一恒压源，c b 处于箝位续流状态，箱位电压为隔直电容峰值电压 u 咖，变压器初级电流线性下降，其大小为： 拍) = i t o 一毒d r = 妻一等( f - f 2 ) c s 4 ， 三模态持续时间为： k ：玉生 。茁 ( 3 5 ) 隔直电容c b 箱位续流期间，加快电流衰减。在t 3 时刻，变压器初级电流i v ( t 3 ) t 降 接近为零，磁性开关l r 断开。由于漏感电流不能突变，理论上初级电流会向负的方向 流动，但此时磁性开关l r 己断开，失去饱和状态，电感值为无限大，由上述公式可知， 初级电流保持零值，不会向负方向变化，若此时v t 4 关断，实现零电流关断。 i 撼 茸驷”。 、 t v r u ：7 & 卞【i 1 0卜 ju i ni l 1 j 、蚴( ：2 ? l 婚、。 d p。r 二- 图3 - 9 t 作模态兰 ( 4 ) 工作模态四( t 3 协 在t 3 时刻，关断v t 4 ，c 4 两端初始电压为零，故v t 4 实现零电流零电压关断。此后， 磁性开关l r 仍处于断开状态，初级电流继续保持为零，隔直电容c b 电压仍保持峰值不 变。在此段时间内，i g b t 的少数载流子被复合而减少直至消失。到t 4 时刻，v 飞开通， 虽然开通时，其漏源电压是隔直电容的峰值电压u c b d 和输入电源电压u 缸之和，但由于 磁性开关l 霞还没有饱和，处于断开状态，