5样机参数设计与实验结果分析.doc

5 样机参数设计与实验结果分析5.1 引言本文研究的主要内容是轴向分裂差接三角自耦变压器多脉波整流系统、移相全桥电路拓扑以及数字化弧焊电源的关键技术。前面各章对各种电路的工作机理，数字化过程对控制系统影响以及控制系统的实现做了详细的理论研究与仿真分析。为了验证理论研究与仿真分析的正确性，实际制作了一台45kW的轴向分裂差接三角自耦变压器12脉波整流柜以及12kW的弧焊/切割多功能电源，另外24脉波部分在实验室20kW的差接三角自耦变压器24脉波整流系统得到验证。轴向分裂差接三角自耦变压器12脉波整流，具体的技术要求和系统参数如下：输入：三相交流380(1-10%)V380(1+6%)V，频率50Hz,三相三线制输出：直流400V-550V，功率45kW输出电容整流二极管：三相整流二极管模块6RI150E-080平衡电抗器：20mH12kW的弧焊/切割多功能电源，具体的技术要求和系统参数如下：输入：直流400V-550V输出：弧焊工况60A-300A（可调），推力200A（可调），空载70V 切割工况40A-100A（可调），空载200V联动功能切换开关：300AIGBT：1200V/400A开关频率fs：20 kHz超前桥臂并联谐振电容：6nF滞后桥臂并联谐振电容：8nF外加谐振电感：Lr=28uH输出整流管：上桥臂两个MUR20040CT并联，下桥臂单个MUR20040CT输出滤波电感0.1mH输出滤波电容（切割高频旁路电容）：4uF高频引弧电阻：6.8欧姆/100W控制方式：基于DSP芯片TMS320F2407文献126132研究了电力电子电路中器件的选择，参数的计算等相关内容，结合所研究的拓扑要求，可以确定上述相关参数。5.2 实验主电路拓扑和控制方法本文第二章研究了轴向分裂差接三角自耦变压器多脉波整流，拓扑见图2.1所示，第三章研究了移相全桥ZVS电路的关键技术，拓扑见图3.1，第四章研究了数字化弧焊/切割电源，拓扑见图4.1。本文采用的控制方法为数字化PI控制，移相角的生成为基于DSP的直接移相脉冲生成方法。【】图5.1 基于DSP的直接移相脉冲生成方法示意图从移相的基本原理来看，是滞后臂相对于超前臂之间的驱动的一个周期性延时，其延时角即为移相角。设PWM1/2驱动超前臂开关管，PWM3/4驱动滞后臂开关管，每个桥臂上下两管之间的驱动互补且带死区。可以固定超前臂的驱动在每一周期的T0时刻发出，那么只要延迟移相角对应的时间再发生全比较事件则可以得到滞后臂的驱动，可以实现0o180o范围内的自由移相。该方法的原理图如图5.1所示。从图5.1可以看出，定时器T1的计数方式为连续增减模式，在计数器T1CNT=0和T1CNT=T1PR时分别更新CMPR1和CMPR2的值，这一过程可以分别在T1的下溢中断和周期中断中完成。设移相角对应的延迟时间为Td，显然在0T/2区间内CMPR1与CMPR2的关系以及T/2T时间段内CMPR1、CMPR2的值与0T/2时间段内CMPR1、CMPR2的值的关系可分别用(5-1)式和(5-2)式表示如下： (5-1) (5-2) 实验证明：这种脉冲生成方法只需用到DSP的PWM1PWM4的4个口，而且可以利用死区设置寄存器可编程地直接设置死区，因此非常灵活方便，简单可靠，无需外加的硬件来进一步合成脉冲。5.3 实验波形分析实验波形采用Tektronix公司的TDS220型双通道数字示波器及YOKOGAWA DL750数字录波仪测量得到。 (a)三相线电压和单相相电流 (b)单相电压和电流图5.2 三相平衡电压的整流系统输入电压电流波形 (a)三相线电压和单相相电流 (b)平衡电抗器两端输入电流图5.3 三相不平衡电压(374V,380V,386V)的整流系统输入电压电流波形 (a) 三相平衡电压（iTHD11.966） (b) 三相不平衡电压（iTHD13.448%）图5.4 30A电流下，整流系统输入电流谐波频谱从图5.2图5.4可以看出：（1）轴向分裂差接三角自耦变压器12脉波整流系统，当输入平衡电压时，输入电流谐波畸变率低；当输入不平衡电压时，输入电流谐波畸变率增大；（2）不管输入电压平不平衡，功率因数均很大，可以达到0.98；（3）当输入不平衡电压时，流入平衡电抗器的电流不平衡，系统存在环流，所以THD将增大。图5.5 整流系统空载负载过程电压电流波形1. 输入电压，2.输入电流，3.输出电压的50从图5.5可以看出：（1）轴向分裂差接三角自耦变压器12脉波整流系统，当空载时，输出电压最高，负载时输出电压下降；（2）从电流波形可以看出，电流低于5A时，输入电流呈现6脉波，此时平衡电抗器没有被起励，它不能起到均压均流的作用，自耦变压器原边副边有电的联系，所以上下两个整流桥最大偏移角的两个向量组成系统输出，所以空载电压高，当电流大于5A时，输入电流呈现12脉波形式，此时两个整流桥独立工作，两个相差30度的6脉波构成12脉波。 图5.6 输入平衡电压的24脉波输入电流和频谱（基波电流18.483A,iTHD:3.394%） 图5.7 输入不平衡电压的24脉波输入电流和频谱(基波电流18.073A,THD:5.846%)从图5.6图5.7可以看出：轴向分裂差接三角自耦变压器24脉波整流系统跟12脉波系统类似，当输入电压平衡时，输入电流的谐波畸变率很低，当输入电压不平衡（2%不平衡度）时，输入电流的谐波畸变率很明显增大，由于输入的不平衡电压，使得输出电压含有非特征谐波，输出电流折算到输入电流，所以输入电流THD增大。 (a)超前桥臂 (b)滞后桥臂图5.8 空载情况下IGBT的驱动和管压降波形 (a)超前桥臂 (b)滞后桥臂图5.9 输出30A时IGBT的驱动和管压降波形 (a) 滞后桥臂的驱动和管压降波形 (b) 输出整流管电压应力图5.10 输出60A时开关管波形从图5.85.10可以看出：（1）移相全桥电路空载时，不存在软开关状态；（2）电流太小时，超前桥臂可以实现ZVS软开关，但是滞后桥臂难于实现ZVS。特别指出的是：图5.9(b)中，管压降波形可以看出，充放电未完成，电流已经过零，且电流过零发生在死区时间内，此时开通开关管是在比较大的两端电压下开通的。（3）当电流达到60A时（设计60A开始实现软开关），滞后桥臂也可以实现ZVS。（4）输出整流管由于存在寄生电容而在关断时寄生电容和漏感产生谐振，尖峰大则增大了输出整流管电压应力，必须增大缓冲。 （a）弧焊 （b） 切割 图5.11 弧焊/切割电源起弧过程实验波形从图5.11可以看出：数字化弧焊/切割电源起弧过程空载电压环和负载电流环切换平滑，快速性好，最终能够稳定输出。弧焊时，从短路到燃弧的过程十分短暂，只有不到2个毫秒。燃弧后，焊接电流稳定。切割时，起弧也在2毫秒内完成，最后切割电流稳定。按照第四章设计原则设计的逆变弧焊/切割电源，在实验过程中，弧焊时引弧容易，燃弧稳定，焊接过程中飞溅小，成形良好；切割时，空载到负载，小弧转移到大弧迅速可靠，切口平滑。并且整个电源体积小、重量轻，效率高，工作可靠。实验结果证明了整个工作原理分析和设计原则的正确性。5.4 小结本章基于理论分析给出了逆变式弧焊/切割电源的主要参数，得到了不同工况下电路的主要波形。多脉波整流输入电压