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特种数字化弧焊电源关键技术研究

作　者: 朱国荣
导　师: 康勇；段善旭
学　校: 华中科技大学
专　业: 电气工程
关键词: 特种弧焊电源谐波畸变移相全桥ZVS 等效电路模型占空比丢失数字控制控制模型极点配置
分类号: TG434
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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引　用: 8次
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内容摘要

近年来逆变式弧焊电源有了很大的进展和长足的进步，但也存在着不少问题，其中之一就是逆变式弧焊电源的谐波干扰问题。谐波问题本身又包括两个方面：一是高频谐波问题，采用软开关方式，不仅可以有效消除高频干扰的产生，而且由于开关损耗的减少而使逆变式弧焊电源的效率和可靠性进一步得到提高；二是低频谐波问题，由于逆变式弧焊电源对电网来说，本质上是一个大的整流电源，输入电流波形畸变严重，需要进行功率因数校正和降低谐波畸变率。从国内外发展情况看，具有可靠性、高效性、电磁兼容性、先进焊接工艺性的智能型绿色焊接电源已经成为未来焊接电源的发展方向。针对特种弧焊电源对整流系统输出电压等级、输入电流谐波畸变率以及功率因数等需求，本文研究了轴向分裂自耦变压器的多脉波整流技术，分析了这种拓扑在空载和负载两种情况下的输出特性，以及输入电压畸变对系统性能的影响。针对三相不控整流系统中输入不平衡电压对系统的影响，分析了不平衡输入电压对不控整流换流过程切换点的影响，精确推导出系统输入电压的不平衡度与开关函数的精确关系，得出开关函数偏移角与负序初相角呈正弦函数关系，三个开关函数偏移角的三条曲线互差120度，正弦的幅值与负序占正序的比例值呈线性关系的结论，这一结论为精确分析不控整流电路中不平衡输入对系统性能的影响提供了分析工具。利用精确的开关函数，推导了多脉波整流系统输入不平衡电压与输出电压非特征谐波的精确关系，进而得到电阻、电感负载时系统输入电流与输入电压不平衡度的关系，为精确地选择滤波元件做了有意义的探索。仿真和实验验证了理论分析的正确性。大功率逆变式弧焊电源大多应用移相全桥ZVS软开关拓扑，针对移相全桥ZVS软开关拓扑结构特点，建立了全波整流抽头变压器的等效模型，并将移相全桥ZVS软开关拓扑结构开关过程的分析统一于基于变压器等效模型的结构，给基于移相全桥ZVS电路的各种电路结构的分析提供了一种新的思路。然后，基于此等效电路模型做了如下研究：精确定义了滞后桥臂实现ZVS的谐振电感和并联电容必须满足的充要条件；分析了非理想工作情况下的过渡过程；分析了变压器原副边漏感对工作过程的不同阶段的不同影响。仿真和实验验证了理论分析的正确性，为后续工作者提供了很好的参考价值。随着微处理器的迅速发展，数字控制因控制策略的灵活性和强大的决策能力得到越来越多的应用，复杂、智能的算法得以实现，但同时，数字控制本身也带来了一些问题，本文为移相全桥控制系统的分析提供了一种简单直观可行的控制模型，为移相全桥ZVS数字化控制提供理论分析基础，且致力于研究数字化过程引起系统性能下降的原因：零阶保持过程对移相全桥ZVS电源开环频率特性以及闭环控制稳定性的影响；滞后一拍控制对移相全桥ZVS电源闭环控制稳定性的影响。通过分析得出以下结论：(1)零阶保持过程改变了移相全桥ZVS电源开环频率特性，使得欠阻尼系统随采样周期和电源阻尼振荡频率呈现出周期性规律；而使得过阻尼系统随着采样周期呈现单调规律；(2)零阶保持过程改变了移相全桥ZVS电源闭环系统稳定性，相对于模拟控制稳定范围大大降低；(3)滞后一拍控制改变了数字移相全桥ZVS电源闭环稳定性，稳定范围进一步减小。仿真验证了理论分析的正确性。基于特种弧焊电源的工程要求和工艺要求，本文最后研制了高功率因数、低谐波畸变的软开关弧焊电源，设计了数字化控制系统，实验验证了理论分析的正确性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-26
  1.1 弧焊电源的全球发展方向  11-12
  1.2 目前弧焊电源的研究现状  12-24
  1.3 选题依据与本文主要研究内容  24-26
2 弧焊电源自耦变压器多脉波整流系统研究  26-54
  2.1 引言  26-27
  2.2 轴向分裂自耦变压器多脉波整流机理研究  27-34
  2.3 自耦变压器多脉波整流稳态特性研究  34-52
  2.4 小结  52-54
3 逆变式弧焊电源软开关技术研究  54-79
  3.1 引言  54
  3.2 弧焊电源主电路拓扑  54-55
  3.3 基于抽头变压器等效模型的FB-ZVS-PWM变换器机理分析  55-63
  3.4 开关器件零电压开通条件  63-66
  3.5 变压器原副边漏感对工作过程影响分析  66-69
  3.6 非理想情况下变换器的稳态工作情况  69-72
  3.7 各种参数的获得  72
  3.8 仿真与分析  72-78
  3.9 小结  78-79
4 数字化弧焊电源控制系统研究  79-99
  4.1 引言  79
  4.2 弧焊电源移相全桥ZVS 控制模型  79-81
  4.3 数字控制对移相全桥ZVS性能的影响  81-89
  4.4 弧焊逆变电源闭环控制系统  89-98
  4.5 小结  98-99
5 样机参数与实验结果分析  99-105
  5.1 样机关键参数  99-100
  5.2 数字化弧焊电源的控制方法  100
  5.3 实验波形分析  100-104
  5.4 小结  104-105
6 全文总结  105-108
  6.1 本文工作总结  105-107
  6.2 未来工作展望  107-108
致谢  108-110
参考文献  110-119
附录1 攻读学位期间发表论文目录  119-120
附录2 攻读博士学位期间参加的主要科研项目  120

特种数字化弧焊电源关键技术研究

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