吳任國(guó)

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一種船用高頻整流型逆變弧焊電源

吳任國(guó)

（海軍駐武漢地區(qū)軍事代表局，武漢 430064）

本文研制了一種高頻整流型逆變弧焊電源裝置。該產(chǎn)品前級(jí)采用了高頻PWM整流技術(shù)，后級(jí)采用移相全橋變換器。通過有效的控制，使得弧焊電源能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境中穩(wěn)定輸出低壓大電流并用于焊接。

電弧焊 高頻PWM整流 移相全橋

0 引言

弧焊電源是一種應(yīng)用于弧焊機(jī)中，能夠適用于電弧焊負(fù)載特性的低壓大電流電源[1]。在手工電弧焊中，利用弧焊電源的大電流產(chǎn)生的熱將焊條融化，用于焊接鋼材料工件。逆變式弧焊電源因其體積較小，重量較輕的優(yōu)良特質(zhì)，焊疤平整，焊接效果好等特點(diǎn)深受用戶喜愛。

本電源充分考慮到弧焊電源復(fù)雜的電磁環(huán)境，采用高頻PWM整流技術(shù)和移相全橋技術(shù)設(shè)計(jì)一種船用手工電弧焊電源，能夠適應(yīng)焊接條件下的各種惡劣環(huán)境，是一種先進(jìn)的弧焊電源。

1 弧焊電源系統(tǒng)組成

高頻整流型逆變弧焊電源包括：高頻PWM整流器，移相全橋變換器。弧焊電源系統(tǒng)組成如圖1所示，前級(jí)PWM整流器將三相380 V交流輸入電源轉(zhuǎn)化為700 V直流。后級(jí)移相全橋變換器將PWM整流器產(chǎn)生的高壓直流，轉(zhuǎn)化為50-200 A低壓大電流直流電源，供焊接使用?？刂撇糠职ㄝ斎腚妷弘娏鞑蓸?，母線電壓采樣，輸出電壓電流采樣。采用數(shù)字化控制方式，主控芯片為DSP型號(hào)為TMS320F28335。

圖1船用手工電弧焊電源系統(tǒng)框圖

2 高頻PWM整流器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)弧焊電源大都采用不控整流技術(shù)，由于不控整流技術(shù)本身固有的電流畸變，諧波含量大，濾波成本高，電壓不可控等缺點(diǎn)，不能滿足對(duì)電網(wǎng)注入諧波的要求，而高頻PWM整流技術(shù)具有諧波特性好，功率因數(shù)高，功率密度大等優(yōu)點(diǎn)[2]。如圖2所示為PWM整流器的拓?fù)鋱D。

由圖2可以得出PWM整流器a、b、c三相傳遞函數(shù)[3]為：

PWM整流器的控制為電壓電流雙閉環(huán)控制，并采用SVPWM調(diào)制方式，可以達(dá)到輸入電流（總諧波畸變率）THD小于5％。圖3為PWM整流器電流內(nèi)環(huán)控制框圖，其中G1(S)為電流環(huán)PI控制器傳遞函數(shù)，Ko和為系統(tǒng)實(shí)際對(duì)象。圖4為PWM整流器電壓外環(huán)控制框圖。其中，G2(S)為電壓環(huán)PI控制器，Q(S)為電流內(nèi)環(huán)等效傳遞函數(shù)，G3(S)為實(shí)際對(duì)象[3,4]。

圖3 電流內(nèi)環(huán)控制框圖

圖4 電壓外環(huán)控制框圖

3 移相全橋變換器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的全橋PWM變換器適用于輸出低電壓大功率，以及電源電壓和負(fù)載電流寬范圍變化的場(chǎng)合。而移相全橋變換器由于易于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，常應(yīng)用于大中功率場(chǎng)合。本文設(shè)計(jì)的手工電弧焊電源，后級(jí)需要輸出低壓大電流。故選取了移相全橋變換器。由于傳統(tǒng)的移相全橋變換器存在輸出二極管振蕩電壓尖峰高的缺點(diǎn)，本文在傳統(tǒng)移相全橋變換器的基礎(chǔ)上，采用了Tr-lead型移相全橋變換器[5]，可以大大減小輸出二極管的振蕩電壓幅值。外加諧振電感能夠保證電源在輕載時(shí)仍然能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。圖5為Tr-lead型移相全橋變換器拓?fù)鋱D。

圖5 Tr-lead型移相全橋變換器

4 軟件設(shè)計(jì)

手工電弧焊電源軟件主要分為兩部分，一是主電路控制部分，包括主電路的采樣、運(yùn)行、故障判斷、故障保護(hù)等。二是焊接控制部分，主要用于焊接時(shí)焊接電流控制。如圖6所示為主電路控制部分軟件流程圖，在給PWM整流器驅(qū)動(dòng)之前，進(jìn)行模塊過溫，輸入過壓欠壓檢測(cè)，如正常，啟動(dòng)PWM整流器，將母線電壓升至700 V，之后進(jìn)行輸入過流檢測(cè)，如正常進(jìn)入待機(jī)模式。在待機(jī)模式下等待焊接指令，接到焊接指令后控制器發(fā)出移相全橋驅(qū)動(dòng)，并實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出電流。在運(yùn)行過程中，故障時(shí)均停機(jī)，封鎖PWM整流器和移相全橋變換器的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)聲光報(bào)警。

圖6 主程序流程圖

在焊接過程中，為了使焊接流暢，易起弧，不易斷弧，需要對(duì)焊接電流進(jìn)行控制。如圖6所示為焊接控制程序流程圖。當(dāng)輸出空載時(shí)，說明焊接還未開始，處于等待焊接狀態(tài)。當(dāng)開始焊接時(shí)，調(diào)節(jié)移相全橋變換器占空比，輸出給定焊接電流。這時(shí)如焊接電壓過低，說明焊條處于粘黏狀態(tài)，還需要加入推力電流以解除此狀態(tài)。

圖7 焊接程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證手工電弧焊電源設(shè)計(jì)的合理性及實(shí)用性，搭建了一臺(tái)額定功率8 kW，輸出電流50~200 A可調(diào)的工程樣機(jī)。

圖8為PWM整流器滿載條件下輸入電流和輸出電壓波形，其中CH2為輸出電壓，CH3為輸入電流，可以看出輸出電壓穩(wěn)定在700 V，輸入電流正弦度較高，THD為4.1%。

圖8 PWM整流器滿載輸入電流和輸出電壓

圖9 移相全橋?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)

圖9為輸出電流為50 A（最小負(fù)載電流）時(shí)，移相全橋電流滯后臂上管的驅(qū)動(dòng)及電壓波形。其中，CH1為橋臂電壓波形；CH2為對(duì)應(yīng)橋臂驅(qū)動(dòng)電壓波形；CH4為諧振電感電流，可以看出移相全橋?qū)崿F(xiàn)了軟開關(guān)。

圖10所示為焊接起弧波形，CH1為電流波形，CH2為電壓波形?？蛰d電壓65 V，可以看到起弧后，電壓下降到30 V左右，電流上升到50 A左右，已經(jīng)進(jìn)入到正常的焊接，起弧成功。

圖10 焊接起弧波形

如圖11所示，為50 A焊接時(shí)的電壓電流波形。CH1為電流波形，CH2為電壓波形。當(dāng)焊條黏住時(shí)，即輸出電壓下降較多（低于10 V）時(shí)，推力電流起作用，可以看到電壓跌落處，電流迅速增大到90 A左右。焊接過程中，在電流較平穩(wěn)段，電流波動(dòng)在10 A以內(nèi)，能夠保證較好的焊接質(zhì)量。

圖11 焊接電流電壓波形

圖12為輸出120 A，推力電流40 A焊接時(shí)的焊疤圖，可以看出，焊接流暢，無斷弧，焊疤平整。說明弧焊電源輸出具有較好的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能。

圖12 焊接效果圖

（

6 結(jié)束語(yǔ)

本高頻整流型逆變弧焊電源AC/DC部分采用高頻PWM整流電路，DC/DC部分采用移相全橋電路，該拓?fù)潆娐房梢詫?shí)現(xiàn)軟開關(guān)，有利于實(shí)現(xiàn)高頻化，同時(shí)具有較高的效率。在復(fù)雜的環(huán)境中仍然能夠?yàn)樨?fù)載提供低壓大電流的穩(wěn)定輸出，保證焊接所需要的條件。

[1] 楊通, 黃延齡, 張光先.數(shù)字化的逆變弧焊電源. 電焊機(jī), 2009, (02): 11-17.

[2] 王恩德, 黃聲華.三相電壓型PWM整流的新型雙閉環(huán)控制策略. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, (15): 24-30,18.

[3] 張曉東, 王兵樹, 張軍偉. PWM整流器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究. 電測(cè)與儀表, 2009, (01): 73-76.

[4] 朱永亮, 馬惠, 張宗濂.三相高功率因數(shù)PWM整流器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2006, (11): 87-91.

[5] 阮新波.脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器的軟開關(guān)技術(shù). 第二版. 2013, 北京: 科學(xué)出版社.

An Arc Welding Inverter with High-frequency Rectifier

Wu Renguo

(Naval Representatives Office in Wuhan, Wuhan 430064, China)

TM464

A

1003-4862（2017）04-0031-03

2017-01-06

吳任國(guó)(1965-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：船電。