CN201376134Y - 电焊机的数控软开关全桥移相焊接电源 - Google Patents

电焊机的数控软开关全桥移相焊接电源 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种电焊机的数控软开关全桥移相焊接电源，包括数字控制系统和全桥移相焊电源，所述数字控制系统包括数字信号处理器，所述数字信号处理器包括第一全比较单元和第二全比较单元，所述全桥移相焊电源采用带饱和电感的移相全桥ZVZCS PWM变换器，所述移相全桥ZVZCS PWM变换器包括超前桥臂和滞后桥臂，所述第一全比较单元分别连接所述超前桥臂的两移相开关管，所述第二全比较单元分别连接所述滞后桥臂的两移相开关管，本实用新型能有效减小开关管的开通关断损耗，提高了开关频率，减小了控制器设计的复杂性，大大提高了其灵活性，控制精度高、可靠性好、即使在较小的负载下也能较好地实现软开关。

Description

电焊机的数控软开关全桥移相焊接电源
技术领域
本实用新型涉及移相焊接电源技术领域，特别涉及软开关移相焊接电源技术领域，具体是指一种电焊机的数控软开关移相焊接电源。
背景技术
全桥移相焊电源由于体积小、质量轻、高效节能和性能优良，因此得到了广泛的研究。但全桥移相焊电源中开关频率过高，电流过大，这就存在着较大的开关损耗，同时EMI过大。软开关作为目前电力电子技术研究的热点之一，很好地解决了这个问题。
近年来，随着单片机、数字信号处理器以及复杂可编程逻辑器件等元器件的发展，数字控制技术已得到广泛的应用。相对于传统的模拟控制，数字控制技术有着控制方法灵活多变、控制精度高、可靠性高等优点。目前国内外弧焊电源的最新技术趋势就是移相软开关技术和数字控制技术相结合。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种电焊机的数控软开关移相焊接电源，有效减小开关管的开通关断损耗，提高了开关频率，减小了控制器设计的复杂性，大大提高了其灵活性，控制精度高、可靠性好、即使在较小的负载下也能较好地实现软开关。
为了实现上述目的，本实用新型的电焊机的数控软开关移相焊接电源具有如下构成：
该电焊机的数控软开关移相焊接电源，其特点是，包括数字控制系统和全桥移相焊电源，所述数字控制系统包括数字信号处理器，所述数字信号处理器连接所述全桥移相焊电源，所述全桥移相焊电源采用全桥变换器。
较佳地，所述全桥变换器是移相全桥软开关PWM变换器。
更佳地，所述移相全桥软开关PWM变换器为移相全桥ZVZCS PWM变换器。
更进一步地，所述移相全桥ZVZCS PWM变换器是带饱和电感的移相全桥ZVZCS PWM变换器。
更进一步地，所述数字信号处理器包括第一全比较单元和第二全比较单元，所述移相全桥ZVZCS PWM变换器包括超前桥臂和滞后桥臂，所述第一全比较单元分别连接所述超前桥臂的两移相开关管，所述第二全比较单元分别连接所述滞后桥臂的两移相开关管。
采用本实用新型，由于本实用新型的移相全桥ZVZCS PWM变换器利用箝位电容实现超前桥臂的ZVS，利用饱和谐振电感实现滞后桥臂的ZCS，其有效地减小了开关管的开通关断损耗，提高了开关频率；数字控制系统的引入不仅减小了控制器设计的复杂性，而且大大提高了其灵活性。根据上述原理设计的软开关全桥移相焊机，通过实验证明性能良好。
附图说明
图1是本实用新型的一具体实施例的带饱和电感的ZVZCS变换器的主电路示意图。
图2是本实用新型的一具体实施例的移相脉冲生成原理图。
图3是本实用新型的一具体实施例的主程序流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1～图3所示，本实用新型的电焊机的数控软开关移相焊接电源，包括数字控制系统和全桥移相焊电源，所述数字控制系统包括数字信号处理器，所述数字信号处理器连接所述全桥移相焊电源，所述全桥移相焊电源采用全桥变换器。
较佳地，所述全桥变换器是移相全桥软开关PWM变换器。
更佳地，所述移相全桥软开关PWM变换器为移相全桥ZVZCS PWM变换器。
在本实用新型的一具体实施例中，所述移相全桥ZVZCS PWM变换器是带饱和电感的移相全桥ZVZCS PWM变换器。
在本实用新型的一具体实施例中，所述数字信号处理器包括第一全比较单元和第二全比较单元，所述移相全桥ZVZCS PWM变换器包括超前桥臂和滞后桥臂，所述第一全比较单元分别连接所述超前桥臂的两移相开关管，所述第二全比较单元分别连接所述滞后桥臂的两移相开关管。
在移相全桥ZVZCS PWM变换器中，超前桥臂的零电压(ZVS)开关是在超前桥臂并联适当的电容实现的，而滞后桥臂要实现零电流(ZCS)开关必须在变压器一次电压过零期间，使一次电流复位到零并短暂箝在零电流，这一般也需要加入辅助电路，如带饱和电感、副边带箝位等。
通过分析，综合考虑到效率、成本和实现难易程度等因素，本实用新型选择利用饱和电感实现滞后桥臂ZCS的拓扑作为主电路。
带饱和电感的移相全桥ZVZCS PWM变换器的主电路如图1所示，超前桥臂(IGBT1和IGBT3组成的桥臂)实现零电压开关，滞后桥臂(IGBT2和IGBT4组成的桥臂)实现零电流开关，从而实现了软开关移相焊机的零电压零电流开关(ZVZCS)，VD1～VD4分别是与IGBT1～IGBT4反向并联的二极管每个桥臂上的两个开关管(IGBT1和IGBT3或IGBT2和IGBT4)轮流导通半个周期。两个桥臂之间引入移相从而决定变换器的占空比。
其工作原理为：在超前臂一只IGBT关断后，主电路进入自然换相过程，此时饱和电抗Ls仍处于饱和状态，变压器一次电流ip在隔直电容Cb和主变压器一次侧漏抗Llk的谐振作用下迅速下降。当ip下降到零时，由于饱和电抗Ls已退出了饱和，阻止了阻断电容峰值电压UCbp引起的电流反向流动，从而使滞后臂的关断在零电压零电流状态下完成。随后，滞后臂上的另一只IGBT管开通，电源电压Uin与UCbp之和加在饱和电抗上，由于饱和电抗进入饱和需要一个短暂的过程，电流不能立即上升，这样滞后臂的开通也是在零电流下完成。
1.主电路参数设计：
1.1主变压器的设计
变压器变比
K＝Uin(min)Dp(max)/(Uo/Dsec(max))(1)
一次侧绕组匝数
N1＝Uin(min)×108/(KfBmfSC)(2)
二次侧绕组匝数
N2＝N3＝N1/K    (3)
式中Uin(min)为输入电压的最小值；Dp(max)为一次侧最大占空比；Dsec(max)为二次侧最大占空比；Uo为额定输出电压；Kf为波形系数，正弦时取4.44，方波时取4；Bm为所选磁心最高工作磁密(单位：Gs)；f为开关频率(单位：Hz)；SC为磁心有效截面积(单位：cm2)。
1.2超前桥臂并联电容的设计
并联电容
C1＝C3≤Io(min)td(lead)/(2KUin(max))(4)
式中Io(min)为最小输出电流；Uin(max)为最大输入电压；td(lead)为超前桥臂两开关管驱动信号之间的死区时间。
1.3饱和电感的设计
饱和电感伏秒积
ΦLs＝UCbp·TZC＝UCbp(T/2-DT/2-ΔT)(5)
式中UCbp为阻断电容峰值电压；TZC为滞后桥臂零电流开关时间；ΔT为环流时间。
1.4阻断电容的设计
阻断电容
Cb＝nIo·(DT2-D2T2)/(8(ΦLs+nIoLlk)(6)
式中ΦLs为饱和电感伏秒积，为已知；Llk为变压器漏感。
1.5输出滤波电感的设计
输出滤波电感
Lf＝Uo(min)/(2·2f·5％Io(max))(1-Uo(max)/(Uin(min)/k-ULf-UD))(7)
式中f为输出滤波电感的工作频率；ULf为滤波电感上电压降；UD为整流二极管导通电压降。
2.控制电路的设计
2.1移相PWM波的实现方法
基本原理是：利用DSP事件管理器中的两个全比较单元输出四路脉冲。由第一全比较单元输出超前臂上下管脉冲，第二全比较单元输出滞后臂上下管脉冲。两个全比较单元的比较寄存器数值按照调节器输出的要求在下溢中断和周期中断当中不断地修改，如图2所示。在下溢中断中赋给CMPR1&CMPR2在计数器计数下降沿比较值，在周期中断中赋给CMPR1&CMPR2在计数器计数上升沿比较值。计数器计数周期为脉冲周期。实际编程时，需要按照全比较输出对称脉冲的设置方法设置。
2.2数字控制系统的软件流程
系统软件有主程序和中断程序两大部分，主程序(见图3所示)主要是完成系统初始化、开关机检测、开关机初始化，然后进入主程序循环等待中断。周期中断程序、下溢中断程序和PDPINTA程序共同构成系统中断程序。
在周期中断程序中完成空载电压的软起动，读取电压电流采样值，通过检测输出电流实现空载和负载两种不同工况的切换，在两种不同工况下实施各自的控制算法等工作。周期中断中完成空载电压的建立、负载电流的恒定以及推力电流的调节。
下溢中断程序用来更新CMPR1和CMPR2的值。
当主电路出现故障时，如输出过电压过电流、直流母线过电流、输入过/欠电压以及机器过热等，外部硬件产生信号去封锁脉冲放大和整形电路，同时产生PDPINTA信号送DSP，DSP内部产生PDPINTA中断封锁脉冲输出。
通过以上方法设计了一台250A/10kW全桥移相焊电源，输入为三相380V±15％，输出空载电压70V，最大输出焊接电流250A，控制器采用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407。证明电源性能良好。
因此，本实用新型移相全桥ZVZCS PWM变换器利用箝位电容实现超前桥臂的ZVS，利用饱和谐振电感实现滞后桥臂的ZCS，其有效地减小了开关管的开通关断损耗，提高了开关频率；数字控制系统的引入不仅减小了控制器设计的复杂性，而且大大提高了其灵活性。
综上，本实用新型的电焊机的数控软开关移相焊接电源有效减小开关管的开通关断损耗，提高了开关频率，减小了控制器设计的复杂性，大大提高了其灵活性，控制精度高、可靠性好、即使在较小的负载下也能较好地实现软开关。
在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (5)

1.一种电焊机的数控软开关移相焊接电源，其特征在于，包括数字控制系统和全桥移相焊电源，所述数字控制系统包括数字信号处理器，所述数字信号处理器连接所述全桥移相焊电源，所述全桥移相焊电源采用全桥变换器。
2.如权利要求1所述的电焊机的数控软开关移相焊接电源，其特征在于，所述全桥变换器是移相全桥软开关PWM变换器。
3.如权利要求2所述的电焊机的数控软开关移相焊接电源，其特征在于，所述移相全桥软开关PWM变换器为移相全桥ZVZCS PWM变换器。
4.如权利要求3所述的电焊机的数控软开关移相焊接电源，其特征在于，所述移相全桥ZVZCS PWM变换器是带饱和电感的移相全桥ZVZCS PWM变换器。
5.如权利要求3所述的电焊机的数控软开关移相焊接电源，其特征在于，所述数字信号处理器包括第一全比较单元和第二全比较单元，所述移相全桥ZVZCS PWM变换器包括超前桥臂和滞后桥臂，所述第一全比较单元分别连接所述超前桥臂的两移相开关管，所述第二全比较单元分别连接所述滞后桥臂的两移相开关管。
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