新型软开关埋弧焊逆变器的外特性分析

华南理工大学学报(自然科学版)JournalofSouthChinaUniversityofTechnology

(NaturalScienceEdition)

Vol.31󰀁No.5

May󰀁2003

文章编号:1000󰀁565X(2003)05󰀁0039󰀁04

新型软开关埋弧焊逆变器的外特性分析

李远波󰀁黄石生󰀁王振民󰀁李󰀁阳󰀁陆沛涛

(华南理工大学机械工程学院,广东广州510640)

*

摘󰀁要:对新型软开关埋弧焊逆变器的外特性进行了设计,并应用电力电子技术和自动控制原理的理论成果,研究了软开关埋弧焊逆变器的结构、参数与其外特性曲线之间的基

本规律.文中最后给出了实验结果.关键词:逆变器;埋弧焊;外特性

中图分类号:TG434󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

󰀁󰀁埋弧焊过程中有空载󰀁短路󰀁燃弧这几个工作过程.细丝埋弧焊的电弧一般为平特性,如根据埋弧焊的电弧特性,为满足电源-电弧系统稳定性的要求,粗丝埋弧焊电源一般采用下降特性.在实际的埋弧焊电源外特性设计中,还必须综合考虑电弧的弹性、送丝方式、熔滴渣壁过渡以及焊接规范的稳定性要求.

新型软开关埋弧焊逆变器采用平均电流-峰值电流双环控制与PWM移相控制相结合的方式,充分利用埋弧焊逆变器的寄生元件参数实现开关器件的零电压开关[1,2],极大地改善了开关管及逆变电路的工作状态,具有开关损耗及电磁干扰小、效率高的优点,适用于高频、大功率的场合.研究平均电流-峰值电流双环控制的新型软开关埋弧焊逆变器的结构、参数与其外特性曲线之间的基本规律,具有重要的理论和实际意义.

焊(手工焊条电弧焊)以及在SMAW焊(手工电弧焊)电源外特性特点的基础上,采用电流双闭环控制以及限制最小脉宽的方法,设计了一种恒流带外拖的埋弧焊电源外特性,见图1.图中1点表示空载电压值,2点是输出电感电流连续与非连续的转折点,3点对应焊接最大规范,4点对应外拖前焊接最大电流.此外,新型逆变式电源输出焊接回路的时间常数很小,外拖瞬间短路电流有利于增大熔滴过渡的推力,而且也有利于开关管IGBT工作在适当宽的开通状态,减小因开通过窄而出现的不稳定情况.

1󰀁新型埋弧焊逆变器外特性曲线的设计

采用恒流特性的埋弧焊电源,电弧弹性好,焊接规范最稳定,但是由于短路电流小,电弧推力不够理想,导致熔滴的过渡困难;另一方面,如果采用缓降外特性,虽然短路电流大,但是电弧稳定性相对较差、电弧弹性差.本研究吸收两种外特性的优点,借鉴MMA

󰀁收稿日期:2002󰀁12󰀁31

*基金项目:国家自然科学基金资助项目(59975030)󰀁作者简介:李远波(1976-),男,博士生,主要从事弧焊电源及其过程智能控制研究.

图1󰀁设计的电源外特性

Fig.1󰀁TheproposedU󰀁Istaticcharacteristic

2󰀁外特性曲线的理论分析

2.1󰀁外特性曲线的研究方法

到目前为止,焊接领域对弧焊逆变器的外特性曲线仅仅限于简单的实验测试,而没有深入探讨逆变电源主电路和控制电路的结构、参数与外特性曲线之间的内在联系.因此,作者应用电力电子技术和自动控制原理的理论成果,研究了平均电流-峰值󰀁40华南理工大学学报(自然科学版)第31卷󰀁

电流双环控制的新型软开关弧焊逆变器结构、参数与外特性曲线之间的基本规律.

任何弧焊逆变器,尽管它们的主电路通常有多种形式,但在本质上均为Buck变换器,对于启用激磁电感并配合漏感的方法来实现软开关换流的新型埋弧焊逆变器全桥主电路而言,漏感和饱和电感很小,为了分析方便,可以忽略它们的影响.图2为外环平均电流反馈、内环峰值电流控制的双环反馈模式工作原理示意图.上半部分为主电路的原理图,为典型的BUCK变换器.在工作过程中,对变换器

[2]

开关管的峰值电流is(t)进行采样,获得的峰值电流信号再与一个锯齿波信号叠加,该叠加信号替代传统的电压模式控制的三角波信号.检测输出电感的平均电流,将该平均电流信号iL(t)与给定信号Ug比较之后的误差信号,经过补偿或者校正等处理,来代替在电压模式控制中的给定信号,最后与经过叠加锯齿波信号的峰值电流信号进行切割,来调节占空比,从而实现对输出量的有效控制.驱动脉冲开通的时间取决于时钟,关断时间决定于功率开关电流的上升速度.

图2󰀁平均电流-峰值电流双环控制原理示意图

Fig.2󰀁Schematicdiagramofaveragecurrent󰀁peakcurrentdoubleclosedloopcontrol

2.2󰀁外特性下跌区段的分析

在外特性曲线的1󰀁2区段,导通比调节器饱和,输出最大导通比,设导通比最大值为Dmax.此时

每周期输出电感中电流有一段时间为零值,即输出电感的电流不连续.图3给出了输出电感的非连续稳态电流波形,Ts为次级整流器的工作周期.

下降,即

diL

0-Uo=Lodt(3)在初始时刻t=DmaxTs有iL(DmaxTs)=iL,max.由方程(2)和(3)可得时间T2为

Us

T2=UDmaxTs

o

由此可知,稳态负载电流Io为:

1Ts11Io=iLdt=iL,maxT2=

Ts0Ts2Us(Us-Uo)2

DmaxTs

2UoLo

(4)

󰀁(5)

图3󰀁输出电感非连续电流波形Fig.3󰀁Discontinuousinductancecurrentwave

式中Us=Uin/N,Uin为直流输入电压,N为变压器初次级的变比,由此可得稳态负载电流Io与稳态输出电压Uo之间的函数表达式:

UinNUo=(6)

2NLo

Io+1

UinD2maxTs

式中直流输入电压Uin、变压器初次级变比N、输出电感Lo、次级整流器的工作周期Ts和导通比最大值Dmax均为常量.由公式(6)可知,随着负载电流Io的增大,输出电压Uo迅速减小.这就从理论上解释了外特性的下跌区段.

在[0,DmaxTs]期间,次级整流电压Us与电源输出电压Uo的差值,使得输出电感Lo中电流上升.即

diL

Us-Uo=Lodt(1)在初始时刻有iL(0)=0,在DmaxTs时刻,输出电感的电流达到最大值iL,max:

Us-Uo

DmaxTs(2)Lo

在[DmaxTs,Ts]期间内,续流二极管的零电压与iL,max=

电源输出电压Uo的差值,使得输出电感Lo中电流2.3󰀁外特性自然缓降区段的分析󰀁第5期李远波等:新型软开关埋弧焊逆变器的外特性分析󰀁41

在外特性曲线的2󰀁3区段,导通比调节器仍然饱和,还是输出最大导通比Dmax.但此时输出电感中电流值总是大于零,输出电感工作于连续电流状态.图4给出了输出电感的连续稳态电流波形,考虑到包括变压器漏感在内的谐振电感对有效占空比的影响,设高频变压器次级的有效占空比为Ds.类似上节推导可得

Uin

DNs

将Ds=Dmax-Dloss代入上式,得

Uo=

(7)

经过外环的误差比较器控制输出电流因负载的变化而导致的改变,因为反馈信号是输出的平均电流值,从而可以得到较高精度的静态设置值,即电流的控制准确性高,从而保证了电源的恒流特性.

2.5󰀁外特性外拖区段的分析

在埋弧焊过程中,为了保证引弧顺利,一定的超调电流是合适的.由于埋弧焊焊丝一般都比较粗,与工件的接触引弧过程中需要一定的短路电流对接触区域预热,以利于焊接电弧电磁场的迅速建立,保证起弧的成功率.短路电流出现时间很短,并不会增加飞溅,但是,从减少瞬时短路时的飞溅、防止焊机严重过流、保护器件安全、保证焊机稳定可靠地工作角度出发,电流的超调量不能过大.所以我们采用了图5中的电路,对埋弧焊逆变器工作过程的输出电压进行实时检测、判断和分析,采用限制最小有效输出脉宽的方式控制拖尾电流大小.电路中增加了过流保护电路,当检测的电流信号超过给定值,切换电路将转换到一个比较低的输出值,使输出有效脉宽为零,关断逆变桥.采用这种外拖控制方法,还有两个额外的好处:一是因为内环的峰值控制对信号的变化特别敏感,采取最小脉宽限制,可以避免在窄脉宽情况下内环峰值控制产生不稳定的情况;二是在小电流焊接时,如果弧长比较短,那么焊机可以自动增大电流,促进熔滴过渡,不容易熄弧.

Uin

Uo=(Dmax-Dloss)(8)

N

而新型全桥埋弧焊逆变器占空比损失Dloss为[3]:4fsIpLlk

Dloss=

Uin

式中Ip为初级电流峰值,可由下式计算:

Ip󰀁

(9)

IoUinDmax+DT(10)NLmmaxs

联立上面几式并考虑寄生电阻Rs推导可得稳态负载电流Io与输出电压Uo之间的函数表达式为Uo=

Uin4Llk

Dmax1-NLm

-42LlkDmaxfs+RsIoN

(11)

式中直流输入电压Uin、变压器初次级变比N、变压器漏感Llk、激磁电感Lm、逆变频率fs、寄生电阻Rs和导通比最大值Dmax均为常量.由公式(11)可知,新型软开关埋弧焊逆变器外特性曲线的自然缓降区段是一条直线.

图5󰀁

图4󰀁输出电感的连续电流波Fig.4󰀁Continuousinductancecurrentwave

外特性切换电路原理图

Fig.5󰀁TheU󰀁Iswitchingcircuitdiagram

2.6󰀁外特性形成电路

综上所述,可以得到新型软开关埋弧焊逆变器

外特性形成电路,见图6.由主变压器的变比来确定空载电压,主电路的结构参数确定外特性的自然缓降段,由平均电流-峰值电流双环控制系统保证下降段的陡度,最后由切换电路确定短路拖尾电流以及实现过流保护.

2.4󰀁外特性恒流区段的分析

外特性曲线的3󰀁4段是恒流特性段,该段区域是正常焊接过程中最主要的输出状态,对焊缝成形至关重要.在该段PWM调制器和反馈控制系统工作,通过调制占空比来保证电源的恒流特性.如果只有内环峰值电流模式控制,那么被调量实际上是负载电流的峰值,而负载电流平均值与峰值电流参考值之间是存在误差的,所以外特性恒流区段的电流存在较大的静态相对误差.而采用平均电流-峰值电流的双电流闭环反馈控制,外环的平均电流反馈

󰀁42华南理工大学学报(自然科学版)第31卷󰀁

󰀁󰀁图7为获得的新型软开关埋弧焊逆变器外特性曲线.由图7可知,该新型软开关埋弧焊逆变器空载电压在75V左右,在恒流段具有很陡的斜率,恒流段是正常焊接过程中最主要的输出状态,对保持焊缝成型具有比较重要的意义.为保证引弧成功率而设置的最小脉宽限制电路是比较成功的,过流保护电流设置为1200A.实验结果说明研制成功的新型软开关埋弧焊逆变器的外特性曲线是完全符合设计

图6󰀁软开关埋弧焊逆变器外特性形成电路Fig.6󰀁TheformationofU󰀁Istaticcharacteristicof

soft󰀁switchingSAWinverter

要求和满足埋弧自动焊工艺要求.

4󰀁结󰀁论

文中我们以平均电流-峰值电流双环控制的

新型软开关埋弧焊逆变器为实例,应用电力电子技术和自动控制原理的理论成果,研究了其结构、参数与其外特性曲线之间的基本规律,实际上,无论是传统的硬开关弧焊逆变电源还是新型的软开关弧焊逆变电源,尽管它们的主电路通常有双管正激、半桥和全桥电路等多种形式,但在本质上均为Buck变换器,因此本文提出的研究方法对一般弧焊逆变电源都是适用的.参考文献:

[1]󰀁王振民.新型埋弧焊逆变器及其智能焊接系统的研究

[D].广州:华南理工大学机电系,2002.

[2]󰀁黄石生,王振民,吴祥淼,等.新型大功率软开关弧焊

逆变器的研究[J].机械工程学报,2001,37(9):67-

3󰀁外特性的测定

利用CHB󰀁1000型LEM传感器检测逆变器的输出工作电流,采用DT9205A多功能表测量负载电压,利用大功率自藕调压器为逆变器提供功率.在电流给定值一定的情况下,通过改变大功率负载值来获得不同的负载端电压和电流值,对逆变器的外特性进行测定.

图7󰀁实测的外特性曲线

Fig.7󰀁ThemeasuredU󰀁Istaticcharacteristiccurves

oftheSAWinverter

1󰀁1000A;2󰀁500A,3󰀁300A;4󰀁100A

70.

[3]󰀁SabateJA.Designconsiderationsforhigh󰀁voltagefull

bridgezero󰀁voltage󰀁switchedPWMconverter[A].IEEEAPECRec[C],1990,274-284.

TheoreticAnalysisofStaticCharacteristicsofNovelSoft󰀁switching

SubmergedArcWeldingInverter

LiYuan󰀁bo󰀁HuangShi󰀁sheng󰀁WangZhen󰀁min󰀁LiYang󰀁LuPei󰀁tao

(CollegeofMechanicalEngineering,SouthChinaUniv.ofTech.,Guangzhou510640,China)

Abstract:Inthispaperthestaticcharacteristicsofanovelsoft󰀁switchingsubmergedarcweldinginverterisdesigned,andthebasicrulesareresearchedbetweenstaticcharacteristicsofsoft󰀁switchingsubmergedarcweldinginverterandits

structuresaswellasparametersbyapplyingthetheoryofpowerelectronicsandautocontrol.Finally,experimentalver󰀁ificationoftheresultsisgiven.

Keywords:inverter;submergedarcwelding;staticcharacteristic

责任编辑:明宗峰