单端正激焊接系统中吸收电路的分析

2011-04-10潘慧梅张小平

制造业自动化 2011年11期

潘慧梅，张小平

PAN Hui-mei，ZHANG Xiao-ping

（攀枝花学院电气信息工程学院，攀枝花 617000）

0 引言

随着焊接工艺技术不断提高，焊接电源输出电压、电流波形的质量、稳定性和可靠性也要求越来越高。焊接电弧电源随焊接工艺要求不同而不同。逆变焊接电源中常见的电弧有脉冲电弧、自由电弧和压缩电弧。近年来，电力电子技术的不断发展，在焊接系统中，脉冲电弧在焊接系统中已经得到广泛的应用。从主电路分析逆变弧焊分为半桥式逆变弧焊、全桥式逆变弧焊和单端正激弧焊，以上三种弧焊各有自优缺点。单端正激逆变器主电路次级输出续流二极管流过的电流幅值大，二极管恢复时间长，主电路的频率等于开关频率，输出滤波器体积大，重要的是高频变压器磁心仅工作在磁滞回线的一侧，效率较低。本文用单端正激逆变直流脉冲弧焊，但是直流脉冲弧焊存在开关管在高频的导通和关断时存在过冲电压和过冲电流，影响了焊接系统的稳定性和可靠性，严重时焊接系统将无法工作，本文重点分析单端正激逆变电源中用吸收电路抑制，众所周知，开关管瞬时的电压和电流(du/dt、di/dt)将将产生过冲电压和过冲电流。本文通过仿真分析可知，通过改变RC吸收电路的参数值能抑制开关管产生尖峰电压和电流，通过实验验证了该方法的可行性。本文的吸收电路将为提高焊接系统电弧质量以及系统的稳定性和可靠性提供一定的指导意义[1,2]。

1 电路拓扑结构分析

图1为单端正激逆变弧焊主电路原理图，单端正激逆变电源是经过交流整流后直流电压逆变成方波提供给负载，在交流整流后有平波电感L平波直流电压的作用，该电感L对逆变开关管有很大的影响，L增大，不仅使变压器上的电压上升过程缓慢，而且增大了电压尖峰，同时还产生振荡。L越大，振荡频率越低。因此，要根据系统的功率大小和焊接工艺的要求以及在调试过程中合理的选取L的大小值；变压器的漏感对开关管关断过程的变压器一次反向电压幅值及变压器二次的反向电压尖峰有很不利的影响，并且限制了单端正激逆变电源的输出功率；逆变电路的电容对开关管关断时间的反向电压起调整作用，在设计和调试时要选取适当；变压器的反向去磁作用通过励磁电流的改变会自动平衡。因此，磁路中要加入适当的空气隙从而改善磁导率的线性度[2～5]。

图1 单端正激逆变弧焊主电路原理图

2 仿真分析

对图1的主电路的开关管开通和关断是的过冲电压进行仿真分析，假定开关管的频率为46KHZ，用PSPICE软件仿真其参数[2]，S1用N-MOSFET，S2用P-MOSFET，上桥臂选用IRF4905开关管型号、下桥臂选用IRF3710型号。为了更清晰的分析开关管的过冲电压，我们对开关管S1的开关状态的尖锋电压进行仿真分析。S1为正脉冲导通，S2为低脉冲导通，这样保证其两个开关管可靠的工作，不同的PWM控制模式会使开关管输出不同的电压、电流波形。图2(a)为开关管两端不加RC吸收电路的的仿真波形，从该图中可知，MOSFET开通瞬间有较大过充电压；图2(b)为在开关管两端加吸收电路的仿真波形，RC吸收电路参数为：C=1NF、R=1kΩ，与图2(a)相比减小了过充电压；图2(c)为RC吸收电路参数为：C=2.2nF、R=330Ω的仿真波形。从仿真波形分析可知，MOSFET在开通和关断时存在尖锋电压，在开关管两端加吸收电路后能抑制过充电压，通过仿真波形比较可知，吸收电路的电容越大，吸收电阻越小的情况下吸收过充电压的效果越明显。

图3 吸收电路的仿真波形

图4 软件系统流程图

3 实验验证

图5 RC吸收电路开关管测试波形

基于上述分析和设计，本文选用主芯片DSP(TMS320F2812)为控制单元，DSP具有最大150MHz（1.9V内核电压）的时钟频率，在一个周期内可以对任何内存地址快速完成读取、修改、写入操作，使得效率及程序代码达到最佳[1]。图4为软件系统流程图，图5为RC吸收电路试验波形，图5(a)C=5nF、R=0.8kΩ时的测试波形,图5(b)R=100Ω、C=15nF时的测试波形。从试验波形可以看出，RC吸收电路能抑制开关管的过充电压和过充电流，当电容C的取值越大，电阻取值越小时，吸收效果越好。