单端正激焊接系统的分析

2013-08-29张小平

电焊机 2013年8期

于贵，张小平

（1.四川文理学院，四川达州 635000；2.攀枝花学院电气信息工程学院，四川攀枝花 617000）

0 前言

随着电力电子技术及开关器件的高速发展以及焊接工艺技术不断提出新的要求，新的焊接拓扑结构不断呈现出来，因此，焊接电源输出的电压、电流波形都以电力电子技术为核心，通过一定的控制方式得以提高波形质量和焊接质量，从而使焊接系统能稳定可靠的工作。在弧焊逆变电源中，主电路的拓扑结构有半桥式、全桥式、隔离、非隔离、单端正激和双端正激。双端正激由两个单端正激组合而成。本研究采用单端正激逆变直流脉冲弧焊，通过仿真分析可知，选择适当电路的参数，确保输出的电压和电流波形干净、稳定和可靠。通过实验验证了该方法的可行性[1-2]。

1 电路拓扑结构分析

图1为Buck电路的单端正激逆变弧焊主电路原理图。单端正激逆变电源是由交流整流成直流电压，再将直流电压逆变成焊接负载所需要的弧焊电源波形，T1为单端正激变换器中的高频变压器，其磁通只工作在磁滞回线的第一象限。与脉冲变压器相同，变压器设计都应该遵循服从电磁感应定律的同时，还需要在开关管导通期间确保磁芯不能饱和。图1中平波电感L起储能来平滑直流电压的作用，电感L值的大小对逆变开关管的导通和关断时间将起到一定的作用，如果电感值L增大，变压器上的电压上升过程缓慢，还会增大了电压尖峰，产生振荡。因此，需根据焊接系统的设计大小选取L参数值以及开关管导通的时间。一般电感L值越大，Ip较小。变压器T1的并绕一个绕组P2与二极管VD1串联后接至Us，该绕组主要起去磁复位的作用，同时把漏感存储的能量回传给电源。当Buck电路的开关管VFr与续流二极管VD之间加入变压器隔离器T1。在变压器二次侧电路中必有一个整流二极管VD2和一个续流二极管VD3，在设计变压器时应注意其一次侧和二次侧线圈的同名端关系。由于是正激工作方式，在两只二极管后应加一个电感器L作为电能储藏及传递元件。

图1 单端正激逆变弧焊主电路原理

2 控制方式

传统的弧焊电源是模拟控制，常用的模拟控制方法有电压型控制、峰值电流型控制、平均电流型控制及u2型控制等。为了达到更快的动态响应，许多先进的控制方法已被逐渐提出并通过数字控制方法来实现。比如：英特矽尔公司的Active-droop控制，安森美公司采用的u2控制，仙童公司采用的Valley电流型控制，IR公司提出的多相控制，Semtech公司提出的电荷泵控制等。在此介绍峰值电压控制。

电压模式控制的优点：PWM三角波值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量，占空比不受限制，对负载的动态响应调节快。峰值电压控制原理图如图2所示。峰值电压控制的电压采样是采取滤波电容的电压，输出电压U反馈回来作为两个控制环的反馈量。一个外反馈信号，输入到低带宽的误差放大器，该误差放大器将U与固定的基准电压Uref比较，产生PWM控制电压Uc。另外，把输出电压的纹波Us作为内环控制信号，作为PWM比较器的斜坡信号反馈到PWM比较器的输入。这样就提高了PWM内环控制瞬态响应，外环就可以提高控制精度。图2中，每个周期开始时，时钟信号使锁存器复位、开关管导通，开关电流iL由初始值线性增大。由于负载电流固定不变，所以该变化的电流完全通过滤波电容的寄生电阻给滤波电容充电，从而在寄生电阻上产生与电感电流斜率相同的压降Us，该电压即为内环采样电压。当Us增大到误差电压Uc时，比较器翻转，从而使锁存器输出低电平，开关管关断，直到下一个时钟脉冲信号到来，开始下一个周期运行。

图2 峰值电压控制电路

在此分析峰值电压工作原理。当每个开关周期开始时，时钟信号使锁存器复位、开关管导通，开关电流iL由初始值线性增大，该电流增大阶段的纹波为iLr=（Ug-U）t/L。由于在高频开关频率下电容C支路的阻抗比负载R的阻抗小，所以认为电感纹波电流完全流经电容C，通过滤波电容的串联寄生电阻（ESR）Re给滤波电容充电，从而在Re上产生与电感电流斜率相同的压降（Ug-U）Ret/L。由于电容C的容量很大，其电压Ucap可认为恒定不变，则输出电压为

电感电流为

式中 IL为电感电流的直流分量。内环的检测电压为

将式（1）、式（2）代入式（3）可得

式中

为检测电压Us的上升沿斜率，当Us增大到误差电压Uc时，比较器开始翻转，从而使锁存器输出低电平电压，开关管由导通变为关断，电感电流线性下降，直到下一个时钟脉冲信号到来。峰值电压的稳态波形如图3所示。

3 仿真分析

图3 峰值电流控制变换器波形

对图1主电路用峰值电压进行仿真分析，假定开关管的频率为46 kHz，用PSPICE软件仿真其参数，开关管选用MOSFET，仿真分析开关管S的开关状态的尖锋电压，S为正脉冲导通。在仿真时发现，开关管两端加上RC吸收电路，其仿真波形不同，图4a为开关管两端不加RC吸收电路的仿真波形，从该图中可知，MOSFET开通瞬间有较大过充电压；图4b为在开关管两端加吸收电路的仿真波形，RC的参数分别为：C=1 nF、R=1 kΩ，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4 开关管RC吸收电路的仿真波形

3 实验验证

根据以上拓扑电路结构和控制方法，选用主芯片DSP(TMS320F2812)为中央处理器制作了一台样机，DSP具有最大150 MHz（1.9 V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，使得效率和程序代码达到最佳，能满足设计的运算能力。软件系统流程如图5所示，变压器输出端波形如图6所示。