CN1303750C

CN1303750C - 具有双闭环控制的软开关埋弧焊逆变电源

Info

Publication number: CN1303750C
Application number: CNB031139264A
Authority: CN
Inventors: 黄石生; 李阳; 陆沛涛; 杜贵平; 王振民
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: Delixi (Hangzhou) Transducer Co., Ltd.
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: CN1438760A

Abstract

本发明是一种具有双闭环控制的软开关埋弧焊逆变电源，其中，内环电流检测环节与斜率补偿环节相连接后，同相移式脉宽调制环节相连接，平均电流电压检测环节还通过误差放大器连接有控制器，控制器还与驱动环节相连接，驱动环节的输出与相移式全桥逆变环节相连接，上述内环电流检测环节、斜率补偿环节、相移式脉宽调制环节、驱动环节和相移式全桥逆变环节构成内环峰值电流控制电路；外环平均电流控制采用了模糊智能控制，高频功率变压器的次级与次级高频整流滤波环节之间串接有磁开关。本发明通过双闭环控制，提高了***的动态性能；功率变压器采用开放式结构，提高了电源的热效率；磁开关与激磁电感、漏感共同作用，实现了全范围软开关。

Description

具有双闭环控制的软开关埋弧焊逆变电源

(一)技术领域

本发明涉及机电一体化技术领域，特别是高频软开关逆变技术和双闭环智能控制技术领域，具体是指一种具有双闭环控制的软开关埋弧焊逆变电源。

(二)背景技术

目前，在埋弧焊领域，由于其工艺所需要的大电流、高功率，所以传统的埋弧焊电源主要以硅整流和晶闸管整流式为主，整流式电源比较可靠，技术上比较成熟，但设备体积庞大，笨重、能耗高、效率低，且由于其结构原因，动特性方面也不够理想。较先进的硬开关逆变器，体积小、效率高，技术含量较高、附加值高，但器件的工作环境比较恶劣，开关损耗大，高次谐波会造成电网污染，需吸收缓冲电路，逆变频率的提高也受到限制。具体来说，大功率逆变弧焊电源主要存在以下几个方面的问题：

(1)可靠性问题由于焊机的使用环境恶劣，对其可靠性的要求很高。目前，普通逆变焊机由于高频寄生振荡、负载频繁复杂变化、电磁干扰、偏磁等原因，特别是在大功率情况下，电源存在可靠性不够的问题。

(2)谐波干扰目前，市场上的逆变焊机基本为硬开关工作方式，在开关过程中产生的谐波会回馈电网，对电网造成污染；同时还会造成严重的电磁干扰。

(3)焊机的控制性能逆变焊机的控制周期短，整机的动态响应快。但该优点并没有在现有产品中得到足够的重视和体现，在电弧控制方面仍局限于传统的控制模式和设计思路，逆变器的性能优势没有得到充分的发挥。

(4)功率因数问题硬开关工作的逆变焊机，其工作波形都存在畸变，还存在高次谐波，降低了功率因数。

(5)高频功率变压器传递功率大，温升严重，限于磁性材料生产水平以及焊机生产成本，磁性材料窗口和有效导磁面积不可能太大，增加了变压器结构设计、热设计及电气设计的技术难度。

采用软开关技术是解决这些问题的良好方法，但软开关逆变技术相对于硬开关技术，存在技术起点较高的问题，对软开关逆变器的开发，需要对软开关机理有较深入的认识和研究，对器件寄生参数要有充分的了解，并掌握软开关谐振换流的规律和机理。并且，目前在研的软开关逆变焊机，基本采用普通全桥移相软开关拓扑，虽然实现方式比较简单，但存在软开关范围窄、换流损耗大，在二极管反向恢复过程中，因揩振导致的电压过冲和振铃现象，严重影响了逆变器的安全、稳定、可靠工作。

采用高频逆变技术的设备基本处于实验室阶段。即使是国内通过国家鉴定的高频逆变埋弧焊电源，也属于硬开关工作方式。经检索，软开关式的埋弧逆变器目前没有技术成果，更没有推向市场。特别是对电源采用模糊智能控制，还属于空白。焊接***的设计思路还停留在传统的电弧控制方法的基础上，控制***的调节性能没有与逆变弧焊电源的控制性能良好的结合，主要是送丝***的响应速度和调节精度很难保证，尽管采用模糊控制技术取得了一定效果，但模糊控制基本上停留在手工调整设计模糊控制规则，隶属函数的选择主观程度比较大，由于对模糊控制规则的优化涉及到巨大的搜索空间，采用传统的优化方法，计算量相当大，并且对性能评价函数还有很多的限制条件，因此，很难得到最优的控制规则。

(三)发明内容

本发明就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种具有双闭环控制的软开关埋弧焊逆变电源。该电源是通过对新型的软开关技术的研究、开发和应用，在充分利用、挖掘智能控制手段基础上，解决传统埋弧焊电源的主要问题，并为智能焊接控制***提供开发平台和接口。

本发明所述一种具有双闭环控制的软开关埋弧焊逆变电源，包括电磁兼容环节、整流滤波环节、相移式全桥逆变环节、高频功率变压器、次级高频整流滤波环节、平均电流电压检测环节、相移式脉宽调制环节、驱动环节、网压检测环节和电压电流与过热保护环节，其特征是，内环电流检测环节与斜率补偿环节相连接后，同所述相移式脉宽调制环节相连接，所述平均电流电压检测环节还通过误差放大器连接有控制器，控制器与斜率补偿环节相连接后，同所述相移式脉宽调制环节相连接，所述相移式脉宽调制环节还与驱动环节相连接，驱动环节的输出与相移式全桥逆变环节相连接，上述内环电流检测环节、斜率补偿环节、相移式脉宽调制环节、驱动环节和相移式全桥逆变环节构成内环峰值电流控制电路；所述高频功率变压器的次级与次级高频整流滤波环节之间串接有磁开关。

为了更好地实现本发明，所述相移式全桥逆变环节中的散热器和高频功率变压器次极连接有温度传感器；所述整流滤波环节的初级直流母线侧采用LC滤波；所述高频功率变压器采用开放式结构，绕组之间留有缝隙。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明实现了全范围软开关，大大减少了功率管的开关损耗和电应力，改善了工作条件，降低了电磁干扰，提高了整机效率。

2.本发明在功率主电路的基础上，增加了内环电源控制电路，通过双闭环控制，提高了***的动态性能，克服了偏磁现象。

3.本发明的功率变压器采用开放式结构，省去了谐振电感，提高了电源的热效率。

4.本发明通过多种有效保护措施，提高了电源可靠性和工艺适应性。

(四)附图说明

图1是本发明的***整体框图；

图2是本发明的主电路原理图；

图3是本发明的误差放大、移相、驱动环节电路原理图；

图4是本发明的单片机模糊控制***电路原理图；

图5是本发明的外特性切换电路原理图；

图6是本发明的过热检测保护电路原理图；

图7是本发明的***整体流程框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，三相工频交流电经过电磁兼容处理、整流滤波后变成平滑直流电，作为相移式零电压逆变器(即相移式全桥逆变环节)的母线电压(AC-DC)；由控制***根据控制规则使开关管在零电压下开通和关断，从而得到25KHz的高频高压电(DC-AC)，再经高频变压器变压、磁开关和次级高频整流滤波后，获得适合埋弧焊工艺需要的几十伏的直流电(AC-DC)，同送丝行走机构一起共同完成焊接任务。控制及驱动电路根据检测到的焊接电压、电流及内环电流，经过调节器，控制电源及送丝行走机构的正常工作。

如图2所示，工频电网接整流块B1，连接滤波环节L1、C2、C3、C4、C5、R1、R2，再连接逆变桥VT1～VT4(即SKM300GB124D)，C6～C8，输出接高频功率变压器T1初级，变压器次极串接磁开关LS1、LS2，再经高频全波整流电路D1～D8、续流二极管D9～D12、滤波环节L2、C12、C13、C14后输出直流电，以上环节构成功率主电路。内环电流检测环节HALL1同斜率补偿环节相连接后，同PWM产生环节UC3879相连，平均电流电压检测环节HALL2同误差放大器、PI控制器U1或模糊控制器80C552通过J1接口连接，输出同PWM产生环节UC3879的3脚相连，UC3879的输出端7、8、12、13脚分别与4个驱动环节EXB841的14、15管脚相连，驱动环节的输出分别与逆变桥的4个开关管的G、E极相连，上述环节构成电源控制电路。温度传感器RRZ直接安装在散热器和变压器次极，输出接二次变换电路U27、U28、U25、D15，输出连接切换开关4051。过流检测HALL2连接4051实现过流保护；电压检测信号也与4051相连实现脉宽限定；辅助电源分别连接运放、UC3879、EXB841等有源元件。三相工频交流电经电磁兼容处理后由三相整流桥B₁整流，再经L₁及C₂、C₃滤波为平滑直流电，由4只IGBT功率管VT₁～VT₄构成全桥逆变器，C₆～C₈为谐振电容，协助软开关的实现。逆变后的高频(25KHz)方波信号经变压器T₁降压后通过磁开关(L_S1，L_S2)，高频整流由快速二极管并联(D₁～D₄，D₅～D₈)构成的全波整流电路完成，再经输出电感L₂平波后输出。

如图3所示，J₁为外环平均电流反馈信号，J₂为给定电压信号，二者比较后，经过调节器(模拟电路或单片机，可跳线)的输出信号作为移相芯片UC3879的输入信号；J₃为内环峰值电流反馈信号，与补偿信号叠加后进入UC3879的19管脚，在UC3879内部与误差信号比较，使UC3879输出相应的移相四路PWM波形。该四路两两互补的移相信号分别进入集成驱动芯片EXB841，输出逆变桥开关管VT₁～VT₄的驱动信号。

如图4所示，单片机PCB80C552***作为外环电流模糊控制的核心，外环采样电流与给定信号的偏差在单片机内部进行模糊化、模糊推理和解模糊的运算过程，输出信号作为UC3879的3脚输入信号同注入电流比较，确定驱动信号移相的大小，从而控制电源输出。同时，该***也作为整个焊接***的控制核心。

如图5所示，对埋弧焊逆变器工作过程的输出电压Uf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If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。

如图6所示，热保护主要是防止一些特殊情况下的器件过热导致损坏和逆变失败。本发明利用PTC型RRZ热敏电阻，将他们分别安装在变压器次级线圈和散热片上，当温度升高时，保护电路工作切断驱动信号，逆变桥停止工作。当温度降低后，开通驱动信号，逆变桥开始工作。合闸保护采取了两个措施，一是在初级直流母线侧采用了LC滤波，串联一个大的滤波电感，一方面限制电流的增长速度，另一方面改善初级电流波形，减少高次谐波，提高功率因数；另一个措施是采用延时，保证主电路先导通，控制电路后导通，还可以在启动瞬间，防止误触发而损坏功率器件。

如图7所示，其核心是单片机PCB80C552***。初始化后扫描键盘给定信号并显示，同外环反馈电流比较后，经过模糊算法，输出进入UC3879，来控制移相PWM信号，同时根据反馈电流、电压信号保护电源，并控制送丝行走机构有效的工作。

高频功率变压器采用开放式结构，绕组之间留有缝隙。在大功率软开关弧焊逆变器中，高频变压器的功能包括：(1)电气隔离；(2)降压；(3)磁耦合传送能量；(4)参与功率开关管的软开关过程。前三项功能与传统弧焊逆变器是相同的。但是，最后一项功能是软开关弧焊逆变器特有的新增功能。功率变压器的漏感与激磁电流、绕组导通电流等状态变量无关，而仅仅取决于绕组的结构参数。如果初级绕组内径r₀、厚度h₁、次级绕组厚度h₂以及两绕组之间绝缘距离δ变大，则变压器的漏感增加。因此，传统高频功率变压器的绕组常常不得不设计成为每匝线圈尽可能紧密耦合的封闭式结构。在新型软开关弧焊逆变器中，利用变压器漏感配合激磁电感实现零电压软开关，高频变压器的漏感已经转变成为一个积极因素。因此，本发明提出并采用了可应用于大功率软开关弧焊逆变器的开放式变压器。这种变压器的绕组与散热器的结构十分类似，其有效散热面积比传统封闭式变压器的散热面积增大10倍以上，大大降低了变压器的热阻。

本发明实施例具有以下特点：

1.本发明的主功率电路采用带磁开关的新型全桥移相零电压软开关拓扑结构(如图2所示)。本电路拓扑在传统的基本移相全桥零电压逆变器的基础上，在变压器的次极串接了两个饱和电感(磁开关)，当通过的伏秒数低(电流小)时，处于高阻关断状态，伏秒数超过一定值后，电感饱和，低阻导通。这样可以在次极整流二极管共同导通的时间内，既变压器续流、非工作状态内，将变压器次级与整流电路断开，使变压器保持为电感状态，通过合理设置激磁电感和励磁电流，获得合适的励磁能量，拓宽滞后桥臂开关管的软开关范围，从而减小环流损失和占空比丢失，使电源效率有较大改善；了带磁开关的移相式全桥逆变电路拓扑，能实现全范围零电压软开关。

2.本发明采用外环平均值模糊智能控制——内环峰值电流控制相结合的双闭环恒流(带外拖)控制***(如图3所示)。埋弧焊一般为大电流粗丝焊接，电弧为平特性，为获得良好的电弧弹性和焊缝成型，保证焊接过程中热输入量稳定，以获得良好的焊接质量，以及为了避免在短路时，脉宽偏窄而影响稳定工作，本发明采用恒流带外拖的外特性。传统焊机恒流外特性的获得是采用平均电流控制模式。该模式下，电流取样信号是多个逆变周期的平均值，所以难以准确、贴切、瞬态反应功率器件的工作状态，不能实现对功率器件的实时、有效的监控和保护，并且控制效果有较大的迟滞。本发明将电流平均值控制和电流峰值控制模式有机结合，利用霍尔电流传感器，分别检测变压器初级的电感电流(峰值电流)和电源的平均输出电流，平均电流信号与给定信号比较，构成***外环平均电流控制模式，误差信号经调节器(单片机80C552，与送丝***共用平台，如图4所示)运算后，同峰值电流与斜率补偿信号的叠加一起送到PWM比较器，然后得到PWM脉冲关断时刻，经驱动电路控制开关管的工作状态，从而构成峰值电流内环。内环峰值电流模式的加入，使***暂态闭环响应明显改善，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均加快，并具有简单自动的磁通平衡功能(解决变压器偏磁)和瞬时峰值电流限流功能、内在固有的逐个脉冲限流功能及自动均流并联功能，提高了***的动态特性和整机可靠性。外环采样均值电流与给定信号的偏差及其变化率作为模糊智能控制的输入量进入单片机(调节补偿环节，即模糊控制器)，经过模糊量化为模糊量之后，对其由确定的规则进行模糊推理，然后将推理结果解模糊化，变成模拟量，作为内环的控制给定信号。外环平均值模糊控制的引入，保证埋弧焊逆变器的外特性的恒流段；模糊—峰值控制的实现，提高了埋弧焊逆变器的工艺适应性。

为解决恒流外特性电源短路电流小、电弧推力不够的缺点，以及保证短路时，IGBT工作在适合的脉宽范围，本发明采用恒流带外拖特性(如图5所示)。对埋弧焊逆变器的输出电压(Uf)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。电路增加了过电流保护，当检测的电流信号(If)超过给定值，切换电路将转换到一个比较低的输出值，使输出脉宽为零，关断逆变桥。此外，外拖的引入，可以避免在窄脉冲情况下，内环峰值控制产生的不稳定现象；在小电流焊接时，如果弧长较短，可以使焊机自动增大电流，促进熔滴过渡，不易熄弧。

3.本发明实现了对功率开关器件的实时监控和保护(过热、过流、过压欠压、合闸保护及软启动，如图6所示)，同新型软开关主电路及上述控制方法配合，进一步提高了逆变埋弧焊电源及***的可靠性。热保护主要是防止一些特殊情况下的器件过热导致损坏和逆变失败。本发明采用了过热检测保护电路，利用PTC型RRZ热敏电阻，将他们分别安装在变压器初级线圈和散热片上，当温度升高时保护电路工作切断驱动信号，逆变桥停止工作；当温度降低后，开通驱动信号，逆变桥开始工作。合闸保护采取了两个措施，一是在初级直流母线侧采用了LC滤波，串联一个大的滤波电感，一方面限制电流的增长速度，另一方面改善初级电流波形，减少高次谐波，提高功率因数；另一个措施是采用延时，保证主电路先导通，控制电路后导通。还可以在启动瞬间，防止误触发而损坏功率器件。单片机80C552***为整体***的控制核心，也是外环平均值模糊控制和送丝模糊控制的公用平台。

4.本发明采用了新型开放式结构高频功率变压器，利用自身激磁电感和漏感实现软开关并使散热情况有了明显改善。

如上所述，即可较好地实现本发明。

Claims

1.一种具有双闭环控制的软开关埋弧焊逆变电源，包括电磁兼容环节、整流滤波环节、相移式全桥逆变环节、高频功率变压器、次级高频整流滤波环节、平均电流电压检测环节、相移式脉宽调制环节、驱动环节、网压检测环节和电压电流与过热保护环节，其特征是，内环电流检测环节与斜率补偿环节相连接后，同所述相移式脉宽调制环节相连接，所述平均电流电压检测环节还通过误差放大器连接有控制器，控制器与斜率补偿环节相连接后，同所述相移式脉宽调制环节相连接，所述相移式脉宽调制环节还与驱动环节相连接，驱动环节的输出与相移式全桥逆变环节相连接，上述内环电流检测环节、斜率补偿环节、相移式脉宽调制环节、驱动环节和相移式全桥逆变环节构成内环峰值电流控制电路；所述高频功率变压器的次级与次级高频整流滤波环节之间串接有磁开关。

2.根据权利要求1所述的一种具有双闭环控制的软开关埋弧焊逆变电源，其特征是，所述相移式全桥逆变环节中的散热器和高频功率变压器次级连接有温度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种具有双闭环控制的软开关埋弧焊逆变电源，其特征是，所述整流滤波环节的初级直流母线侧采用LC滤波。

4.根据权利要求1所述的一种具有双闭环控制的软开关埋弧焊逆变电源，其特征是，所述高频功率变压器采用开放式结构，绕组之间留有缝隙。