一種非對(duì)稱式軟開(kāi)關(guān)逆變器的研究.pdf

1、現(xiàn)有的相移諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，由于存在軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的負(fù)載范圍窄，不能在電弧這種負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)，該文在研究弧焊電源的電路拓?fù)湫问降幕A(chǔ)上，提出了一種不對(duì)稱的相移軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)湫问?；使超前臂工作在零電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)；使滯后臂工作在零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在變壓器付邊增加一個(gè)輔助換流電路，改變了電路的拓?fù)湫问?，使軟開(kāi)關(guān)工作可以在空載、輕載、滿載、短路等階段實(shí)現(xiàn)，解決了相移諧振軟開(kāi)關(guān)電路難以用于焊接電源的難題。在對(duì)IGBT管子模型的研究的基礎(chǔ)上，提出

2、了IGBT并聯(lián)電容、隔直電容等主電路參數(shù)的計(jì)算方法。 逆變主電路采用橋式結(jié)構(gòu)，分為超前臂與滯后臂。超前臂上并聯(lián)較大的換流電容，滯后臂上并聯(lián)小的電容或不并聯(lián)電容，采用PWM控制策略。超前臂為活動(dòng)臂進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)，滯后臂稱為固定臂不進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)，超前臂與滯后臂各自互補(bǔ)導(dǎo)通，輸出功率的調(diào)節(jié)是由調(diào)節(jié)超前臂的脈寬來(lái)進(jìn)行的。超前臂上由于并聯(lián)較大電容，在關(guān)斷時(shí)其兩端電壓上升較慢，則超前臂工作在零電壓關(guān)斷狀態(tài)。諧振電路由飽和電感和隔直電容組成

3、，飽和電感的作用使換流能量基本恒定，來(lái)降低占空比的損失，而隔直電容可以降低環(huán)流損耗，使滯后臂關(guān)斷時(shí)基本上是在零電流情況下，從而使關(guān)斷損耗低。超前臂與滯后臂同時(shí)開(kāi)通，由于超前臂上并有電容，開(kāi)通時(shí)電容電壓為零，所以超前臂是零電壓開(kāi)通，由于諧振回路中飽和電感的阻擋作用，變壓器原邊電流很小，故滯后臂時(shí)零電流開(kāi)通。這樣便保證了負(fù)載的軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)。 相移諧振軟開(kāi)關(guān)電路，由于超前臂上并有電容，必須在焊接負(fù)載的全過(guò)程中，保證將此電容電荷換流完畢

4、，否則IGBT開(kāi)通時(shí)，將使并聯(lián)在其兩端的電容短路，電容會(huì)直接向IGBT放電而損壞IGBT。而電弧負(fù)載有空載、負(fù)載、短路幾個(gè)階段，現(xiàn)有的相移諧振軟開(kāi)關(guān)電路無(wú)法在電弧全負(fù)載內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，該文增加了一由電感組成的換流支路，當(dāng)焊接輸出負(fù)載較輕或空載時(shí)，來(lái)提供空載無(wú)功環(huán)流，使空載時(shí)并聯(lián)在IGBT兩端電容上換流完全而實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。解決了相移諧振開(kāi)關(guān)電路難以用于焊接電源的難題，提高焊機(jī)效率及可靠性。 通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的相移諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的改進(jìn)而形成的

5、非對(duì)稱式軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)湫问娇赏瑫r(shí)推廣到手弧焊、氣保焊、埋弧焊、等離子切割等焊接電源中。 現(xiàn)有的逆變焊機(jī)輸入側(cè)都采用二極管整流，電解電容直接濾波的方法，將交流電變?yōu)橹绷?，存在輸入電網(wǎng)尖峰電流大、對(duì)電網(wǎng)干擾強(qiáng)的缺點(diǎn)，而三相有源功率因數(shù)校正器由于電路較復(fù)雜且昂貴，無(wú)法用于焊接電源中。根據(jù)焊接負(fù)載的特點(diǎn)，在滿足焊接工藝要求基礎(chǔ)上，提出了一種單級(jí)三相功率因數(shù)校正方案，將輸入電網(wǎng)電壓信號(hào)引入到逆變器的峰值電流反饋環(huán)內(nèi)；利用逆變器對(duì)輸入電流進(jìn)

6、行補(bǔ)償，提高了功率因數(shù)，滿額功率因數(shù)達(dá)到0.95，降低了諧波分量，5次諧波由，55％降至20％。 逆變焊機(jī)的控制方式主要有兩種：電壓型控制和電流型控制。峰值電流型控制可以抑制變壓器偏磁，防止開(kāi)關(guān)管過(guò)流而燒壞，但峰值電流反饋易受干擾。該文在研究峰值電流閉環(huán)反饋基礎(chǔ)上，在反饋環(huán)內(nèi)引入了斜坡補(bǔ)償信號(hào)，防止了脈沖寬度的抖動(dòng)，提高了閉環(huán)電流的穩(wěn)定性。針對(duì)二極管反向恢復(fù)電流對(duì)峰值電流環(huán)的干擾，設(shè)計(jì)了反向恢復(fù)電流消除環(huán)節(jié)，將電流反饋的電流前沿

7、進(jìn)行屏蔽，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。 利用Matlab分別對(duì)電源的輸入整流部分、軟開(kāi)關(guān)逆變部分、峰值電流控制等進(jìn)行了建模。對(duì)輸入整流部分建模仿真時(shí)，逆變器部分可以等效為恒流源負(fù)載。當(dāng)直流側(cè)濾波電容較大時(shí)，電網(wǎng)輸入電流的仿真波形有很大的尖峰，隨著電容的容量的降低，電流尖峰降低。當(dāng)電容較小，約20μF時(shí)，電網(wǎng)輸入電流波形變?yōu)榻品讲ǎβ室驍?shù)提高至約0.95，隨著電網(wǎng)電感的增加，電網(wǎng)輸入電流波形發(fā)生畸變，諧波份量增加，當(dāng)電網(wǎng)電感很大時(shí)

8、，而電網(wǎng)輸入電流發(fā)生振蕩。當(dāng)引入電網(wǎng)電壓進(jìn)入峰值電流環(huán)后，逆變器的輸出電流上疊加一個(gè)300Hz的交流信號(hào)，使逆變器的輸出電流對(duì)電網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而消除了振蕩。仿真波形與實(shí)際波形一致。 利用Simulink建立了軟開(kāi)關(guān)逆變器的Simulink模型，分別對(duì)超前臂、滯后臂及變壓器的工作波形進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本復(fù)合一致。通過(guò)在仿真模型上調(diào)整工作頻率、諧波電容、電感及空載換流支路的參數(shù)，可以對(duì)軟開(kāi)關(guān)的工作電路進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)