软开关逆变式低飞溅CO,2气体保护焊的研究.pdf

山东大学博士论文 摘要 本文对C0：气保焊熔滴过渡受力及熔滴的运动行为进行了分析，表明CO。气保 焊产生飞溅的原因之一是熔滴过渡中存在应力集中的问题。提出了降低熔滴过渡 中的应力集中来降低CO。气保焊飞溅的方法。试验分析表明，cO：气保焊的应力集 中主要出现在短路前期与短路后期，短路后期能量积累时间约100～200us。要 降低飞溅量必须在这个时间内完成对液桥中存在应力的进行控制，所采用的弧焊 电源能满足动特性要求。 现有的相移谐振软开关技术，由于存在软开关实现的负载范围窄，不能在电 弧这种负载范围内实现软开关的缺点，本文在研究弧焊电源的电路拓扑形式的基 础上，提出了一种不对称的相移软开关电路拓扑形式；使超前臂工作在零电压工 作状态；使滞后臂工作在零电流关断状态。在变压器付边增加一个辅助换流电路， 改变了电路的拓扑形式，使软开关工作可以在空载、轻载、满载、短路等阶段实 现，解决了相移谐振软开关电路难以用于焊接电源的难题。在对IGBT管子模型 的研究的基础上，提出了IGBT并联电容、隔直电容等主电路参数的计算方法。 逆变主电路采用桥式结构，分为超前臂与滞后臂。超前臂上并联较大的换流 电容，滞后臂上并联小的电容或不并联电容，采用P删控制策略。超前臂为活动 臂进行PWM调节，滞后臂称为固定臂不进行PWM调节，超前臂与滞后臂各自互补 导通，输出功率的调节是由调节超前臂的脉宽来进行的。超前臂上由于并联较大 电容，在关断时其两端电压上升较慢，则超前臂工作在零电压关断状态。谐振电 路由饱和电感和隔直电容组成，饱和电感的作用使换流能量基本恒定，来降低占 空比的损失，而隔直电容可以降低环流损耗，使滞后臂关断时基本上是在零电流 情况下，从而使关断损耗低。超前臂与滞后臂同时开通，由于超前臂上并有电容， 开通时电容电压为零，所以超前臂是零电压开通，由于谐振回路中饱和电感的阻 挡作用，变压器原边电流很小，故滞后臂时零电流开通。这样便保证了负载的软 开关的实现。 相移谐振软开关电路，由于超前臂上并有电容，必须在焊接负载的全过程中， 保证将此电容电荷换流完毕，否则IGBT开通时，将使并联在其两端的电容短路， 电容会直接向IGBT放电而损坏IGBT。而电弧负载有空载、负载、短路几个阶段， 山东大学博士论文 现有的相移谐振软开关电路无法在电弧全负载内实现软开关，我们增加了一由电 感组成的换流支路，当焊接输出负载较轻或空载时，来提供空载无功环流，使空 载时并联在IGBT两端电容上换流完全而实现软开关。解决了相移谐振开关电路 难以用于焊接电源的难题，同时这种电路拓扑方案还可以推广到手弧焊、氩弧焊、 埋弧焊等焊接电源中，提高焊机效率及可靠性。 现有的逆变焊机输入侧都采用二极管整流，电解电容直接滤波的方法，将交 流电变为直流，存在输入电网尖峰电流大、对电网干扰强的缺点，而三相有源功 率因数校正器由于电路较复杂且昂贵，无法用于焊接电源中。根据焊接负载的特 点，在满足焊接工艺要求基础上，提出了一种单级三相功率因数校正方案，将输 入电网电压信号引入到逆变器的峰值电流反馈环内；利用逆变器对输入电流进行 补偿，提高了功率因数，满额功率因数达到0．95，降低了谐波分量，5次谐波由 55％降至20％。 逆变焊机的控制方式主要有两种：电压型控制和电流型控制。峰值电流型控 制可以抑制变压器偏磁，防止开关管过流而烧坏，但峰值电流反馈易受干扰。本 文在研究峰值电流闭环反馈基础上，在反馈环内引入了斜坡补偿信号，防止了脉 冲宽度的抖动，提高了闭环电流的稳定性。针对二极管反向恢复电流对峰值电流 环的干扰，设计了反向恢复电流消除环节，将电流反馈的电流前沿进行屏蔽，增 加了系统的抗干扰能力。 对采用逆变环节控制和输出斩波控制方式分别对焊机的动特性进行研究，考 察其是否满足熔滴过渡动特性要求。由于输出回路电感采用逆变环节控制，很难 满足短路后期液桥缩颈时的焊接电流快速性的要求，由于大功率开关管直接串联 在焊接回路中，通过驱动开关的通断可迅速改变回路中电阻值，降低短路后期焊 接电流，消除产生飞溅的电应力。 利用Matlab建立了电源一电弧的非线性模型，分别对电源的输入整流部分、 软开关逆变部分、峰值电流控制及熔滴过渡的过程进行了建模。对输入整流部分 建模仿真时，逆变器部分可以等效为恒流源负载。当直流侧滤波电容较大时，电 网输入电流的仿真波形有很大