電流控制雙PWM焊接電源研究

摘 要：電網(wǎng)污染已經(jīng)越發(fā)得引起人們的重視，隨著相關(guān)諧波限制標(biāo)準(zhǔn)的出臺和推廣應(yīng)用，用逆變焊機(jī)進(jìn)行功率因數(shù)校正進(jìn)行抑制諧波已經(jīng)成為發(fā)展潮流，所以本文從雙PWM焊接電源的工作原理出發(fā)，對構(gòu)建其仿真模型及波形試驗進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電流控制；雙PWM焊接電源；研究

焊接電源的輸入電流若發(fā)生畸變則會帶來一系列的問題，比如降低設(shè)備自身功率因素，增加設(shè)備對電網(wǎng)配備容量的需求，致使電網(wǎng)容量浪費(fèi)，同時也對電網(wǎng)造成了污染。雙PWM焊接電源具有將電網(wǎng)側(cè)電流正弦化、雙向能量流動、功率因素單位化等特點(diǎn)，因此將其用于焊接電源系統(tǒng)，可有效提高焊機(jī)可靠性，對實(shí)現(xiàn)電流的精細(xì)化控制意義重大。

1 雙PWM焊接電源工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

雙PWM焊接電源的基本結(jié)構(gòu)包括主電路和控制電路兩部分。若按照該系統(tǒng)的功能來劃分，則其可分成功率因數(shù)校正功能的前級和弧焊控制功能的后級兩個方面，其中前級的核心設(shè)備是整流器，同時配以相應(yīng)的控制電路，而后級則是圍繞弧焊逆變器為核心設(shè)備，同樣配以相應(yīng)的控制電路作為恒流源，即為雙PWM焊接電源的基本結(jié)構(gòu)。當(dāng)三項交流電經(jīng)過整流后，電流便成為高壓直流，然后通過逆變器將高頻交流變壓器降壓，再經(jīng)過整流濾波后變成平滑直流電以供焊接使用。所以，在這個過程中，對于焊接方法的選擇必須準(zhǔn)確合理，因為很多焊接方法都會有金屬的熔滴過渡發(fā)生，而焊接電源與一般電源的負(fù)載性質(zhì)不同，所以電源的輸出短路狀態(tài)是焊接電源的關(guān)鍵點(diǎn)，因此必須要求你變焊機(jī)有較為理想的短路電流控制功能。

1.2 直接電流控制策略

對于雙PWM焊接電源，前級的整流控制可采用兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)體系下固定開關(guān)頻率對電流進(jìn)行直接控制，而控制策略保持雙閉環(huán)控制策略不變，外環(huán)設(shè)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)則為電流環(huán)。與傳統(tǒng)的三相靜止坐標(biāo)系下控制策略不同的是在電流內(nèi)環(huán)中，網(wǎng)側(cè)電流信號要經(jīng)過Park部分進(jìn)行變換，而電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出為有功電流參考值，其與有功電流的差值輸送到PI控制器。為達(dá)到網(wǎng)側(cè)電流正弦化、并實(shí)現(xiàn)單位功能的目的，將控制網(wǎng)側(cè)無功的電流值設(shè)定為零，所以，無功電流的參考值亦為零，待遇無功電流作差值后輸送到PI控制器。內(nèi)環(huán)的PI控制器輸出要經(jīng)過解耦計算，然后才能輸送到SVPW調(diào)制模塊中進(jìn)行相應(yīng)調(diào)制，再輸出固定開關(guān)頻率的脈沖信號，進(jìn)而控制開關(guān)管的斷與通。

2 雙PWM焊接電源的仿真模型

在Matlab/Simulink模塊下搭建雙PWM焊接電源系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)仿真分析得出，PWM整流器控制策略的選擇十分重要，它直接關(guān)乎焊接電源連入接入網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量，以及其應(yīng)用效果，采用雙閉環(huán)控制將電流引入電流內(nèi)環(huán)控制，是電壓外環(huán)的隨動系統(tǒng)，因此整個控制效果明顯。此外，為滿足焊接電源負(fù)載動態(tài)要求，在矢量的調(diào)制上，亦具有較低電流波紋的特點(diǎn)，所以可有效降低輸入電流諧波。研究證實(shí)，調(diào)整電壓環(huán)控制參數(shù)，可將脈沖負(fù)載調(diào)制中產(chǎn)生的輸入電流畸變控制在合理的范圍內(nèi)，所以其效果不言而喻。

3 雙PWM焊接電源試驗波形分析

根據(jù)上述理論內(nèi)容，可在其基礎(chǔ)上開發(fā)一臺3kw級的三相雙PWM焊接電源樣機(jī)。其中，該機(jī)的整流模塊選用7MB150N-120型智能型功率模塊，其控制芯片選用TMS320F2812型芯片，其具體的電氣參數(shù)如下，交流電壓設(shè)定為110u/V，濾波電感設(shè)定為4.4L/mH，直流電容設(shè)定為660C/μF，直流電壓設(shè)定為320u/V，空載電壓設(shè)定為70u/V，開關(guān)頻率設(shè)定為5Kf/Hz。

根據(jù)雙PWM焊接電源的設(shè)備選用，對其采用矢量調(diào)制的直接電流控制策略，通過中斷程序?qū)崿F(xiàn)整流控制，具體步驟如下，即①DC中斷入口；②采樣信號調(diào)理；③電網(wǎng)電壓空間矢量角度計算；④調(diào)用電壓控制環(huán)子程序；⑤調(diào)用功率控制環(huán)子程序；⑥調(diào)用SVPMN調(diào)制程序；⑦差生PWM波；⑧中斷返回。

根據(jù)上述原理，對樣機(jī)進(jìn)行試驗和測試以確保其可靠性，選用的測試設(shè)備為TEKTRONIX示波器和HIOKI電力質(zhì)量分析儀。測試內(nèi)容即樣機(jī)的穩(wěn)態(tài)負(fù)載測試和脈沖負(fù)載試驗。靜態(tài)負(fù)載即輸出功率在恒定的情況下進(jìn)行的測試，即采用電阻箱模擬負(fù)載進(jìn)行的測試。經(jīng)過對樣機(jī)的測試結(jié)果得出輸入電流諧波收到了較好的抑制作用。其實(shí)測功率因素達(dá)到了99.4%，而二級管整流的功率因數(shù)僅為63.9%。因此，可以說樣機(jī)達(dá)到了有效控制諧波抑制效果的目的，對功率因素的校正起到了控制作用。另外，在試驗中，鑒于階躍負(fù)載響應(yīng)可有效反應(yīng)樣機(jī)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，因此在試驗中使用焊錫絲來模擬焊條焊接時，必須仔細(xì)觀察樣機(jī)階的躍響應(yīng)對動態(tài)負(fù)載的適應(yīng)性程度。若樣機(jī)的動態(tài)響應(yīng)較快，過度過程相較穩(wěn)定，則表明樣機(jī)具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能，即可充分滿足負(fù)載變動的需求。本文的雙PWM焊接電源結(jié)構(gòu)可有效抑制由電路結(jié)構(gòu)造成的電流畸變，雖然脈沖負(fù)載所產(chǎn)生的電流畸變無法消除，但是影響明顯降低，測試結(jié)果與預(yù)期及仿真原理基本一致，其不僅有良好的功率因數(shù)校正效果，并且功率因素達(dá)到了99%以上，此外，其對于輸入電流諧波的有效抑制亦十分明顯，THDi可控制在15%左右。鑒于本雙PWM焊接電源的前級采用的全控器件，且附加的DSP控制部件，成本相對較高，但其降低電網(wǎng)污染和保證焊機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性是不容置疑的，尤其是大功率全控器件模塊化及專用DSP的生產(chǎn)，其成本必然會不斷下降，而雙PWM逆變焊接電源也自然得到廣泛的應(yīng)用和良好的發(fā)展前景。

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