大功率等離子切割電源研制

鄧 禹，鐘和清，林 磊

（華中科技大學，湖北 武漢 430074）

0 前言

等離子切割具有成本低、生產效率高、被切割材料的品種范圍廣、厚度大等優(yōu)勢，獲得了廣泛的應用。隨著國內制造業(yè)在規(guī)模和技術上的進展，切割材料的總量不斷增加，切割質量的要求越來越高，因此對性能優(yōu)良、高可靠性的大功率等離子切割電源的需求變得越來越緊迫[1]。

本研究設計的一臺大功率等離子切割電源。電源輸入采用了工頻變壓器隔離降壓，并設計了變壓器二次繞組為Y/△組合，構成12脈波整流電路，提高切割電源的功率因數，降低電流諧波電源對電網的影響[2]。功率電路采用四路斬波電路并聯(lián)工作，實現(xiàn)了400 A的電流輸出。電源控制系統(tǒng)采用以DSP TMS320F28335為核心的控制器[4]，實現(xiàn)了電流數字化閉環(huán)控制，具有極好的恒流輸出特性。

1 原理與設計

圖1為大功率等離子切割電源的主電路框圖。主電路由前級整流電路和后級斬波電路組成。

1.1 12脈波整流

利用三相隔離變壓器二次Y/△繞組的不同，使得相對應的兩個三相橋式整流電路移相30度相位差，構成12脈波整流方式，消除輸入電流中的5次、7次、17次、19次諧波，使最低次諧波為11次，更容易濾除，降低電流諧波電源對電網的影響，提高切割電源的功率因數。

12脈波整流仿真參數為：輸入三相380 V AC，50 Hz，輸入每相電流127 A，功率因數：96.7%，電流THD：7.7%。

1.2 斬波電路

圖1 主電路框圖

切割電源的功率電路采用Buck斬波式拓撲，如圖3所示。單個斬波電路模塊率等級20 kW，輸出電流100 A，斬波電路工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)。電路參數選取：開關管300A/600V，開關頻率12KHz，濾波電感5 mH。

圖3 斬波電路原理

1.3 數字控制系統(tǒng)

電源的數字化控制系統(tǒng)以TMS320F28335型的DSP為核心控制器，其優(yōu)點有：更快的數據處理能力，32位DSP可提供150 MHz運行速度；16路12位模數轉換器（ADC），檢測精度高；高分辨率的PWM，控制精度高。CAN通信端口與數控機床的人機界面、冷卻器系統(tǒng)、氣體控制系統(tǒng)等配套設備進行通訊。其原理框圖如圖4所示。

通過軟件編程對該系統(tǒng)進行全數字化控制，其功能還包括：點火引弧、轉移弧控制、軟起動控制、時序控制和故障信號處理等切割工藝流程。

圖4 控制系統(tǒng)原理框圖

1.4 電流閉環(huán)控制

等離子切割電源系統(tǒng)采用電流閉環(huán)、電壓開環(huán)的控制方式。空載時，控制器以最大占空比輸出空載電壓，在負載時采用恒電流控制[3]。根據不同工作狀況和切割工藝參數的不同，選取不同的電流值。

本電源由四路斬波模塊共同輸出電流，控制系統(tǒng)接收到指令電流，經過DSP的電流分配邏輯處理后，得到每一路斬波電路的指令電流，各斬波器均獨立調節(jié)控制，其原理如圖5所示。

2 實驗

大功率等離子切割電源設計功率80 kW，輸入三相電壓380VAC/50Hz，輸出電流400A/200VDC，三相隔離變壓器一、二次電壓變比380∶250。圖6a為三相輸入電流波形，電流THD小于10%，功率因數大于96%；圖6b為切割電源輸出的總電流波形和斬波模塊1電流波形，總電流值為400 A，斬波模塊1電流值為100 A；圖6c為用400 A電流切割25 mm和40 mm厚度低碳鋼板的實際效果。

3 結論

研制的大功率等離子切割電源系統(tǒng)輸入功率因數高、電流諧波小、基于DSP芯片TMS320F28335為核心的控制系統(tǒng)的功能豐富，數字化閉環(huán)PID控制的恒電流特性好；整機可靠性高，切割性能優(yōu)良，具有良好的實用價值。

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[1]孔德杰，張光先，喬立強，等.數控等離子切割技術在我國的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電焊機，2005，35（1）：6-8.