pwm整流弧焊电源控制策略概述

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1、PWM整流弧焊电源控制策略概述第1章绪论1.1研究背景和意义众所周知，随着我国经济的高速发展，对钢铁的需求日益强劲，这为焊接设备市场提供了巨大的商机，据焊接协会专家介绍，每万吨钢材需要25台焊机，作为世界钢产量第一大国，需要大量的焊机。但受制于技术和工艺所限，国内市场份额有一半受国外品牌占有，可见中国的焊接市场还有很大的市场空间，特别是高端市场[2]。电弧焊接是焊接方法中最主要的一个大类。按其工艺特点的不同，电弧焊大致又可分为焊条电弧焊、埋弧焊（或称溶剂层下埋弧焊）、氩弧焊、CO2/MAG/MIG气体保护焊（或称气电焊）和等离子弧焊

2、等。不同的电弧焊工艺方法需要相应的电弧焊机。例如，焊条电弧焊，需要由弧焊电源装置与焊钳所组成的电弧焊焊机；气体保护焊，则需要由弧焊电源装置、控制箱、焊接小车（自动焊用）或送丝机构（半自动焊用）、焊枪、气路和水路系统等组成半自动、全自动电焊机。电弧焊机的关键部分主要是焊接电源，它是对电弧负载提供能量的设备，作为焊接电源它一定要有焊接电弧所需要的一些电气特性。换句话说就是焊接电源能够提供适当的电压、电流并能够满足电弧焊接或者电弧切割工艺特性的装置。弧焊电源的控制就是对弧焊电源电气性能的静态特性和动态特性的参数进行调节与控制[3]。近些年

3、来，由于微电子技术、自动控制技术与计算机技术等相关领域的技术进步，有力的促进了焊接电源的控制技术发展，弧焊电源的控制方法从早期的粗放型控制发展到现在的精细化的高性能的控制[4]。1.2国内外研究动向及进展电弧放电现象是俄国科学家于18世纪初发现的[7]，但把电弧放电用于焊接直到19世纪末才开始，从此开创了电弧焊，进入了焊接技术的发展时代。焊接技术随着科技的发展，相应的弧焊电源技术也取得进步。早期焊接电源用的是直流弧焊发电机；上个世纪二十年代，由于焊接技术的发展，再加上交流弧焊变压器的结构简单、成本低的特点这种焊接电源得到了大量的应用

4、，而且相关技术也得到了提升。上个世纪六十年代，由于容量大的半导体整流器件的出现，随后就出现了弧焊整流器，而且控制技术也有原先的机械式控制方式转变为电磁和电子控制方式[8]。晶闸管式整流弧焊电源与电磁控制、机械调节式弧焊电源相比，具有了动态特性好，控制性能良好，节能省材和噪声小的特点，得到了广泛的应用，但是变压器的存在使得焊接电源的体积比较大，使得运输和携带不方便。随着逆变技术的发展，出现了器件为IGBT逆变式弧焊电源，逆变频率在20kzh左右甚至更高，频率的提高使得焊接电源的体积和重量进一步减小了。现在逆变焊机应用的比较多，其变流过

5、程是这样的：先由交流市电转变成直流电，然后经逆变器转换为中高频的交流电，再经中高频变压器降压成低压中频电并再次由整流器输出直流。其结构中仍旧需要中高频的变压器。弧焊电源的控制方法可有不同的分类方法，按控制装置来分，主要有：机械式控制、电磁式控制、电子式控制和数字式控制。按控制方法来分，主要有PID控制、自适应控制、模糊逻辑控制、人工神经网络控制等。按内容分有外特性控制，动特性控制和工艺过程控制等[9]。第2章弧焊电源中P整流器的原理及模型分析2.1三相电压型P整流器和电流型P整流器的电路结构整流器最基本的分类就是根据直流侧储能元器件

6、的不同把P整流器分为电压型和电流型。直流侧储能器件为电容的归为电压型P整流器，直流侧储能器件为电感的归为电流型P整流器，其它的分类都可以归为这两类[27]。它们从电路的拓扑结构和P信号发生以及控制策略上都具有各自的特点，并且电路结构上有对偶性[28]。最近几年来，对三相电压型的P整流器应用研究已经相当广泛。而对三相电流型P整流器的研究相对还比较少，而国内的研究亦是不多，将电流型整流器用于弧焊电源主电路的更是少见。作为和电压型P整流器的对偶形式，电流型P整流器在光伏并网发电、焊接电源、无功补偿、感应加热、中高功率交流电机传动、电化学、

7、功率因数校正等行业领域有着重要而广泛的应用，所以深入的对其进行研究探讨是很有必要的[29]。对P整流器的工作机理以及运行特性进行深入研究和分析的重要方式和途径就是建立数学模型，本章分别从电流型整流器数学模型高低频率的角度出发，得到了三相电流型P整流器在三相abc坐标系、两相αβ坐标系以及两相dq坐标系下的分别含有高频和低频分量的数学模型，为本文其它章节控制方法的研究奠定了理论基础。2.2电流型P整流器在含有高频分量下的数学模型以上的电流型P整流器的模型是基于低频的状态空间平均意义上的数学模型，对于控制系统的研究

8、这一点是至关重要的。然而，低频模型把与开关函数相关的高次谐波给忽略了，不能完全真实的反映整流器的开关过程，所以整流器本身的调制特性和工作机理不能据此进行深入地讨论。以下将分析含有高频分量的三相电流型P整流器模型。这类整流器一般数学模型