50kw级全数字逆变式等离子切割电源的研究

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1、硕士学位论文50kW级全数字逆变式等离子切割电源的研究作者姓名方小鑫学科专业测试计量技术及仪器指导教师王振民教授所在学院机械与汽车工程学院论文提交日期2015年4月Researchona50kWDigitalInverterTypePlasmaCuttingPowerSupplyADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：FangXiaoxinSupervisor：Prof.WangZhenminSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China摘要近年来，随着制造业规模的持续扩大，

2、我国的钢材用量需求不断增长，2014年度的国内钢铁产量已超过11亿吨，其中应用于船舶、桥梁、压力容器等领域的中厚钢板产量已高达1.4亿吨，迫切需要优质、高效和低成本的中厚板热切割技术与装备。等离子弧切割的热变形小，切割速度快，能切割几乎所有材料，尤其是在中/厚板切割方面更具有成本和效率优势，具有广阔的应用前景。为了满足中厚钢板的热切割需求，对等离子切割电源的输出功率和控制性能提出了更高的要求。受到技术、材料和加工精度等因素的限制，目前国内外还非常缺乏200A级以上的大功率全数字逆变式等离子切割电源产品，对于大功率等离子切割电源技术的研究已迫在眉睫。在国家自然科学基金项目（项目编号：E5

3、1375173）、广东省战略性新兴产业核心技术攻关项目（项目编号：2012A032300007）以及广东省工业高新技术领域科技计划项目（项目编号：2013B010402007）的资助下，本文针对大功率等离子切割电源存在的问题，将高频逆变技术和高速数字控制技术相结合，设计开发了一种高效节能、性能良好的50kW级全数字逆变式等离子切割电源。论文首先分析了等离子切割电源的研究现状以及发展趋势；在此基础上，结合等离子弧理论及切割工艺要求，完成了50kW级全数字逆变式等离子切割电源样机的开发，整机主要包括主电路和控制电路两大部分。主电路由两路25kW的功率单元模块并联构成，采用全桥拓扑结构，选用

4、IGBT作为逆变模块的功率开关管，并根据大功率切割电源的工作特性，完成了功率变压器和高压高频引弧电路模块的设计；控制电路以基于ARMCortex-M4内核的STM32F405微处理器为控制核心，构建了包括MCU最小系统、IGBT驱动电路、电流给定电路、信号采样电路和故障保护电路等数字化控制系统的硬件平台；同时，根据电源工作流程及输出特性，设计开发了基于FreeRTOS实时内核的数字化控制软件；为了确保电源工作更加安全可靠，在电源系统设计中加入了必要的硬件和软件抗干扰措施。利用研制的大功率等离子切割电源样机、功率负载以及电力质量分析仪、示波器、数字钳表等实验仪器构建了电源性能测试平台，对

5、模拟负载下的整机性能进行了测试；最后，利用切割实验平台开展了较系统的切割工艺试验，并对不同的切割电流、切割速度、切割气压以及割炬高度等工艺参数情况下的切割效果进行了对比分析。I结果表明，研制的50kW级全数字逆变式等离子切割电源具有良好的输出外特性和动态响应性能，整机性能优良、工作效率高、控制精确、切割质量好，进一步验证了本设计的可行性和正确性。关键词：等离子切割电源；高频逆变；数字化控制；ARMCortex-M4IIABSTRACTInrecentyears,withtheupscalingofmanufacturingindustry,China'ssteelconsumption

6、demandisgrowing.In2004,thedomesticsteelproductionhasbeenmorethan1.1billiontons.Theproductionamongtherestofmediumheavysteelplateisashighas140milliontons,whichismainlyusedinships,bridges,pressurevesselsandsoon.Therefore,thethermalcuttingtechnologyandequipmentformediumplatewithhighquality,higheffic

7、iencyandlowcosthasbecomethefocusoftheindustries.Plasmaarccuttingownsthefeaturesoflessthermaldeformationandhigh-speedcuttingability,anditcanalmostcutallmaterials.Especiallyinthemedium/thickplatecutting,plasmaarccuttinghasmore