双PWM焊接电源直接电流控制仿真研究

刘 ,吉庆昌,魏 震

(1.河北工程技术高等专科学校 电气自动化系,河北 沧州 061001;2.大港油田公司第三采油厂,河北 沧州 061001)

常规焊接电源的前级多为采用二极管整流的不可控桥式整流器,后接较大的电容滤波,当焊接电源的负载为理想的稳态负载时,具有这种电路结构的整流器会产生相应的电流畸变,电流波形呈非连续的尖角波形,输入电流的谐波分布为：单相为 2 n±1次,三相为 6n±1次。实际焊接负载是变动的,脉动负载会对输入电流产生调制作用,这时的输入电流畸变不仅包含电路结构造成的电流畸变,还包含有负载调制作用产生的电流畸变。负载调制作用使输入电流的谐波分布发生明显变化,出现了偶次谐波和直流分量,因为多数供电系统中设置的滤波设备主要是针对 3次、5次、7次和 11次等特定次谐波。所以,偶次谐波和直流分量含量大就造成焊接电源对电网污染更为严重。

焊接电源输入电流的畸变不仅对电网造成污染,而且降低设备本身的功率因数,增加了设备对电网配备容量的要求,造成电网容量的浪费。随着人们对电网污染认识的不断加深以及相关谐波限制标准的出台和实施,解决焊接电源产生的输入电流的谐波污染势在必行[1]。

双PWM变换器以其电网侧电流正弦化、功率因数单位化、直流侧电压恒定可控、能量能双向流动等特点,应用于焊接电源系统,对于提高焊机可靠性以及实现精细控制有重要意义。

1 双PWM焊接电源工作原理

1.1 双PWM焊接电源基本结构

双PWM焊接电源按照系统的功能分为前级和后级两个部分,前级主要提高功率因数并抑制谐波。后级主要负责弧焊控制功能。双PWM焊接电源结构框图如图1所示。其中前级以 PWM整流器为核心,后级则是以弧焊逆变器为核心。

三相交流电经整流后,变成高压直流,经逆变器变成高频交流,经变压器降压、整流滤波后变为平滑直流电供焊接使用。由于很多焊接方法在焊接过程中存在金属的熔滴过渡现象,焊接电源同一般电源的负载性质不同,电源的输出短路状态是焊接电源的重要工作状态,所以理想的短路电流控制特性是逆变焊接电源基本要求。

图1 双PWM焊接电源结构框图

1.2 直接电流控制策略

后级的控制电路主要由以控制芯片 GS202B为核心的 PWM控制电路,是典型的恒流特性的弧焊逆变器,包括过流、欠压和过热等保护电路以及驱动电路。前级的控制电路主要用于 PWM整流器的控制,控制采用两相同步旋转坐标系下固定开关频率直接电流控制,原理框图如图2所示[2],该控制策略仍为双闭环控制,外环为电压环,内环为电流环。与三相静止坐标系下控制策略不同的是,电流内环中,网侧电流信号需经 park变换(3-2变换),变换到同步旋转坐标系下电流值 id、iq。与之相对应的是,电压外环 PI调节器的输出为有功电流参考值 i*d,与有功电流 id做差后送入 PI控制器。为使网侧电流正弦化,实现单位功率因数,控制网侧无功电流为 0,故设置无功电流参考值i*q为 0,与无功电流iq做差后送入 PI控制器。内环 PI控制器的输出经过解耦运算后送入 SVPWM调制模块进行调制,输出固定开关频率的脉冲信号,驱动开关管的开通与关断。

该控制策略的特点是基于同步选择坐标变换系,控制系统结构简单,开关频率固定,利于电感等器件的选择,开关管开关损耗小,不仅具有动态响应快、稳态性能好、自身有限流保护能力等优点,并且还可以消除电流稳态误差,使系统得到较好的动静态性能[3]。

图2 d、q旋转坐标系直接电流固定开关频率控制

2 仿真模型和仿真结果

通过以上分析,在 Matlab/Simulink中搭建双PWM焊接电源系统仿真模型如图3所示。网侧电压电流仿真波形如图4所示。

图3 双PWM焊接电源系统仿真模型

3 结论

仿真波形证明采用直接电流控制的双PWM焊接电源可有效提高功率因数并抑制网侧电流谐波。PWM整流器的控制策略的选取也直接关系到焊接电源改善接入电网点的电能质量的实施效果,直接电流控制采用双闭环控制,电流内环控制作为电压外环的一个随动系统,选择合适的 PI参数可以使控制达到较好的品质。矢量调制方式又具有较低的电流纹波,利于降低输入电流谐波,比较适应焊接中负载变动的情况。

图4 网侧电压电流仿真波形

[1]黄继强.焊接电源功率因数校正技术的研究 [D].北京：北京工业大学,2003.

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