高功率因数零开关逆变式电焊机

高功率因数零开关逆变式电焊机 第北?革2朔 2OO2年2月 t辟|’c eleCaSeWeldialMtmhiae V?L,2NO工 凡木文,黄念慈,窦国珍 (四川大学电气信息学院,四川成都610065) Highpower-factorZCTO?switchinginverterwelder FANMu—wen,HUANGNian—ci,DOUGuo-zhen (Col~geofElectrical&InformationEng..SichuanUniversity,Cheagdu610065,China) Abstract:Anovelhighpowerfactorzcro—switchinginverterweldertopologyispresented,whichcomp oundsPFCwith PS—ZMSCS—PWMInverterBridgeinasingle?stageThesimulationsandexperimentsoftheprototyp everifythegoodeffects. KeyWords:welder~inverter~powerfactorCorrection(PFC)softswitching;singlestage 引言 逆变式电焊机体积小,质量轻,动特性好,节能 省材,在各种直流弧焊设备中正逐步发展成主流产 品一.随着逆变式电焊机的大量使用.也带来了严重 的电网污染问题,图I和图2分别给出了ZX7—400 IGBT逆变式电焊机的输入电流波形及其频谱,可 见其谐波远远超出了国家标准GB/T14549—93规定 的THD不超过5%,单项奇次谐波含量不超过 4%,单项偶欢谐波含量不超过2%的规定.考虑到 我国电力法规的逐步完善和加入WTO后与国际 接轨,逆变式电焊机的污染治理问题已提到日程 上来. 造成大量谐波和EMI干扰的主要原因是硬开 关的PWM调节方式和输入整流滤波电路.一般来 收稿日期:2001一ll—26 作者筒介:凡术文【1977一),男.湖南郴州人.硕士,主要从 事电力电子技术研究工作 说,解决的办法是采用软开关PWM调节方式,并在 输入端增加一级PFC电路.由于这种电路有两级 功率变换,导致效率降低,控制复杂,成本增加.为 此.以应用最广的ZX7-400IGBT逆变式电焊机为 例,研究了一种使PFC级和DC/DC变换级集成为 单级.同时完成输入功率因数校正和软开关逆变的 新型单级高功率因数零开关逆变式电焊机.仿真结 果表明.该电路具有良好的效果. 2帅 墨.面一一1Il7『 ZX7—400IGBT电焊机输人电漉藏形 ?7? 一 毒.誊一 一囊与?特t珥|.c第托卷 kIL 圈2ZXT-4O0IGBT电焊机墙人电流频谱 1主电路工作过程分析 图3即为这种新型的无污染大功率变换器的主 电路,电路输入电源为三相三线制,通过输入电感 后,由三相整流桥及电容C整滴滤披稃舅较平稳的 直流电压U,再通过带可饱和电摹工’和舅直电容C- 的PS-~PWM桥鼍纛—辜艨?,二欢饲整 流滤波睁得辩穗崽的直流?_囊.. 谖电蘑蛄构的I}颖之处在予刺糟兰捆人电容 C人造一个中点?’连接到逆变善越薷轿臂2个开 关管IC~BT,IGBT3中间,在开关首l嘎圩.或IGBT3 导通时为输入电感构成储髓回路.下面,首先简要分 析逆变桥的软开关工作过程. 1.1逆变?工作过程 全桥逆囊器采用移相控?方式,鲁开关管所加 脉冲如匿4所示.开关管i~3B’r,脚共同导通期 间,可饱和电感工’饱和,相当予复蓐.屯一向负载输 VDIVD_m— J:L—一G硼Z IG,CI.c. !A :1h:I: cl1 =f?,’.c|L ;lllcvDiVDJ_?.. TTT 圈3主电路结构图 出功率;开关管IGBT.先关断(由于开关管并联缓 冲电容C,IGBT.为零电压关断),变压器一次佣电 流对电容c充电,c,放电,当电容c,放电到零, VD9自然导通,之后完成IGBT3的零电压开通;一次 侧电流经IGBT,VD续流,并在谐振电容c的作 用下迅速下降,当下降至可饱和电感的临界饱和电 流时,可饱和电感退出饱和,阻止一次倒电流反向, 在此阶段关断IGBT,即为零电流关断;由于可饱和 电感还没有退出饱和,使得延迟一定时间(滞后臂 死区时间)零电流开通IGBT;开关管IGBT3,IGBT. 共同导通,可饱和电感饱和,电源向负载输出功率. 之后,进入下半周期,运行模式与上面所述相似. l_2功率因数校正原理 在电路分析过程中,把各开关器件(包括二极 管)视为理想器件.在逆变桥超前臂开关管导通期 间,通过人造中点?’为输入电感构成独立回路,由于 人为中点?’和三相三线制电源中点?等电位,则 A,B,C3点电位相对于?就是三相三线制电源电 压.由于开关周期远远小于电源交流电周期, ? 8? 在开关周期rs内,可认为电源,,不变;且设 A相电压和C相电压大于零.相电压小于零.显 然,一个电源周期内有个开关脉冲,设IGBT 在一个电源周期内的第n个脉冲(第个脉冲的对 应时刻为?rs)到来时开通,开关管IGBT.的开通使 P,?’点等电位,为输入电感Ll,,构成独立回路, 加在Ll,,两端的电压分剐为,+仉,.在 此期间,加在电感上的电压近似于恒定值,电感Ll 和的电流屯和近似线性增长,在开关管关断 时达到最大值;电感上的电藏从负的最大值 向零线性减小.各电流表达式如下: 【】f, 【p [ 式中0?I?Drs. (1) (2) (3) 膏毫与?甘凡木文等:高功率因数开关逆变式电焊机肇2期 根显然.当一个交流电周期内的第个脉冲结 束时.电感电流i和i达到最大值i一和.由 此可见,电感电流峰值是近似按照正弦规律变化 的.在超前臂开关管IGBT.关断,IGBT开通之后, 开关管IGBT,的开通使G,N’点等电位,加在电感 L1和上的电压分0为[Ucd和[U’1.加在电 感k上的电压为.在此期间,加在电感上的电压 近似于恒定值.电感电流iL1和从最大值近似线 性减小到零;从零负向线性增加到负最大值.各 电流表达式如下: g’ Ll~g’【盟, L1 也[Esia(co L nTs-120~)]f , 【It 式中O?’?(1一DJ. (4) (5) (6) 由式(1)和式(4)得出,在时间内流过L1 的电流的平均值为: 一 ), 式中,是开关管导通时间. 在这种主电路中,由式(7)知受开关管导通时 闯的影响.由于采用移相调节方式,IGBT., IGBT,的导通时间恒定不变,可见i为一正弦 函数.显然,电感和平均电流也和电感L1的平 均电流一样近似按正弦规律变化,并且和各自电压 同相. 由于三相输入电容C除了作为人造中点为电 感构成储酋回路外,还起到滤除开关频率整效倍高 次谐波的作用,这样,功率因数可达到0.995. nD—1%.比传统变换器的功率因效要高得多. 2仿真试验 仿照400A直流手弧焊的要求,对图3所示的 电路进行了PSPICE仿真.电路参数为:输入电感 ,?吐3为50H;开关管并联电容Cl—C为O.01F;输 入滤波电容cd为470F;开关频率为25kHz;占 空比D为0.4;变压器变比为7:l;输出滤渡电感, 为100H;输出滤波电容为lF;输出36V,4OOA. 其仿真渡形如图5一图8所示.图5为完成双重功 能的超前臂开关管零电压开关波形;图6为输入电 感电流渡形,可见输入电感工作在不连续导电状态 (DCM),其包络线是与该相电压同相的正藏波形; 图7为经过高频滤波之后得到的电源线电流波形. 图8即为其频谱. IGBTI IGB IGBT4 IGBTa ? 断厂_] 新厂i]厂 -1誓厂i]厂 厂i]断厂_] 图4各开关菅控制脉冲时序波形 ?(-1);口《) ms 图5额定负载(40OA)时超前臂开关菅电压,电流波形 150 75 o 一 75 一 l50 70 3s ;o 一 35 — 70 ? 图6输人电感电流波形 /\一 一/ms 图7电源输人线电流波形 - 叠 一 .毒 .远毒, ?鼻与羹廿.1咩第32卷 ?35 0 k-h 圈8电源输入线电流频谱 3结束语 上述仿真结果表明该拓扑结构是正确合理的. 该新型单级高功率因数零开关逆变式电焊机实现了 对电网的无污染,且只在零开关逆变嚣的基础上增 加几个小容量电感和电容,成本增加率多,是一种比 较好的解决逆变电扞机污染电罔阊曩垂孽办法. 参考文薏: 【l1周盂龙,黄锦耀,樊绰,等.电焊机行生的现状及其发 展【J1.电焊机,2001,31(2):3-7. 【21李建国,朱旗,刘和君,等.统一认讽垒面推广使用逆变 焊机[J1.电焊机,2000,30(6):3-5. 口]Jini~ongQi?.FredcLee.Voltage-~ttrcecharge-pump powec-factoc-correcdonAC/I~conveO~rs[J].m髓Tram. OnPowerElectronics,1999,14(2):350-358. [41刘亚梅.伪相移式锟舍全桥ZVSCS?PWM变换器【D1 成都:四川大学.1999. Paae8’《得了良好的动特性.但是单纯采用PI 环节来实现电弧的恒压控制,焊接过程稳定性仍然 不理想.如果积分器的时间常数过大,动态调节能力 变差.极易造成熄弧及熔滴过渡的失败.如果调小 积分器的时间常数,又会使d//dt及电流峰值过大, 将引起飞溅和焊丝爆断. 为此,在外特性设计中采用分时控制的,引 入了限流电路.在焊接过程中,焊机检测短路过渡状 态的发生,当焊接短路电流上升到一定值后,峰值电 流限制电路工作,焊机进入恒流(450A)工作状态. 限流电路如图6所示. 图6限流电路 该电路采用比例一微分(PD)调节器,使调节 过程加速,加快峰值限制电路的反应时间.其输出 与输入信号”的关系式为: (R2c_),(2) 以为电流负反馈信号,熔滴过渡过程中,当电流达到 设定值时,稳压VS被击穿,VT饱和导通,给定电 压被拉向零电位,输入3525的误差信号随电流 ? 10? 增大而迅速减小,短路峰值电流被限制,焊机进入恒 流控制状态. 同时,如果焊接过程中电流增长率d过大, d”/dr也随之增大,PD调节器亦将输出较大的, 同样使焊机进入限流控制状态,避免短路过渡过程 因d//dt过大而产生严重飞溅. 4结论 逆变式CO焊接电源采用L形外特性,空载 电压高,提供了较大的燃弧售量,有利于提高焊机的 引弧性能;电弧一旦引燃,迅速进入平特性工作区, 利用平特性较强的自调节作用,建立起稳定的焊接 过程. b.短路峰值电流采用恒流控制,从而限制了短 路过渡液体小桥爆炸时的能量,熔漓过渡稳定,焊接 飞溅小. c.生产应用表明:设计的控制电路工作稳定可 靠,驱动电路适用于全桥式和半桥式逆变电路. 参考文献: …1陈焕明.场效应管逆变弧焊电源功率增大的逢轻【J].电气 自动化,2000,22(4):22—23. 【2】余进江逆变式0焊机的研制【D].南昌.南昌航空工业学 院,1999. [3】黄石生.逆变理论与弧焊逆变器【M】.北京:机械工业 出版社,1995.85-86.