逆變式弧焊電源

(1)逆變電源內(nèi)部干擾源逆變電源是一個強電和弱電組合的系統(tǒng)。在焊接過程中,焊接電流可達到幾百甚至上千安培。因電流會產(chǎn)生較大的電磁場,特別在逆變主電路采用高逆變頻率的焊接電源系統(tǒng)中,整流管整流,高頻變壓器漏磁,控制系統(tǒng)振蕩,高頻引弧,功率管開關(guān)等均會產(chǎn)生較強的諧波干擾。

其次,鎢極氬弧焊機如果采用高頻引弧時,由于焊機利用頻率達幾十萬赫茲,電壓高達數(shù)千伏的高頻高壓擊穿空氣間隙形成電弧,因此高頻引弧也是一個很強的諧波干擾源。對于計算機控制的智能化弧焊逆變電源來說,由于采用的計算機控制系統(tǒng)運行速度越來越高,因此控制板本身也成了一個諧波干擾源,對控制板的布線也提出了較高的要求。

(2)逆變電源外部干擾源電網(wǎng)上的污染對電源系統(tǒng)來說是較為嚴重的干擾,由于加到電網(wǎng)上的負載千變?nèi)f化,這些負載或多或少對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾,如大功率設(shè)備的使用使電網(wǎng)電壓波形產(chǎn)生畸變,偶然因素造成瞬時停電,高頻設(shè)備的開啟造成電網(wǎng)電壓波形具有高頻脈沖、尖峰脈沖成分。另外在焊接車間內(nèi),由于不同焊接電源在使用時接地線可能相互連接,因此如不采取相應(yīng)的措施,高頻成分的諧波信號很容易竄入控制系統(tǒng),使電源不能正常工作,甚至損壞。2100433B

逆變弧焊電源在國防和國民經(jīng)濟建設(shè)中的作用舉足輕重。焊接質(zhì)量的好壞直接影響生產(chǎn)效能甚至人身安全。因此，提高焊接過程的可控性和效率，保證焊接質(zhì)量，具有重大的現(xiàn)實意義。本項目按照立項時的申請書計劃順利執(zhí)行, 全面研究了逆變弧焊電源的拓撲電路、非線性建模與控制、焊接信息精確檢測方法等關(guān)鍵科學與技術(shù)問題，以期全面提升系統(tǒng)的效率和魯棒性。 （1）設(shè)計了單逆變器大功率逆變弧焊電源主電路拓撲 本項目研究了適合于大功率逆變弧焊電源的新型軟開關(guān)逆變拓撲，提出了一種單逆變器大功率逆變弧焊電源主電路拓撲結(jié)構(gòu)，并探索了基于新型SiC器件的功率變換電路，計算和分析了吸收電容和電阻、諧振電容和電感等參數(shù)，并通過實驗驗證，為進一步提高焊接過程的可控性和效率奠定了基礎(chǔ)。 （2）提出了全橋逆變電路偏磁抑制方法 針對全橋逆變電路易產(chǎn)生偏磁而造成系統(tǒng)可靠性低的難題，提出了一種模擬檢測與數(shù)字控制相結(jié)合的偏磁實時檢測與抑制方法，并設(shè)計了偏磁控制器，能夠?qū)崟r輸出偏磁信號產(chǎn)生的時刻和強弱，并快速、有效地抑制偏磁。可推廣應(yīng)用于全橋逆變電路。 （3）研究了基于雙閉環(huán)的全橋逆變器數(shù)字控制方法并優(yōu)化了熔滴過渡控制策略 通過對逆變弧焊電源整體建模，提出了基于雙閉環(huán)的全橋逆變器數(shù)字控制方法，通過仿真實驗對比，新方法能夠加快系統(tǒng)收斂速度，提高穩(wěn)定精度。設(shè)計基于模糊算法的弧長與熔滴過渡控制策略，實現(xiàn)了焊接電弧的精準控制，保證了焊接過程的穩(wěn)定和不同工藝條件下的焊接質(zhì)量。 （4）研究了執(zhí)行器飽和時端口控制的Hamilton系統(tǒng)的干擾容限和魯棒估計方法 研究了執(zhí)行器飽和時，開環(huán)可能不穩(wěn)定的多輸入Hamilton系統(tǒng)的干擾容限和H∞控制問題；提出了焊接電源信號的H∞數(shù)字濾波方法，實驗表明當系統(tǒng)的狀態(tài)和噪聲變化時，H∞濾波器對外界干擾的影響具有更強的魯棒性，濾波效果良好。 （5）搭建了基于SOPC的全數(shù)字逆變弧焊電源試驗平臺 本項目設(shè)計了基于混合信號FPGA的控制系統(tǒng)，集A/D采樣、控制策略、焊接工藝專家?guī)斓榷嗳蝿?wù)于一體，驗證了所研究成果的性能；設(shè)計的全數(shù)字逆變弧焊電源系統(tǒng)性能可靠，能夠確保穩(wěn)定的焊接過程，滿足逆變弧焊工藝要求，保證焊接質(zhì)量。 該項研究的成果不僅對相關(guān)理論研究與應(yīng)用具有促進作用，而且對發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進弧焊技術(shù)和推進其產(chǎn)業(yè)化重大意義。 2100433B

有工業(yè)縫紉機之稱的弧焊電源在國防和國民經(jīng)濟建設(shè)中的作用舉足輕重。然而，弧焊電源異常復(fù)雜的非線性時變特性，不僅制約著焊接質(zhì)量大幅提高，而且使其能耗大、電磁污染嚴重、可靠性低等頑疾長期未得到徹底解決，亟需新的理論和方法予以突破。本項目擬首先研究基于無源輔助諧振網(wǎng)絡(luò)的高頻軟開關(guān)逆變拓撲，提高系統(tǒng)效率和動態(tài)響應(yīng)；然后研究并提出一種基于哈密頓理論的弧焊電源整體建模、分析與能量優(yōu)化控制方法，從電路和控制的角度全面保證能量的高效利用和熔滴過渡的精細控制，解決有色金屬、高強鋼等的高質(zhì)量焊接難題；并運用不確定時變系統(tǒng)魯棒估計理論，研究高性能、快響應(yīng)的焊接反饋信息濾波算法，克服強干擾因素的不利影響，提升系統(tǒng)可靠性；最后構(gòu)建基于SOPC的實驗平臺驗證成果。本項目屬電力電子技術(shù)和非線性科學交叉前沿方向，不僅對相關(guān)理論研究與應(yīng)用有顯著促進作用，而且對發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進弧焊技術(shù)和推進其產(chǎn)業(yè)化具有重大意義。