鉴于特殊式反变式等离子切割开关的模拟和剖析

鉴于特殊式反变式等离子切割开关的模拟和剖析 文章来源：中国切割机网

　
　　1引言　当今的工业领域，切割在各行各业中得到了广泛的运用。利用先进的现代切割技术，不但可以保证产品的质量，提高劳动生产率，同时也使得企业产品的制造成本大幅度下降，缩短了产品生产周期。随着新产品、新工艺、新技术的广泛运用。智能化精密切割将成为切割行业今后发展的趋势。
　　等离子切割技术发展的历史不长，但其发展的速度非常快。近年来，国产等离子切割电源也有了很大的发展。传统的逆变电源多为模拟控制或者模拟与数字相结合的控制系统。虽然模拟控制技术已经非常成熟，但其存在很多固有的缺点：控制电路的元器件比较多，电路复杂，所占的体积较大；灵活性不够，硬件电路设计好了，控制策略就无法改变；调试不方便，由于所采用器件特性的差异，致使电源一致性差，且模拟器件的工作点的漂移，导致了系统参数的漂移。模拟方式很难实现逆变电源的并联，所以逆变电源数字化控制是发展的趋势，是现代逆变电源研究的一个热点。
　　其技术追求和发展趋势不断向小型化、轻量化、高频化、高可靠性、低噪声方面发展。采用计算机辅助设计和控制―――采用MATLAB、PSPICE和SABER等软件设计新变换拓扑和佳参数，使开关电源具有简洁结构和佳工况也是其追求目标。
　　本文在逆变式等离子切割电源电路的基础上，通过对电路系统的各模块的结构、功能的研究，对系统各模块通过MATLAB进行了建模、仿真和分析。
　　2逆变式等离子切割电源的设计2.1逆变式等离子切割机的结构与原理等离子切割机工作示意图如图1所示，等离子切割机是以空气为工作气体的。首先由三相电源供电，等离子切割机启动预热，此时空压机工作，通空气，当有切割工件时，切割主机工作，空气被电离产生工作所需的离子态气体。气体瞬间产生极高的速度和温度，使工件被切割。
　　由于工作气体需要在瞬间达到极高的温度，所以对等离子切割的供电电源要求很高，而低功耗的逆变式等离子切割电源具有很好的优势。
　　逆变式等离子切割电源主要由工频整流器、逆变器、逆变驱动电路、中频变压器等模块构成，如图2所示。
　　2.2逆变式等离子切割电源的设计工频整流器选择全桥式整流电路，逆变器选择全桥式IGBT逆变电路，逆变开关管的驱动信号采用由功率驱动模块M57962L组成的驱动电路。
　　2.2.1滤波及隔离变压器全桥逆变电路的输出为一系列高频脉冲，要想得到标准的正弦波，必须滤掉其高频成分，LC滤波电路的作用正是滤除高频信号，其参数由LC滤波器的谐振频率和特征阻抗决定ωn：ωn＝1LC姨通常ωn≤0.1×2π×f1（f1为逆变器的开关频率），其中C为经过Δ／Y转换后的值［6］。
　　在三相逆变电源系统中，三相逆变桥输出的是三相三线制，而机载设备要求的供电体制为三相四线制。所以需在电源和负载之间接入一个Δ／Y电力变压器，这样就既满足了负载用电的需要，又实现了电源和负载之间的隔离。
　　2.2.2全桥逆变电路全桥逆变电路与半桥电路的区别是用2只同样的开关管代替了2只电容。全桥逆变电路工作需要2组相位相反的驱动脉冲分别控制2对开关管，功率晶体管T1、T2和T3、T4反相，T1和T3相位互差180°。调节T1和T3的输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。该电路拓扑结构及控制较为复杂，元件较多，成本较高。由于主电路可以输出高压和大电流，所以一般常用于高压大功率逆变电源系统。在本文的逆变电源系统中，逆变器采用桥式电路。桥式电路的关键是保证每组桥臂不能发生短路直通现象，这样从逻辑上要保证上桥臂开通时，下桥臂必须关断，反之亦然。
　　虽然在PWM控制器中本身的是带死区的反相输出，但是为了更加保险起见，本文设计了简单的硬件电路来防止上下桥臂的直通。
　　驱动保护电路本文采用的是IGBT，IGBT是大功率的开关器件，它的使用复杂度高，价格昂贵，在整个系统中占比很大。稍有使用不甚就可能导致器件的烧毁，从而导致整个系统维护困难甚至无法继续工作。所以它是整个保护系统的核心部分。
　　基于MATLAB逆变式等离子切割电源的仿真与分析马薇（哈尔滨理工大学，黑龙江哈尔滨150080）摘要：随着切割工艺研究的深入以及切割生产自动化和柔性化的发展，对切割电源本身的控制和柔性化提出了更为紧迫的需要。提出了一种对逆变式等离子切割电源的结构设计方案，利用MATLAB对逆变式等离子切割电源的主电路进行建模与仿真，并对仿真结果进行分析，证明了用低成本的仿真实现电路参数的优化具有较高的可行性和经济性。后利用仿真对逆变式等离子切割电源（[url=http://www.cceep.com/ypnew_view.asp?id=1659]电力通信电源系统供电模式问题和处理方法[/url]）进行了参数优化，经过实验证明，效果良好。
　　关键词：等离子切割；逆变电源；MATLAB；仿真三相电源空压机空气压器切割主机割炬切割线地线工件接地380VVC工对功率主电路器件IGBT的正确使用是逆变电源系统重要的环节之一。从功能上，IGBT是否能够正确使用直接关系到能否输出高质量的正弦波。本文对IGBT的保护电路设计考虑了以下4个方面：（1）集电极一发射极间过电压保护；（2）栅极过电压保护；（3）过流保护；（4）过热保护［7］。
　　根据IGBT对驱动电路的要求，本系统的功率驱动电路采用的模块是三菱公司的M57962L，它是N沟道大功率IGBT模块的驱动电路，能驱动1200V／100A和1200V／400A的IGBT，其输入的信号电流幅值为16mA，输出的大电流为＋2A和－3A，输出驱动电压为＋15V和－10V.
　　3系统仿真建模与分析目前，随着计算机科学的发展，仿真技术已经渗透到各个领域，切割过程的控制也不例外。本文采用了连续系统仿真并运用了欠实时仿真，这样可以清楚地表现出系统的运行状况。
　　3.1逆变式等离子切割电源仿真模型的建立为了对逆变式等离子切割电源的电压、电流参数有一个直观的认识，我们用MATLAB对其进行仿真。
　　根据硬件所划分的模块，我们分别对逆变式等离子切割电源主电路的输入整流滤波电路、斩波电路、逆变电路分别仿真。
　　3.1.1输入整流滤波电路的仿真模型建立整流滤波仿真模型如图3所示，首先由Subsystem输入三相交流电，经6－pulsediodebridge三相整流，再由R1、R2、C1、C2滤波。
　　输出作为下面斩波电路的输入。
　　3.1.2直流斩波电路仿真模型的建立为了对整流滤波后得到的直流电压进行有效的调节，需要在整流滤波之后加上斩波电路对其控制。由于整流、滤波之后输出为直流信号，在仿真时，为了使斩波子系统表达完整，斩波输入代之为DC输入。
　　斩波所使用的IGBT管必须有驱动，在文中，我们使用占空比为50、幅值为10V、频率为20kHz的矩形波来代替驱动信号。斩波电路仿真模型如图4所示。
　　3.1.3逆变桥的仿真模型的建立由于斩波电路使用的频率20kHz比较大，因此在波形上斩波的输入、输出非常相似，本文将逆变输入代之为DC输入。驱动信号的频率应与斩波电路的驱动信号一致，即频率为20kHz、占空比为50、幅值为10V的矩形波作为驱动信号。
　　3.2仿真结果与实际波形的比较3.2.1输入整流滤波电路的测试运行图3所示的仿真模型，得到如图6所示的波形。输出为直流信号，波形的稳定电压值为520V上下，而实际根据输入为三相380V正弦信号，滤波的输出可根据1.35V计算，即1.35×380＝513V，与仿真结果吻合。
　　3.2.2斩波电路的测试本文只进行主电路的仿真分析，而实际分析主电路时需要用到IGBT驱动电路的波形，因此，本文使用实际测量的驱动波形作为参照。其实际驱动电路的参数为：占空比为50，Vpp＝20V（－5～15V），f＝20kHz.波形图如图7所示。
　　将图4所示仿真模型的输入替换为上面整流、滤波的输出，运行仿真，对比实际斩波输出波形，如图9所示，我们可以看到，实际输出波形近视方波，比仿真波形更加平滑，这是因为在实际中，出于对等离子切割电源的保护，在主电路的基础上，还添加有过流保护、过压保护等保护措施。我们看到，稳定的仿真波形若去除多次谐波也和实际输入波形一致，为占空比较小的矩形波。
　　3.2.3逆变电路的测试为使电路各部分时序匹配，逆变电路的IGBT驱动与斩波电路的驱动信号使用相同的频率。其实际驱动波形将仿真模型的输入替换为上面斩波的输出，运行仿真，4结语本文提出了一种对逆变式等离子切割电源的结构设计方案，利用MATLAB对逆变式等离子切割电源的主电路进行建模与仿真，并对仿真结果进行分析，证明了用低成本的仿真实现电路参数的优化具有较高的可行性和经济性。利用计算机来仿真实际系统难以进行的一些实验，对于系统的不同参数，可以方便地进行反复实验，进而优化参数，并以此为依据进行实际系统的开发，从而节省大量的人力、物力和时间。后利用仿真对逆变式等离子切割电源进行了参数优化，经实验证明，效果良好。　
　

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