IGBT逆变式等离子弧切割电源

论文摘要

等离子切割法是以等离子弧为热源的高能率熔化切割方法,具有切割速度快、切口的热影响区窄、工件变形小、可切割材料广泛、操作方便等优点。目前空气等离子切割已成为机械制造工业中不可缺少的新工艺。切割逆变技术是针对切割电弧负载特性和切割工艺要求,应用现代电力电子学理论和自动控制理论,实现电能的高效变换和控制的一门应用学科。其研究内容横跨焊接电弧物理、切割工艺学、功率电子和电磁器件及开关电路拓扑等各个领域。切割逆变电源现在正向着高效、节能、优质的方向发展。本论文主要介绍了所研制的等离子切割电源的组成结构和控制原理。分别就电源主电路、控制系统中的驱动电路、保护电路以及高频引弧电路做了详细的分析,并从软硬件两个方面给予了系统的阐述。该切割电源选取IGBT为主控开关功率转换器件,采用输出功率较大的全桥式逆变结构,配以高频变压器和输出电抗器组成了本系统的主电路系统,讨论了高频变压器的设计要点,IGBT的特性与使用时的注意事项等,并在MATLAB中对所设计的主电路进行了仿真。控制电路以16位高性能单片机80C196KC为核心,对整个电源进行实时精确闭环控制,文中采用了目前比较常用的脉宽调制方法来控制切割电源的输出外特性,单片机输出的控制量经D/A转换后,通过脉宽调制芯片SG3525调制出两路互不重叠的触发脉冲,再经IGBT专用驱动模块进行功率放大后触发IGBT,以实现功率的输出。系统实时对输出电流进行采样,并将采样结果送入单片机进行A/D转换,在单片机内部实现离散PI算法后,输出相应的控制量来调节脉宽调制芯片的输出脉宽,进而调整输出电流,以此来达到控制切割电源外特性的目的。保护电路主要涉及到过流保护、过热保护、过压以及欠压保护等。在电源的主电路和控制电路部分都进行了可靠性与抗干扰设计,系统分析了可能影响电源正常工作的各种干扰及其产生原因,并在原理图设计、PCB制作以及程序编制的过程中采取了相应的软硬件抗干扰措施。所采取的硬件措施主要包括:屏蔽技术、滤波技术、隔离及接地技术等;采取的软件措施主要有:看门狗、冗余指令、数字滤波等。另外,还对逆变电源设计中存在的不足进行了探讨。通过试验,对该电源的实施方案、组成部分以及调试中的一些问题进行了分析,得到了初步的结果。最后,针对该切割电源的后续研究工作提出了进一步完善的建议,为本切割电源今后的深入研究打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 等离子弧切割技术的发展及课题意义
• 1.1.1 等离子弧切割技术的发展
• 1.1.2 选题的意义
• 1.2 等离子弧切割的原理
• 1.2.1 等离子体及等离子弧
• 1.2.2 等离子弧的类型
• 1.2.3 等离子弧切割原理及对电源的要求
• 1.3 常用热切割法及其特性对比
• 1.3.1 切割质量对比
• 1.3.2 切割速度和切割厚度对比
• 1.3.3 切割成本对比
• 1.4 逆变等离子弧切割电源的现状及发展趋势
• 1.4.1 逆变技术在切割电源中的应用
• 1.4.2 微机技术在逆变切割电源中的应用
• 1.5 本课题的设计方案及目标
• 第2章 等离子弧切割电源主电路系统
• 2.1 主电路拓扑结构的选择
• 2.2 逆变电源主变压器的设计方法及步骤
• 2.2.1 磁心选择
• 2.2.2 电压比及绕组匝数
• 2.3 IGBT的选取
• 2.3.1 IGBT的特性
• 2.3.2 IGBT电路参数的计算
• 2.4 输入电路的设计
• 2.4.1 合闸浪涌电流
• 2.4.2 整流滤波电路的设计
• 2.5 输出电路的设计
• 2.6 MATLAB下主电路的仿真
• 2.7 本章小结
• 第3章 等离子切割电源控制系统
• 3.1 控制系统的工作原理
• 3.2 控制系统的硬件组成
• 3.2.1 单片机最小系统
• 3.2.2 脉宽调制电路
• 3.2.4 数据采集与调理电路
• 3.2.5 保护电路
• 3.2.6 参数预置与显示电路
• 3.2.7 定时送气电路
• 3.2.8 高频引弧电路
• 3.3 控制系统的软件设计
• 3.3.1 主程序功能及实现
• 3.3.2 PI控制算法
• 3.4 本章小结
• 第4章 控制系统的抗干扰措施
• 4.1 硬件抗干扰措施
• 4.1.1 空间干扰的抑制措施
• 4.1.2 过程通道干扰的抑制
• 4.1.3 电源的抗干扰措施
• 4.1.4 印制电路板（PCB）的抗干扰
• 4.2 软件抗干扰措施
• 4.2.1 监视定时器（WDT）
• 4.2.2 冗余指令
• 4.2.3 数字滤波
• 4.3 本章小结
• 第5章 系统调试及完善建议
• 5.1 系统调试
• 5.1.1 驱动输出波形测试
• 5.1.2 保护电路的调试
• 5.2 对系统进一步完善的几点建议
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）