等离子切割高性能电源系统的研究

论文摘要

电源是等离子切割的动力来源,电源变换技术是现代等离子切割设备中的核心技术之一,研究高效高可靠性的等离子切割电源对于提高切割效率和质量具有重要意义。本文设计了一种以两相并联带无源低损缓冲电路的Buck变换器为主电路的等离子切割电源,尤其对无源低损缓冲电路的参数设计作了细致、深入的研究。在分析无源低损缓冲电路的基础上,还对一种适用于大功率场合的耦合电感式无源无损缓冲电路进行了研究。详细分析了该缓冲电路的各个工作模态,并对谐振元件参数作了优化设计。通过一台原理样机验证了理论分析和设计方法的正确性。等离子切割电源工作中的引弧是产生等离子弧的重要环节,本文详细分析了引弧电路的工作原理和数学模型,讨论了产生高频振荡的条件,对引弧用高频振荡器进行了仿真建模,并给出了引弧电路关键参数的设计原则。针对等离子切割电源陡降外特性的特点,通过建立等离子切割电源主电路的小信号模型,设计了满足其外特性要求的电流闭环控制系统,给出了控制参数的设计原则,并完成了单片机控制系统、PWM控制电路及驱动电路的设计。结合主电路和电流闭环控制系统的设计参数,对其进行了仿真研究。在理论分析和仿真研究的基础上,完成了一台30kW的等离子切割电源工程样机的研制,并进行了静态满负载烤机实验和现场切割实验,测试了相关性能指标参数。实验结果表明,所研制的等离子切割电源效率高、可靠性好,符合陡降外特性的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 等离子切割概述
• 1.2 等离子切割原理及对电源的要求
• 1.2.1 等离子切割原理
• 1.2.2 等离子切割对电源的要求
• 1.3 等离子切割电源的发展及研究现状
• 1.3.1 等离子切割电源的发展
• 1.3.2 研究现状
• 1.4 无源软开关技术在等离子切割电源中的应用
• 1.5 本文的研究内容和意义
• 1.5.1 本文的研究内容
• 1.5.2 本文的研究意义
• 第二章 电源变换器主功率电路原理与设计
• 2.1 引言
• 2.2 主电路拓扑结构的选择
• 2.3 输入电路的设计
• 2.3.1 输入变压器设计
• 2.3.2 输入整流滤波电路设计
• 2.4 主开关管的选择
• 2.5 输出滤波电路设计
• 2.5.1 滤波电感的设计
• 2.5.2 滤波电容的选择
• 2.5.3 电阻的计算
• 2.6 缓冲电路的设计
• 2.6.1 无源低损缓冲电路的结构
• 2.6.2 缓冲电路工作原理分析
• 2.6.3 缓冲电路参数设计
• 2.7 本章小结
• 第三章耦合电感式无源无损缓冲电路的研究
• 3.1 引言
• 3.2 耦合电感式MVS 无源无损缓冲电路结构
• 3.3 缓冲电路工作原理分析
• 3.4 缓冲电路实现软开关的条件
• 3.5 缓冲电路参数优化设计
• 3.5.1 缓冲电路设计原则与损耗模型
• 3.5.2 缓冲电路参数优化设计
• 3.6 实验验证
• 3.7 本章小结
• 第四章高频引弧电路的研究
• 4.1 引言
• 4.2 引弧电路的工作原理
• 4.3 引弧电路数学模型分析
• 4.4 振荡回路参数分析
• 4.4.1 振荡放电衰减系数δ
• 4.4.2 振荡放电频率f
• m和U_m'>4.4.3 振荡放电电流电压幅值I_m和U_m
• 4.5 引弧用高频振荡器的仿真
• 4.6 引弧电路的设计
• 4.6.1 工频升压变压器T1 的设计
• 4.6.2 高频耦合变压器T2 的设计
• 4.6.3 振荡电容的选择
• 4.6.4 火花放电器及其间隙
• 4.7 本章小结
• 第五章电源控制系统
• 5.1 引言
• 5.2 等离子切割电源的外特性分析
• 5.3 控制系统分析与设计
• 5.3.1 等离子切割电源小信号模型
• 5.3.2 补偿网络的设计
• 5.3.3 单片机控制系统的设计
• 5.3.4 电流采样及PID 控制电路
• 5.3.5 PWM 控制电路设计
• 5.3.6 IGBT 驱动电路
• 5.4 本章小结
• 第六章仿真与实验结果
• 6.1 引言
• 6.2 仿真分析
• 6.3 实验波形分析
• 6.4 样机效率测试
• 6.5 电源外特性测试
• 6.6 样机照片
• 6.7 本章小结
• 第七章结束语
• 7.1 本文的主要工作
• 7.2 进一步的工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文、参与的科研项目及获得荣誉