大功率全数字交流方波埋弧焊焊接电源的研制

论文摘要

随着工业制造的高速发展,高效焊接已经成为焊接发展方向,特别是风塔、造船、钢构、焊管等中厚板场合,进一步提高焊接效率已经成为焊接行业面对的重要课题。埋弧焊是效率较高的焊接方法,而多丝多弧焊接是提高埋弧焊接效率的最有效途径。多丝多弧焊接系统必须由多台交流电源组成,以克服电弧间的相互干扰。另外,国家能源战略储备工程中的液化天然气（LNG）储罐建设,大量使用了对热量输入要求严格的9%镍钢,一般的直流埋弧焊热输入量无法有效控制,不能在LNG工程应用。因此研制交流相位可调、热输入量可控的逆变式全数字交流方波埋弧焊电源具有重要的理论意义和应用价值。在交流埋弧焊焊接波形控制和焊接工艺理论基础上,本课题摒弃原来并联复杂的主电路结构,提出了单中频逆变器主电路和全数字控制的电源设计方案,并对交流电流过零再引弧的技术难题提出了独特的解决方法。论文详细研究了电源结构整体设计,详细计算了各器件的参数,并对功率半导体器件进行了热分析和结温计算,制作了可进行工程应用的样机。本课题深入研究了交流方波电流过零再引弧的相关因素,设计了性能优异的二次逆变主电路拓扑结构,详细分析了电路的工作原理及电路的工作模态,并在充分研究的基础上,提出了电流换向策略,实现了全电流范围稳定焊接。焊接电源的控制系统采用"MCU+FPGA"双芯片结构,MCU负责焊接工艺参数存储、事务协调,用具有高速并行计算功能的FPGA进行逆变器控制,选用双口RAM进行MCU和FPGA之间的高速数据通信。在FPGA内部构造出变参数增量式PI运算模块、高速数字PWM发生模块,提高了运算速度和控制精度,同时提高了系统响应速度。样机调试结果表明所设计一次逆变电路可以在全负载范围内工作于软开关状态；二次逆变可以在小电流过零时顺利引弧,输出交流电流相位、幅值可调。焊道剖面和焊缝X射线成像表明熔深和热输入量可控。所研制交流方波埋弧焊焊接电源达到了设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 埋弧焊的概述
• 1.2 焊接电源的发展
• 1.2.1 主回路的发展
• 1.2.2 控制系统的发展
• 1.3 数字化交流方波埋弧焊的研究与应用现状
• 1.4 全数字交流方波埋弧焊接电源的研究意义
• 1.5 本论文的主要内容与章节安排
• 1.5.1 本课题的主要研究内容
• 1.5.2 本论文的章节安排
• 第二章 波形控制和焊接工艺
• 2.1 埋弧焊焊接工艺概述
• 2.2 交流方波埋弧焊的波形控制
• 2.2.1 交流输出频率与焊接工艺的关系
• 2.2.2 直流正接和反接比例对焊接工艺的影响
• 2.2.3 正负半波电流幅值和焊接工艺的关系
• 2.2.4 焊接电流相位与焊接工艺
• 2.3 本章小结
• 第三章 主电路设计及一次逆变实现
• 3.1 电源主电路分析与设计
• 3.2 一次逆变的设计与实现
• 3.2.1 空气开关、输入电缆、直流侧压敏电阻、滤波电容的选取
• 3.2.2 三相整流模块的选取
• 3.2.3 逆变器功率元件选型
• 3.2.4 中频变压器的设计
• 3.3 本章小结
• 第四章 二次逆变电路和焊接电源结构设计
• 4.1 二次逆变电流过零问题的分析
• 4.2 二次逆变电路的设计
• 4.2.1 二次逆变电路结构
• 4.2.2 二次逆变电路工作原理
• 4.2.3 换向控制策略分析
• 4.3 二次逆变功率器件的选型
• 4.3.1 快速整流管的选型
• 4.3.2 二次逆变IGBT的选型
• 4.3.3 IT3、IT4电容值和耦合电感的选择
• 4.4 焊接电源结构设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 控制系统的设计
• 5.1 控制系统概述
• 5.2 MCU的选型与设计
• 5.2.1 MCU的选型
• 5.2.2 DEVICE NET通信
• 5.2.3 MCU与FPGA的通信
• 5.3 FPGA的选型与设计
• 5.3.1 FPGA的选型及硬件设计
• 5.3.2 FPGA的负责的任务及软件设计
• 5.4 模拟量相关设计
• 5.5 开关量接口设计
• 5.6 逆变器驱动的设计
• 5.7 控制电源的设计
• 5.8 本章小结
• 第六章 系统调试及焊接实验
• 6.1 样机调试及温升实验
• 6.2 样机引弧、熄弧和波形控制实验
• 6.3 波形控制和焊接工艺实验
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表