等离子切割机输出电流纹波倍频及调制系统的制作方法

本发明涉及等离子切割领域与电力电子变换领域的一种输出电流纹波消减技术，具体地，涉及一种等离子切割机输出电流纹波倍频及调制系统。

背景技术：

“切割与焊接”素有“钢铁裁缝”之称，现代工业离不开金属板材的切割和焊接，切割是焊接的首道工序，其切割断面的质量(平整度、光滑度)、切割效率以及材料利用率的高低都直接影响着焊接质量(例如焊接强度)、生产效率和成本，因此，现代工业的发展，离不开现代化的金属型材切割加工设备。目前，完成金属型材切割的主要方法有三种：火焰、等离子、激光三大切割方式，而等离子切割高效、成本低，是型材切割加工最理想的选择，在工业生产的诸多领域都得到了广泛的应用。

等离子切割电源是机用等离子切割装置的核心部件之一，鉴于整体成本较低和效率较高，在大功率等离子切割装置中，斩波式电源日益受到青睐，功率电路支持输出电流等级不断升高。另一方面，工业界对直流电源的品质(包括电压稳定度和纹波峰峰值以及纹波频率)的要求也越来越高，单纯依靠无源器件(增加电容和电感)已经不能满足工业的需求。因此，大功率设计和输出电流纹波高频化是等离子切割直流源亟待解决的问题。

经过对等离子切割机输出电流纹波倍频调制方法现有技术的检索，发现主要有以下代表性文献：

《等离子切割机直流电流源的设计》一文提出了两路BUCK输出提高等离子电源功率等级的方案，但是该电路的直流输出纹波频率较高，不能满足更高等级的输出电流精度要求。《等离子切割高性能电源系统的研究》一文提出了一种缓冲BUCK变换器用以减少电压电流突变，但是该电路不太适合作为高功率等级、高精度要求等离子切割机的电源。

综合以上，对等离子切割机输出电流纹波倍频调制方法现有技术的检索后发现，现有的控制方法缺少能够有效提高纹波频率的控制策略。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种等离子切割机输出电流纹波倍频及调制系统，能够有效提高纹波频率。

根据本发明的第一方面，提供一种等离子切割机输出电流纹波倍频系统，包括降压电路、斩波电路和割炬电路，其中：所述降压电路用以完成三相交流电压的变换；所述斩波电路用以合成一路稳定的直流电流；所述割炬电路用以完成精细切割。

优选地，所述降压电路包括一只工频变压器，其中：所述工频变压器三相初级绕组的输入端分别与三相交流电源380V相连，其次级包括两组相差30°的三相次级绕组220V，三相次级绕组的初相分别为Y接0°和Δ接30°。

优选地，所述斩波电路包括两组BUCK电路，分别是第一BUCK电路和第二BUCK电路，第一BUCK电路、第二BUCK电路输出端并联后与割炬电路的待加工的工件相连。

所述第一BUCK电路包括：第一二极管不控三相整流桥、第一电解电容、第一功率电阻、第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块、第四IGBT模块、第一反向快恢复功率二极管、第二反向快恢复功率二极管、第三反向快恢复功率二极管、第四反向快恢复功率二极管和第一平波电感，其中：第一二极管不控三相整流桥的输入为降压电路中Y接0°三相次级绕组的输出Ua1、Ub1与Uc1，第一二极管不控三相整流桥的直流输出正极与第一电解电容的正极、第一功率电阻的一端、第一反向快恢复功率二极管阴极、第二反向快恢复功率二极管阴极、第三反向快恢复功率二极管阴极、第四反向快恢复功率二极管阴极、第一平波电感的一端相连，第一二极管不控三相整流桥的直流输出负极与第一电解电容的负极、第一功率电阻的另一端、第一IGBT模块的发射极、第二IGBT模块的发射极、第三IGBT模块的发射极、第四IGBT模块的发射极相连，第一IGBT模块的集电极、第二IGBT模块的集电极、第三IGBT模块的集电极、第四IGBT模块的集电极与第一反向快恢复功率二极管阳极、第二反向快恢复功率二极管阳极、第三反向快恢复功率二极管阳极、第四反向快恢复功率二极管阳极相连，形成直流电源的负极，第一平波电感的另一端形成直流电源的正极；

所述第二BUCK电路包括：第二二极管不控三相整流桥、第二电解电容、第二功率电阻、第五IGBT模块、第六IGBT模块、第七IGBT模块、第八IGBT模块、第五反向快恢复功率二极管、第六反向快恢复功率二极管、第七反向快恢复功率二极管、第八反向快恢复功率二极管和第二平波电抗器，其中：第二二极管不控三相整流桥的三相输入为降压电路中Δ接30°三相次级绕组的输出Ua2、Ub2与Uc2，第二二极管不控三相整流桥的直流输出正极与第二电解电容的正极、第二功率电阻的一端、第五反向快恢复功率二极管阴极、第六反向快恢复功率二极管阴极、第七反向快恢复功率二极管阴极、第八反向快恢复功率二极管阴极、第二平波电感的一端相连，第二二极管不控三相整流桥的直流输出负极与第二电解电容的负极、第二功率电阻的另一端、第五IGBT模块发射极、第六IGBT模块发射极、第七IGBT模块发射极、第八IGBT模块发射极，第五IGBT模块集电极、第六IGBT模块集电极、第七IGBT模块集电极、第八IGBT模块集电极与第五反向快恢复功率二极管阳极、第六反向快恢复功率二极管阳极、第七反向快恢复功率二极管阳极、第八反向快恢复功率二极管阳极相连，形成直流电源的负极，第二平波电感的另一端形成直流电源的正极；

所述割炬电路与两路BUCK电路的两个输出端相连，其中：待加工的工件一端与斩波电路的正极相连，待加工的工件另一端与等离子弧柱一端相连，等离子弧柱另一端与割炬碰嘴及内部电极相连，割炬电路的负极与斩波电路的负极相连。

根据本发明的第二方面，提供一种上述等离子切割机输出电流纹波倍频系统的调制系统，包括滤波单元、期望电流比较单元、分数阶PID调节单元、限幅单元、载波比较单元和极性判断单元，其中：载波比较单元包括第一～第八载波比较单元；极性判断单元包括第一～第八极性判断单元；

采样所得的运行中切割机输出电流信号，即两路BUCK电路输出的总电流信号io，送入滤波单元，经滤波单元滤波后的输出电流输入期望电流比较单元，期望电流比较单元将该输出电流与对应希望实际输出电流的期望电流相减得到电流误差，该电流误差输入分数阶PID调节单元，分数阶PID调节单元对电流误差进行比例积分微分调节，分数阶PID调节单元的输出与限幅单元相连，限幅单元确保分数阶PID调节输出限制在指定上下限之间，防止出现上溢和下溢，限幅单元的输出作为第一载～第八载波比较单元的一个输入，其另一输入分别为第一～第八载波，分别进行比较，即分数阶PID调节输出与载波进行大小比较，比较后的8路结果分别输入第一～第八极性判断单元，第一～第八极性判断单元进行极性判断：比较后的8路结果为正时输出高电平，比较后的8路结果为负时输出低电平，第一～第八极性判断单元的输出产生第一～第八PWM驱动信号，八个PWM驱动信号分别驱动BUCK电路中第一～第八IGBT模块的通断，完成输出电压到输出电流的变换。

本发明通过等占空比的PWM驱动信号控制两路BUCK电路的八个IGBT模块的通断，其中每一路IGBT模块触发顺序依次相差90°，使得每一路的直流电流纹波4倍频，两路输出根据实际工况相差一定角度45°，互相补充使得合成的直流电流输出电流纹波频率8倍频，电流纹波进一步减小。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)每路BUCK电路的四个IGBT模块采用移相控制策略，移相90°，使得每路输出电流纹波4倍频；

(2)两路BUCK电路相互补充，移相45°，使得输出的输出电流纹波8倍频，输出电流纹波更低；

(3)八个IGBT模块分担功率输出，可支持大电流输出且单管功率应力小；

(4)每路BUCK电路的四个IGBT模块共用一个平波电感，更节省元器件且能够降低电源体积；

(5)IGBT模块的发射极接在整流器输出的负极上，使得驱动电路的设计更加方便。

本发明通过等占空比移相控制策略，使得每一路输出电流纹波倍频，并有效降低合成输出电流的纹波，电流纹波多倍频、单管IGBT应力小、可模块化设计和支持大电流输出，具有控制原理清晰明了、控制信号发生简单的优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的倍频系统电路图；

图2为本发明一实施例的调制系统原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种等离子切割机输出电流纹波倍频调制系统，包括降压电路11、斩波电路和割炬电路14，其中：所述降压电路用以完成三相交流电压的变换；所述斩波电路用以合成一路稳定的直流电流；所述割炬电路用以完成精细切割。

如图1所示，所述降压电路11包括一只工频变压器，其中：所述工频变压器三相初级绕组的输入端分别与三相交流电源380V相连，其次级包括两组相差30°的三相次级绕组220V，三相次级绕组的初相分别为Y接0°和Δ接30°，用于实现380V-220V的电压转变。

如图1所示，所述斩波电路包括两组BUCK电路，分别是第一BUCK电路12和第二BUCK电路13；

所述第一BUCK电路12包括：一只二极管不控三相整流桥B1、一只电解电容E1、一只功率电阻R1、四只IGBT模块S1-S4、四只反向快恢复功率二极管D1-D4和一只平波电抗器L1，其中：二极管不控三相整流桥B1的三相输入为降压电路11中Y接0°三相次级绕组的输出ua1、ub1与uc1，二极管不控三相整流桥B1的直流输出正极P1与电解电容E1的正极、功率电阻R1的一端、反向快恢复功率二极管D1-D4阴极、平波电感L1的一端相连，二极管不控三相整流桥B1的直流输出负极N1与电解电容E1的负极、功率电阻R1的另一端、IGBT模块S1-S4的发射极相连，IGBT模块S1-S4的集电极与反向快恢复功率二极管D1-D4阳极相连，形成直流电源的负极，平波电感L1的另一端形成直流电源的正极；

所述第二BUCK电路13包括：一只二极管不控三相整流桥B2、一只电解电容E2、一只功率电阻R2、四只IGBT模块S5-S8、四只反向快恢复功率二极管D5-D8和一只平波电抗器L2，其中：二极管不控三相整流桥B2的三相输入为降压电路11中Δ接30°三相次级绕组的输出ua2、ub2与uc2，二极管不控三相整流桥B2的直流输出正极P2与电解电容E2的正极、功率电阻R2的一端、反向快恢复功率二极管D5-D8阴极、平波电感L2的一端相连，二极管不控三相整流桥B2的直流输出负极N2与电解电容E2的负极、功率电阻R2的另一端、IGBT模块S5-S8的发射极相连，IGBT模块S5-S8的集电极与反向快恢复功率二极管D5-D8阳极相连，形成直流电源的负极，平波电感L2的另一端形成直流电源的正极；

第一BUCK电路、第二BUCK电路输出端并联后与割炬电路14的工件相连，其中，工件与斩波电路的正极相连，割炬电路的负极与斩波电路的负极相连。

如图2所示，一种上述倍频系统的调制系统，通过设计不连续的锯齿载波，在稳态时产生等占空比的PWM驱动信号控制两路BUCK电路的各自四个IGBT模块的通断，其中每一路BUCK电路的IGBT模块触发顺序依次相差90°，使得每一路的直流电流纹波四倍频，两路输出根据实际工况相差一定角度45°，互相补充使得合成的直流电流输出纹波八倍频，纹波电流幅值进一步减小。

一种上述倍频系统的调制系统，包括滤波单元、期望电流比较单元、分数阶PID调节单元、限幅单元、载波比较单元(图2中载波比较单元的两个输入1、2和一个输出3)、极性判断单元和PWM发生单元，采样所得电流信号送入滤波单元，滤波单元的输出与期望电流相减，所得电流误差输入分数阶PID调节单元，分数阶PID调节单元的输出与限幅单元相连，限幅单元的输出分别与载波1-8做比较，比较后的结果分别与极性判断单元1-8相连，极性判断单元1-8的输出分别产生PWM1-8。第一BUCK电路12的PWM控制信号分别相差90°，具体地：PWM1超前PWM2 90°，PWM2超前PWM3 90°，PWM3超前PWM4 90°，该路的输出电流纹波四倍频；第二BUCK电路13的PWM控制信号分别相差90°，具体地：PWM5超前PWM6 90°，PWM6超前PWM7 90°，PWM7超前PWM8 90°，该路的输出电流纹波四倍频；PWM1和PWM5根据电路工作情况会相差一个角度，两路BUCK电路的输出电流相互补充，使得合成的输出电流i_o的纹波进一步减小，从而实现精细大电流输出，满足等离子切割机的直流电源要求。

某一实施例中，各器件的选型和参数为：

交流输入电压宽范围，380V±15％，工频50Hz或60Hz，额定输入电压380VAC，额定输出直流电压平均值150V，额定输出电流270A，输入功率为45kW；

IGBT斩波频率：20kHz；

电解电容E1－E2：450V，6800μF，四只并联；

二极管不控三相整流桥B1－B2：600V，300A/100℃；

平波电抗器L1-L2：2.2mH，130A，0.35mm厚，硅钢；

IGBT模块与反向快恢复功率二极管S1与D1、S2与D2、S3与D3、S4与D4、S5与D5、S6与D6，S7与D7，S8与D8：600V，250A/100℃，单桥臂IGBT模块；

功率电阻R1－R2：50kΩ，5W；

工频变压器TR1：380V/2x220V，75kVA。

本发明的关键原理在于：

(1)载波移相驱动技术，每路BUCK电路中4只IGBT模块的驱动信号交错90°，两路BUCK电路中8只IGBT模块的驱动信号交错45°，可以有效地降低每只平波电感的尺寸和降低电流纹波；

(2)特殊的载波设计，如图2所示，在稳态时，每只IGBT模块的驱动信号的产生是由不连续的锯齿载波和控制信号相比较产生的，在稳态时具有相同的占空比，比较后极性为正，产生高电平，驱动相应的IGBT模块导通，比较后极性为负，产生低电平，驱动相应的IGBT模块关断；在动态时，每只IGBT模块的驱动信号的产生是由不连续的锯齿载波和控制信号相比较产生的，占空比实时变化；

(3)等占空比的载波移相驱动技术与传统的载波移相驱动技术不同，传统的载波移相驱动技术中的占空比不能等分，可大可小，当占空比大于等于1/4时，每路BUCK电路不能实现倍频功能，两路BUCK电路的最终输出电流纹波仅仅2倍频，只有当占空比小于1/4时，每路BUCK电路才能实现倍频功能，最终输出电流纹波8倍频。在输出电压较高时，尤其对于等离子气割机应用场合，占空比大于0.5但小于0.6，因此本发明在任何工况下能够实现输出电流的8倍频，才能在载波频率不变情况下提高直流电感电流纹波频率，进而提高电流精细度，改进工件切割质量，而且也能够提高输出功率等级；或者维持直流电感电流纹波频率不变，进而降低载波频率，降低IGBT模块的开关损耗，以此提高功率等级。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。