弧焊电源用全桥逆变电路的偏磁控制及仿真

论文编号:1001-2303(1998)05-0021-23弧焊电源用全桥逆变电路的偏磁控制及仿真T he M agnetic Satu rati on Con tro l and Si m u lati on of the Fu ll2b ridge Inversi onC ircu it U sed in A rc W elding Inverter中船总第713研究所(郑州・450052)　周乃军　胡立峰In stitu te№713of CSSC　ZHOU N aijun et a l[摘要]大功率弧焊逆变器主电路的理想结构是全桥式逆变电路,但其突出问题是变压器偏磁引起的磁饱和及逆变颠覆。

作者通过对全桥逆变电路变压器磁饱和原理的研究,提出了采用双环反馈控制法解决该问题的方案。

经过电路设计、仿真和波形分析,从实验的角度证明了该方案的可行性和有效性。

关键词:全桥式逆变电路;偏磁控制;双环反馈控制[Abstarct]T he m ain circuit’s ideal fo rm of a h igh2pow ered arc w elding inverter is the full2bridge inversi on circuit.But it has a particular p roblem that m agnetic saturati on of transfo rm er m ay lead to the saturati on m agnetizati on and the inversi on failure.A cco rding to the study of the p rinci p le of saturati on m agnetizati on of a full2bridge inversi on circuit a dual loop feedback contro ling schem e to so lve the p rob2 lem is p ropo sed in the paper by the autho r.A fter tho routh the design and si m ulati on of the circuit and the analysis of the w avefo rm w e exp ri m entally p roved it’s feasibility and validity.Key words:full2bridge inversi on circuit;m agnetic saturati on contro l;dual loop feedback contro l1　全桥逆变主电路的偏磁控制方案及其实现引起全桥不平衡问题的原因很多,归纳起来有如下几种:(1)高压开关管的饱和压降差异及正、负半波时等效负载的不一致,引起加在变压器一次绕组上的正反向电压不等。

(2)高压开关管的存储时间不一样,或控制电路输出的驱动脉冲不一致。

(3)在空载到短路或负载到短路的动态过程中,反馈信号急骤变化使得控制信号也急骤变化,引起相临驱动脉宽不一致或丢失部分窄脉冲从而引起单向偏磁问题。

(4)驱动电路故障,使得某一对管的驱动信号丢失或线路断路,最终引起单向偏磁。

如何解决偏磁的问题一直是致力于全桥逆变电路设计人员的主要问题,经过多年的努力,已经研制出各种防止偏磁的电路,其中具有典型意义的是偏磁电流截止保护方案,即当变压器一次侧某方向的电流超过保护设定值时切断该路驱动信号,从而抑制该方向的电流增长,直至另一方向的驱动信号因电流也超过保护设定值被切断,再开通该路驱动信号。

这种方法虽能控制偏磁电流的最大值,但引起了负载电流较大幅度波动,焊接效果并不理想。

本文在采样输出电流作为外环反馈控制输出电流的基础上,对变压器一次侧的电流也进行了取样和反馈,该反馈信号作为内环反馈信号,与调节器的输出信号一起控制P WM信号的生成,从而达到控制偏磁电流的目的,控制原理框图如图1所示。

图1　双环反馈控制原理框图全桥逆变电路的不平衡问题即是偏磁电流的产生和迅速增长问题,如果能在偏磁电流产生时迅速检测出来并加以控制,使偏磁电流向正常方向变化或将其抑制在功率开关管允许的工作范围内,从而阻止高频变压器的饱和,则能使全桥逆变电路正常工作。

本文采用的双环控制中内环反馈即是为了抑制这种偏磁电流・12・电焊机,V o l.28,1998(5):21～23增长而设计的,根据上节所述,偏磁时,将导致变压器一次侧某一方向的电流偏离正常的工作点,但变压器二次侧的电流却无法反应出这种变化,特别是发生偏磁现象后,变压器已不再是一个放大环节,它的数学模型很难建立,有关它的纯理论分析很难指导工程设计,本文通过仿真和试验的方法,不断调整内环反馈的系数,使其既能起到抑制偏磁电流增长的目的,又能尽量减少它对外环反馈控制的影响。

图中励磁电流I pc计算如下:I pc=I1-I2 Kb其中,I1为变压器一次侧电流,I2为变压器二次侧电流,Kb为变压器非饱和状态时的变比。

变压器变比Kb通过理论计算并经实验验证后可得,本文中Kb大约为12,I2实际上即是外环的反馈电流I out,I1经由偏磁电流检测电路测得。

由于变压器一次侧电流是高频交变的幅值较大的近似方波的电流,而磁偏的方向在工作过程中又是随机的。

因此,就有必要检测两个可能方向上的偏磁信号,这里采用双极性电压输入V F转换芯片AD650,将正反方向上的电流信号转变为频率在0-100K之间的脉冲序列,通过单片机定时计数器T0端口引入单片机内部,由单片机定时计数器T0进行计数并与给定信号,负载电流反馈信号一起构成控制信号。

这里变压器一次侧电流的检测采用L E M电流传感器,根据允许的变压器原边单向电流的阈值,将一次侧电流转换为与之对应的电压信号,再由AD650将-4 -+4V电压信号转变为约10K-90K的频率信号输入到单片机的T0端即28脚。

2　系统仿真及试验结果分析2.1　偏磁过程的仿真及其分析在高频变压器耦合的全桥电路中,由于功率开关元件的饱和压降,存储时间的不同,以及驱动电路互补输出的驱动脉冲不等宽等原因,造成变压器一次侧电压波形正负半波不对称,从而导致单向电流过大,引起偏磁,使变压器饱和,最终引起逆变崩溃。

为了有效地控制偏磁,首先必须弄清在某种情况下,变压器偏磁以后其工作过程,电压,电流的变化规律,为此,本文分开环与闭环两种情况进行了仿真。

为分析偏磁时变压器电压,电流的变化规律,设计如下仿真状态:(1)桥臂电路驱动脉冲不等宽;(2)功率开关元件开通饱和压降不等;(3)由于反馈控制,使得窄脉冲驱动时互补输出的脉冲不等宽,仿真结果如图2至图4所示。

图2　桥臂电路驱动脉冲不等宽时变压器一次侧电流波形图3　功率开关管开通压降不一致时变压器一次侧电流波形图4　窄脉冲驱动时变压器一次侧电流波形(局部)由图2、3可见,变压器偏磁以后,磁偏方向的电流将在很短的时间内上升至大功率开关管的工作电流极限,电流的上升过程与电路状态有关,加在变压器一次侧正负半波的电压幅值差越大,正负半波的宽度差越大,偏磁电流上升越快,在不考虑功率开关管的电流极限的情况下,偏磁电流的终值将对应于系统的负载响应电流终值。

但此时,变压器原二次侧电流的比值已不再符合正常状态下的变压器变比关系,且正负半波时・22・是不一样的。

图4为窄脉冲驱动情况下变压器一次侧电流波形,由于电流负反馈,在控制信号很小时,将出现窄脉冲驱动,其控制信号变化剧烈,很可能引起相邻互补输出的驱动脉冲宽度不一致。

此时,即使开关元件完全对称,由于调节方式的缺陷引起的偏磁现象仍会存在,而这一点正是人们常常考虑不到而又应特别注意的。

2.2　双环防偏控制过程的仿真及其分析不论是由何种原因引起的变压器偏磁现象,最终导致的后果都将是变压器一次侧单向电流的剧烈增加,从而引起变压器饱和,导致电流遽然增长,造成逆变失败。

为了能在偏磁后,电路仍能正常工作,就必须限制变压器一次侧的电流,使其在规定的范围内或者通过适当方式,避免变压器偏磁的发生,亦即在电路一旦出现偏磁趋势时,即加以纠正,使其工作在理想的范围内。

根据前面的论述,可以采用双环控制方式,即在出现偏磁趋势时,立即加以校正,使其向正常状态过渡,其波形如图5所示。

根据变压器一次侧电流变化规律,当出现单向偏磁趋势时,即加以适当调节,使其向正常状态过渡。

双环控制的优点是能够减少调节过程中负载电流的变化,但要求系统检测和双环控制的优点是能够减少调节过程中负载电流的变化,但要求系统检测和运算速度较快,必须在功率开关管几个工作周期内即能反映出偏磁的趋势。

图5中还列出了双环线性控制时负载电流响应曲线,可以看出,在调节过渡过程中,负载电流是较稳定的。

通过仿真试验和分析,可以得出如下结论:变压器偏磁电流的增长有一过程,此过程长短与当时变压器一次侧电压波形有关,偏磁电流保护应以尽量减少输出电流波动为原则。

图5　双环控制时偏磁电流的过渡过程及负载电流波形3　结束语应用于弧焊逆变电源的全桥逆变电路,其关键技术问题之一是电路驱动不平衡引起的变压器偏磁问题,本文的方案不仅解决了变压器偏磁,而且抑制了偏磁电流的增长,无论对平特性亦或是垂降特性的弧焊逆变电源多有应用价值,较之隔直电容法、截止反馈法或是采用电流型P WM芯片控制的其它方法都有更广泛的适应范围,是一种很好的解决方案。

参考文献1　杜中义.弧焊逆变器的磁芯偏磁及其控制的研究[J].电焊机,1995,(3):12～142　徐德高.脉宽调制变换器型稳压电源[M].北京:科学出版社,1986:30～40(收稿日期:1998-04-20)・32・。