方小鑫，王振民，佘欣仁，潘成熔，張 新

(華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 前言

電弧等離子體具有溫度高、能流密度高、化學(xué)活性高和可控性好等特性，在機械加工（焊接、切割、噴涂等）、材料制造、電站燃煤點火、煤的清潔化等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。要實現(xiàn)電弧等離子體技術(shù)的多種應(yīng)用和全面推廣，關(guān)鍵在于要有可靠性高、控制性能好的大功率等離子體電源和高性能的等離子體發(fā)生器[1]。等離子體電源直接給等離子體發(fā)生器提供電能，是等離子體系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。根據(jù)電弧理論以及等離子體工藝情況，其電弧主要呈水平或上升的伏安特性，按照電源-電弧系統(tǒng)穩(wěn)定的基本原理，一般采用陡降特性電源。由于等離子體能量高達幾十甚至幾百千瓦，需要長時間高壓、大電流工作，可靠性成為首要條件[2]。長期以來，可靠性較好的整流式乃至于交流工頻變壓器成為大功率等離子體電源的首選，但限于自身結(jié)構(gòu)特點，需在回路中串入較大的阻抗以獲得所需的陡降特性。相比傳統(tǒng)電源的效率低、體積龐大、對網(wǎng)電沖擊大、動特性不佳等缺點，高頻逆變電源具有節(jié)能20%～30%、節(jié)省耗材60%～70%、對網(wǎng)電沖擊小以及控制性能好等優(yōu)點，已在焊接等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在嚴(yán)酷的大功率等離子體負(fù)載工作環(huán)境下，大功率逆變式等離子體電源還面臨著并聯(lián)均流、溫升、電磁干擾、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、寄生參數(shù)等因素造成的強能量高效傳遞和可靠性問題，大功率等離子體電源的研制和開發(fā)是國內(nèi)大功率等離子體系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸[3]。

在此將高頻逆變技術(shù)和雙閉環(huán)控制技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計開發(fā)了一種高效高性能的50 kW級等離子體逆變器，空載電壓為320 V，額定輸出電壓160 V，額定輸出電流320 A。通過軟啟動、雙閉環(huán)反饋、可靠的驅(qū)動以及完善的保護電路來確保整機的安全性和可靠性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 逆變器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在此研究的50 kW等離子體逆變器是由兩路25 kW的主電路模塊并聯(lián)而成。如圖1所示，主電路模塊分別由獨立的控制板控制，三相380 V交流電壓經(jīng)全橋整流濾波后，通過軟啟動保護電路輸入IGBT逆變橋，逆變橋產(chǎn)生的20 kHz交流脈沖經(jīng)中頻變壓器降壓以及快恢復(fù)整流濾波后輸出到負(fù)載。通過霍爾傳感器采集輸出端電流反饋至控制板，并將采集到的電流值與協(xié)同控制板所給定電流值相比較，輸出相應(yīng)的控制量來調(diào)節(jié)PWM占空比，進而調(diào)整輸出電流的大小，實現(xiàn)控制等離子體逆變器外特性的目的。

圖1 50 kW等離子體逆變器結(jié)構(gòu)框圖

本逆變器設(shè)計為恒流輸出特性，恒流源的并聯(lián)運行不需要采用特殊的均流措施[4]。由于逆變器反饋控制的控制量為電流，兩路模塊的控制給定量均由協(xié)同控制板精確給定，數(shù)值一致，同時反饋系數(shù)的差別也非常小，因此可保證兩路主電路模塊的輸出電流基本相同。此外，本逆變器的每一路模塊內(nèi)部均設(shè)計了自限流保護措施——峰值電流保護，進一步提高了逆變器抗電流不均衡的能力和工作可靠性。

1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式、全橋式等多種類型。其中，橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點是，其開關(guān)管的穩(wěn)態(tài)關(guān)斷電壓等于直流輸入電壓，并且能將變壓器初級側(cè)的漏感尖峰電壓鉗位于直流母線電壓，同時將漏感儲存的能量回饋至直流母線，而不是消耗于電阻元件。全橋電路由于存在零電壓的續(xù)流狀態(tài)，可以獲得更好的諧波控制，工作于倍頻方式時，橋臂電壓的頻率是開關(guān)頻率的兩倍[5]。橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對功率開關(guān)器件的耐壓要求相對較低，并有較高的功率輸出能力，因此通常采用全橋逆變拓?fù)鋪韺崿F(xiàn)較大功率輸出。

圖2 50 kW等離子體逆變器主電路

由于等離子體逆變器動態(tài)響應(yīng)速度快、控制性能好、工作電壓高、輸出功率大等特性，所以本設(shè)計采用全橋拓?fù)?；為進一步提高耐壓能力，變壓器二次側(cè)快速整流采用全橋整流模式。主電路如圖2所示，其中 VD1～VD4是快恢復(fù)二極管；RV*1～RV*6是壓敏電阻，為防止電壓過高時損壞元器件，起到一種保護作用；L1為輸出電抗，用于平滑濾波，降低瞬變電壓，減小直流電流上的紋波幅值。

2 控制電路設(shè)計

本控制電路主要包括PWM產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路、檢測電路、保護電路以及給定電路，以UC3846為控制核心，能夠?qū)崿F(xiàn)PWM信號的產(chǎn)生、輸出特性的控制以及故障檢測和保護等功能。

2.1 控制模式選擇

傳統(tǒng)的電壓型PWM控制模式只對輸出電壓進行采樣，并作為反饋信號以實現(xiàn)閉環(huán)控制，穩(wěn)定輸出電壓。由于僅用電壓采樣的方法穩(wěn)壓，穩(wěn)定性差，響應(yīng)速度慢，甚至在大信號變動時會產(chǎn)生振蕩，易損壞功率器件，在全橋和推挽等電路中引起變壓器偏磁化飽和而產(chǎn)生尖峰電流，最終導(dǎo)致線路工作失常[7-8]。針對電壓型PWM的缺點，本研究在電壓環(huán)的基礎(chǔ)上增加電流環(huán)，實現(xiàn)雙閉環(huán)控制。無論電流變化還是電壓變化，都會使PWM輸出脈沖的占空比發(fā)生變化。這種控制方式可在較大程度上改善系統(tǒng)的電壓調(diào)整率，提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2.2 PWM產(chǎn)生電路

本設(shè)計選擇UC3846集成控制芯片來產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，其脈沖產(chǎn)生電路如圖4所示。

圖4 PWM產(chǎn)生電路

圖4 中，由 C22、C23并聯(lián)和 R53、R54并聯(lián)組成構(gòu)成振蕩器，振蕩頻率為：

為了防止主電路中IGBT1和IGBT3同時導(dǎo)通，通常要設(shè)定功率開關(guān)管都關(guān)斷的時間，稱為死區(qū)間。死區(qū)時間的長短由振蕩器的下降沿決定，由式(1)可求出，該電路的死區(qū)時間為：

電容C21是為了實現(xiàn)軟啟動，當(dāng)UC3846引腳1的電壓小于0.5 V時無脈寬輸出。如圖4所示，引腳1經(jīng)電容C21到地，開機啟動后隨著對電容C21的充電，當(dāng)電容兩端電壓高于0.5 V時脈寬信號才會由引腳11及引腳14端輸出，并且隨著電容兩端電壓的逐漸升高，脈沖也逐漸變寬，從而完成軟啟動功能。

UC3846采用的是峰值電流控制模式，圖4中，電壓外環(huán)反饋信號輸入到引腳4，電流內(nèi)環(huán)反饋信號輸入到引腳5，電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)同時起作用調(diào)節(jié)PWM脈寬，如果內(nèi)環(huán)變壓器一次側(cè)出現(xiàn)過流，而外環(huán)電壓信號的輸出電感響應(yīng)速度比內(nèi)環(huán)慢，這個電流信號被霍爾傳感器檢測到后，經(jīng)過放大與外環(huán)電壓誤差放大信號比較，迅速調(diào)節(jié)PWM脈寬[9]。

2.3 峰值電流保護電路設(shè)計

峰值電流保護電路不僅直接關(guān)系到IGBT器件本身的工作特性和運行安全，而且影響到整個系統(tǒng)的性能和安全。它包括短路和過流保護兩種，控制回路誤動作或誤配線等都會造成逆變器上、下橋臂直通等短路事故。短路電流流過逆變器的開關(guān)器件，會使元件燒壞，必須在很短的時間內(nèi)封鎖PWM驅(qū)動信號輸出，使逆變器停止工作。

峰值電流保護電路如圖5所示，峰值電流信號來自電感線圈對主變壓器初級電流的采樣。當(dāng)主變壓器初級電流過流時，V1的基極為高電平，從而V1導(dǎo)通，集電極電位被拉低，三極管V3導(dǎo)通，其集電極輸出高電平，經(jīng)比較器U17比較后輸出高電平信號，此時過流指示燈亮，顯示故障。過流時，V1的基極為高電平，信號直接控制UC3846的引腳16（高電平保護，低電平工作），使UC3846控制芯片停止工作，關(guān)閉驅(qū)動電路，從而起到保護電路的目的。

2.4 驅(qū)動電路設(shè)計

圖5 峰值電流保護電路

驅(qū)動電路的作用是將UC3846輸出的PWM脈沖信號進行隔離和放大以驅(qū)動IGBT,從而保證其可靠地工作。如圖6所示，由UC3846產(chǎn)生的兩路PWM脈沖信號分別輸入到VF1、VF2和 VF3、VF4。VF1和VF3為P溝道功率場效應(yīng)管，VF2和VF4為N溝道功率場效應(yīng)管，分別構(gòu)成兩路推挽輸出電路，其輸出信號經(jīng)過脈沖變壓器產(chǎn)生四路IGBT驅(qū)動信號。脈沖變壓器同時也起到隔離作用，以其中一路為例說明，為了達到更好的驅(qū)動效果，在柵極電阻R89上再并聯(lián)一個電阻R90和二極管VD14的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并且在柵射極間并接電容C45，用以調(diào)節(jié)IGBT開關(guān)和關(guān)斷的驅(qū)動速度，有利于提高工作頻率，減少開關(guān)損耗。柵射電阻R97是為了防止當(dāng)IGBT關(guān)斷時，柵射電壓受IGBT和電路寄生參數(shù)的干擾影響而引起器件的誤導(dǎo)通[10]，起到一種保護作用。

圖6 IGBT驅(qū)動電路

3 實驗與結(jié)果分析

實驗條件：50 kW等離子體逆變器樣機、工業(yè)制冷機、三相可調(diào)變壓器、大功率模擬負(fù)載、等離子弧實驗平臺以及TDS2012B示波器。

3.1 驅(qū)動波形測試

PWM驅(qū)動波形測試結(jié)果如圖7所示，圖7a為空載時的PWM波形，由于此時的反饋電流信號為零，與給定電流信號比較后的偏差值最大，故此時的PWM波形占空比最大；接負(fù)載時，通過霍爾傳感器采集的電流信號反饋至控制板，與給定電流信號進行比較，調(diào)節(jié)PWM占空比的大小，圖7b為給定電流值最小時的驅(qū)動波形，此時的PWM占空比最小。所測驅(qū)動波形均有較陡的上升和下降沿，故功率開關(guān)管的開通和關(guān)斷速度較快。

3.2 主變二次側(cè)波形測試

主變壓器二次側(cè)波形如圖8所示。其中，圖8a為空載時電壓波形，反饋的電流信號為零，此時系統(tǒng)實際處于開環(huán)控制狀態(tài)，PWM占空比最大；圖8b為帶負(fù)載時的波形，此時系統(tǒng)處于閉環(huán)控制狀態(tài)，所測電壓波形的占空比隨給定電流值的變化而變化，確保恒流特性輸出。在輸出負(fù)載一定的情況下，當(dāng)給定電流為120 A時，輸出電流波形如圖8c所示，而圖8d為給定電流值300 A時的輸出電流波形。從圖中可以看出，但隨著給定電流的增大，主變二次側(cè)輸出電流幅值也變大，由于電流波形的變化周期始終相同，其上升沿與下降沿變陡。

圖7 PWM驅(qū)動波形測試結(jié)果

圖8 主變二次側(cè)波形測試結(jié)果

3.4 輸出電壓波形測試

圖9為空載時的輸出電壓波形。圖9a中，由于反向恢復(fù)效應(yīng)，在快恢復(fù)整流輸出之后的電壓波形存在著尖峰；通過輸出電抗器濾波吸收后，所測得的電壓波形趨于平滑直線，接近于理想直流輸出，見圖9b，此時的空載電壓約為320 V，達到設(shè)計要求。

3.5 等離子弧燃弧測試

圖10為等離子體逆變器樣機進行等離子弧燃弧實驗的測試結(jié)果。電極為直徑5 cm的碳棒，起弧平穩(wěn)，燃弧階段弧光強烈，等離子弧穩(wěn)定，基本達到預(yù)期效果。相比圖9b，圖10b的縱坐標(biāo)放大了2.5倍，可以清楚的看到燃弧過程的直流電壓波形變化規(guī)律，存在較明顯的、周期較一致的紋波電壓。

4 結(jié)論

本設(shè)計采用全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和雙閉環(huán)控制模式，通過兩路25 kW主電路模塊的并聯(lián)輸出，實現(xiàn)了50 kW級等離子體能量輸出；對所研制的樣機進行了性能測試和燃弧實驗，驗證了本設(shè)計的合理性、整機工作的安全性和可靠性。

[1]張 棟.嵌入式智能節(jié)點型等離子體逆變電源的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

[2]Wang Zhenmin，Huang Shisheng.A Novel300kWarc Plasma Inverter System Based on Hierarchical Controlled Building Block Structure[J].China Welding，2008，17（4）：5-8.

[3]屠 昕.用于危險廢棄物處理的直流等離子體射流特性研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[4]高玉峰，胡旭杰，陳 濤，等.開關(guān)電源模塊并聯(lián)均流系統(tǒng)的研究[J].電源技術(shù)，2011，35(2)：210-212.

[5]陶高周，張 慶，李永紅，等.主電路模塊化設(shè)計在大功率電源中的應(yīng)用[J].電源世界，2009(1)：41-43.

[6]Pivit E，Saxarra J.On Dual Control Pulse Width Modulated for Stable Operation of Switched Power Supplies[J].Wiss.Ber.AEG-Telefunken，1979，52(5)：243-249.

[7]徐德進，劉紀(jì)周，胡成綽.小型等離子弧切割電源研究[J].電焊機，2010，40(10)：49-51.

[8]夏 田，朱錦洪.峰值電流模式逆變焊機控制電路的設(shè)計[J].通訊電源技術(shù)，2004，21(1)：7-9.

[9]潘江洪，蘇建徽，杜雪芳.IGBT高壓大功率驅(qū)動和保護電路的應(yīng)用研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2005，8(11)：51-54.