王昭暉，姚辰，張寧云，楊喜軍，唐厚君

(上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

0 引言

金屬切割包括熱切割和冷切割，熱切割包括火焰切割機(jī)、等離子切割機(jī)和激光切割機(jī)，等離子切割機(jī)目前已經(jīng)處于精細(xì)型、高精細(xì)型等離子切割加工時(shí)代，切割截面斜口在2度以內(nèi)，以美國(guó)Hypertherm HPR260［1］、伊薩EPP-200為代表。等離子切割機(jī)電源部分歷經(jīng)三次技術(shù)革新:硅整流式直流電源、晶閘管整流式直流電源、逆變式(20 kW以下)［2］與 BUCK(20 kW以上)DCDC直流電源［3-4］，其中逆變式與BUCK DC-DC直流電源產(chǎn)生的切割質(zhì)量最好，綜合效果最佳，是目前發(fā)展的主流，適合輸出直流電流130 A→260 A→400 A…→1 000 A，輸出功率等級(jí)由22 kW→175 kW。

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種基于兩級(jí)BUCK變換器輸出并聯(lián)、支持輸出直流電流260 A的等離子切割機(jī)電源并給出實(shí)測(cè)結(jié)果。

1 電路拓?fù)渑c工作原理

1.1 電氣要求

等離子切割機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示，其中直流電流源功率電路以及控制策略決定著切割電流的品質(zhì)。

等離子切割電源為直流電壓-直流電流的DC-DC變換器。等離子切割原理是:利用高溫等離子電弧的熱量使工件切口處的金屬部分或局部熔化(和蒸發(fā))，并借高速等離子的動(dòng)量排除熔

圖1 等離子切割機(jī)系統(tǒng)框圖

融金屬以形成切口［5］。

以260 A輸出直流電流的等離子切割電源為例，電氣參數(shù)如下:

輸入交流電壓:三相(380±15%)V;

輸出直流電流:260 A;

輸出空載電壓:310 V;

工作電壓:150 V～170 V，需要采用降壓變壓器(V/VV):380 V/220 V，聯(lián)結(jié)組別:Y/Y△;

額定功率因數(shù):不低于0.92;

持續(xù)工作率(45.5 kW，40℃):100%;

電磁兼容:EN61000-2-2/12。

等離子切割電源的輸出伏安特性呈現(xiàn)出明顯的下垂特性，如圖2所示，在設(shè)定切割電流附近，輸出電壓相對(duì)輸出電流的變化率非常大，表現(xiàn)出明顯的直流電流源特性。

圖2 等離子切割電源輸出伏安特性

1.2 電路拓?fù)?/h3>

支持大功率和高品質(zhì)輸出電流的DC-DC變換器首選方案是:獨(dú)立電壓供電、輸出并聯(lián)、多級(jí)交錯(cuò)和交錯(cuò)驅(qū)動(dòng)［6-7］。其中，逆變式等離子切割電源的功率電路如圖3所示，支持小功率輸出。BUCK等離子切割電源的功率電路如圖4所示，支持大功率輸出［8］。

圖3 逆變式等離子切割電源的功率電路

圖4 BUCK等離子切割電源的功率電路

在圖4中，“1”代表第一級(jí)BUCK變換器，輸入直流電壓ui1，輸出直流電流iL1?！?”代表第二級(jí)BUCK變換器，輸入直流電壓ui2，輸出直流電流 iL2。

在圖3和圖4中，iL1與iL2合成輸出切割電流io，根據(jù)切割工件種類和厚度，在幾十安培到260 A連續(xù)可調(diào)。“3”代表降壓變壓器?！?”代表切割工件和割炬以及引弧裝置。

1.3 控制策略

BUCK等離子切割電源的控制任務(wù)是直接控制輸出電流(切割電流)，閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示，其特點(diǎn)是:每級(jí)BUCK變換器獨(dú)立控制，控制器為變速PI調(diào)節(jié)器，控制器的輸入為電感電流給定值與采樣值之差，當(dāng)總給定電流大于130 A時(shí)，每級(jí)給定值為總給定電流的1/2，有利于兩級(jí)變換器之間均流。當(dāng)總給定電流小于130 A時(shí)，啟動(dòng)其中一級(jí)BUCK變換器，做到一備一用，兩級(jí)輪流使用。采用載波移相驅(qū)動(dòng)技術(shù)，有利于均流和改善電流紋波。

變速PI調(diào)節(jié)器的原理是:積分系數(shù)和比例系數(shù)為輸入偏差的函數(shù)。比例系數(shù)關(guān)系:偏差大時(shí)，比例系數(shù)較大，可以加速響應(yīng);偏差小時(shí)，比例系數(shù)較小，有利于穩(wěn)定。積分系數(shù)關(guān)系:偏差大時(shí)，降低積分系數(shù);偏差小時(shí)，增大積分系數(shù)，可以防止積分飽和［9］。

以變速積分系數(shù)為例，設(shè)定 f［e(k)］為 e(k)的函數(shù)，當(dāng)增加時(shí)，f［e(k)］減少，反之增加。f［e(k)］與之間可以為線性關(guān)系或非線性關(guān)系，可以設(shè)定為:

f［e(k)］的取值范圍為［0，1］之間變化，積分速度在T 與(i)T之間變化?？紤]比例系數(shù)為e(k)的函數(shù)，則變速積分PI算法為:

圖5 BUCK等離子切割電源的控制結(jié)構(gòu)之一

BUCK等離子切割電源控制系統(tǒng)還可以采用圖6和圖7所示閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是:兩級(jí)BUCK變換器統(tǒng)一控制，得到總控制量，控制器為變速PI調(diào)節(jié)器。圖6增加了均流環(huán)節(jié)，對(duì)兩級(jí)BUCK變換器輸出電流的差進(jìn)行變速PI調(diào)節(jié)器，得到糾偏量，總控制量與糾偏量進(jìn)行加減法得到每級(jí)BUCK變換器最終控制量。

圖7增加了自動(dòng)均流環(huán)節(jié)，控制量乘以移相后的兩路載波后，與各自輸出電流相比較，得到脈沖上升沿，置位RS觸發(fā)器，與載波同步的窄脈沖信號(hào)復(fù)位RS觸發(fā)器，RS觸發(fā)器輸出脈沖信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的斬波開關(guān)。

圖6 BUCK等離子切割電源的控制結(jié)構(gòu)之二

圖7 BUCK等離子切割電源的控制結(jié)構(gòu)之三

2 仿真分析

根據(jù)圖4的功率電路和圖5、6、7的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，利用MATLAB/Simulink建立了BUCK等離子切割電源的仿真電路進(jìn)行仿真分析。輸出切割電流260 A時(shí)的仿真電路參數(shù):三相輸入交流電壓380 V，三相降壓變壓器380 V/220 V，每級(jí)BUCK變換器最大輸出直流電流130 A，整體最大輸出直流電流260 A，輸出直流電壓150 V，紋波電流峰峰值不大于10 A，開關(guān)頻率10 kHz，平波電感130 A/2 mH，網(wǎng)側(cè)交流電感為0.5 mH，網(wǎng)側(cè)交流電容為2.2 μF，整流濾波電解電容為 4 ×6 800 μF/450 V。等離子切割機(jī)要求上電結(jié)束后啟動(dòng)DC-DC變換器，因此仿真時(shí)可以為電解電容預(yù)置初值311 V。

當(dāng)輸出直流電流為260 A時(shí)，輸出直流電壓與電流的仿真波形如圖8所示，每級(jí)BUCK變換器輸出電流的仿真波形如圖9所示。每級(jí)輸出電流平均值相等，各級(jí)紋波峰峰值不大于7 A，總輸出電流紋波峰峰值僅為1 A左右，電流響應(yīng)時(shí)間為1.2 ms。網(wǎng)側(cè)交流電壓與電流的仿真波形如圖10所示，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1。

圖8 等離子切割電源輸出直流電壓與電流的仿真波形

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖9 等離子切割電源每級(jí)輸出電流的仿真波形

圖10 等離子切割電源網(wǎng)側(cè)交流電壓與電流的仿真波形

根據(jù)圖4成功開發(fā)出全數(shù)字等離子切割機(jī)電源系統(tǒng)，進(jìn)入了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)階段。等離子切割機(jī)電源部分的實(shí)測(cè)設(shè)計(jì)參數(shù)與仿真參數(shù)基本相同，功率電路采用模塊化設(shè)計(jì)，便于拆卸，單橋臂IGBT功率模塊的型號(hào)SKM300GB063D，驅(qū)動(dòng)器采用HCPL-316J，控制器采用 F28335。開關(guān)頻率為10 kHz，采用每隔半個(gè)開關(guān)周期更新一次數(shù)據(jù)的PWM發(fā)生方法。

當(dāng)輸出直流電流260 A時(shí)，輸出電流紋波峰峰值不大于5 A，電流靜差小于2 A。

圖11 等離子切割電源部分電路

4 結(jié)束語

采用獨(dú)立輸入電壓、輸出并聯(lián)的兩級(jí)BUCK DC-DC直流電流變換器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了輸出直流電流260 A、輸出電壓150 V～170 V、輸入功率45 kW的等離子切割機(jī)電源裝置，設(shè)計(jì)了三種有效的控制策略，在給出仿真分析結(jié)果后，給出了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形，顯示出等離子切割機(jī)電源具有電流精度高、穩(wěn)定度好、可靠性高、支持功率等級(jí)大等優(yōu)點(diǎn)。

［1］HPR260XD Man Gas IM(806349)修訂版本1［K］.Hypertherm，2009.

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［3］何偉軍.大功率空氣等離子切割機(jī)電源的設(shè)計(jì)與研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2009.

［4］伍健.等離子切割高性能電源系統(tǒng)的研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2010.

［5］朱征宇.雙層渦旋氣流等離子弧切割工藝及機(jī)理研究［D］.江蘇:江蘇科技大學(xué)，2008.

［6］薛雅麗，李斌，阮新波.BUCK三電平變換器［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，18(3):43-45.

［7］薛雅麗，阮新波.輸入輸出共地的BUCK三電平變換器［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36(3):364-367.

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