電流控制雙PWM焊接電源研究

摘 要：電網污染已經越發得引起人們的重視，隨著相關諧波限制標準的出臺和推廣應用，用逆變焊機進行功率因數校正進行抑制諧波已經成為發展潮流，所以本文從雙PWM焊接電源的工作原理出發，對構建其仿真模型及波形試驗進行了分析。

關鍵詞：電流控制；雙PWM焊接電源；研究

焊接電源的輸入電流若發生畸變則會帶來一系列的問題，比如降低設備自身功率因素，增加設備對電網配備容量的需求，致使電網容量浪費，同時也對電網造成了污染。雙PWM焊接電源具有將電網側電流正弦化、雙向能量流動、功率因素單位化等特點，因此將其用于焊接電源系統，可有效提高焊機可靠性，對實現電流的精細化控制意義重大。

1 雙PWM焊接電源工作原理

1.1 基本結構

雙PWM焊接電源的基本結構包括主電路和控制電路兩部分。若按照該系統的功能來劃分，則其可分成功率因數校正功能的前級和弧焊控制功能的后級兩個方面，其中前級的核心設備是整流器，同時配以相應的控制電路，而后級則是圍繞弧焊逆變器為核心設備，同樣配以相應的控制電路作為恒流源，即為雙PWM焊接電源的基本結構。當三項交流電經過整流后，電流便成為高壓直流，然后通過逆變器將高頻交流變壓器降壓，再經過整流濾波后變成平滑直流電以供焊接使用。所以，在這個過程中，對于焊接方法的選擇必須準確合理，因為很多焊接方法都會有金屬的熔滴過渡發生，而焊接電源與一般電源的負載性質不同，所以電源的輸出短路狀態是焊接電源的關鍵點，因此必須要求你變焊機有較為理想的短路電流控制功能。

1.2 直接電流控制策略

對于雙PWM焊接電源，前級的整流控制可采用兩相同步旋轉坐標體系下固定開關頻率對電流進行直接控制，而控制策略保持雙閉環控制策略不變，外環設為電壓環，內環則為電流環。與傳統的三相靜止坐標系下控制策略不同的是在電流內環中，網側電流信號要經過Park部分進行變換，而電壓外環PI調節器的輸出為有功電流參考值，其與有功電流的差值輸送到PI控制器。為達到網側電流正弦化、并實現單位功能的目的，將控制網側無功的電流值設定為零，所以，無功電流的參考值亦為零，待遇無功電流作差值后輸送到PI控制器。內環的PI控制器輸出要經過解耦計算，然后才能輸送到SVPW調制模塊中進行相應調制，再輸出固定開關頻率的脈沖信號，進而控制開關管的斷與通。

2 雙PWM焊接電源的仿真模型

在Matlab/Simulink模塊下搭建雙PWM焊接電源系統仿真模型，根據仿真分析得出，PWM整流器控制策略的選擇十分重要，它直接關乎焊接電源連入接入網點的電能質量，以及其應用效果，采用雙閉環控制將電流引入電流內環控制，是電壓外環的隨動系統，因此整個控制效果明顯。此外，為滿足焊接電源負載動態要求，在矢量的調制上，亦具有較低電流波紋的特點，所以可有效降低輸入電流諧波。研究證實，調整電壓環控制參數，可將脈沖負載調制中產生的輸入電流畸變控制在合理的范圍內，所以其效果不言而喻。

3 雙PWM焊接電源試驗波形分析

根據上述理論內容，可在其基礎上開發一臺3kw級的三相雙PWM焊接電源樣機。其中，該機的整流模塊選用7MB150N-120型智能型功率模塊，其控制芯片選用TMS320F2812型芯片，其具體的電氣參數如下，交流電壓設定為110u/V，濾波電感設定為4.4L/mH，直流電容設定為660C/μF，直流電壓設定為320u/V，空載電壓設定為70u/V，開關頻率設定為5Kf/Hz。

根據雙PWM焊接電源的設備選用，對其采用矢量調制的直接電流控制策略，通過中斷程序實現整流控制，具體步驟如下，即①DC中斷入口；②采樣信號調理；③電網電壓空間矢量角度計算；④調用電壓控制環子程序；⑤調用功率控制環子程序；⑥調用SVPMN調制程序；⑦差生PWM波；⑧中斷返回。

根據上述原理，對樣機進行試驗和測試以確保其可靠性，選用的測試設備為TEKTRONIX示波器和HIOKI電力質量分析儀。測試內容即樣機的穩態負載測試和脈沖負載試驗。靜態負載即輸出功率在恒定的情況下進行的測試，即采用電阻箱模擬負載進行的測試。經過對樣機的測試結果得出輸入電流諧波收到了較好的抑制作用。其實測功率因素達到了99.4%，而二級管整流的功率因數僅為63.9%。因此，可以說樣機達到了有效控制諧波抑制效果的目的，對功率因素的校正起到了控制作用。另外，在試驗中，鑒于階躍負載響應可有效反應樣機系統的動態響應性能，因此在試驗中使用焊錫絲來模擬焊條焊接時，必須仔細觀察樣機階的躍響應對動態負載的適應性程度。若樣機的動態響應較快，過度過程相較穩定，則表明樣機具有良好的動態響應性能，即可充分滿足負載變動的需求。本文的雙PWM焊接電源結構可有效抑制由電路結構造成的電流畸變，雖然脈沖負載所產生的電流畸變無法消除，但是影響明顯降低，測試結果與預期及仿真原理基本一致，其不僅有良好的功率因數校正效果，并且功率因素達到了99%以上，此外，其對于輸入電流諧波的有效抑制亦十分明顯，THDi可控制在15%左右。鑒于本雙PWM焊接電源的前級采用的全控器件，且附加的DSP控制部件，成本相對較高，但其降低電網污染和保證焊機的穩定性和可靠性是不容置疑的，尤其是大功率全控器件模塊化及專用DSP的生產，其成本必然會不斷下降，而雙PWM逆變焊接電源也自然得到廣泛的應用和良好的發展前景。

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