交错并联降压斩波直流电流源储能控制系统及其控制方法

摘要

本发明涉及一种交错并联降压斩波直流电流源储能控制系统及其控制方法，所述系统包含有功率电路和控制电路，所述功率电路包含有降压电路和斩波电路；所述降压电路为一工频变压器，该工频变压器包包含一初级线圈和两个次级线圈，所述斩波电路包含有两组并联的BUCK电路，且两组BUCK电路分别与两个次级线圈相连。本发明交错并联降压斩波直流电流源储能控制系统及其控制方法，支持输出直流电流可达260A，电路简单、控制方便，同时具有输入功率因数高（0.96以上）、输出直流电流纹波低等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制系统及其控制方法，尤其是涉及一种交错并联降压斩波直流电流源储能控制系统，属于等离子切割领域与电力电子变换领域。

背景技术

机用等离子切割装置是由机械设备、电控设备、供气设备等组成，其中电控设备包括电源系统、数控系统、割炬系统和ECAN总线，电源系统又包括等离子切割电源、引弧箱、气控箱、冷却系统、管线等主要部分；

等离子切割电源是机用等离子切割装置的核心部件之一，按照发展历程，可以包括各式硅整流式电源、晶闸管整流式电源、逆变式电源、斩波式电源。其中，逆变式电源、斩波式电源是最具发展潜力的电源机种。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已经由130A、260A、400A、530A、650A、800、1000A，用于切割更厚的金属板材和管材，功率等级也由22kW超175kW方向增加。另一个方面，对金属工件切割的质量要求也越来越高。影响切割质量指标的因素有多种，包括割炬水平运动精度、割炬垂直运动精度、保护气与切割气的稳定度、切割电流的精度等等。仅就切割电流而言，等离子切割电源输出电流精度和响应速度是影响切割质量的重要指标，而这又与滤波电感感值、开关频率、线路阻抗、直流电源密切相关。其中，直流电源品质包括电压稳定度和纹波峰峰值以及纹波频率，如果这几项指标较差，切割电流的纹波就会较大，切割质量肯定较差。为此需要改进这些指标，目前常用手段为增加电解电容的容值，但是一味增加电解电容容值也会带来低频振荡和成本、体积过大问题，因此，大功率设计和输出电流精细化是交错并联降压斩波直流电流源储能控制系统必需面对和解决的问题；

为此，已有相关学者对此进行了深入的研讨：如“陈要玲”于2008年在“兰州理工大学”发表的硕士学位论文“IGBT逆变式等离子切割电源”；“何伟军”于2009年在“南京航空航天大学”发表的硕士学位论文“大功率空气等离子切割电源的设计与研究”；“伍健”于2010年在“南京航空航天大学”发表的硕士学位论文“等离子切割高性能电源系统的研究”； 前者属于逆变式等离子切割电源，功率等级难以提升；后二者只适用于输出直流电流低于130A以下的应用场合，功率等级不会超过30kW。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种交错并联降压斩波直流电流源储能控制系统，支持输出直流电流可达260A，电路简单、控制方便，同时具有输入功率因数高（0.96以上）、输出直流电流纹波低等优点。

本发明的目的是这样实现的：一种交错并联降压斩波直流电流源储能控制系统，所述系统包含有功率电路和控制电路；所述功率电路包含有降压电路和斩波电路；所述降压电路为一工频变压器，该工频变压器包含一个初级绕组和两个次级绕组，所述斩波电路包含有两组并联的BUCK电路，且两组BUCK电路分别与两个次级绕组相连，所述控制电路的四个输入端分别与两组BUCK电路中输出端的四个电感相连，所述控制电路的四个输出端分别与两组BUCK电路中的逆变电路相连。

本发明交错并联降压斩波直流电流源储能控制系统，所述功率电路包含有降压电路和斩波电路；

所述降压电路为一工频变压器，该工频变压器包含有一星形接线的初级线圈、一个星形接线的次级线圈和一个三角形接线的次级线圈， 

所述斩波电路包含有第一交错BUCK电路和第二交错BUCK电路；

所述第一交错BUCK电路包含有第一二极管不控三相整流桥，所述第一二极管不控三相整流桥的输入端与星形接线的次级线圈相连，所述第一二极管不控三相整流桥的正负输出端之间并联连接有第一电解电容、第一功率电阻以及第一IGBT逆变电路，所述第一IGBT逆变电路包含有第一IGBT和第二IGBT，所述第一IGBT的集电极和第二IGBT的集电极均与第一二极管不控三相整流桥的正极相连，第一IGBT的发射极和第二IGBT的发射极分别与第一二极管的负极和第二二极管的负极相连，第一二极管的正极和第二二极管的正极均与第一二极管不控三相整流桥的负极相连，且定义第一二极管不控三相整流桥的负极为节点B，所述第一IGBT的发射极和第二IGBT的发射极分别经第一电感和第二电感后接入节点A；

所述第二交错BUCK电路包含有第二二极管不控三相整流桥，所述第二二极管不控三相整流桥的输入端与星形接线的次级线圈相连，所述第二二极管不控三相整流桥的正负输出端之间并联连接有第二电解电容、第二功率电阻以及第二IGBT逆变电路，所述第二IGBT逆变电路包含有第三IGBT和第三IGBT，所述第三IGBT的集电极和第四IGBT的集电极均与第三二极管不控三相整流桥的正极相连，第三IGBT的发射极和第四IGBT的发射极分别与第三二极管的负极和第四二极管的负极相连，第三二极管的正极和第四二极管的正极均与第二二极管不控三相整流桥的负极相连后接入节点B，所述第三IGBT的发射极和第四IGBT的发射极分别经第三电感和第四电感后接入节点A。

本发明交错并联降压斩波直流电流源储能控制系统，所述星形接线的初级线圈输入380V的三相交流电源，星形接线的次级线圈和三角形接线的次级线圈的初相分别为0°和30°，输出电压均为220V。

本发明交错并联降压斩波直流电流源储能控制系统，所述系统还包含有割炬电路，所述割炬电路包含有工件和割炬，上述节点A与工件相连，上述节点B与割炬的负极相连。

本发明交错并联降压斩波直流电流源储能控制系统，所述控制电路包含有第一驱动输出电路、第二驱动输出电路、第三驱动电路和第四驱动电路；所述控制电路还包含有一对比信号单元，所述对比信号单元包含有电流给定单元和载波单元，所述电流给定单元的电流信号经除法单元除以4后再经第五平方单元获得对比电流信号，载波单元为用于发生给定载波信号的信号发生器；

所述第一驱动输出电路包含有获取第一电感的电流的第一霍尔电流检测单元，第一霍尔电流检测单元获取的电流信号经第一高频滤波单元和第一平方单元后输入至第一减法单元，上述对比电流信号输入第一减法单元，第一减法单元输出信号经第一电流内环单元后输入第一比较器，上述载波单元的载波信号输入第一比较器，第一比较器输出信号经第一驱动器后输出PWM驱动信号至第一IGBT的门极进行控制；

所述第二驱动输出电路包含有获取第二电感的电流的第二霍尔电流检测单元，第二霍尔电流检测单元获取的电流信号经第二高频滤波单元和第二平方单元后输入至第二减法单元，上述对比电流信号输入第二减法单元，第二减法单元输出信号经第二电流内环单元后输入第二比较器，上述载波单元的载波信号经第一移相单元后输入第二比较器，第二比较器输出信号经第二驱动器后输出PWM驱动信号至第二IGBT的门极进行控制；

所述第三驱动输出电路包含有获取第三电感的电流的第三霍尔电流检测单元，第三霍尔电流检测单元获取的电流信号经第三高频滤波单元和第三平方单元后输入至第三减法单元，上述对比电流信号输入第三减法单元，第三减法单元输出信号经第三电流内环单元后输入第三比较器，上述载波单元的载波信号经第二移相单元后输入第三比较器，第三比较器输出信号经第三驱动器后输出PWM驱动信号至第三IGBT的门极进行控制；

所述第四驱动输出电路包含有获取第四电感的电流的第四霍尔电流检测单元，第四霍尔电流检测单元获取的电流信号经第四高频滤波单元和第四平方单元后输入至第四减法单元，上述对比电流信号输入第四减法单元，第四减法单元输出信号经第四电流内环单元后输入第四比较器，上述载波单元的载波信号经第三移相单元后输入第四比较器，第四比较器输出信号经第四驱动器后输出PWM驱动信号至第四IGBT的门极进行控制。

本发明交错并联降压斩波直流电流源储能控制系统，上述第一移相单元、第二移相单元和第三移相单元的相移分别为2/4、1/4和3/4。

一种交错并联降压斩波直流电流源储能控制方法， 所述方法包含有以下步骤：

步骤一、通过互感器获取第一电感、第二电感、第三电感和第四电感上的电流信号；

步骤二、将上述四个电流信号分别经滤波电路和平方电路后输入四个减法器中；

步骤三、在进行步骤二的同时，将预定电流信号经除法电路和平方电路后分别输入步骤二中的四个减法器中；

步骤四、四个减法器的输出信号分别经电流内环控制器后输入四个比较器；

步骤五、在进行步骤四的同时，信号发生电路产生的信号分为四路，第一路信号直接进入第一个比较器，第二路、第三路和第四路信号分别经四个移相器移相后进入第二个、第三个和第四个比较器中；

步骤六、四个比较器输出信号经驱动器后输出的PWM信号分别输入第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT的门极进行控制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1）控制电路设计采用直接电感储能控制，增加了切割电流（即电感电流）的动态响应速度，此外，电流内环采用预测控制和重复控制策略，同时PWM调制时前后半个开关周期分别采用最新控制信号，由此增加了控制的实时性，改善了静态特性；（2）2组BUCK电路设计，便于实现模块化设计，可以均摊总功率，支持更大总功率，切割更厚的工件；（3）2组BUCK电路采用交错移相驱动方式，在公共平波电抗器作用下，获得更加精细的、纹波更低的切割电流，实现精密切割；（4）降压电路的设计，可以满足等离子切割的工作电源要求，同时次级绕组不同相位的设计有利于改善网侧功率因数，降低谐波电流的危害。 

附图说明

图1为本发明交错并联降压斩波直流电流源储能控制系统的电路图。

具体实施方式

参见图1，本发明涉及的一种交错并联降压斩波直流电流源储能控制系统，所述系统包含有功率电路和控制电路；

所述功率电路包含有降压电路21、斩波电路22和割炬电路23；

所述降压电路为一工频变压器，该工频变压器包含有一星形接线（Y接）的初级线圈、一个星形接线（Y接）的次级线圈和一个三角形接线（△接）的次级线圈，且星形接线的初级线圈输入380V的三相交流电源，星形接线的次级线圈和三角形接线的次级线圈的初相分别为0°和30°，输出电压均为220V；

所述斩波电路包含有第一交错BUCK电路和第二交错BUCK电路；

所述第一交错BUCK电路包含有第一二极管不控三相整流桥B1，所述第一二极管不控三相整流桥B1的输入端与星形接线的次级线圈相连，所述第一二极管不控三相整流桥B1的正负输出端之间并联连接有第一电解电容E1、第一功率电阻R1以及第一IGBT逆变电路，具体的讲：第一IGBT逆变电路包含有第一IGBTS1和第二IGBTS2，所述第一IGBTS1的集电极和第二IGBT S2的集电极均与第一二极管不控三相整流桥B1的正极相连，第一IGBTS1的发射极和第二IGBTS2的发射极分别与第一二极管D1的负极和第二二极管D2的负极相连，第一二极管D1的正极和第二二极管D2的正极均与第一二极管不控三相整流桥B1的负极相连，且定义第一二极管不控三相整流桥B1的负极为节点B，所述第一IGBTS1的发射极和第二IGBT S2的发射极分别经第一电感L1和第二电感L2后接入节点A；节点A对外输出——接入割炬电路；

所述第二交错BUCK电路包含有第二二极管不控三相整流桥B2，所述第二二极管不控三相整流桥B2的输入端与星形接线的次级线圈相连，所述第二二极管不控三相整流桥B2的正负输出端之间并联连接有第二电解电容E2、第二功率电阻R2以及第二IGBT逆变电路，具体的讲：第二IGBT逆变电路包含有第三IGBTS3和第三IGBTS4，所述第三IGBTS3的集电极和第四IGBT S4的集电极均与第三二极管不控三相整流桥B1的正极相连，第三IGBTS3的发射极和第四IGBTS4的发射极分别与第三二极管D3的负极和第四二极管D4的负极相连，第三二极管D3的正极和第四二极管D4的正极均与第二二极管不控三相整流桥B2的负极相连后接入节点B，所述第三IGBTS3的发射极和第四IGBTS4的发射极分别经第三电感L3和第四电感L4后接入节点A；节点A对外输出——接入割炬电路；

上述割炬电路包含有工件和割炬，上述节点A与工件相连，上述节点B与割炬的负极相连；

所述控制电路包含有第一驱动输出电路、第二驱动输出电路、第三驱动电路和第四驱动电路；所述控制电路还包含有一对比信号单元，所述对比信号单元包含有电流给定单元U1和载波单元U9，所述电流给定单元U1的电流信号经除法单元U2除以4后再经第五平方单元U3获得对比电流信号，载波单元U9用于发生给定载波信号；述载波单元U19为一信号发生器，够产生所需要的载波信号，包括锯齿波和三角波；

所述第一驱动输出电路包含有获取第一电感L1的电流的第一霍尔电流检测单元U4，第一霍尔电流检测单元U4获取的电流信号经第一高频滤波单元U5和第一平方单元U6后输入至第一减法单元U7，上述对比电流信号输入第一减法单元U7，第一减法单元U7输出信号经第一电流内环单元U8后输入第一比较器U10，上述载波单元U15的载波信号输入第一比较器U10，第一比较器U10输出信号经第一驱动器U11后输出PWM驱动信号至第一IGBTS1的门极进行控制；

所述第二驱动输出电路包含有获取第二电感L2的电流的第二霍尔电流检测单元U12，第二霍尔电流检测单元U12获取的电流信号经第二高频滤波单元U13和第二平方单元U14后输入至第二减法单元U15，上述对比电流信号输入第二减法单元U15，第二减法单元U15输出信号经第二电流内环单元U16后输入第二比较器U18，上述载波单元U15的载波信号经第一移相单元U17后输入第二比较器U18，第二比较器U18输出信号经第二驱动器U19后输出PWM驱动信号至第二IGBTS2的门极进行控制；

所述第三驱动输出电路包含有获取第三电感L3的电流的第三霍尔电流检测单元U20，第三霍尔电流检测单元U20获取的电流信号经第三高频滤波单元U21和第三平方单元U22后输入至第三减法单元U23，上述对比电流信号输入第三减法单元U23，第三减法单元U23输出信号经第三电流内环单元U24后输入第三比较器U26，上述载波单元U15的载波信号经第二移相单元U25后输入第三比较器U26，第三比较器U26输出信号经第三驱动器U27后输出PWM驱动信号至第三IGBTS3的门极进行控制；

所述第四驱动输出电路包含有获取第四电感L4的电流的第四霍尔电流检测单元U28，第四霍尔电流检测单元U28获取的电流信号经第四高频滤波单元U29和第四平方单元U30后输入至第四减法单元U31，上述对比电流信号输入第四减法单元U31，第四减法单元U31输出信号经第四电流内环单元U32后输入第四比较器U34，上述载波单元U15的载波信号经第三移相单元U33后输入第四比较器U34，第四比较器U34输出信号经第四驱动器U35后输出PWM驱动信号至第四IGBTS4的门极进行控制；

上述第一移相单元U17、第二移相单元U25和第三移相单元U33的相移分别为2/4、1/4和3/4；

本发明交错并联降压斩波直流电流源储能控制方法，所述方法包含有以下步骤：

步骤一、通过互感器获取第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和第四电感L4上的电流信号；

步骤二、将上述四个电流信号分别经滤波电路和平方电路后输入四个减法器中；

步骤三、在进行步骤二的同时，将预定电流信号经除法电路和平方电路后分别输入步骤二中的四个减法器中；

步骤四、四个减法器的输出信号分别经电流内环控制器后输入四个比较器；

步骤五、在进行步骤四的同时，信号发生电路产生的信号分为四路，第一路信号直接进入第一个比较器，第二路、第三路和第四路信号分别经四个移相器移相后进入第二个、第三个和第四个比较器中；

步骤六、四个比较器输出信号经驱动器后输出的PWM信号分别输入第一IGBTS1、第二IGBTS2、第三IGBTS3和第四IGBTS4的门极进行控制；

上述功率电路的工作原理为：

采用降压电路、斩波电路和割炬电路实现交错并联降压斩波直流电流源储能控制系统的全部功能，所述降压电路完成交流电压的降压和功率因数校正，斩波电路完成将两组三相交流电压转换为一路直流电流，割炬电路完成对工件的切割，具体的讲： 

所述降压电路，将一路三相交流电压380V，转换为两组隔离的三相交流电压220V，相差为30°，当后级斩波电路和割炬电路工作时，在网侧可以获得功率因数为0.96以上的输入电流波形；设置降压电路的次级绕组为两路三相交流电压220V的原因是：所得到的空载电压311V是适合割炬电路中等离子切割引弧和转移弧的，而且每组次级绕组和每一后级斩波电路中BUCK电路能够分摊1/2的总功率，便于斩波电路中BUCK电路的模块化设计；

所述斩波电路，包括两组交错BUCK电路，分别输入不同相位的三相交流电压220V，经过二极管不控三相整流桥后均得到空载电压311V，在后接直流－直流变换后，各自得到一路直流电流，两路直流电流汇合后经过公共平波电抗器的作用，得到一路合成直流电流，鉴于两路直流－直流变换时IGBT驱动脉冲采用三级交错结构，并采用交错移相PWM驱动方式，基本移相角度为90°，即错开1/4开关周期，使得合成直流电流的纹波电流更低，该电流通过工件和割炬中负极，实现精细切割；同时，由于每一交错BUCK电路中，由于采用三级交错结构，有效降低合成的纹波电流的幅值，可以获得比较好的切割质量；

对于上述控制电路进行分析：

（1）所述控制电路中，第一电感电流控制采用了新型直接电感储能控制，经过单元U1-U3运算，得到第一、第二、第三与第四电感总电流1/4的平方值；经过单元U4-U6运算，得到滤波后第一电感电流实测值的平方值；第七单元输入来自第三单元的总电流1/4的平方值与第一电感电流实测值的平方值，求差之后经由第八单元进行电流内环运算，可以采用现有PID调节算法或其它算法，第八单元将上述运算结果与来自第九单元的未移相载波相比较产生初始脉冲信号，经过第十单元驱动后得到第一驱动脉冲，用来驱动功率电路的降压电路中第一功率器件IGBT； 

（2）所述控制电路中，第二电感电流控制采用了新型直接电感储能控制。经过单元U1-U3运算，得到第一、第二、第三与第四电感总电流1/4的平方值。经过单元U12-U14运算，得到滤波后第二电感电流实测值的平方值。第十五单元输入来自第三单元的总电流1/4的平方值与第二电感电流实测值的平方值，求差之后经由第十六单元进行电流内环运算，可以采用现有PID调节算法或其它算法，第十六单元将上述运算结果与来自第十七单元的2/4移相载波相比较产生初始脉冲信号，经过第十八单元驱动后得到第二驱动脉冲，用来驱动功率电路的降压电路中第二功率器件IGBT； 

（3）所述控制电路中，第三电感电流控制采用了新型直接电感储能控制。经过单元U1-U3运算，得到第一、第二、第三与第四电感总电流1/4的平方值。经过单元U20-U24运算，得到滤波后第三电感电流实测值的平方值。第二十三单元输入来自第三单元的总电流1/4的平方值与第三电感电流实测值的平方值，求差之后经由第二十四单元进行电流内环运算，可以采用现有PID调节算法或其它算法，第十二十四单元将上述运算结果与来自第二十五单元的1/4移相载波相比较产生初始脉冲信号，经过第二十六单元驱动后得到第三驱动脉冲，用来驱动功率电路的降压电路中第三功率器件IGBT；

（4）所述控制电路中，第四电感电流控制采用了新型直接电感储能控制。经过单元U1-U3运算，得到第一、第二、第三与第四电感总电流1/4的平方值。经过单元U28-U32运算，得到滤波后第四电感电流实测值的平方值。第三十一单元输入来自第三单元的总电流1/4的平方值与第四电感电流实测值的平方值，求差之后经由第三十二单元进行电流内环运算，可以采用现有PID调节算法或其它算法，第十三十二单元将上述运算结果与来自第三十三单元的3/4移相载波相比较产生初始脉冲信号，经过第三十四单元驱动后得到第四驱动脉冲，用来驱动功率电路的降压电路中第四功率器件IGBT；

功率电路的降压电路，将一路三相交流电压380V，转换为2组隔离的三相交流电压220V，相差为30，当后级斩波电路和割炬电路工作时，在网侧可以获得功率因数为0.96以上的输入电流波形。设置降压电路的次级绕组为2路三相交流电压220V的原因是：所得到的空载电压311V是适合割炬电路中等离子切割引弧和转移弧的，而且每组次级绕组和每一后级斩波电路中BUCK电路能够分摊1/2的总功率，便于斩波电路中BUCK电路的模块化设计。

所述功率电路的斩波电路，包括2组BUCK电路，分别输入不同相位的三相交流电压220V，经过二极管不控三相整流桥后均得到空载电压311V，在后接直流－直流变换后，各自得到一路直流电流，两路直流电流汇合后得到一路合成直流电流，鉴于2路直流－直流变换时IGBT驱动脉冲采用交错移相PWM驱动方式，基本移相角度为90，即错开1/4开关周期，使得合成直流电流的纹波电流更低，该电流通过工件和割炬中负极，实现精细切割。同时，由于每一BUCK电路中，由于采用交错移相PWM驱动方式，有效降低合成的纹波电流的幅值，可以获得比较好的切割质量。1/4移相表示移相1/4开关周期，

所述功率电路的割炬电路，用来完成最终的金属板材的切割工作。

在上述具体实施例中：交流输入电压宽范围，380V±15%，工频50 ~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260A，输入功率为45kW。

IGBT斩波频率：20kHz； 

第一电解电容E1和第二电解电容E2：450V，2200F，由四只并联构成；

第一二极管不控三相整流桥B1和第二二极管不控三相整流桥B2：600V，300A/100℃；

平波电抗器：即第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4：2.2mH，130A，0.35mm，硅钢；

IGBT与反向快恢复二极管；即第一IGBTS1与第一二极管D1、第二IGBTS2与第二二极管D2、第三IGBTS3与第三二极管D3、第四IGBTS4与第四二极管D4： 600V，200AC/100，单桥臂IGBT模块；

第一功率电阻R1与第二功率电阻R2：50kΩ，5W；

降压变压器TR1（工频变压器）：380V/2x220V，50kVA。

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。