IGBT软开关逆变CO焊接电源与短路信号的小波检测研究

摘要

随着电力电子器件的飞速发展及专用的DSP出现，IGBT式逆变焊接电源逐渐成为焊接电源的主导产品，并向高效化，数字化方向发展。为克服硬开关的损耗大，感性关断电压尖峰大，容性开通电流尖峰大等问题，软开关技术的研究成为了热点，并将逐步应用于逆变焊接电源。将软开关逆变电源应用到CO<,2>气体保护焊，充分发挥逆变电源控制性好的优势，对CO<,2>焊熔滴短路过渡电流电压波形进行细微、严格控制，从而有望能使CO<,2>气体保护焊接飞溅大的问题得到有效的解决。精细控制就需要准确、可靠、及时检测出焊接过程中短路与缩颈信号。本课题正是在此背景下，提出并完成IGBT软开关逆变CO<,2>焊接电源主电路与短路信号的小波检测研究。 首先，本文从总体设计的角度，选择了FB-ZVSZCS-PWM电路作为软开关逆变CO<,2>焊接电源的主电路。通过对其工作机理的分析，根据CO<,2>焊接电源的技术要求，设计、选择了主电路中的功率元件。分析了可饱和电感(非线性电感)的工作机理，设计完成了测量饱和电感非线性实验。在上述基础之上，推导了实现软开关的边界条件。初步确定了变压器、IGBT、可饱和电感等核心元件的参数。 其次，应用MATLAB软件，构建了可变电感模型和主电路仿真模型，进行了主电路系统的仿真，修正了各个元件的设计参数，仿真结果实现了主电路的ZCSZVS。依据这些参数搭建主电路进行试验，根据实测的主电路超前臂和滞后臂上IGBT的驱动电压波形、集电极和发射极电压波形、滞后臂上的电流波形，说明主电路实现了ZVSZCS，。同时研究了主电路中主要元件的参数对主电路软开关工作过程的影响。 最后，针对目前波控CO<,2>气体保护焊中存在的无法准确、可靠、及时的检测到短路、缩颈信号的问题，采用基于DSP的小波分析方法来检测CO<,2>焊短路信号，以提高信号检测的准确性、可靠性和实时性。通过对小波分析算法的研究和采用MATLAB小波工具箱对实测CO<,2>焊接电弧电压信号的辅助设计，选择了对电弧电压信号进行小波分析的最优数字滤波器组，以此确定了实际焊接短路信号的小波检测算法。根据这一算法，应用DSP(TMS320LF2407)的软硬件资源编制了小波检测的程序。通过实验验证了该检测方法的准确性、可靠性和实时性。为实现焊接电压、电流波形的精细控制提供了前提条件。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1国内外逆变CO2焊接电源的发展与应用现状

1.1.1 CO2气体保护焊的特点与CO2焊接电源

1.1.2逆变电源的工作原理及其优点

1.1.3逆变CO2焊接电源的发展及趋势

1.1.4软开关技术及其在焊接电源中的应用

1.2计算机仿真技术在逆变焊接电源中的应用现状

1.2.1计算机仿真技术发展现状及其优点

1.2.2计算机仿真技术在逆变焊接电源中的应用

1.3 CO2焊存在的问题及解决途径

1.3.1溶滴过渡形式及飞溅产生的机理

1.3.2研究对策及解决方法

1.4本课题研究的主要内容

第二章软开关逆变CO2焊电源主电路工作过程分析

2.1软开关主电路拓扑结构的选择

2.1.1逆变电源控制模式

2.1.2两种软开关逆变电源主电路的比较

2.2 FB-ZVSZCS-PWM原边等效电路与工作机理分析

2.3 FB-ZVSZCS-PWM副边整流电路工作机理分析

2.3.1整流过程中二极管反向恢复对开关管的影响

2.3.2副边漏感对开关管的影响

2.4本章小节

第三章主电路核心部件的设计与参数选择

3.1中频变压器的设计

3.1.1变压器磁芯的选择

3.1.2变比的确定

3.1.3确定铁芯型号及尺寸

3.1.4原副边绕组设计

3.1.5线径的计算

3.1.6绕制方案

3.1.7漏感和分布电容的影响

3.2电力电子器件的选用

3.2.1开关管的选择

3.2.2 IGBT的主要参数与选型

3.2.3功率二极管的简介

3.2.4副边整流二极管的选择

3.3非线性电感的理论分析与可饱和电感的非线性测试实验设计

3.3.1非线性电感的工作机理

3.3.2可饱和电感非线性的实验设计与分析

3.3.3可饱和电感非线性测试实验

3.4实现双零软开关的边界条件及参数选择

3.4.1超前桥臂换流的三种状态

3.4.2零电压开通的条件及并联电容的选择

3.4.3零电流关断的条件

3.4.4可饱和电感的参数计算

3.4.5阻断电容的参数计算

3.5本章小节

第四章软开关逆变CO2焊接电源主电路的仿真设计

4.1 Matlab/simulink简介

4.2软开关仿真模型的建立

4.2.1可饱和电感模型的建立

4.2.2主电路仿真模型的建立

4.3软开关逆变主电路仿真分析

4.3.1驱动模块仿真分析

4.3.2主电路仿真结果及其分析

4.4本章小结

第五章软开关逆变CO2焊接电源主电路的实验与分析

5.1驱动电路的调试实验及其对主电路的影响

5.1.1驱动电路的设计

5.1.2驱动电路的调试实验及其对主电路的影响实验

5.2逆变主电路软开关实现

5.3副边整流形式对主电路的影响实验

5.4负载的变化对主电路开关状态的影响实验

5.5变压器漏感对软开关主电路的影响实验

5.5.1对电源工作状态的影响

5.5.2漏感对电源输出功率的影响

5.5.3漏感的减小方法

5.6本章小结

第六章小波分析

6.1小波变换理论

6.1.1小波变换的定义(wavelet transform，WT)

6.1.2小波分析处理过程

6.2离散序列小波变换

6.2.1离散小波变换

6.2.2多分辨率分析

6.3小波变换算法

6.3.1 mallat算法

6.3.2“多孔”算法(algorithm a'trous)

6.4信号的局部奇异性检测及其与模极大值的关系

6.5本章小节

第七章基于Matlab和DSP的焊接信号小波检测分析

7.1 Matlab小波分析

7.2短路与缩颈信号检测的小波算法

7.3小波处理DSP汇编程序的实现

7.3.1 DSP资源简介

7.3.2汇编语言实现思路

7.4本章小节

第八章短路信号小波检测及实验

8.1焊接信号的小波算法测试实验

8.2可行性实验

8.3弧压获取电路的设计及实验

8.4短路信号的小波检测结果

8.5本章小节

第九章结论与展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士期间发表论文