多相可控硅焊接电源数字化控制及电能质量研究

摘要

论文针对可控硅气体保护焊接电源相关技术的研究现状，以提高焊接电源系统可靠性、稳定性、工艺性为设计理念，提出了一种新型的可控硅焊接电源主电路形式—带平衡电抗器的十二相可控整流电路，研究采用数字化的控制技术实现焊接电源系统的精度相控。 论文研究的带平衡电抗器的十二相可控整流电路利用星形和三角形两种不同的接法，相差30°的三相全桥式六脉波整流电压经平衡电抗器并联输出，来获得一个十二脉波的整流电压，三角形连接的绕组与星形连接的绕组匝数比为√3：1，其电压矢量相隔30°。论文研究分析双反星形可控整流电路和十二相可控整流电路的工作情况，并通过傅立叶级数分解得到相应整流电路在控制角α=0时整流电压ud的形式。实验观察了()整流电路控制角α=30°和60°的整流输出电压波形，同时采用脉动()、纹波系数γω以及限制输出电流脉动时的电抗器电感Lm三个指标来评价，说明十二相整流电路的整流输出电压更平稳、脉动更小，完全适合于焊接电源主电路，并可以提高焊接工艺性能，并为焊接电源的研究提供了一个新的平台和尝试新的方向。 论文在分析了十二相焊接电源控制系统信号流的基础上，构建了基于DSP和CPLD联合控制的数字化十二相可控硅焊接电源系统结构。研制的数字化十二相焊接电源系统在高集成度数字化硬件平台上通过DSP和CPLD的软件编程实现可控硅焊接电源的数字控制，为焊接电源系统的数字化、信息化、柔性化、智能化控制提供了优质、可靠的技术基础。 论文设计了基于DSP和CPLD联合控制的十二相焊接电源功率可控硅数字触发电路，提出DSP软件编程实现可控硅移相时间控制和利用CPLD逻辑设计方法实现多路相控脉冲精度输出。DSP通过CAP单元捕获研究设计的与主变压器次级星形绕组同向的同步变压器次级输出端3组绕组相电压过零同步信号产生中断，然后DSP通过片上定时器移相，输出计数使能脉冲启动以CPLD中软件计数比较器工作，通过CPLDI/O口输出数字脉冲触发主电路功率可控硅，实现了DSP控制可控硅焊接电源主电路的数字触发，触发电路简单、可靠。通过软件编程控制触发脉冲移相时间的大小，控制精度可达0.2us、稳定性好，各路触发脉冲移相的一致性好，焊接电压输出稳定性高。 论文构建了基于LabVIEW虚拟仪器的焊接电源过程参数采集分析系统，并在此基础之上对十二相可控硅电源和双反星形电源短路过渡规范进行工艺对比实验，统计电弧稳定过程电信号参数，发现十二相电源在短路频率、燃弧功和短路功等有代表性的电弧稳定性特征方面要优于双反星形电源。对在相同焊接规范条件下十二相可控硅电源短路过渡频率高于双反星形电源的实验情况，以单位时间平均燃弧能量(即燃弧功率)为目标，探讨了可控硅电源波头能量，建立并分析了波形模型，同样时间内12脉波双波头能量要比6脉波单波头能量高出7﹪，12脉波单波头能量仅相当于6脉波单波头能量的一半。提出可控硅电源是通过波头一份份、不连续的能量施加方式，并且多相主电路的特点决定了能量施加的精细程度，从而影响燃弧能量的分布，最终反映在熔滴过渡的稳定性和短路频率的高低等方面，可控硅焊机整流脉波数目越多、越细密，对于熔滴过渡的稳定性越有益。综合工艺性和电源设备的控制复杂及稳定性，十二相可控硅焊接电源具有良好的电源稳定性和焊接工艺性能。 论文建立研究弧焊电源电能质量信号的软硬件平台，通过对谐波的理论分析和对可控整流功率因数影响因素：畸变系数和位移系数的分析，提出研究弧焊电源电能质量的方法，并在此基础之上对十二相焊接、双反星形焊机和逆变焊机进行了电阻箱负载以及焊接过程中电网输入信号采集分析试验。通过LabVIEW软件编程，分析了电网输入信号的幅频谱，计算对比了不同电源的电压电流畸变率THDI、THDU和波形畸变系数V以及对电网能耗损失相关的线损增加率。结果表明十二相可控硅焊接电源对电网污染小，具有绿色电源特征和良好的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：上海交通大学学位论文答辩决议书

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第一章绪论

第二章可控硅气保护焊电源主电路研究

第三章十二相可控硅焊接电源的数字控制

3.1十二相可控硅焊接电源的数字控制总体方案设计

3.2基于DSP和CPLD控制的十二相可控硅焊接电源数字触发研究

3.3本章小结

第四章十二相可控硅气保护焊电源短路过渡工艺性研究

4.1 CO2短路过渡焊焊接工艺特点

4.2短路过渡的过程分析

4.3十二相可控硅气保护焊接电源焊接过程分析

4.4可控硅电源波头能量探讨

4.5本章小结

第五章弧焊电源电能质量及对电网的影响

第六章论文结论和创新点

参考文献

攻读博士期间论文发表、科研业绩

发明专利申请及科研项目

致谢词