串聯(lián)預(yù)穩(wěn)壓并聯(lián)全橋逆變電路仿真

劉 嘉，郭子強，李云嶧

（北京工業(yè)大學(xué) 機械電子與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

串聯(lián)預(yù)穩(wěn)壓并聯(lián)全橋逆變電路仿真

劉 嘉，郭子強，李云嶧

（北京工業(yè)大學(xué) 機械電子與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

以逆變焊機為研究對象，為提高逆變焊接電源系統(tǒng)動態(tài)特性和控制精度，提出一種串聯(lián)Boost預(yù)穩(wěn)壓輸入，全橋逆變并聯(lián)輸出的逆變焊接電源主電路結(jié)構(gòu)。分析了電路系統(tǒng)的功率傳輸原理和工作模態(tài)，進(jìn)行了基于Matlab/Simulink的電路系統(tǒng)仿真設(shè)計，能更加直觀地分析了電路的動態(tài)特性，并與傳統(tǒng)的全橋逆變電路的仿真結(jié)果進(jìn)行了對比。

焊接電源；Boost預(yù)穩(wěn)壓；全橋逆變；Simulink仿真

0 前言

焊機的主要部分就是焊接電源，而焊接電源的性能決定了焊機的主要性能。從電源的角度看，焊機屬于一種二次電源，所謂二次電源就是將電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)換為工作負(fù)載所需的電壓、電流的電能轉(zhuǎn)換裝置。在電能轉(zhuǎn)換中有三種基本方法：變壓、整流和逆變[1]。一臺逆變焊機從交流電網(wǎng)到直流輸出經(jīng)歷過了AC-DC-AC-AC-DC四個步驟的變換過程，每一個環(huán)節(jié)對焊接工藝和焊接質(zhì)量都有著很大的影響?；『改孀冸娫词且环N采用3×380 V供電，經(jīng)全橋整流、電容濾波為540 V的直流電。傳統(tǒng)的全橋逆變電路由540 V直流輸入，兩個橋臂開關(guān)管交替工作，工作模式相當(dāng)于Buck降壓電路，再整流為低電壓、大電流的直流輸出。

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，多模塊串并聯(lián)組合集成系統(tǒng)成為研究熱點。串聯(lián)輸入、并聯(lián)輸出組合系統(tǒng)適用于較高輸入電壓、較大輸出電流的應(yīng)用場合，這種結(jié)構(gòu)可以保證在低電壓輸出條件下，使用高頻開關(guān)管，產(chǎn)生高功率密度和高轉(zhuǎn)換效率，另外，模塊化結(jié)構(gòu)有很強的冗余操作能力，使整個系統(tǒng)的可靠性得到提高[2]。輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)組合系統(tǒng)在高輸入電壓的電力機車、三相電壓輸入的功率因數(shù)校正技術(shù)等方面有許多應(yīng)用。逆變焊機作為一種典型的高電壓輸入、低電壓大電流輸出的電源系統(tǒng)，串聯(lián)輸入、并聯(lián)輸出組合系統(tǒng)有著非常理想的應(yīng)用前景。

本研究針對弧焊逆變焊接電源，提出前級串聯(lián)Boost預(yù)穩(wěn)壓輸入，后級全橋逆變電路并聯(lián)輸出的主電路結(jié)構(gòu)。三相交流電經(jīng)過全橋整流，串聯(lián)的兩個電容分壓輸入，經(jīng)輸出可調(diào)的Boost升壓拓?fù)溥M(jìn)行DCDC預(yù)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，由全橋逆變并聯(lián)輸出到負(fù)載。

1 串聯(lián)預(yù)穩(wěn)壓并聯(lián)全橋逆變電路的結(jié)構(gòu)和工作原理

串聯(lián)預(yù)穩(wěn)壓并聯(lián)全橋逆變電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由兩個相同的電容串聯(lián)作為輸入，兩個相同的帶有預(yù)穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)的全橋逆變電路并聯(lián)輸出。

圖1 串聯(lián)預(yù)穩(wěn)壓并聯(lián)全橋逆變主電路結(jié)構(gòu)

在研究弧焊逆變電源的動態(tài)特性以及進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計之前，首先必須建立電源系統(tǒng)的模型?；『改孀冸娫词且环N線性與非線性相結(jié)合的開關(guān)電源綜合系統(tǒng)，而開關(guān)電源中的開關(guān)管、二極管工作在通、斷兩個狀態(tài)，是一個強非線性系統(tǒng)，為簡單起見，使開關(guān)理想化[3]，同時，本研究建模分析的前提是電感電流連續(xù)（CCM）。由文獻(xiàn)[4]可知，全橋逆變電路的建模可以簡化為Buck電路的建模，如圖2所示，電路模型就可以描述為一級Boost和一級Buck串聯(lián)。

圖2 串聯(lián)Boost預(yù)穩(wěn)壓全橋逆變電路原理

通過對開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通與關(guān)斷的控制將功率斷續(xù)的加載在儲能元件上，改變儲能加載在負(fù)載上電流電壓的平均值，進(jìn)而改變電路輸出功率。為了方便表述，將開關(guān)管的通斷狀態(tài)用S1、S2的值（等于1或0）來表示。根據(jù)開關(guān)管S1、S2的通斷狀態(tài)，可以將串聯(lián)電路系統(tǒng)分為如下四個工作模態(tài)。

模態(tài)一，S1=0，S2=1（見圖3）。電路中有兩個回路，輸入電流經(jīng)過電感L1、電容C1構(gòu)成回路一，電源與L1、L2、C2和負(fù)載R構(gòu)成回路二。在此過程中L1釋放能量，C1、L2、C2儲存能量。

圖3 電路工作模態(tài)一

模態(tài)二，S1=0，S2=0（見圖4）。這時，回路一由電源與L1、C1構(gòu)成，L1釋放能量，C1儲存能量。L2、C2釋放能量，負(fù)載電流為L2與C2電流之和，并經(jīng)由二極管回流構(gòu)成回路。

圖4 電路工作模態(tài)二

模態(tài)三，S1=1，S2=1（見圖5）。S1短路，電源與電感L1構(gòu)成回路，L1電流迅速升高，獲得較大能量。此時，C1中能量得以釋放，為L2、C2和負(fù)載續(xù)流提供能量。

模態(tài)四，S1=1，S2=0（見圖6）。此時電路存在兩個小回路，電源為L1儲能提供能量，L2、C2釋放能量給負(fù)載，是負(fù)載電流連續(xù)。

圖5 電路工作模態(tài)三

圖6 電路工作模態(tài)四

2 Matlab/Simulink仿真模型建立

Matlab/Simulink提供了電源系統(tǒng)模塊（Power System Blockset），在Power System Blockset的子模塊庫中包括了電源系統(tǒng)仿真分析所需要的模塊，如電力電子子模塊（Power Electronics）中的IGBT、二極管，電源庫（Electronic Sources）包括各種直、交流電源，常用元器件可以在元件庫（Elements）中找到其圖形化模型[5]。這樣方便了Power System Blockset仿真。

電力電子仿真設(shè)計時，在電源系統(tǒng)子模塊集中選擇仿真所需要的模塊，直接拖動到Simulink模型文件中即可。串聯(lián)預(yù)穩(wěn)壓并聯(lián)全橋逆變電路Matlab/ Simulink主電路模型如圖7所示。

進(jìn)行仿真實驗時，電路模型中各元件參數(shù)設(shè)置如下：分壓電容C1=C2=100 μF，預(yù)穩(wěn)壓Boost電路電感Lp1=Cp2=60 μH，Boost拓?fù)漭敵龇€(wěn)壓電容Cvd1= Cvd2=100 μF，變壓器變比n=4.5，輸出濾波電感Le= 60 μH，電容Ce=100 pF。

圖7 Simulink仿真模型總體設(shè)計

對于電力電子技術(shù)的研究，Pspice、Saber、Orcad等仿真工具是使用最多，也非常專業(yè)。但是，它們本身在控制系統(tǒng)設(shè)計和仿真能力上有所欠缺或不具備這樣的能力，在控制系統(tǒng)設(shè)計中常常要求助于Matlab或者Simulink，并且還提供Matlab的接口模塊。目前Simulink集成了電源模塊集，還在控制系統(tǒng)的研究上優(yōu)于其他仿真軟件，所以選擇Matlab/Simulink，可以在統(tǒng)一的仿真環(huán)境中完成研究任務(wù)。

系統(tǒng)中預(yù)穩(wěn)壓電路和全橋逆變電路分別獨立采用PI閉環(huán)控制，其控制器結(jié)構(gòu)如圖8、圖9所示。

圖8 Boost預(yù)穩(wěn)壓電路PI控制器模型

圖9 全橋逆變電路PI控制器模型

在仿真研究中，開關(guān)頻率設(shè)置為20 kHz，PI補償控制器的參數(shù)設(shè)置采用Simulink優(yōu)化后推薦值，可以表示為

另外，全橋逆變電路并聯(lián)輸出使用兩個同步的PWM發(fā)生器，分別控制逆變橋兩個橋臂的運行狀態(tài)，并使兩個控制器的PWM基波信號相差半個周期，以保證逆變器兩個橋臂交錯運行。

3 仿真設(shè)計和結(jié)果分析

本研究以CO2氣體保護(hù)焊工藝為例，在仿真實驗中分析電路的動態(tài)性能，主要分析了串聯(lián)預(yù)穩(wěn)壓并聯(lián)全橋電路系統(tǒng)在恒流控制下短路過渡和電流跳變過程中電流響應(yīng)曲線。并在同條件下與傳統(tǒng)的全橋逆變電路的進(jìn)行電路動態(tài)特性對比研究。電源的動態(tài)特性是指：當(dāng)負(fù)載狀態(tài)發(fā)生變化時，弧焊電源輸出電流和輸出電壓與時間的關(guān)系，用以表征電源對負(fù)載變化的反應(yīng)能力，簡稱動特性[6]。

CO2焊負(fù)載曲線可以用經(jīng)驗公式來表示[7]

選擇電流100 A、電壓19 V的焊接短路和給定輸出電流跳變兩種情況進(jìn)行研究。電流100 A、電壓19 V時，焊接電源的輸出回路的等效電阻為0.19 Ω，短路時假設(shè)焊接電弧的等效電阻為0.04 Ω。

具體方案為：

（1）在電流給定為100 A的條件下，初始狀態(tài)的負(fù)載R=0.19 Ω，t=6 ms時，階躍信號源step輸出跳變信號1。這時理想開關(guān)Sw閉合，負(fù)載R1=0.04 Ω并聯(lián)到輸出回路，使等效負(fù)載變成0.033 Ω。

圖10為輸出恒流控制下焊接短路時電流變化波形，同樣圖形上方波形為帶有串聯(lián)預(yù)穩(wěn)壓電路的輸出電流波形。顯然，串聯(lián)預(yù)穩(wěn)壓并聯(lián)全橋逆變電路系統(tǒng)過渡過程更加理想，沒有出現(xiàn)電流尖峰，調(diào)整時間可以忽略。

圖10 100 A恒流條件下負(fù)載由0.19～0.33 Ω電流波形放對比

（2）當(dāng)負(fù)載R=0.19條件下，電流給定值由100 A跳變到200 A，觀察輸出電流的響應(yīng)曲線。

圖11為輸出電流由100～200 A跳變過渡電流波形對比，圖11a是帶有串聯(lián)預(yù)穩(wěn)壓電路的電流輸出波形，圖11b是傳統(tǒng)全橋逆變電路電流輸出波形。圖中帶有串聯(lián)預(yù)穩(wěn)壓電路系統(tǒng)過渡調(diào)整時間小于0.3ms，僅為傳統(tǒng)全橋逆變電路系統(tǒng)的一半，且超調(diào)量更小。

（3）給定電流100 A，負(fù)載R=0.19 Ω，觀察電流紋波情況。

圖11 負(fù)載為0.19 Ω，電流100～200 A跳變時電流波形比較

圖12b為傳統(tǒng)全橋逆變電路輸出電壓有明顯的跟隨逆變器輸入電壓脈動的紋波，圖12a串聯(lián)預(yù)穩(wěn)壓的全橋逆變系統(tǒng)輸出電流波形平滑，且紋波比例更小，約為傳統(tǒng)全橋逆變系統(tǒng)的2/3。

4 結(jié)論

設(shè)計了一種串聯(lián)預(yù)穩(wěn)壓輸入、并聯(lián)全橋逆變輸出的模塊化集成電路系統(tǒng)，通過平均連續(xù)法建立電路系統(tǒng)模型，分析了串聯(lián)預(yù)穩(wěn)壓并聯(lián)全橋逆變電路的原理，介紹了電路系統(tǒng)的各個工作運行模態(tài)下功率的傳輸回路。

建立了Matlab/Simulink平臺下的仿真模型，設(shè)計仿真實驗觀察系統(tǒng)輸出的動態(tài)特性，并對實驗結(jié)果與傳統(tǒng)的全橋逆變電路進(jìn)行對比分析。仿真實驗結(jié)果表明：串聯(lián)預(yù)穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)能明顯改善電源系統(tǒng)的動態(tài)特性，并消除了輸入電壓的脈動紋波對輸出電流的影響，減小了紋波。

圖12 負(fù)載0.19 Ω，輸出100 A穩(wěn)定時電流紋波比較

[1]中國焊接協(xié)會焊接設(shè)備分會.逆變焊機選用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：1-2.

[2]Deshang Sha，Zhiqiang Guo，XiaoZhong Liao.Cross-FeedbackOutput-Current-Sharing Control for Input-Series-Out-Parallel Modular DC-DC Converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010（25）：2762-2769.

[3]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：210-220.

[4]劉嘉.弧焊逆變電源的數(shù)字化控制[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2012.

[5]黃忠霖.電工學(xué)的Matlab實踐[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010：140-175.

[6]中國機械工程協(xié)會焊接分會.焊接詞典[M].北京：機械工程出版社，1997.

[7]殷樹言.氣體保護(hù)焊工藝基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：279-282.

Simulation of series voltage regulator parallel full bridge inverter circuit

LIU Jia，GUO Ziqiang，LI Yunyi
（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

This article focuses on inverter welder，in order to improve the dynamic characteristics and control accuracy of the inverter welding power system，the main circuit structure of the power supply system that the Boost voltage pre-regulator in series at input and the full bridge inverter in parallel at output is proposed.Analyzes the transmission principle and working modes of the power system，designs the circuit simulation system based on Matlab/Simulink presenting the dynamic characteristics intuitively，and compares the simulation results of the new system and traditional full bridge inverter system.

welding power supply；voltage regulator；full bridge inverter；Simulink simulation

TG434.1

：A

：1001-2303（2015）10-0001-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.01

2015-04-16；

：2015-05-20

國家自然科學(xué)基金資助項目（51375022）

劉 嘉（1969—），男，吉林省吉林人，博士，主要從事數(shù)字控制弧焊逆變電源研究工作。