50kW级全数字逆变式等离子切割电源的研究

发布时间：2017-07-17 04:12

  本文关键词：50kW级全数字逆变式等离子切割电源的研究

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【摘要】：近年来,随着制造业规模的持续扩大,我国的钢材用量需求不断增长,2014年度的国内钢铁产量已超过11亿吨,其中应用于船舶、桥梁、压力容器等领域的中厚钢板产量已高达1.4亿吨,迫切需要优质、高效和低成本的中厚板热切割技术与装备。等离子弧切割的热变形小,切割速度快,能切割几乎所有材料,尤其是在中/厚板切割方面更具有成本和效率优势,具有广阔的应用前景。为了满足中厚钢板的热切割需求,对等离子切割电源的输出功率和控制性能提出了更高的要求。受到技术、材料和加工精度等因素的限制,目前国内外还非常缺乏200A级以上的大功率全数字逆变式等离子切割电源产品,对于大功率等离子切割电源技术的研究已迫在眉睫。在国家自然科学基金项目(项目编号:E51375173)、广东省战略性新兴产业核心技术攻关项目(项目编号:2012A032300007)以及广东省工业高新技术领域科技计划项目(项目编号:2013B010402007)的资助下,本文针对大功率等离子切割电源存在的问题,将高频逆变技术和高速数字控制技术相结合,设计开发了一种高效节能、性能良好的50k W级全数字逆变式等离子切割电源。论文首先分析了等离子切割电源的研究现状以及发展趋势;在此基础上,结合等离子弧理论及切割工艺要求,完成了50k W级全数字逆变式等离子切割电源样机的开发,整机主要包括主电路和控制电路两大部分。主电路由两路25k W的功率单元模块并联构成,采用全桥拓扑结构,选用IGBT作为逆变模块的功率开关管,并根据大功率切割电源的工作特性,完成了功率变压器和高压高频引弧电路模块的设计;控制电路以基于ARM Cortex-M4内核的STM32F405微处理器为控制核心,构建了包括MCU最小系统、IGBT驱动电路、电流给定电路、信号采样电路和故障保护电路等数字化控制系统的硬件平台;同时,根据电源工作流程及输出特性,设计开发了基于Free RTOS实时内核的数字化控制软件;为了确保电源工作更加安全可靠,在电源系统设计中加入了必要的硬件和软件抗干扰措施。利用研制的大功率等离子切割电源样机、功率负载以及电力质量分析仪、示波器、数字钳表等实验仪器构建了电源性能测试平台,对模拟负载下的整机性能进行了测试;最后,利用切割实验平台开展了较系统的切割工艺试验,并对不同的切割电流、切割速度、切割气压以及割炬高度等工艺参数情况下的切割效果进行了对比分析。结果表明,研制的50k W级全数字逆变式等离子切割电源具有良好的输出外特性和动态响应性能,整机性能优良、工作效率高、控制精确、切割质量好,进一步验证了本设计的可行性和正确性。
【关键词】：等离子切割电源 高频逆变 数字化控制 ARM Cortex-M4
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG483;TM464
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 课题研究背景及意义13-14
• 1.2 等离子切割原理及对电源的要求14-16
• 1.2.1 等离子切割概述14
• 1.2.2 等离子切割原理14-15
• 1.2.3 等离子切割对电源的要求15-16
• 1.3 等离子切割电源的研究现状及发展趋势16-21
• 1.3.1 等离子切割电源的发展历程16-19
• 1.3.2 国内外研究现状19-21
• 1.3.3 发展趋势21
• 1.4 课题研究的主要内容21-23
• 第二章 等离子切割电源的总体设计23-34
• 2.1 等离子切割电源性能指标设计23
• 2.2 等离子体电源整体结构设计23-25
• 2.3 功率电路的设计与状态分析25-32
• 2.3.1 拓扑结构选择25-26
• 2.3.2 工作原理分析26-28
• 2.3.3 软启动电路设计分析28-30
• 2.3.4 主变压器设计分析30-32
• 2.4 并联均流控制分析32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第三章 数字化控制系统的硬件设计34-51
• 3.1 控制系统的总体设计34-35
• 3.2 系统控制芯片的选择35-37
• 3.2.1 芯片内核的选择35-36
• 3.2.2 芯片外设的选择36-37
• 3.3 ARM Cortex-M4最小系统设计37-40
• 3.3.1 最小系统电源模块设计37-39
• 3.3.2 系统晶振模块设计39
• 3.3.3 系统复位模块设计39
• 3.3.4 系统JTAG接口设计39-40
• 3.4 外围控制电路设计40-50
• 3.4.1 供电电源电路设计40-41
• 3.4.2 PWM信号产生电路设计41-43
• 3.4.3 IGBT驱动电路设计43-44
• 3.4.4 线性A-D/D-A隔离转换电路设计44-45
• 3.4.5 电流给定电路设计45
• 3.4.6 反馈信号采样电路设计45-47
• 3.4.7 故障保护电路设计47-50
• 3.5 硬件电路抗干扰措施50
• 3.6 本章小结50-51
• 第四章 高频引弧电路的设计分析51-60
• 4.1 引弧电路的工作原理51-52
• 4.2 引弧电路数学模型分析52-54
• 4.3 振荡回路参数分析54-56
• 4.3.1 振荡放电衰减系数δ54-55
• 4.3.2 振荡放电频率f55
• 4.3.3 振荡放电电流电压幅值Im和Um55-56
• 4.4 引弧电路的设计56-59
• 4.4.1 工频升压变压器T1的设计56-58
• 4.4.2 高频耦合变压器T2的设计58
• 4.4.3 振荡电容C的选择58-59
• 4.4.4 火花放电器P及其间隙d59
• 4.5 本章小结59-60
• 第五章 数字化控制系统的软件设计60-73
• 5.1 软件开发环境60-62
• 5.1.1 开发软件RealView MDK介绍60
• 5.1.2 操作系统FreeRTOS介绍60-61
• 5.1.3 ST固件库介绍61-62
• 5.2 控制系统主程序设计62-64
• 5.3 PWM信号的产生64
• 5.4 模拟/数字转换（ADC）64-65
• 5.5 数字/模拟转换（DAC）65
• 5.6 中断服务程序设计65-66
• 5.7 数字均流程序设计66-67
• 5.8 数字PID控制策略选择67-71
• 5.8.1 模拟PID控制68-69
• 5.8.2 数字PID控制69-71
• 5.9 软件抗干扰措施71
• 5.10 本章小结71-73
• 第六章 等离子切割电源性能测试及实验分析73-89
• 6.1 实验平台及条件介绍73-74
• 6.2 整机波形测试74-77
• 6.2.1 驱动波形测试74-75
• 6.2.2 主变二次侧波形测试75-76
• 6.2.3 输出电压波形测试76-77
• 6.3 等离子切割电源性能测试77-79
• 6.3.1 均流效应与效率测试77-78
• 6.3.2 输出外特性测试78-79
• 6.3.3 动态响应特性测试79
• 6.4 等离子切割电源切割工艺实验79-88
• 6.4.1 切割电流的影响80-82
• 6.4.2 切割速度的影响82-84
• 6.4.3 切割气压的影响84-86
• 6.4.4 割炬高度的影响86-88
• 6.5 本章小结88-89
• 结论与展望89-91
• 参考文献91-98
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果98-99
• 致谢99-100
• 附件100

【参考文献】

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本文编号：551904