基于DSP与FPGA的钢轨电子束焊电源系统的研究
发布时间：2021-04-07 16:28
钢轨焊接作为铺设无缝线路的重要环节,其焊接质量是铁路行车安全的保障。国内外现有焊接方式以趋于成熟,但在道岔焊接中仍存在不足,故有必要在钢轨焊接领域引进新的焊接技术及方法,电子束焊以高能量、高效率等优点在航天航空领域得到广泛应用,且国外已有公司已成功开展钢轨电子束焊的研究。因此,研究总结国内外电子束焊关键技术高压电源的发展及现状,提高电子束焊高压电源的稳定性、高效性及智能化控制,有助于其在钢轨焊接领域得到极其重要的工程推广。本文研究设计一套基于DSP+FPGA控制的全桥LLC谐振逆变式新型电子束焊用高压电源系统,主要包含了主电路和控制电路两部分。主电路由低压逆变调压,高压升压及硅堆整流电路组成。低压逆变调压电路将380V三相交流经整流滤波、BUCK调压以及全桥逆变后,输出频率可调,电压可调的交流电,此交流方波电压再经LLC谐振电路输入到放置在油箱内的高频高压变压器;高压升压及硅堆整流电路将低压交流电压升压后,再经高压硅堆整流滤波电路,最终输出DC60kV高压加载到电子枪。文中对主电路中的主要元器件进行了参数计算和选型,并在Simulink平台上搭建仿真模型对其进行了模拟仿真,仿真结果表明...
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高频
基于DSP与FPGA的钢轨电子束焊电源系统的研究-14-（6）高频高压输出电路的选择本文所设计的电子束焊高压电源系统高压输出电路由两部分组成，第一部分为高频高压变压器，如图2.2所示的TR。第二部分如图2.2所示。由DG1-DG4以及电容CG1组成高高压硅堆整流滤波电路，其实物如图2.6所示。变压器匝数比为1:134，高压硅堆选用型号为2CL71A高压整流二极管，滤波电容两个参数为50KV2000PF陶瓷电容串联。图2.6高频高压变压器2.3LLC谐振变换器LLC谐振变换器作为一种比较理想的谐振变换器拓扑结构，谐振回路电流随负载轻重而变化，在空载时，对滤波电容的电流脉动要求校但电路特性比传统的串联LC谐振复杂[33]。为满足电子束焊高压电源的技术参数要求及控制要求，须对LLC变换器的工作机理、工作特性进行分析，进而选择合理的器件参数。全桥LLC谐振变换器与传统的串联谐振变换器相比，谐振变换器中的励磁电感Lm是一个有限的值，会参与谐振变换过程中，此时LLC谐振变换器就具有fr和fm两个谐振频率[34]。这样会导致逆变输出的电压频率可在不同频率范围工作，本文定义LC谐振电路的本征谐振频率为：12πrrrfLC（2.13）LLC谐振电路的本征谐振频率为：12π()mrmrfLLC（2.14）
基于DSP与FPGA的钢轨电子束焊电源系统的研究-16-2.3.2LLC谐振电路工作区域分析全桥LLC谐振变换器是工作状态由于输入阻抗的性质不同有ZVS(零电压开通)状态与ZCS(零电流关断)两种工作状态，变换器输入阻抗为感性及容性时对应的变换器主开关的状态图，如图2.8所示。CB1Q1Q2Q4Q3D11D12D14D13C11C12C13C14+-Vin+-VsirZin图2.8LLC谐振变换器工作状态由图2.8可见，谐振网络的等效输入阻抗为感性时，其输入电流相位滞后于输入电压的相位，换言之在开关管的导通信号来之前，其寄生二极管已经处于导通状态，使得开关管两端的电压钳位在零，如此便可实现开关管的零电压开通；当谐振网络的等效输入阻抗为容性时，输入电流的相位超前于输入电压，当开关管关断驱动信号到来时，其寄生二极管未能导通，导致开关管两端的电压不为零，但当驱动信号结束后，此时开关管中流过的电流变为零，故可实现开关管的零电流关断。本系统所选用的功率开关管为IGBT，在硬开关导通关断下，在栅极加反向关断电压的可减少其关断损耗，但不能降低开通损耗。因此调整开关管的开关频率，使得谐振网路的等效输入阻抗为感性阻抗，便可实现变换器的零电压开通，从而减小开关管损耗，提高变换器效率。故开关管的频率应在mrfff频率段内进行调节，从而稳定电子束焊高压电源的输出。2.3.3LLC谐振电路参数计算及器件选型（1）谐振电容Cr选取谐振电容Cr时，先对它承受的峰值电压的值做近似的估算。当全桥LLC谐振变换器输出为空载时，可近似谐振电容两端电压为Vcr=nVo；当负载电流为Io时，充电电流为变压器原边电流Io/n，谐振电容上电压在半个周期内的变化量△Vcr的表达式为：max22os.crcrmrITVVnC（2.20）
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于DSP+FPGA的高速数据采集系统的设计[J]. 崔琪,顾金良,刘庆国,罗红娥,夏言. 国外电子测量技术. 2020(01)
[2]多核DSP与FPGA高速数据传输系统设计与实现[J]. 陈术涛,沈志,王春联,胡奇. 电子技术应用. 2018(12)
[3]钢轨电弧焊工艺的研究[J]. 程志东. 山东工业技术. 2017(11)
[4]基于LC谐振变换器的电子束焊机高压电源[J]. 车军,王保民,马胧,刘潇潇. 电焊机. 2017(04)
[5]关于电子束焊机高压电源稳定性设计[J]. 莫金海,乔艳平,李威,林明标. 计算机仿真. 2016(06)
[6]无缝线路钢轨电子束焊接研究现状分析[J]. 刘潇潇,车军,任牟华,王保民. 焊接技术. 2015(06)
[7]150kV/30kW逆变式电子束焊接高压电源设计[J]. 张伟,杜慧聪,齐铂金,许海鹰. 北京航空航天大学学报. 2014(11)
[8]基于双DSP-FPGA架构的城轨列车电力牵引控制系统[J]. 刁利军,董侃,赵雷廷,王磊,陈杰. 电工技术学报. 2014(01)
[9]国内钢轨焊接的现状及发展趋势[J]. 车军,郑韶先,苏程. 焊接. 2011 (10)
[10]电子束焊接在航空航天工业中的应用[J]. 陈国庆,张秉刚,冯吉才,孙毅. 航空制造技术. 2011(11)
博士论文
[1]高能束原位合成碳化铬表面复合层及其耐磨性能[D]. 陆斌锋.上海交通大学 2010
硕士论文
[1]高压隔离开关操作引起的接地网电位差干扰信号滤波算法研究[D]. 黄嘉宇.东南大学 2018
[2]高能电子束中高压开关电源的研究[D]. 孙军.重庆理工大学 2018
[3]过金属壁超声无线通信关键技术研究[D]. 田栋.国防科技大学 2017
[4]IGBT专用驱动芯片中的BUCK型DC-DC转换器设计[D]. 王媛.西安理工大学 2017
[5]空间低压电子束焊机电源的研究与实现[D]. 鄂鹏宇.兰州交通大学 2017
[6]基于DSP控制的电子束焊机高压电源系统的研究[D]. 符惜炜.兰州交通大学 2017
[7]锂电池智能充电分析与监控系统研究[D]. 王媛.华东理工大学 2017
[8]基于DSP及FPGA的模块化大功率电力电子装置数控平台研究[D]. 徐李荔.东南大学 2016
[9]基于神经网络温漂补偿的高信赖性开关电源研制[D]. 王枫.厦门理工学院 2015
[10]电子束焊机数字高压电源系统的研究[D]. 陈小兵.兰州交通大学 2015
本文编号：3123802
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高频
基于DSP与FPGA的钢轨电子束焊电源系统的研究-14-（6）高频高压输出电路的选择本文所设计的电子束焊高压电源系统高压输出电路由两部分组成，第一部分为高频高压变压器，如图2.2所示的TR。第二部分如图2.2所示。由DG1-DG4以及电容CG1组成高高压硅堆整流滤波电路，其实物如图2.6所示。变压器匝数比为1:134，高压硅堆选用型号为2CL71A高压整流二极管，滤波电容两个参数为50KV2000PF陶瓷电容串联。图2.6高频高压变压器2.3LLC谐振变换器LLC谐振变换器作为一种比较理想的谐振变换器拓扑结构，谐振回路电流随负载轻重而变化，在空载时，对滤波电容的电流脉动要求校但电路特性比传统的串联LC谐振复杂[33]。为满足电子束焊高压电源的技术参数要求及控制要求，须对LLC变换器的工作机理、工作特性进行分析，进而选择合理的器件参数。全桥LLC谐振变换器与传统的串联谐振变换器相比，谐振变换器中的励磁电感Lm是一个有限的值，会参与谐振变换过程中，此时LLC谐振变换器就具有fr和fm两个谐振频率[34]。这样会导致逆变输出的电压频率可在不同频率范围工作，本文定义LC谐振电路的本征谐振频率为：12πrrrfLC（2.13）LLC谐振电路的本征谐振频率为：12π()mrmrfLLC（2.14）
基于DSP与FPGA的钢轨电子束焊电源系统的研究-16-2.3.2LLC谐振电路工作区域分析全桥LLC谐振变换器是工作状态由于输入阻抗的性质不同有ZVS(零电压开通)状态与ZCS(零电流关断)两种工作状态，变换器输入阻抗为感性及容性时对应的变换器主开关的状态图，如图2.8所示。CB1Q1Q2Q4Q3D11D12D14D13C11C12C13C14+-Vin+-VsirZin图2.8LLC谐振变换器工作状态由图2.8可见，谐振网络的等效输入阻抗为感性时，其输入电流相位滞后于输入电压的相位，换言之在开关管的导通信号来之前，其寄生二极管已经处于导通状态，使得开关管两端的电压钳位在零，如此便可实现开关管的零电压开通；当谐振网络的等效输入阻抗为容性时，输入电流的相位超前于输入电压，当开关管关断驱动信号到来时，其寄生二极管未能导通，导致开关管两端的电压不为零，但当驱动信号结束后，此时开关管中流过的电流变为零，故可实现开关管的零电流关断。本系统所选用的功率开关管为IGBT，在硬开关导通关断下，在栅极加反向关断电压的可减少其关断损耗，但不能降低开通损耗。因此调整开关管的开关频率，使得谐振网路的等效输入阻抗为感性阻抗，便可实现变换器的零电压开通，从而减小开关管损耗，提高变换器效率。故开关管的频率应在mrfff频率段内进行调节，从而稳定电子束焊高压电源的输出。2.3.3LLC谐振电路参数计算及器件选型（1）谐振电容Cr选取谐振电容Cr时，先对它承受的峰值电压的值做近似的估算。当全桥LLC谐振变换器输出为空载时，可近似谐振电容两端电压为Vcr=nVo；当负载电流为Io时，充电电流为变压器原边电流Io/n，谐振电容上电压在半个周期内的变化量△Vcr的表达式为：max22os.crcrmrITVVnC（2.20）
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于DSP+FPGA的高速数据采集系统的设计[J]. 崔琪,顾金良,刘庆国,罗红娥,夏言. 国外电子测量技术. 2020(01)
[2]多核DSP与FPGA高速数据传输系统设计与实现[J]. 陈术涛,沈志,王春联,胡奇. 电子技术应用. 2018(12)
[3]钢轨电弧焊工艺的研究[J]. 程志东. 山东工业技术. 2017(11)
[4]基于LC谐振变换器的电子束焊机高压电源[J]. 车军,王保民,马胧,刘潇潇. 电焊机. 2017(04)
[5]关于电子束焊机高压电源稳定性设计[J]. 莫金海,乔艳平,李威,林明标. 计算机仿真. 2016(06)
[6]无缝线路钢轨电子束焊接研究现状分析[J]. 刘潇潇,车军,任牟华,王保民. 焊接技术. 2015(06)
[7]150kV/30kW逆变式电子束焊接高压电源设计[J]. 张伟,杜慧聪,齐铂金,许海鹰. 北京航空航天大学学报. 2014(11)
[8]基于双DSP-FPGA架构的城轨列车电力牵引控制系统[J]. 刁利军,董侃,赵雷廷,王磊,陈杰. 电工技术学报. 2014(01)
[9]国内钢轨焊接的现状及发展趋势[J]. 车军,郑韶先,苏程. 焊接. 2011 (10)
[10]电子束焊接在航空航天工业中的应用[J]. 陈国庆,张秉刚,冯吉才,孙毅. 航空制造技术. 2011(11)
博士论文
[1]高能束原位合成碳化铬表面复合层及其耐磨性能[D]. 陆斌锋.上海交通大学 2010
硕士论文
[1]高压隔离开关操作引起的接地网电位差干扰信号滤波算法研究[D]. 黄嘉宇.东南大学 2018
[2]高能电子束中高压开关电源的研究[D]. 孙军.重庆理工大学 2018
[3]过金属壁超声无线通信关键技术研究[D]. 田栋.国防科技大学 2017
[4]IGBT专用驱动芯片中的BUCK型DC-DC转换器设计[D]. 王媛.西安理工大学 2017
[5]空间低压电子束焊机电源的研究与实现[D]. 鄂鹏宇.兰州交通大学 2017
[6]基于DSP控制的电子束焊机高压电源系统的研究[D]. 符惜炜.兰州交通大学 2017
[7]锂电池智能充电分析与监控系统研究[D]. 王媛.华东理工大学 2017
[8]基于DSP及FPGA的模块化大功率电力电子装置数控平台研究[D]. 徐李荔.东南大学 2016
[9]基于神经网络温漂补偿的高信赖性开关电源研制[D]. 王枫.厦门理工学院 2015
[10]电子束焊机数字高压电源系统的研究[D]. 陈小兵.兰州交通大学 2015
本文编号：3123802
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