基于等离子弧特性的切割电源优化控制方法

发布时间：2020-05-06 11:03

【摘要】：等离子切割作为一种新型切割技术,以其更高经济性和实用性和优秀的切割性能,逐步取代了传统热切割方式,在市场上的地位越来越高。现阶段国产等离子切割机以逆变式切割电源为主,其输入谐波特性较差,且功率密度和工作效率不高。使用三相PFC作为切割电源的输入端可以保证良好的输入特性,进一步提升开关频率、使用新型数字控制方法都可以使功率密度和整机效率得到明显优化。目前大多数的切割电源在设计和选择控制方法时,遵循传统电力电子变换器的设计原则,很多时候难以满足负载特性的需求,导致其切割特性不好。实际上,切割电源的工作负载是非线性、且受环境因素影响较大的等离子弧,所以有必要针对其负载特性对控制方法进行优化。切割电源的正常工作存在三个模态,分别是引弧,转弧和切割。本文从等离子弧负载特性的角度出发,针对切割过程中的不同模态分别进行了分析和优化,优化了切割性能。引弧模态实际上就是让高频振荡的数千伏的电压击穿电极和喷嘴之间的空气间隙,形成初始的等离子通道。这一过程的关键是产生击穿电压的高频引弧电路。首先以气体放电理论为依据,分析了等离子体的状态变化,并建立了等离子弧的数学模型,通过仿真得出了其伏安特性曲线。在此基础上分析了高频引弧电路的工作原理,并给出了详细的参数设计原则。转弧是切割机从引弧到切割必经的模态,其持续过程很短,负载特性变化最大。引弧模态产生的等离子体在高压下,通过狭窄的喷嘴口接触到工件表面,此时等离子通道在电极和工件之间形成,在高流速和窄通道的约束下形成圆柱形通道,等离子体电流迅速上升,变为用于切割的热电弧。在这个过程中,等离子体的负载特性发生变化很大,而且切换时间极短。针对这一过程,分析了等离子体伏安特性的变化以及对切割电源输出特性的要求,并给出了适应转弧工况的控制方法。进入切割模态后等离子弧为热电弧状态。此时电弧伏安特性也会受到切割状态的影响,其等效负载时刻在发生变化。系统为两级式变换器,负载的突变会引起母线电压的波动,影响切割电源的输出特性,甚至可能出现系统失稳的情况。将切割电源看做一个级联系统,分析其级联稳定性,并对其控制方法进行优化,减小母线电压由于负载特性变化而产生的波动。
【图文】：

Bode图,电压环,阶跃响应,弧电流

根据实际引弧情况，引导弧电流为间断的火花放电，每次放电持续时间为 10此电压环需要较高的带宽。校正后的系统 Bode 图如图 3-9 所示，截止频率约为开关频率的 1/20，响应为 10-4s 级，并且有较大的相位裕度，满足设计要求。

Bode图,电压环,阶跃响应,等效负载

里只需要知道最大和最小的等效负载阻值即可确定负载波动范围[74]。本文中切割的输出电流范围为 60A~100A。根据实际测量结果，，在最大输出点的电弧等效负 1.5 欧，最小输出点的电弧等效负载 3.3 欧。据此可以得到矫正后的系统 Bode 图 3-10 电压环校正前后阶跃响应和 Bode 图所示：
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM46

【参考文献】