基于SPWM与BUCK变换器的三相交流电阻焊电源的设计与仿真

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电阻焊作为一种重要的焊接方法,具有生产效率高,焊接质量好等优点,在工业生产得到了广泛应用。电阻焊电源是电阻焊机的重要组成部分,对焊接质量有着重大影响。工业生产领域出现最早、应用最广的工频交流电阻焊电源,由于其控制效果差、负载功率因数低、三相负载不均衡、电流波形不连续的缺点,难以满足电阻焊的进一步要求。而新式的电阻焊电源类型——如电容储能电源、中频逆变电源等——由于各种限制,仍无法完全替代工频交流焊电源。基于电阻焊接领域的上述现状,本文提出了一种基于BUCK变换器及SPWM逆变控制的逆变交流电阻焊电源,以达到在最小程度上修改工频交流焊机结构的基础上,提高焊接电源的控制质量、负载功率因数,实现三相负载均衡及电流波形连续的要求。进而降低企业用电单价,实现经济价值;减少无功功率带来的能量损耗,达到节能环保的目的;提高交流电阻焊接的质量与过程稳定性,促进交流电阻焊设备的发展。该电源使用三相整流电路从电网获取能量,经过BUCK变换器输出稳定的直流电压,再由SPWM脉冲进行控制的逆变H桥逆变产生单相交流SPWM电压波形,由交流变压器降压后作用于焊接回路进行焊接。课题对上述电源结构进行了理论上的分析。计算了逆变控制SPWM脉冲占空比序列的通项表达式,据此推导了主电路输出电压波形的瞬时表达式,给出了等效焊接回路电流波形瞬时值的递推计算方法。本文设计并制作该电源结构的低压主电路实验板及用于该类电源的焊接控制器。低压主电路实验板包含BUCK变换器与逆变H桥结构,采用直流24V电源输入。控制器采用双CPU结构设计,可输出逆变控制SPWM波形及调压控制PWM波形,运行PID控制算法对主电路进行控制。利用实验板及控制器,对主电路结构、控制效果、输出电流电压波形等方面内容进行验证。针对低压实验板实验运行过程中出现的BUCK电路开关管损耗率高的问题,课题使用电路仿真计算的方式,找出了其原因,并提出了对应解决方案。同时也利用电路仿真,对电源结构关键部分工作状态、负载整体功率因数、不同条件下的工作特性等方面进行了更为细致的测试。并借助仿真计算对电路参数进行进一步优化,总结出关键结构的设计原则与方法,为该结构交流电阻焊机的进一步研究与应用,提供参考价值。
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