逆变式切割电源的极点配置双闭环控制

　　0 引言

　　大功率空气等离子切割电源通常选用移相全桥变换电路[1]，与其他的 DC/DC 电路相比移相全桥软开关拓扑充分利用了电路本身的寄生参数，使开关管工作在软开关状态，降低开关管的开关噪声和开关损耗，提高变换器的效率[2]，实现了主电路的数字化[3]。传统的模拟控制是采用芯片 UC3875来产生4 路脉宽调制(pulse width modulation，PWM)分别控制 4 个开关管的导通和关断，近年来随着信号处理技术及计算机控制技术的迅速发展和广泛应用，各种生产设备的性能更加完善，功能更加丰富，而且智能化程度不断提高，在焊接/切割领域逐渐形成了由数字控制代替模拟控制的局面，实现了控制电路的数字化[4]。

　　空气等离子逆变式切割电源运行时有2 种工作模式，空载工作模式空载电压一般高于 180 V，负载时为恒流工作模式，根据切割的工艺参数不同选取不同的电流值，因此实际工作时为 2 种工况的切换，性能良好的切割电源要求工况间的切换速度越快越好，也就是外特性曲线愈陡愈好。目前存在的数字化等离子切割电源采用的数字控制方式主要有 2 种：电流单闭环、电压开环控制[5];电流闭环、电压闭环并联切换控制[6-8]。第 1 种控制方式在负载时采用恒流控制;空载时，由于输出电流为 0，控制器以最大占空比输出空载电压。在这种方式下，若电网电压波动比较大，输出电压波动也很大，若输出空载电压过低不容易很快引弧成功;空载电压过高将对手工等离子切割存在安全性问题，还会增加输出整流管的电压应力[9-10]，而且空载时这种最大占空比输出会使变压器始终处于最大的正反向励磁过程中，这不仅加大了变压器损耗，降低了电源的效率，还会造成变压器的温度升高，最恶劣的情况，可能会造成变压器饱和[11]，导致逆变颠覆，损坏开关管。考虑到输入网压波动、提高经济效益及人身安全方面，出现了第 2 种控制方式，当负载时恒流控制，空载时采用恒压控制，双环切换来实现 2 种工况的切换。但是这种方式是通过实际检测电压和电流值来实现切换的，当高频引弧器工作时，高频干扰容易使得 2 种工作方式不停地切换，引弧不容易成功，高频引弧器不停工作等现象;当空气等离子切割电源在工作过程中，只要存在扰动，就可能存在电压环和电流环不停地切换，以至于不能够连续切割。为避免上述存在的问题，本文采用电压外环、电流内环的双环控制方式[12]，电压外环输出作为电流内环的输入，再用电流内环的输出控制移相角。这种电压外环电流内环的双闭环控制方式，同时具备优异的动、静态特性，非线性负载适应能力很强，非常适合于空气等离子切割电源这种负载特性变化频繁，存在严重干扰的场合，不仅在空载时减小了空载损耗，使变压器不易饱和，增加引弧成功率，减少电磁干扰，而且获得陡降外特性，实现 2 种工况的无缝切换。