本文關鍵詞：50kW級全數字逆變式等離子切割電源的研究

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【摘要】：近年來,隨著制造業(yè)規(guī)模的持續(xù)擴大,我國的鋼材用量需求不斷增長,2014年度的國內鋼鐵產量已超過11億噸,其中應用于船舶、橋梁、壓力容器等領域的中厚鋼板產量已高達1.4億噸,迫切需要優(yōu)質、高效和低成本的中厚板熱切割技術與裝備。等離子弧切割的熱變形小,切割速度快,能切割幾乎所有材料,尤其是在中/厚板切割方面更具有成本和效率優(yōu)勢,具有廣闊的應用前景。為了滿足中厚鋼板的熱切割需求,對等離子切割電源的輸出功率和控制性能提出了更高的要求。受到技術、材料和加工精度等因素的限制,目前國內外還非常缺乏200A級以上的大功率全數字逆變式等離子切割電源產品,對于大功率等離子切割電源技術的研究已迫在眉睫。在國家自然科學基金項目(項目編號:E51375173)、廣東省戰(zhàn)略性新興產業(yè)核心技術攻關項目(項目編號:2012A032300007)以及廣東省工業(yè)高新技術領域科技計劃項目(項目編號:2013B010402007)的資助下,本文針對大功率等離子切割電源存在的問題,將高頻逆變技術和高速數字控制技術相結合,設計開發(fā)了一種高效節(jié)能、性能良好的50k W級全數字逆變式等離子切割電源。論文首先分析了等離子切割電源的研究現狀以及發(fā)展趨勢;在此基礎上,結合等離子弧理論及切割工藝要求,完成了50k W級全數字逆變式等離子切割電源樣機的開發(fā),整機主要包括主電路和控制電路兩大部分。主電路由兩路25k W的功率單元模塊并聯構成,采用全橋拓撲結構,選用IGBT作為逆變模塊的功率開關管,并根據大功率切割電源的工作特性,完成了功率變壓器和高壓高頻引弧電路模塊的設計;控制電路以基于ARM Cortex-M4內核的STM32F405微處理器為控制核心,構建了包括MCU最小系統、IGBT驅動電路、電流給定電路、信號采樣電路和故障保護電路等數字化控制系統的硬件平臺;同時,根據電源工作流程及輸出特性,設計開發(fā)了基于Free RTOS實時內核的數字化控制軟件;為了確保電源工作更加安全可靠,在電源系統設計中加入了必要的硬件和軟件抗干擾措施。利用研制的大功率等離子切割電源樣機、功率負載以及電力質量分析儀、示波器、數字鉗表等實驗儀器構建了電源性能測試平臺,對模擬負載下的整機性能進行了測試;最后,利用切割實驗平臺開展了較系統的切割工藝試驗,并對不同的切割電流、切割速度、切割氣壓以及割炬高度等工藝參數情況下的切割效果進行了對比分析。結果表明,研制的50k W級全數字逆變式等離子切割電源具有良好的輸出外特性和動態(tài)響應性能,整機性能優(yōu)良、工作效率高、控制精確、切割質量好,進一步驗證了本設計的可行性和正確性。
【關鍵詞】：等離子切割電源 高頻逆變 數字化控制 ARM Cortex-M4
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG483;TM464
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-23
• 1.1 課題研究背景及意義13-14
• 1.2 等離子切割原理及對電源的要求14-16
• 1.2.1 等離子切割概述14
• 1.2.2 等離子切割原理14-15
• 1.2.3 等離子切割對電源的要求15-16
• 1.3 等離子切割電源的研究現狀及發(fā)展趨勢16-21
• 1.3.1 等離子切割電源的發(fā)展歷程16-19
• 1.3.2 國內外研究現狀19-21
• 1.3.3 發(fā)展趨勢21
• 1.4 課題研究的主要內容21-23
• 第二章 等離子切割電源的總體設計23-34
• 2.1 等離子切割電源性能指標設計23
• 2.2 等離子體電源整體結構設計23-25
• 2.3 功率電路的設計與狀態(tài)分析25-32
• 2.3.1 拓撲結構選擇25-26
• 2.3.2 工作原理分析26-28
• 2.3.3 軟啟動電路設計分析28-30
• 2.3.4 主變壓器設計分析30-32
• 2.4 并聯均流控制分析32-33
• 2.5 本章小結33-34
• 第三章 數字化控制系統的硬件設計34-51
• 3.1 控制系統的總體設計34-35
• 3.2 系統控制芯片的選擇35-37
• 3.2.1 芯片內核的選擇35-36
• 3.2.2 芯片外設的選擇36-37
• 3.3 ARM Cortex-M4最小系統設計37-40
• 3.3.1 最小系統電源模塊設計37-39
• 3.3.2 系統晶振模塊設計39
• 3.3.3 系統復位模塊設計39
• 3.3.4 系統JTAG接口設計39-40
• 3.4 外圍控制電路設計40-50
• 3.4.1 供電電源電路設計40-41
• 3.4.2 PWM信號產生電路設計41-43
• 3.4.3 IGBT驅動電路設計43-44
• 3.4.4 線性A-D/D-A隔離轉換電路設計44-45
• 3.4.5 電流給定電路設計45
• 3.4.6 反饋信號采樣電路設計45-47
• 3.4.7 故障保護電路設計47-50
• 3.5 硬件電路抗干擾措施50
• 3.6 本章小結50-51
• 第四章 高頻引弧電路的設計分析51-60
• 4.1 引弧電路的工作原理51-52
• 4.2 引弧電路數學模型分析52-54
• 4.3 振蕩回路參數分析54-56
• 4.3.1 振蕩放電衰減系數δ54-55
• 4.3.2 振蕩放電頻率f55
• 4.3.3 振蕩放電電流電壓幅值Im和Um55-56
• 4.4 引弧電路的設計56-59
• 4.4.1 工頻升壓變壓器T1的設計56-58
• 4.4.2 高頻耦合變壓器T2的設計58
• 4.4.3 振蕩電容C的選擇58-59
• 4.4.4 火花放電器P及其間隙d59
• 4.5 本章小結59-60
• 第五章 數字化控制系統的軟件設計60-73
• 5.1 軟件開發(fā)環(huán)境60-62
• 5.1.1 開發(fā)軟件RealView MDK介紹60
• 5.1.2 操作系統FreeRTOS介紹60-61
• 5.1.3 ST固件庫介紹61-62
• 5.2 控制系統主程序設計62-64
• 5.3 PWM信號的產生64
• 5.4 模擬/數字轉換（ADC）64-65
• 5.5 數字/模擬轉換（DAC）65
• 5.6 中斷服務程序設計65-66
• 5.7 數字均流程序設計66-67
• 5.8 數字PID控制策略選擇67-71
• 5.8.1 模擬PID控制68-69
• 5.8.2 數字PID控制69-71
• 5.9 軟件抗干擾措施71
• 5.10 本章小結71-73
• 第六章 等離子切割電源性能測試及實驗分析73-89
• 6.1 實驗平臺及條件介紹73-74
• 6.2 整機波形測試74-77
• 6.2.1 驅動波形測試74-75
• 6.2.2 主變二次側波形測試75-76
• 6.2.3 輸出電壓波形測試76-77
• 6.3 等離子切割電源性能測試77-79
• 6.3.1 均流效應與效率測試77-78
• 6.3.2 輸出外特性測試78-79
• 6.3.3 動態(tài)響應特性測試79
• 6.4 等離子切割電源切割工藝實驗79-88
• 6.4.1 切割電流的影響80-82
• 6.4.2 切割速度的影響82-84
• 6.4.3 切割氣壓的影響84-86
• 6.4.4 割炬高度的影響86-88
• 6.5 本章小結88-89
• 結論與展望89-91
• 參考文獻91-98
• 攻讀碩士學位期間取得的研究成果98-99
• 致謝99-100
• 附件100

【參考文獻】

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本文編號：551904