本文關(guān)鍵詞：50kW級(jí)全數(shù)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(kuò)大,我國的鋼材用量需求不斷增長,2014年度的國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)量已超過11億噸,其中應(yīng)用于船舶、橋梁、壓力容器等領(lǐng)域的中厚鋼板產(chǎn)量已高達(dá)1.4億噸,迫切需要優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的中厚板熱切割技術(shù)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(yīng)用前景。為了滿足中厚鋼板的熱切割需求,對(duì)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(shù)、材料和加工精度等因素的限制,目前國內(nèi)外還非常缺乏200A級(jí)以上的大功率全數(shù)字逆變式等離子切割電源產(chǎn)品,對(duì)于大功率等離子切割電源技術(shù)的研究已迫在眉睫。在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):E51375173)、廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2012A032300007)以及廣東省工業(yè)高新技術(shù)領(lǐng)域科技計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2013B010402007)的資助下,本文針對(duì)大功率等離子切割電源存在的問題,將高頻逆變技術(shù)和高速數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計(jì)開發(fā)了一種高效節(jié)能、性能良好的50k W級(jí)全數(shù)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(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢;在此基礎(chǔ)上,結(jié)合等離子弧理論及切割工藝要求,完成了50k W級(jí)全數(shù)字逆變式等離子切割電源樣機(jī)的開發(fā),整機(jī)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(lián)構(gòu)成,采用全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),選用IGBT作為逆變模塊的功率開關(guān)管,并根據(jù)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(shè)計(jì);控制電路以基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F405微處理器為控制核心,構(gòu)建了包括MCU最小系統(tǒng)、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、電流給定電路、信號(hào)采樣電路和故障保護(hù)電路等數(shù)字化控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái);同時(shí),根據(jù)電源工作流程及輸出特性,設(shè)計(jì)開發(fā)了基于Free RTOS實(shí)時(shí)內(nèi)核的數(shù)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(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)、功率負(fù)載以及電力質(zhì)量分析儀、示波器、數(shù)字鉗表等實(shí)驗(yàn)儀器構(gòu)建了電源性能測試平臺(tái),對(duì)模擬負(fù)載下的整機(jī)性能進(jìn)行了測試;最后,利用切割實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展了較系統(tǒng)的切割工藝試驗(yàn),并對(duì)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(shù)情況下的切割效果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明,研制的50k W級(jí)全數(shù)字逆變式等離子切割電源具有良好的輸出外特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,整機(jī)性能優(yōu)良、工作效率高、控制精確、切割質(zhì)量好,進(jìn)一步驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性和正確性。
【關(guān)鍵詞】：等離子切割電源 高頻逆變 數(shù)字化控制 ARM Cortex-M4
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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(duì)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(duì)電源的要求15-16
• 1.3 等離子切割電源的研究現(xiàn)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(nèi)外研究現(xiàn)狀19-21
• 1.3.3 發(fā)展趨勢21
• 1.4 課題研究的主要內(nèi)容21-23
• 第二章 等離子切割電源的總體設(shè)計(jì)23-34
• 2.1 等離子切割電源性能指標(biāo)設(shè)計(jì)23
• 2.2 等離子體電源整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)23-25
• 2.3 功率電路的設(shè)計(jì)與狀態(tài)分析25-32
• 2.3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇25-26
• 2.3.2 工作原理分析26-28
• 2.3.3 軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)分析28-30
• 2.3.4 主變壓器設(shè)計(jì)分析30-32
• 2.4 并聯(lián)均流控制分析32-33
• 2.5 本章小結(jié)33-34
• 第三章 數(shù)字化控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)34-51
• 3.1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)34-35
• 3.2 系統(tǒng)控制芯片的選擇35-37
• 3.2.1 芯片內(nèi)核的選擇35-36
• 3.2.2 芯片外設(shè)的選擇36-37
• 3.3 ARM Cortex-M4最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)37-40
• 3.3.1 最小系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)37-39
• 3.3.2 系統(tǒng)晶振模塊設(shè)計(jì)39
• 3.3.3 系統(tǒng)復(fù)位模塊設(shè)計(jì)39
• 3.3.4 系統(tǒng)JTAG接口設(shè)計(jì)39-40
• 3.4 外圍控制電路設(shè)計(jì)40-50
• 3.4.1 供電電源電路設(shè)計(jì)40-41
• 3.4.2 PWM信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)41-43
• 3.4.3 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)43-44
• 3.4.4 線性A-D/D-A隔離轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)44-45
• 3.4.5 電流給定電路設(shè)計(jì)45
• 3.4.6 反饋信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)45-47
• 3.4.7 故障保護(hù)電路設(shè)計(jì)47-50
• 3.5 硬件電路抗干擾措施50
• 3.6 本章小結(jié)50-51
• 第四章 高頻引弧電路的設(shè)計(jì)分析51-60
• 4.1 引弧電路的工作原理51-52
• 4.2 引弧電路數(shù)學(xué)模型分析52-54
• 4.3 振蕩回路參數(shù)分析54-56
• 4.3.1 振蕩放電衰減系數(shù)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(shè)計(jì)56-59
• 4.4.1 工頻升壓變壓器T1的設(shè)計(jì)56-58
• 4.4.2 高頻耦合變壓器T2的設(shè)計(jì)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(jié)59-60
• 第五章 數(shù)字化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(tǒng)FreeRTOS介紹60-61
• 5.1.3 ST固件庫介紹61-62
• 5.2 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)62-64
• 5.3 PWM信號(hào)的產(chǎn)生64
• 5.4 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）64-65
• 5.5 數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換（DAC）65
• 5.6 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)65-66
• 5.7 數(shù)字均流程序設(shè)計(jì)66-67
• 5.8 數(shù)字PID控制策略選擇67-71
• 5.8.1 模擬PID控制68-69
• 5.8.2 數(shù)字PID控制69-71
• 5.9 軟件抗干擾措施71
• 5.10 本章小結(jié)71-73
• 第六章 等離子切割電源性能測試及實(shí)驗(yàn)分析73-89
• 6.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及條件介紹73-74
• 6.2 整機(jī)波形測試74-77
• 6.2.1 驅(qū)動(dòng)波形測試74-75
• 6.2.2 主變二次側(cè)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(yīng)與效率測試77-78
• 6.3.2 輸出外特性測試78-79
• 6.3.3 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測試79
• 6.4 等離子切割電源切割工藝實(shí)驗(yàn)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(jié)88-89
• 結(jié)論與展望89-91
• 參考文獻(xiàn)91-98
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果98-99
• 致謝99-100
• 附件100

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：551904