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摘 要：电网污染已经越发得引起人们的重视，随着相关谐波限制标准的出台和推广应用，用逆变焊机进行功率因数校正进行抑制谐波已经成为发展潮流，所以本文从双PWM焊接电源的工作原理出发，对构建其仿真模型及波形试验进行了分析。
关键词：电流控制；双PWM焊接电源；研究
焊接电源的输入电流若发生畸变则会带来一系列的问题，比如降低设备自身功率因素，增加设备对电网配备容量的需求，致使电网容量浪费，同时也对电网造成了污染。双PWM焊接电源具有将电网侧电流正弦化、双向能量流动、功率因素单位化等特点，因此将其用于焊接电源系统，可有效提高焊机可靠性，对实现电流的精细化控制意义重大。
1 双PWM焊接电源工作原理
1.1 基本结构
双PWM焊接电源的基本結构包括主电路和控制电路两部分。若按照该系统的功能来划分，则其可分成功率因数校正功能的前级和弧焊控制功能的后级两个方面，其中前级的核心设备是整流器，同时配以相应的控制电路，而后级则是围绕弧焊逆变器为核心设备，同样配以相应的控制电路作为恒流源，即为双PWM焊接电源的基本结构。当三项交流电经过整流后，电流便成为高压直流，然后通过逆变器将高频交流变压器降压，再经过整流滤波后变成平滑直流电以供焊接使用。所以，在这个过程中，对于焊接方法的选择必须准确合理，因为很多焊接方法都会有金属的熔滴过渡发生，而焊接电源与一般电源的负载性质不同，所以电源的输出短路状态是焊接电源的关键点，因此必须要求你变焊机有较为理想的短路电流控制功能。
1.2 直接电流控制策略
对于双PWM焊接电源，前级的整流控制可采用两相同步旋转坐标体系下固定开关频率对电流进行直接控制，而控制策略保持双闭环控制策略不变，外环设为电压环，内环则为电流环。与传统的三相静止坐标系下控制策略不同的是在电流内环中，网侧电流信号要经过Park部分进行变换，而电压外环PI调节器的输出为有功电流参考值，其与有功电流的差值输送到PI控制器。为达到网侧电流正弦化、并实现单位功能的目的，将控制网侧无功的电流值设定为零，所以，无功电流的参考值亦为零，待遇无功电流作差值后输送到PI控制器。内环的PI控制器输出要经过解耦计算，然后才能输送到SVPW调制模块中进行相应调制，再输出固定开关频率的脉冲信号，进而控制开关管的断与通。
2 双PWM焊接电源的仿真模型
在Matlab/Simulink模块下搭建双PWM焊接电源系统仿真模型，根据仿真分析得出，PWM整流器控制策略的选择十分重要，它直接关乎焊接电源连入接入网点的电能质量，以及其应用效果，采用双闭环控制将电流引入电流内环控制，是电压外环的随动系统，因此整个控制效果明显。此外，为满足焊接电源负载动态要求，在矢量的调制上，亦具有较低电流波纹的特点，所以可有效降低输入电流谐波。研究证实，调整电压环控制参数，可将脉冲负载调制中产生的输入电流畸变控制在合理的范围内，所以其效果不言而喻。
3 双PWM焊接电源试验波形分析
根据上述理论内容，可在其基础上开发一台3kw级的三相双PWM焊接电源样机。其中，该机的整流模块选用7MB150N-120型智能型功率模块，其控制芯片选用TMS320F2812型芯片，其具体的电气参数如下，交流电压设定为110u/V，滤波电感设定为4.4L/mH，直流电容设定为660C/μF，直流电压设定为320u/V，空载电压设定为70u/V，开关频率设定为5Kf/Hz。
根据双PWM焊接电源的设备选用，对其采用矢量调制的直接电流控制策略，通过中断程序实现整流控制，具体步骤如下，即①DC中断入口；②采样信号调理；③电网电压空间矢量角度计算；④调用电压控制环子程序；⑤调用功率控制环子程序；⑥调用SVPMN调制程序；⑦差生PWM波；⑧中断返回。
根据上述原理，对样机进行试验和测试以确保其可靠性，选用的测试设备为TEKTRONIX示波器和HIOKI电力质量分析仪。测试内容即样机的稳态负载测试和脉冲负载试验。静态负载即输出功率在恒定的情况下进行的测试，即采用电阻箱模拟负载进行的测试。经过对样机的测试结果得出输入电流谐波收到了较好的抑制作用。其实测功率因素达到了99.4%，而二级管整流的功率因数仅为63.9%。因此，可以说样机达到了有效控制谐波抑制效果的目的，对功率因素的校正起到了控制作用。另外，在试验中，鉴于阶跃负载响应可有效反应样机系统的动态响应性能，因此在试验中使用焊锡丝来模拟焊条焊接时，必须仔细观察样机阶的跃响应对动态负载的适应性程度。若样机的动态响应较快，过度过程相较稳定，则表明样机具有良好的动态响应性能，即可充分满足负载变动的需求。本文的双PWM焊接电源结构可有效抑制由电路结构造成的电流畸变，虽然脉冲负载所产生的电流畸变无法消除，但是影响明显降低，测试结果与预期及仿真原理基本一致，其不仅有良好的功率因数校正效果，并且功率因素达到了99%以上，此外，其对于输入电流谐波的有效抑制亦十分明显，THDi可控制在15%左右。鉴于本双PWM焊接电源的前级采用的全控器件，且附加的DSP控制部件，成本相对较高，但其降低电网污染和保证焊机的稳定性和可靠性是不容置疑的，尤其是大功率全控器件模块化及专用DSP的生产，其成本必然会不断下降，而双PWM逆变焊接电源也自然得到广泛的应用和良好的发展前景。
[参考文献]
[1]刘暲，宫成，万健如.直接电流控制双PWM焊接电源[J].焊接设备与材料，2012，41（7）：39-40.
[2]黄继强.焊接电源功率因数校正技术的研究[D].北京工业大学，2003.
关键词：电流控制；双PWM焊接电源；研究
焊接电源的输入电流若发生畸变则会带来一系列的问题，比如降低设备自身功率因素，增加设备对电网配备容量的需求，致使电网容量浪费，同时也对电网造成了污染。双PWM焊接电源具有将电网侧电流正弦化、双向能量流动、功率因素单位化等特点，因此将其用于焊接电源系统，可有效提高焊机可靠性，对实现电流的精细化控制意义重大。
1 双PWM焊接电源工作原理
1.1 基本结构
双PWM焊接电源的基本結构包括主电路和控制电路两部分。若按照该系统的功能来划分，则其可分成功率因数校正功能的前级和弧焊控制功能的后级两个方面，其中前级的核心设备是整流器，同时配以相应的控制电路，而后级则是围绕弧焊逆变器为核心设备，同样配以相应的控制电路作为恒流源，即为双PWM焊接电源的基本结构。当三项交流电经过整流后，电流便成为高压直流，然后通过逆变器将高频交流变压器降压，再经过整流滤波后变成平滑直流电以供焊接使用。所以，在这个过程中，对于焊接方法的选择必须准确合理，因为很多焊接方法都会有金属的熔滴过渡发生，而焊接电源与一般电源的负载性质不同，所以电源的输出短路状态是焊接电源的关键点，因此必须要求你变焊机有较为理想的短路电流控制功能。
1.2 直接电流控制策略
对于双PWM焊接电源，前级的整流控制可采用两相同步旋转坐标体系下固定开关频率对电流进行直接控制，而控制策略保持双闭环控制策略不变，外环设为电压环，内环则为电流环。与传统的三相静止坐标系下控制策略不同的是在电流内环中，网侧电流信号要经过Park部分进行变换，而电压外环PI调节器的输出为有功电流参考值，其与有功电流的差值输送到PI控制器。为达到网侧电流正弦化、并实现单位功能的目的，将控制网侧无功的电流值设定为零，所以，无功电流的参考值亦为零，待遇无功电流作差值后输送到PI控制器。内环的PI控制器输出要经过解耦计算，然后才能输送到SVPW调制模块中进行相应调制，再输出固定开关频率的脉冲信号，进而控制开关管的断与通。
2 双PWM焊接电源的仿真模型
在Matlab/Simulink模块下搭建双PWM焊接电源系统仿真模型，根据仿真分析得出，PWM整流器控制策略的选择十分重要，它直接关乎焊接电源连入接入网点的电能质量，以及其应用效果，采用双闭环控制将电流引入电流内环控制，是电压外环的随动系统，因此整个控制效果明显。此外，为满足焊接电源负载动态要求，在矢量的调制上，亦具有较低电流波纹的特点，所以可有效降低输入电流谐波。研究证实，调整电压环控制参数，可将脉冲负载调制中产生的输入电流畸变控制在合理的范围内，所以其效果不言而喻。
3 双PWM焊接电源试验波形分析
根据上述理论内容，可在其基础上开发一台3kw级的三相双PWM焊接电源样机。其中，该机的整流模块选用7MB150N-120型智能型功率模块，其控制芯片选用TMS320F2812型芯片，其具体的电气参数如下，交流电压设定为110u/V，滤波电感设定为4.4L/mH，直流电容设定为660C/μF，直流电压设定为320u/V，空载电压设定为70u/V，开关频率设定为5Kf/Hz。
根据双PWM焊接电源的设备选用，对其采用矢量调制的直接电流控制策略，通过中断程序实现整流控制，具体步骤如下，即①DC中断入口；②采样信号调理；③电网电压空间矢量角度计算；④调用电压控制环子程序；⑤调用功率控制环子程序；⑥调用SVPMN调制程序；⑦差生PWM波；⑧中断返回。
根据上述原理，对样机进行试验和测试以确保其可靠性，选用的测试设备为TEKTRONIX示波器和HIOKI电力质量分析仪。测试内容即样机的稳态负载测试和脉冲负载试验。静态负载即输出功率在恒定的情况下进行的测试，即采用电阻箱模拟负载进行的测试。经过对样机的测试结果得出输入电流谐波收到了较好的抑制作用。其实测功率因素达到了99.4%，而二级管整流的功率因数仅为63.9%。因此，可以说样机达到了有效控制谐波抑制效果的目的，对功率因素的校正起到了控制作用。另外，在试验中，鉴于阶跃负载响应可有效反应样机系统的动态响应性能，因此在试验中使用焊锡丝来模拟焊条焊接时，必须仔细观察样机阶的跃响应对动态负载的适应性程度。若样机的动态响应较快，过度过程相较稳定，则表明样机具有良好的动态响应性能，即可充分满足负载变动的需求。本文的双PWM焊接电源结构可有效抑制由电路结构造成的电流畸变，虽然脉冲负载所产生的电流畸变无法消除，但是影响明显降低，测试结果与预期及仿真原理基本一致，其不仅有良好的功率因数校正效果，并且功率因素达到了99%以上，此外，其对于输入电流谐波的有效抑制亦十分明显，THDi可控制在15%左右。鉴于本双PWM焊接电源的前级采用的全控器件，且附加的DSP控制部件，成本相对较高，但其降低电网污染和保证焊机的稳定性和可靠性是不容置疑的，尤其是大功率全控器件模块化及专用DSP的生产，其成本必然会不断下降，而双PWM逆变焊接电源也自然得到广泛的应用和良好的发展前景。
[参考文献]
[1]刘暲，宫成，万健如.直接电流控制双PWM焊接电源[J].焊接设备与材料，2012，41（7）：39-40.
[2]黄继强.焊接电源功率因数校正技术的研究[D].北京工业大学，2003.