软开关逆变电源主电路的设计与仿真开题报告

全文总字数：5673字

1. 研究目的与意义（文献综述）

焊接是金属加工制造业不可或缺的制造工艺，有着不可比拟的独特优势^【1】。电弧焊是焊接工业生产中应用最为广泛的一种焊接方法，而弧焊电源是电弧焊机中不可或缺的核心组件。生产中，我们需要通过逆变电源将高压工频交流电转换成适合焊接所需的直流电。逆变电源是我国目前大力提倡的换代产品，但由于生成时间还不太长，无论在技术上和制造工艺上仍需不断地完善和成熟。在国际上逆变电源被公认是最先进的焊接电源，虽发展历史不长，但速度迅速，研究前景广阔^【2】。

逆变电源的研究自上世纪70年代开始，一直兴欣到现在。在如今计算机高速发展的背景下，逆变电源数字化、智能化研究具有很大发展潜力。1972年美国海运科研开发部门研制出了一台300A晶闸管逆变弧焊电源，而后多用途晶闸管逆变弧焊电源样机推出，但由于功率开关器件性能和可靠性的不成熟，并没有在当时马上进行商品化。直到上世纪80年代初，电力电子技术的发展，功率开关器件的容量、性能大大提升，以电力晶体管（GTR）、功率场效应管 (MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)为典型的自关断功率开关器件相继出现，一系列相应的焊接逆变电源大量涌出^【3】。逆变电源在80年代完成了商品化以来，得到迅速的发展，推动了逆变电源向节能高效方向的研究。新式性能良好的数字信号处理器的研制成功，开启了数字化焊接电源的发展，著名的成果有奥地利Fronius公司在1994年成功研制的TransPlusSynergic 系列全数字化弧焊逆变焊机。在此之后世界各大焊接电源生成企业也开发出了属于自己的数字化焊接电源产品，弧焊电源开始迈入又一个新的发展时期^【4】。

我国逆变电源研究开发工作较国外稍晚，在上世纪80年代初开始研究，但进步十分迅速，前景可观。1982年我国华南理工大学的研究者在德国推出了全世界第一台ZX7-50型场效应管式手弧焊电源样机^【5】，使我国在弧焊逆变电源领域上了一个新台阶，接着成都电焊机研究所在1983年成功推出了一台晶闸管式弧焊逆变器^【6】。自IGBT弧焊逆变器于1989年推出后，我国也越来越关注IGBT式弧焊电源的性能与发展，在1990年，华南理工大学成功研究开发出IGBT式弧焊逆变器。在弧焊逆变电源数字化发展中，1999年，上海交通大学焊接研究所提出了采用单片机（MCU）控制系统为核心的数字化焊接电源^【7】。北京工业大学基于数字化弧焊逆变电源的特点提出了全数字化控制弧焊逆变电源，着重研发了双处理器（MCU DSP）的控制系统。华南理工大学给出了在数字信号处理基础上的弧焊逆变电源数字化控制系统，且从系统的软件和硬件两方面全面成功的开发了数字化熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊接电源^【8】。

逆变电源要成为革命性电源，还需在提高焊接工艺适应性、可靠性和降低成本上下功夫，标志着逆变电源向数字化、智能化、绿色化发展。针对传统硬开关逆变弧焊电源耗能、不稳定等问题，行业提出了软开关技术^【9】。软开关技术的实质是将电容和电感串联或并联到主电路中，使电路两端的电压和电流相位相同，产生谐振，从而使开关器件在开通前电压为零或者关断前电流为零^【10】。随着软开关技术的发展，谐振软开关逆变电路正逐步取代传统的硬开关PWM逆变电路^【11】。软开关技术的发展史如表1.1所示。

表1.1软开关技术的发展

软开关逆变电源的设计和仿真利用了计算机高效、智能的特点，可初步完成对开发的新型逆变电源性能的检测及实际工作情况的模拟。常用的电路仿真软件有Pspice，Saber和MATLAB等。其中，MATLAB一般用状态方程描述电力变换电路，可以方便地在MATLAB软件的Simulink环境下用各种功能模块完成系统建模以及实现不同的控制算法，而不用考虑各种元件的实践模型。

采用MATLAB环境下的Simulink和电源系统模块建立主电路仿真模型，将计算好的各项参数以及模块给予精细的配置和调整，通过对比运算后得出的图像，验证仿真电源的性能。同时，MATLAB的强大运算能力对于仿真结果的后处理非常方便。

本课题以软开关逆变电源作为仿真及研究的对象，对逆变电源的主电路展开建模仿真，在MATLAB软件上模拟工频直流电源经整流滤波、降压和二次整流滤波，最终输出可供电弧负载使用的稳定低压中频直流电的过程。通过设置不同的参数，研究各占空比时的波形并进行分析，得出符合设计要求的主电路。

相对于传统直接做出样本机这种耗财费力的研究方法，本课题采用了基于MATLAB软件仿真模拟主电路的研究方法。整个研究的仪器和材料主要利用计算机数字模拟生成，避免了传统研究方法可能产生的废料及噪音。不仅降低了环境污染和科研成本，而且消除了巨大噪音对研究人员身体健康的危害。同时，数字模拟能快速高效地得出最优情况下的主电路占空比，较大程度上降低了逆变电源占空比的损失，缩短了试验周期，提高了研究效率。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

软开关技术通过避免开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小甚至消除了开关损耗。同时，谐振过程限制了开关过程中电压和电流的变化率，使开关噪声减小。

本课题根据软开关技术利用电容电感储能组件自身特性对开关轨迹进行修整^【12】的原理，设计出软开关逆变电源的主电路，包括三相输入整流滤波电路、逆变主电路、输出整流电路等，并对电路中的主要元器件进行计算和选择。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－6周：熟悉软开关逆变弧焊电源的工作原理和主电路的设计计算。

第7－8周：学习并掌握matlab仿真。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]王星云，王平，李国锋，等弧焊电源的现在与展望[j].电焊机,2009,39(7):66

-68.

[2]赵家瑞.逆变焊接与切割电源[m].北京:机械工业出版社.1996