一种波形柔性化控制的高频软开关方波逆变电源制造技术

本实用新型专利技术为一种波形柔性化控制的高频软开关方波逆变电源，包括主电路和控制电路；主电路由连接输入电源的整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑模块和连接负载的二次逆变模块依次连接组成；控制电路由过压欠压保护检测模块、电流电压采样检测与反馈模块、ＡＲＭ微处理器系统、一次高频驱动模块和二次驱动模块连接组成；其中输入电源与过压欠压保护检测模块和ＡＲＭ微处理器系统依次相连，整流平滑模块与电流电压采样检测与反馈模块和ＡＲＭ微处理器系统依次连接，ＡＲＭ微处理器系统与一次高频驱动模块和高频逆变模块依次连接；ＡＲＭ微处理器系统与二次驱动模块和二次逆变模块依次连接，可实现方波电源的数字化和柔性化控制。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种逆变电源，特别涉及一种波形柔性化控制的高频软 开关方波逆变电源。
技术介绍
随着经济和社会的快速发展，节能、减排、增效和资源化利用已经成为目 前社会发展中的关键问题。在这一背景下，高性能轻合金材料的研发、生产和 应用受到各国的高度重视，镁、铝、钛等合金材料凭借其优良的性能，受到了 国内外的广泛关注。以镁合金材料在汽车工业中的应用为例，为了降低对环境 的污染，减轻汽车质量是最有效的一种方法，镁合金以其低密度和高比强度、 高比刚度和可再回收利用等优点成为人们关注的焦点，在汽车工业应用的年增长率达到20%。由于轻合金材料的物理性能以及自身的冶金特点，决定了轻 合金材料的焊接性能较差，很难实现可靠连接，焊接时容易产生变形、烧穿、 热裂纹和气孔等缺陷。轻合金结构件以及轻合金与其它材料结构件之间的连 接，已成为制约轻合金材料应用的技术瓶颈和急待解决的关键技术之一。国内外对轻合金材料焊接的研究也越来越多，应用的焊接方法包括TIG 焊、MIG、搅拌摩擦焊(FSW)、摩擦焊(FW)、激光焊(LBW)、电子束焊(EBW) 和电阻点焊(RSW)等，其中TIG和MIG焊工艺因为设备投入少，生产效率也 比较高而应用广泛。目前，轻合金材料TIG和MIG焊设备基本上还是采用以 钢结构材料为主要应用对象的传统焊机，由于轻合金材料与以钢为主的材料在 物理性能和冶金特点等方面有较大的差异，以钢结构为主要对象的传统焊机在 电弧的刚性、能量控制、焊缝热影响区控制以及去氧化膜等方面还很难满足轻 合金材料的焊接需求，导致轻合金材料的焊接质量和生产效率难以得到进一步 提高。由于轻合金材料的密度低，熔点低，热导率和电导率大，热膨胀系数大， 化学活泼性很强，易氧化，且氧化物的熔点很高，为实现可靠焊接，焊机需要 保证刚直的电弧挺度和良好的阴极破碎作用，以确保在焊接过程中具有足够的 阴极清理作用，能够破除氧化膜，保持足够的电弧稳定性和穿透能力，同时要兼顾阴极清理作用和两极发热量的合理分配，控制好热影响区的范围，减少变 形、烧穿和裂纹倾向，提高焊缝金属的性能，全面改善焊接接头的质量。这一 切都需要通过对方波焊机输出电流波形的控制来实现。因此，焊机输出波形的 柔性化控制对轻合金材料的可靠焊接至关重要。在我国高能耗工业领域(电解铝、电解铜、电镀、电解锰、电泳等)，其 电能消耗超过生产总成本的一半以上，是当前主要的耗能特大用户，主要能耗 集中在电源装备电能转换过程及工艺实施过程。就其中的电解铝来看，电解铝 是高能耗产业之一，其耗电量约占到整个有色金属行业(包括占铝、铜、铅、 锌等10类高耗能产品总和)能耗的60%，出口电解铝被称为"出口国家电力"。据统计，电解一吨铝的电能消耗约为14674度/吨，如采用传统的硅整流电源 设备，效率一般为65%，电解一吨铝的电源装备内部耗电为5136度/吨，如 采用晶闸管电源设备，效率一般为75%,电解一吨铝的电源装备的内部耗电 为3668度/吨。可见，电源装备电能转换过程中电能损耗巨大。而且基本上都 是采用效率低、对网电冲击大、无功损耗大的传统硅整流式、可控硅式电源。 它们自身消耗的铜铁铝材也特别多，而且其控制、调节性能和输出稳定性较差， 直接影响电解、电镀生产效率与质量的提高。从电解电镀技术发展情况来看， 采用逆变电源已经是大势所趋，尤其是通过脉冲电流多参数的匹配与控制，通 过高频下的低频脉冲调制，获得断续的方波电流输出以及通过断比、峰值电流 密度、脉冲频率调节等，可以得到结晶细致、均匀、光亮、纯度高的镀层，通 过脉冲多参数的优化匹配，不仅可提高质量，还可提高生产效率。它是今后大 力发展和普及推广的电镀、电解技术。研究开发具备波形柔性化输出的方波电 源成为该项新技术推广应用的前提条件。因此，无论是在高性能合金材料的焊接领域，还是在高质量高效率的电解 电镀技术等先进制造
，目前均迫切需要具备宽工艺适应性、高效和绿 色化的方波电源。而高频逆变技术以及数字化控制技术的出现和快速发展为该 种方波电源的研制提供了可能。由于波形输出的柔性化，该电源可以应用于镁、 铝、钛等高性能合金材料的焊接，也可以应用于高质量的电解和电镀工艺。目前，无论是在焊接电源领域还是在电解电镀领域，由于其工艺所需要的 大电流、大功率，传统的电源主要以硅整流和晶闸管整流式为主，体积庞大、 笨重、能耗低、效率低，且由于其结构原因，动、静态特性均不够理想。采用5逆变技术是解决这些问题的最好办法。首先，逆变技术大幅度提高电源的频率， 使得电源主变压器的体积、质量大幅度的减小；同时，由于电子功率器件工作 于开关状态，变压器等可以采用铁损很小的磁芯材料，效率得到极大提高；由 于主电路中存在电容，功率因数得到提高，节能效果明显；此外，由于工作频 率很高，主电路中滤波电感值小，电磁惯性小，易于获得良好的动特性，因此 可控性好。数字化控制技术使电源更可靠，性能更好，功能更全， 一致性更好。数 字化控制技术主要有两个目的一是使用数字化技术迅速解决电源自身问题; 二是用数字化技术提升电源的功能，满足先进制造技术的需求。数字化控制 易于采用先进的控制方法和智能控制算法，使得电源的智能化程度更高，性 能更加完美；控制系统灵活，系统升级方便，易于实现多参数的协同控制， 甚至可以在线修改控制算法及控制参数，而不必改动硬件线路，大大縮短了 设计周期；控制电路的元器件数量明显减少，因此縮小了控制板体积，提高 了系统的抗干扰能力和系统稳定性；控制系统的可靠性提高，易于标准化； 系统的一致性较好，生产制造方便。目前，"电磁污染"己经继"水、气、渣、声"之后被确定为第五大环境污 染源。为进一步提高我国电气电子产品的安全性和可靠性，电气电子产品的 电磁兼容性要求将纳入国家强制性产品认证范围。随着世界经济一体化进程 的加快，电源行业如不加快逆变电源的"绿色化"改造进程，国产电源很可能 被挤出国际甚至国内市场。采用软开关高频逆变技术，不仅可以有效改善功 率器件工作环境、提高系统可靠性，还可以有效地降低逆变电源电磁干扰， 提高电磁兼容性，实现"绿色化"设计。数字化方波电源是一个对时间要求比较苛刻的实时嵌入式系统。在嵌入 式控制领域，ARM微处理器凭借其高性能、低功耗、低成本的优势，应用最 为广泛。为追求更快的响应速度，除了在控制电路上采用性能更好、速度更 快的微处理器外，运行于微处理器上的操作系统也非常重要。IJC/OS-II 嵌入式实时操作系统得到了美国联邦航空管理局的稳定性与安全性标准的认 证，是一个完整的、可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核，特别适 合于方波电源这种多任务、对时间要求比较苛刻的场合。据检索，目前还未 有以32位ARM嵌入式微处理器作为数字化核心的高频软开关逆变方波电源6相关技术成果，市场上更没有相关的产品；在将^1(:/03-ll实时操作系统与 ARM相结合，实现对软开关方波电源输出波形的柔性化控制方面，还没有相关的报道，均属于空白。
技术实现思路
本技术的目的在于针对目前方波电源存在的问题以及相关技术的发展趋势，提供一种基于ARM的嵌入式数字化高频软开关方波电源。该电源 以32位ARM嵌入式微处理器为核心，将|JC / OS - II嵌入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波形柔性化控制的高频软开关方波逆变电源，分别连接三相交流输入电源和负载，其特征是，包括主电路和控制电路；所述主电路由整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑模块和二次逆变模块依次连接组成，所述整流滤波模块与三相交流输入电源相连接，所述二次逆变模块与负载相连接；　所述控制电路由过压欠压保护检测模块、电流电压采样检测与反馈模块、ＡＲＭ微处理器系统、一次高频驱动模块和二次驱动模块相互连接组成；其中，所述三相交流输入电源通过过压欠压保护检测模块和ＡＲＭ微处理器系统相连接，所述主电路中的整流平滑模块还与电流电压采样检测与反馈模块和ＡＲＭ微处理器系统依次连接，所述ＡＲＭ微处理器系统与一次高频驱动模块和主电路中的高频逆变模块依次连接；所述ＡＲＭ微处理器系统与二次驱动模块和主电路中的二次逆变模块依次连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王振民，张芩，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：实用新型
国别省市：81[中国|广州]