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电动汽车驱动 ★ 5.0

解耦控制的高效大功率CC/CV焊接电源

De-Coupled Control of Energy-Efficient High-Power CC/CV Power Source for Arc Welding

作者 Arun Kumar Paul
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2024年8月
技术分类 电动汽车驱动
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 焊接应用 解耦控制 恒压电弧 恒流电弧 二阶滑模控制
语言:

中文摘要

在工业领域,为了合理利用用于焊接应用的大型资本设备,需要一个单台大电流高功率转换器来动态控制多种焊接方法(例如用于接头制作、堆焊、气刨、堆焊层焊接等)。这些焊接方法大多遵循恒压(CV)或恒流(CC)电弧类型。由于涉及完全不同类型的动态负载特性,本文提出了一种新颖的解耦控制方法,引导电源独立处理每种电弧类型。对于电极送进采用电动方式的具有固有自调节特性的恒压电弧类型,本文提出了前馈控制方法。对于手工焊接中易受干扰的恒流电弧类型,本文提出了二阶滑模控制(SOSMC)方法以实现鲁棒控制。本文还详细阐述了,对于使用全桥直流 - 直流转换器(FBDC)的焊接应用,二阶滑模控制的鲁棒特性有助于降低初级侧所有耗能元件中的电流,并降低次级侧所需直流电压的最大值。这两者都将有助于显著降低功率损耗,从而提高系统的能源效率。最后,本文在一台1000 A的功率转换器中验证了所提出的用于控制两种电弧类型焊接的理念。

English Abstract

In industry, for proper utilization of large capital equipment for welding applications, a single large-current high-power converter is desired for dynamic control of several welding methods (e.g., for making joints, hard-facing, gouging, welding overlay, etc.). They mostly follow either constant voltage (CV) or constant current (CC) arc type. Due to completely different type of dynamic load characteristics involved, this article proposes a novel de-coupled control approach to guide the power source to independently take care of each arc type. It proposes feed-forward control for inherently self-regulating CV arc type where the electrode feeding is motorized. The second order sliding mode control (SOSMC) approach is proposed for robust control of disturbance prone CC arc type in manual welding. This article also details that, for welding applications using full-bridge dc–dc converter (FBDC), the robustness features of SOSMC would help reduce the current in all loss-making components in the primary side and reduce the maximum value of dc voltage needed in the secondary side. Both would help reduce the power loss significantly to boost the energy efficiency of the system. Finally, this article validates the proposed ideas in a 1000 A power converter for control of welding using both arc types.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的解耦控制技术虽然应用于焊接电源领域,但其核心的功率变换与控制策略与我司光伏逆变器、储能变流器等产品存在显著的技术共性,具有重要的借鉴价值。

论文针对恒压(CV)和恒流(CC)两种工作模式提出的解耦控制方案,与我司储能双向变流器在充放电模式切换、光伏逆变器在MPPT与限功率模式间转换的控制需求高度契合。特别是其采用的二阶滑模控制(SOSMC)技术,能够有效应对负载突变和电网扰动,这对提升我司产品在弱电网环境下的鲁棒性具有直接参考意义。论文强调的前馈控制策略可应用于储能系统的功率预测控制,提高系统响应速度。

更值得关注的是,该技术通过优化控制策略实现了全桥DC-DC变换器一次侧损耗元件电流降低和二次侧电压峰值削减,这与我司持续追求的高效率目标完全一致。在1500V光伏系统和大容量储能应用中,降低开关损耗、提升变换效率直接影响系统LCOE竞争力。论文验证的1000A大电流控制能力也印证了该技术在大功率场景的成熟度。

技术挑战方面,滑模控制的抖振抑制、参数自适应整定需要深入研究,且需评估在高频开关场景下的数字实现复杂度。机遇在于,该技术可与我司现有的SiC/GaN宽禁带器件技术协同,进一步突破功率密度瓶颈,特别适用于工商业储能、充电桩等对体积和效率敏感的应用场景,为产品差异化竞争提供技术支撑。