逆变焊机主电路的设计.doc

4逆变焊机主电路的设计4.1逆变焊机的工作原理与特点逆变焊机原理框图如图4.1所示该系统采用双闭环控制系统，图中If为反应电流，Uf为反应电压，19为给定电流，Ug为给定电压，UO为实际输出电压环为电流反应闭环控制，反应信号由电流霍尔传感器得到外环为电压反应闭环控制，反应信号由电压霍尔传感器得到具体控制过程后做分析.逆变焊机工作时，先将单相220V/50Hz电压整流并滤波后，变为逆变主回路所需的310V左右平滑直流电压然后将该直流电压送入逆变主回路，经过大功率电子元件IGBT的交替逆变作用转变成为ZOK左右的中频交流电压，再经过中频降压变压器降压至适合于焊接的几十伏电压，最后经过整流滤波后得到直流焊接输出借助于控制电路及反应回路，以及焊接回路的阻抗，可以得到焊接工艺所需的外特性和动特性其交流变换顺序为:工频交流一直流一中频交流一降压一直流焊机在“交流一直流一交流〞阶段的电压频率发生了改变，所以逆变焊也成为变频焊机交流和直流反复转换的目的是为了提高该电压的工作频率我们知道，按照正弦波分析时变压器输出有如下公式[60]:式中，变压器的体积、重量与Ns有关，而NS与变压器的工作频率f又有直接关系。

当凡一定时，假设变压器工作频率从工频(SOHz)提高到20KHz，则绕组匝数与铁心截面积的乘积NS就减少到原来的l/400，而主变压器在逆变焊机常所占重量为1/3到2/3，因此提高变压器的工作频率可以使逆变焊机的体积和重量显著的减少同时，钢和铁的电能损耗将随所需材料的明显减少而大大降低，焊接质量也有进一步改善由于上述原因，逆变焊机与传统的晶闸管式焊机和晶体管式焊机相比，具有众多优点:l)高效节能逆变焊机材料的减少使焊机整体损耗大大降低，其效率可达80%到95%，功率因数可提高到0.9以上，空载损耗极小，只有几十瓦，这一点在能源紧的今天尤为可贵2)体积小，重量轻这是逆变焊机最明显的优点，主变压器的重量仅为传统弧焊电源工频变压器的几十分之一3)动态响应时间短，控制速度提高该特征是逆变焊机最重要的特点普通晶闸管焊机的控制周期为3.3ms，而逆变焊机的动态响应时间到达百微妙级，和电弧焊接诸物理过程的时间常数相当，故能更准确地控制电弧焊中各种物理现象，焊接的动态控制成为可能4)控制能力增强，显著提高工艺性能控制能力是与控制速度、控制手段密切相关的它直接反映了焊机适应焊接条件和焊接要求的能力另一方面，焊机控制能力的增强主要依靠于器件速度的提高、微机的应用及现代化控制力等方法的应用。

4.2常用的主电路拓扑构造目前，弧焊逆变焊机主电路所采用的拓扑主要包括全桥式、半桥式、双管正激式和推挽式四种构造l)全桥式逆变电路全桥式电路一般用于大功率逆变电源中，采用四个功率开关组成两组开关对(S1、S4和S2、S3)，两组开关管对交替闭合将输入电流电压变成高频交流，加在变压器上图4.2为全桥式逆变电路的原理图全桥式逆变电路对开关管的耐压要求低，变压器的利用率高，易获得大功率输出但其需要至少四个开关器件及相应的驱动电路，因此它的本钱较之其它电路高全桥式逆变电路是应用最广的，国外许多厂家如新时代、瑞凌、日本松下、美国林肯等焊机都采用此主电路构造全桥式逆变电路存在偏磁现象和功率开关管直通问题偏磁现象是由于功率开关管的开关时间存在差异，将导致变压器所加正负半波的伏秒乘积不同，经过一定时间积累，会使变压器单线偏磁直至饱和，这是变压器相当于短路，由此产生很大的尖峰电流将烧毁功率开关管通常在变压器原边串入一个无极性隔直电容以改善偏磁问题[601[6‘l2)半桥式逆变电路半桥式逆变电路的拓扑构造如图4.3所示，这种拓扑构造只需要两个开关器件，驱动电路简单但在电流容量一样的情况下，半桥式逆变电路所输出的最大功率只有全桥式的一半，所以一般只适合于中等功率输出的场合。

半桥电路也存在直臂导通的问题3)双管正激式逆变电路双管正激式逆变电路的原理图如图4.4所示这种电路控制简单，不存在直臂导通的问题，但开关管所承受的峰值电流和电压较高，同时其高频变压器仅工作在磁滞回线的一侧，故只适合中小功率输出4)推挽式逆变电路图4.5为推挽式逆变电路的原理图推挽式逆变电路只用两个开关器件就能获得较大的功率输出一对功率管的发射极相连，两组驱动电路彼此间无须绝缘，驱动电路简单但功率管承受的反压较大，原边绕组只有一半时间工作，高频变压器利用率低，适合用于单相输入的电源中表4.1列出了上述四种拓扑构造的主要性能参数指标其中所列的公式都是理论计算值，实际应用时由于变压器漏感等寄生参数的存在，实际情况会与理想情况有所不同比拟半桥式和全桥式电路可知，当两者所输入、输出电压和额定功率一样时，虽然承受都是输入电压Vin，但半桥变换器中的开关元件的峰值电流为全桥式变换器的两倍，而输出电压却只有全桥式变换器的一半因此全桥式变换器更适用于大功率的场合4.3本系统的主电路设计方案逆变焊机的主电路承当着转换、传递能量的任务，是整个电源系统的根底主电路必须平安、可靠，器件参数的选择应该以极限工作条件为依据，并留有一定余量，保证所选器件工作在平安区域。

本文设计的IGBT逆变焊机输出电流为 160A，输出电压为27V，逆变器工作频率为20KHz，要求系统具有平硬外特性和良好的动特性，电流、电压响应要求迅速由于全桥变换器可以提高变压器的利用率，减小开关元件的电压电流等级，传输功率大，因此在本系统主电路设计采用全桥式构造，拓扑构造图如图4.6所示主电路主要包括三局部:第一局部，输入整流滤波电路二极管Dl一D4组成输入整流电路(实际电路用整流模块代替);电解电容Cl一C3和电阻Rl、咫组成滤波电路第二局部，逆变器VTI一VT4为功率开关管IGBT管，与降压变压器T组成逆变器;RS一RS、CS一CS、DS一DS共同组成VTI一VT4的RCD吸收网络，减少IGBT开关过程电流、电压对管子的冲击第三局部，输出整流滤波电路快速整流二极管Dg、D10和直流电抗器Ll共同组成单相全波整流滤波输出电路;电阻R3、R4和电容Cg、 C10共同组成Dg、D10的RCD吸收网络该主电路工作原理为:单相220V电压经过单相桥式整流后，输出为带纹波的直流电压，再经过电解电容Cl一C3组成的滤波电路滤波后得到310V平直的直流电压当控制电路输出一样占空比的PWM脉冲控制IGBT，使它们轮流导通与关断，此时，直流电压被逆变成20K壬12的交流方波电压。

VTI、VT4和VTZ、VT3的轮流导通和关断使中频变压器Tl的原边绕组上的电压为正负对称的方波变压器的次级绕组感应的交流方波电压大小采用PWM方式进展调节，即改变驱动脉冲的占空比实现变压器输出的交流方波电压经过快恢复二极管Dg和D10整流后变成方波直流电压，最后经过滤波电感(直流电抗器Ll)滤波后输出较为平直的直流电压 [6211631此时实现了对输出电流的恒流控制当控制电路输出不同占空比的PWM脉冲控制IGBT组VTI、VT4和VTZ、VT3的开通与关断，则逆变器输出频率为20KHz，幅值一样但平均值不同的交流方波脉冲经过变压器降压整流滤波后，可以实现脉冲电流的输出可见，改变控制脉冲的占空比就可以调节焊机电源的输出PWM脉冲占空比通过软件程序设计，本系统选用一样占空比的PWM脉冲控制IGBT，使焊机输出连续的直流电压4.4主电路参数的设计计算中频变压器的设计中频变压器主要作用是电压变换(降压)、功率传递和实现输人、输出之间的隔离由于中频变压器工作频率高达ZOKHz，它要求磁芯材料高频损耗尽可能小，此外还要求饱和磁通密度高，随工作温度升高，饱和磁密度的降低尽量小等对于上述要求，采用性价比拟好的铁氧体材料做变压器磁芯，功率损耗明显减少。

实际制作的变压器磁芯采用双E型磁芯组合而成中频变压器一次侧为1组绕组N1，，二次侧为2组绕组N2、N3对称串联一次电压为方波电压，其幅值为电网输人电压U;经整流滤波后输出的电压，按电网峰值电压计算式中Ul为中频变压器输入电压的幅值，取320V二次测电压U2，参考电机的输出空载电压70V，适量取大，留有一定的调节空间取80V，所以匝数比:实际二次电压幅值:在此选用EE118型铁氧体材料磁芯2组，每组磁芯有效截面积A为 11.8cm2，磁通密度变量△B为0.2T因为开关频率设定为20KHz，周期T=50脚，考虑留有一定的“死区负载〞，防止IGBT直导通因此，要求一个周期导通时间ton<25μS式中toN为每只IGBT在一个周期导通的最长时间，即最大脉冲宽度;焊机输出电压70V，U2为中频变压器二次测电压幅值80V电网输入电压经过整流后，电压最大值式中1.15位电网波动系数所以变压器一次侧匝数至少为:式中N1为中频变压器一次侧匝数，按20匝算，U1m为中频变压器输人电压最大值358V(考虑网压15%波动的峰值)，ΔB为中频变压器时磁芯磁通密度变量0.2T，A为磁芯有效截面积 11.8cm2。

二次侧的匝数[9]: 逆变器的设计弧焊逆变器是数字化焊机主电路的核心根据逆变器所选用的大功率开关器件的不同可分为:晶闸管(GTo)逆变器、晶体管(GTR)逆变器、场效应管(MOSFET)逆变器和绝缘栅双极晶体管aGBT)逆变器等GTR的开关速度较低，对动态特性有影响，而且是电流驱动方式，驱动功率较大，还存在二次击穿问题二MOSFET有较好的高速控制性能，然而容量小，难以实现大电流，主要应用于小型和轻型设备中IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件，它兼有MOSFET易驱动和功率晶体管电压、电流容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率围，在较高频率的大中功率应用中占据了主导地位而且IGBT电压驱动、开通和关断容易，开关速度快，单个器件的载流容量大，电流密度高，开关和通态时功耗小，饱和压降低，平安工作区宽，无二次击穿现象另外其输入阻抗高，驱动电路功率小且简单，是目前较为理想的功率开关器件，也是目前的开展方向，因此在本设计中采用IGBT作为大功率开关器件一般认为，逆变频率越高，逆变器的经济指标越高实际上，逆变频率的选择要受到多种因素制约，例如功率开关器件、快速整流二极管本身的开关速度等。

此外，频率越高，对控制线路的设计要求也越高，电路的电磁干扰越严重，功率器件开关功率损耗越大，整机效率不一定更高因此，频率的选择应该综合考虑本文设定开关频率为ZOKHz，开关器件选用IGBT比拟适宜IGBT的设计、选择直接关系到整个焊机的平安、可靠所以，选择的参数必须在其正向偏置平安区 (FBSoA)计算参数时留有的富裕量较大[6411、额定电压UceP输人电网电压整流滤波后，直流输出电压最大值Ud式中为IGBT承受的稳态最大电压，Ui位电网电压的有效值22ov，1.15位电网电压波动系数，a位平安裕量系数2、关断时的峰值电压式中认为IGBT关断时的峰值电压;a位平安裕量系数， 1.15为过电压系数，150为L*di/dt引起的尖峰电压为保险起见取1200V3、额定电流Ic中频变压器一次侧电流每只IGBT上流过的平均电流I=0.5*I1=20AIGBT额定电流式中Ics为IGBT额定电流计算值，I为每只IGBT管上平均电流， 1.414为峰值系数，1.5为 1min过载容量系数，1.4为IC减小系数额定电流IC根据管子电流等级按10OA取综上所述，所选IGBT管额定电压1200V，额定电流looA。

输入电路的设计输入整流滤波电路是将交流电压变为直流电压此外，还要求它还具有一定电压输出的保持能力，既能防止电网的干扰侵入电源，又能防止电源。