逆变焊机主电路的设计.docx

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为反馈 电流，Uf为反馈电压，19为给定电流，Ug为给定电压，UO为实际输出电压内环 为电流反馈闭环控制，反馈信号由电流霍尔传感器得到外环为电压反馈闭环控 制，反馈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ZO住右的中频交流电压，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馈回路，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NSW变压器的工作频率f又有直接关系。

当凡一定时，若变压器工作频率从工频（SOHz混高到20KH4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中通常所占重量为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着的减少同时，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：1）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%^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 张的今天尤为可贵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达到百微妙级，和电弧 焊接诸物理过程的时间常数相当，故能更精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，显着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 常用的主电路拓扑结构目前，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 式和推挽式四种结构1）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，因此它的成本较之其它电路高全桥式逆变电路是应用最广的，国内 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结构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 ’12）半桥式逆变电路半桥式逆变电路的拓扑结构如图 4.3所示，这种拓扑结构只需要两个开关器 件，驱动电路简单。

但在电流容量相同的情况下，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图4.2全桥式结构Fig4.2 Full-bddge arc wdding inverter图43半桥式结构Half-bridge arc welding inverter图4.4双管正激式结构 图4.5推挽式结构Fig4.4 Double-switch forward arc welding inverter Fig4.5 Push pull arc welding inverter表4.1列出了上述四种拓扑结构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 有所不同比较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相同时，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 用于大功率的场合表41四种变换器的参数指标Table 4J Parameter Index of The four Converters拓扑结构开关管承受电压开关管蜂值电流箱出电压适用范围双端正激Viri三』 M T n中大功率推挽式v.„鼠Sy _ N)2 乙 1 J中等功率半桥式心%=0.5&之匕M Ts 1中等功率全桥式_ ....V..工" 叫T Jfl大功率4.3本系统的主电路设计方案逆变焊机的主电路承担着转换、传递能量的任务，是整个电源系统的基础主电路必须安全、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安全区域本文设计的IGBT逆变焊机输出电流为160A,输出电压为27M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。

4.6所示国44主电路拓扑鼬构图Figure 4.6 Tnpningy af main circuir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结构，拓扑结构图如图主电路主要包括三部分：第一部分，输入整流滤波电路二极管 Dl — 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部分，逆变器VTI — VT4为功率开关管IGBT管，与降压变压器T组成逆变器;RS-RS CS-CS DS-DS共同组成VTI — VT4的RC吸收网络，减少IGBT开关过程电流、电压对管子的冲击第三部分，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RCDBI攵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 C1 - C3组成的滤波电路滤波后得到 310V平直的直流电 压当控制电路输出相同占空比的 PWM^利5制IGBT,使它们轮流导通与关断，止匕 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 PWMf式进行调节，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 PWMK冲才5制IGBT组VTI、VT4和VTZ VT3的开 通与关断，则逆变器输出频率为 20KHz幅值相同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PW嘛冲占空比通过软件程序设计，本系统选用相同占空比的PWM：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，采用性价比较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，其幅值为电网输入电压 U;经整流滤波后输出的电压，按电网峰值 电压计算式中U为中频变压器输入电压的幅值，取 320V二次测电压U2,参考电源的输出空载电压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，要求一个周期内导通时间 ton<25p $式中toN为每只IGBT在一个周期内导通的最长时间，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=72x17. xL15 = 1.414x220x135 = 35^(47)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的中频变压器输人电压最大 值358V（考虑网压15%®动的峰值），△ B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]:N2 = N3=20/4 = 5 匝(4,9)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度变器、场效应管（MOSFE硬变 器和绝缘栅双极晶体管IGBT）逆变器等GTR勺开关速度较低，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 MOSFE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双极晶体管的复合器 件，它兼有MOSFET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功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，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，安全工作区宽，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，也是目前的发展方向，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。