焊接电路模拟设计模板魏海峰

1、弧焊电源电路课程设计说明书设计题目题目晶闸管触发电路的设计及仿真学 院材料科学与工程年 级2012级专 业焊接技术与工程学生姓名魏海峰学 号指导教师杨文杰佳木斯大学目 录1 电源触发电路课程设计目的和内容11.1 电源电路课程设计目的11.2 电源电路课程设计的内容及要求12 弧焊电源触发电路课程设计文献综述23 主电路形式及触发电路设计43.1 三相桥式半控电路43.1.1 电阻性负载53.1.2 带平衡电抗器双反星形可控整流电路63.2 晶闸管触发电路应满足一下要求：8(1) 触发脉冲相位必须与加在晶闸管上的阳极电压同步。83.3触发脉冲应有足够功率信号极性要求门极为正，阴极为负83.2.1 用六套触发电路83.2.2 用三套触发电路93.2.3 用两套触发电路93.3 无论用六套触发电路、三套触发电路，还是两套触发电路，对于前一部分的积分微分电路都是一样的104 触发电路设计及触发电路工作原理分析124.1 要求我们组选择二套触发电路，电路图如下：124.1.1 积分电路RC串联输入矩形脉冲电压，在电容上输出电压，积分电路的条件为125 弧焊电源触发电路的仿真检测14参 考 文

2、献17不要删除行尾的分节符，此行不会被打印1 电源触发电路课程设计目的和内容1.1 电源电路课程设计目的本设计将理论教学、实践教学与仿真实践相结合，提高教学质量、培养优秀人才,通过弧焊电源电路课程设计这一具体教学活动，首先对学生进行科学精神教育，其次是培养学生的严谨科学的态度与道德，最后是进行科学方法的训练，以达到培养学生具有综合能力的目的。1.2 电源电路课程设计的内容及要求1 晶闸管弧焊电源主电路形式、原理及晶闸管触发电路综述；2 常用集成电路等电子器件的性能及使用；3 主要仿真仪器仪表的性能及使用方法；4 晶闸管触发电路的设计及仿真；1) 电压比较器的设计与使用；2) 三相交流同步正弦波信号正负半波的检测与波形变换电路设计；3) 倍频整形电路的设计；4) 锯齿波同步信号发生电路的设计；5) 可移相的触发尖脉冲的获得及其整形电路设计；6) 两套、三套或六套双窄脉冲晶闸管触发电路的设计；7) 两套、三套或六套双窄脉冲晶闸管触发电路的仿真及测试。2 弧焊电源触发电路课程设计文献综述 弧焊逆变器具有高效、节能、体积小、质量轻、多功能、多用途等优点，且具有良好的动、静特性和工艺特性。因而，

3、自其问世以来，就受到了较高的重视，发展迅猛，在各种焊接法的焊接电源中得到了广泛应用12。电子开关器件是弧焊逆变器的核心之一，对弧焊逆变器的电路设计、性能有很大影响。电子开关器件的不断发展和完善为弧焊逆变器的更新换代提供了保证；电子开关器件的多样化发展为开发各种容量、特性的逆变焊机提供了丰富的选择。性能好、可靠性高的电子开关器件可大大简化逆变电源的电路设计，解决大功率逆变焊机的设计难点，提高逆变电源的可靠性。电子开关器件的发展水平是研究弧焊逆变器的主要考虑因素之一1.弧焊逆变器的基本工作原理弧焊逆变器主要由供电系统、电子功率系统(逆变主电路)、电子控制系统、给定与反馈电路、焊接电弧等组成，如图 1 所示。供电系统将工频交流电变成直流电，为电子功率系统供电。经逆变主电路的大功率电子开关器件(晶闸管、晶体管、场效应管、IGBT等)组 VT 的交换开关作用，变成几千至几万赫兹的中高频高压电，再经高中频变压器降至适合于焊接的几十伏低电压，并借助于电子控制系统的控制驱动电路和给定与反馈电路，以及焊接回路的阻抗来获得弧焊工艺所需的外特性和动特.2. 弧焊逆变器电子开关器件应用现状弧焊逆变器的应用首先

4、依赖于电子开关器件的发展和成熟。电子器件的大功率化、性能稳定化以及控制性能的优化是弧焊逆变器应用焊接设备的前提和基础。1972 年美国首先研制出一台 300 A 晶闸管式逆变焊机。随着电力电子技术和器件的发展，大功率电子开关器件不断出现，逆变焊机经历了晶闸管晶体管场效应管IGBT 四个阶段。我国逆变焊机研制始于 20 世纪 80 年代，1982 年研制出第一台场效应管式逆变焊机，1990 年研制出第一台 IGBT 逆变焊机6。21 晶闸管的应用晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称，1957 年美国通用电气公司开发出世界上第一只晶闸管。由于晶闸管容量大、耐压高、功耗小，特别适合制作弧焊电源。因此在 20 世纪 60 年代初期，便出现了晶闸管式弧焊整流器，在 20 世纪 70 年代末期又出现了以晶闸管为开关元件的弧焊逆变器并主要应用于TIG 和焊条电弧焊，后来推广到 CO2、MIG 等焊接方法和切割。但 20 世纪 80 年代后期，由于它的频率偏低、控制性能欠佳、有噪声干扰等以及新型弧焊逆变器的出现，应用比例逐渐减少。新型晶闸管(静电感应晶闸管 SITH、场控晶闸管 MCT 等)

5、的出现，将有利于它的继续发展和应用。22 功率晶体管的应用功率晶体管(GTR)始于 20 世纪 70 年代，是一种双极型大功率电力电子器件。作为功率开关器件，具有以下特点：(1)容量大，已达到 400A1200V、1000A400 V，甚至更大，耗散功率达到 3 kW 以上；(2)工作在开关状态，工作状态由基极电流控制，电流动态响应快，需要较大的电流驱动，不利于控制；(3)具有自关断能力、开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。由于功率晶体管是双极型器件，关断过程中存在载流子复合，需一定时间来完成，限制了弧焊逆变器开关频率的提高，逆变频率约20 kHz。晶体管有二次击穿现象、负温度系数等问题，这也限制了晶体管式弧焊逆变器的发展。但由于 GTR 实现高频化、模块化、廉价化，它在逆变电源中仍有竞争力。23 MOSFET的应用为了克服晶体管的二次击穿和需要较大电流驱动(电流控制型)等不足，20 世纪 70 年代末研制了功率场效应管(MOSFET)。功率场效应管属于电压控制型器件，输入阻抗较大，只需要控制驱动电压和极微小的瞬间电流，就能实现功率场效应管的开关控制，控制性能较好。MOSFET

6、 只有一种载流子，在关断过程中不存在两种载流子的复合，故其开关速度快，开关频率高，可达500 kHz7，有利于实现逆变焊机的高频率化。一般 MOSFET 式弧焊逆变器的频率为 4050 kHz，但也有 50 kHz 以上。另外，功率场效应管还具有热稳定性好和抗干扰能力强的优点。24 IGBT的应用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)出现于 20 世纪 80图1 弧焊逆变器主要组成及基本工作原理专题综述张士亮等：弧焊逆变器的电子开关器件应用现状及趋势 第 12 期 9年代，是目前发展最快的一种混合型电力电子器件，它既有 MOSFET 的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快、开关损耗小的优点，又具有双极型功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点，在高压、大电流、高速三方面是其他功率器件不能比拟的89，因而在逆变焊接电源领域得到了广泛应用，是目前弧焊逆变器研究的热点之一。其不足之处是高压 IGBT 内阻大、导通损耗大，并且过电压、过热、抗冲击、抗干扰等承受力较弱，往往需要附加保护电路。3 弧焊逆变器电子开关器件应用趋势弧焊逆变器总的发展趋势是向着大容量、轻量化、高效率、

7、模块化、智能化发展，并以提高可靠性、可控性和拓宽用途为核心1。高效和高功率密度是弧焊逆变器追求的主要目标之一。高频化和降低主要器件的功耗是实现这一目标的主要技术途径。所以，作为弧焊逆变器核心器件之一的功率电子开关器件，也正朝大功率、模块化、高频化、全控化和多功能化的方向发展。3 主电路形式及触发电路设计根据给定的晶闸管弧焊电源主电路形式、工作原理及给定的常用集成电路等电子器件的性能及使用要求确定晶闸管触发电路设计方案，说明晶闸管弧焊电源主电路形式原理，触发电路设计方案选择。3.1 三相桥式半控电路电阻性负载其电路如图5-6。图中T为变压器，整流电路由三个晶闸管V1、V3、V5和三个二极管VD2、VD4、VD6组成，Rf为负载，其中三个晶闸管构成共阴极，三个二极管构成共阳极。当晶闸管控制角=时波形分析如图5-7所示。分别在自然换向点t1、t3、t5，触发三只晶闸管，使其轮流导通。而二极管则在自然换向点t2、t4、t6处自然换向。图5-7 0三相桥式半控整流电路电阻负载波形a) 相电压 b) 负载电压 c)触发电压d) 管子导通顺序当30时，如图5-8所示，t1时刻V1管触发导通，电源电压

8、uab通过V1和VD6加于负载Rf两端。在t2时，共阳极组整 流二极管VD2与VD6自然换向，所以在t2之后，VD2导通，电源电压uac通过V1、VD2加于负载，一直到t3时刻，V3管导通后使V1承受反压而关断，电路转换为V3与VD2导通。Rf两端电压是ubc。依此类推。从输出电压波形看每个周期有六次脉动，且脉动是不均匀的。当60时，即在滞后于自然换相点60处触发晶闸管得到的负载波形如图5-8所示。其特点是，在触发晶闸管时正值二极管的自然换相点，因而晶闸管与二极管同时换相。 3.1.1 电阻性负载其电路如图5-11所示，六只晶闸管：V1、V3、V5接成共阴极组，V2、V4、V6接成共阳极组。现讨论电阻性负载时的工作情况，先将输出电抗器L短路起来。要使负载中流过电流，必需让上述二组晶闸管中各有一个同时导通。与其它全波整流电路一样，由于管子压降可以忽略，负载上承受的是线电压。工作过程中，共阳极组和共阴极组的晶闸管都在不断相换，换相时刻取决于产生触发脉冲的相位。为了获得一周有六个波峰的负载电压波形，则需同时触发两组晶闸管。即要求同组各晶闸管的触发电压互差120，二组之间互差60。如图5-12

9、所示是，即在自然换点t16上，由互差60的ug16按序触发对应的晶闸管VH16的波形。 图5-12 a0三相桥式全控整流电路电阻负载波形a) 相电压 b) 负载电流、电压c) 触发电压 d) 管子导通顺序3.1.2 带平衡电抗器双反星形可控整流电路其基本电路，如图5-16所示，可接成图5-16a、b形式，其工作原理及组成是一样的。其结构由六个晶闸管，一个平衡电抗器LB和一个主变压器组成。主变压器是三相的，二次有两组绕组，各以相反极性联成星形，故称“双反星形”。 带平衡电抗器双反星形整流电路，相当于正极性和反极性两组三相半波整流电路的并联。各组输出电压波形如图5-21a、b中实线所示，是各相电压的包络线。任何瞬时，正、反极性组均有一支电路导通工作，故可将该电路简化成如5-22所示。图中ua、ub各为某瞬时同时导通的正、反极性支路的变压器相电压瞬时值，晶闸管的正向压降略去不计 。平衡电抗器是维持两组三相半波电路互不干扰各自正常工作所必需的。 图5-21带平衡电抗器双反星形整流电路波形图(a0时)电阻负载波形a) 正极性组的整流电压波形图 b) 反极性组的整流电压波形图 c) 负载电压波形 d) 平衡电抗器两端电压波形 e) 整流元件导通顺序当0时。其波形如图5-21d所示，频率为电网电压的三倍、近似于三角波形，其幅值为相电压幅值的1/2倍。 当30时，正、反极性组整流电压uMP和uMP波形如图5-23所示。 图5-24为60时的波形

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