1、畢 業(yè) 論 文學(xué)生姓名： 學(xué) 號：學(xué) 院： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè)： 材料成型及控制工程 題 目：ZX7-400逆變電源系統(tǒng)研究 指導(dǎo)教師：評閱教師：2012 年 6 月河北科技大學(xué)畢業(yè)論文成績評定表姓 名學(xué) 號成 績專 業(yè)材料成型及控制工程題 目ZX7-400逆變電源系統(tǒng)研究指導(dǎo)教師評語及成績 指導(dǎo)教師： 年月日評閱教師評語及成績 評閱教師： 年月日答辯小組評語及成績答辯小組組長： 年月日答辯委員會意見 學(xué)院答辯委員會主任： 年月日 注：該表一式兩份，一份歸檔，一份裝入學(xué)生畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中。畢 業(yè) 論 文 中 文 摘 要與傳統(tǒng)焊接電源相比，逆變焊接電源具有體積小、重量輕、節(jié)能省材

2、、可實現(xiàn)熔滴的精細化控制等諸多優(yōu)點，是電焊機的主要發(fā)展方向之一。通過對逆變焊接電源各部分的理論分析與計算，設(shè)計了基于IGBT的ZX7-400逆變焊接電源的主電路和控制電路。主電路部分設(shè)計了三相橋式整流電路、電解電容濾波電路、基于IGBT的全橋逆變主電路、以非晶合金為磁芯的中頻變壓器、基于快恢復(fù)二極管的全波整流電路以及直流電抗器等；控制電路部分設(shè)計了基于SG3525的PWM控制電路、基于EXB840的驅(qū)動電路以及過流、過熱電路等。最后，通過對不同負載情況下的驅(qū)動波形以及相應(yīng)的IGBT的管壓降的檢測，證明所設(shè)計焊機性能良好，符合使用要求。關(guān)鍵詞 ZX7-400 全橋逆變 IGBTSG3525 EX

3、B840畢 業(yè) 論 文 外 文 摘 要Title Study on ZX7-400Inverter Welding Power SourceAbstractCompared with the traditional welding power source, inverter welding power source with a small size, light weight, saving energy and materials, melt-droplet fine control and many other advantages becomes one of the main de

4、velopment directions of the welding machine. Based on the theoretical analysis and calculations of the inverter welding power source, the main circuit and control circuit of ZX7-400 which is based on IGBT are designed.On the one hand, the three-phase bridge rectifier circuit, the electrolytic capaci

5、tor filter circuit, the full-bridge inverter circuit based on IGBT, intermediate frequency transformer with an amorphous alloy core, full-wave rectifier circuit based on fast recovery diodes and a DC rector of the main circuit are designed; on the other hand, the PWM control circuit based on SG3525,

6、 driving circuit based on EXB840,over-current and over-heart circuit of control circuit are designed. Finally, it is proved that the good performance of the welder designed and it meets the use requirements by the detection of the drive waveform and corresponding tube voltage drop of the IGBT under

7、various load conditions.Key WordsZX7-400full-bridge inverterIGBTSG3525 EXB840目 錄1 緒論11.1 焊接的發(fā)展及其在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用11.2 逆變弧焊機及發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀11.3 本論文選題的意義及目的42 ZX7-400逆變電源主電路的設(shè)計62.1 總體設(shè)計62.2 主電路的設(shè)計與計算93 ZX7-400逆變電源控制電路的設(shè)計213.1 控制電路的組成213.2 外特性控制213.3 脈寬調(diào)制電路223.4 驅(qū)動電路263.5 保護電路284 逆變焊機的實驗分析314.1 實驗儀器與設(shè)備314.2 實驗步驟314.3

8、實驗結(jié)果及分析31結(jié) 論33致 謝34參考文獻351 緒論1.1 焊接的發(fā)展及其在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)代焊接方法的發(fā)展是以電弧焊和壓力焊為起點的。電弧作為一種氣體放電的物理現(xiàn)象，于19世紀(jì)被人們發(fā)現(xiàn)。而電弧焊真正應(yīng)用于工業(yè)是在1892年發(fā)明了金屬極電弧之后，特別是在20世紀(jì)30年代前后發(fā)明了薄皮焊條、厚板焊條、氬弧焊及埋弧焊以后。如今的焊接技術(shù)是一種現(xiàn)代化的傳統(tǒng)加工技術(shù)，同時已發(fā)展成為一種將材料永久性連接并使焊接接頭具有給定功能的先進加工技術(shù)。幾乎所有的產(chǎn)品，從不足1g的微型電子元器件到幾十萬噸級的巨型輪船，在生產(chǎn)過程中都不同程度地依賴著焊接技術(shù)。焊接技術(shù)已然滲透到了制造業(yè)的各個領(lǐng)域，焊接與金屬

9、切削加工、壓力加工、熱處理、鑄造等其它方法一起構(gòu)成的金屬加工技術(shù)，已經(jīng)成為汽車、船舶、飛機、航天、石油、化工電子等工業(yè)部門的基本生產(chǎn)手段，而且直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、壽命、生產(chǎn)的效率、成本以及市場的反應(yīng)速度等1。在21世紀(jì)，焊接技術(shù)作為先進制造技術(shù)的一個重要組成部分，仍將在制造業(yè)中起著舉足輕重的作用2。焊接電源是實現(xiàn)焊接的最重要的設(shè)備，工業(yè)發(fā)達國家每生產(chǎn)1萬噸鋼就需要相應(yīng)的生產(chǎn)2025臺電焊機。因此，焊接電源性能的好壞、是否先進是一個國家工業(yè)發(fā)達與否的決定因素之一3。1.2 逆變弧焊機及發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀1.2.1 逆變基本概念把交流電轉(zhuǎn)換成直流電的過程叫做整流，完成整流轉(zhuǎn)換過程的電路叫做整流

10、電路，把實現(xiàn)整流轉(zhuǎn)換過程的設(shè)備叫做整流器。與此相對，把直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過程叫做逆變，完成逆變轉(zhuǎn)換過程的電路叫做逆變電路，而把實現(xiàn)逆變轉(zhuǎn)換過程的設(shè)備叫做逆變器4,5。1.2.2 逆變的分類現(xiàn)代逆變技術(shù)的種類很多，如表1.1所示為根據(jù)不同的形式，所進行的分類6,7。為了滿足不同的負載需求，有如下幾種逆變體制8：（1）ACDCAC把工頻交流電整流成直流電后，再逆變成為交流電，不過后者的交流頻率已不是原來的工頻，而是中頻或高頻，其輸出可以通過變壓器進行降壓或升壓提供給負載，也可表1.1 逆變技術(shù)的主要分類分類方式類別逆變器輸出交流頻率工頻逆變、中頻逆變和高頻逆變逆變器輸出的相數(shù)單相逆變、三相逆變和

11、多相逆變逆變器輸出能量的去向有源逆變和無源逆變逆變主電路的形式單端式、推挽式、半橋式和全橋式逆變主開關(guān)器件的類型晶閘管逆變式、晶體管逆變、場效應(yīng)管式和IGBT式輸出能量的穩(wěn)定的參量電壓型逆變和電流型逆變輸出電壓或電流的波形正弦波輸出逆變和非正弦波輸出逆變控制方式調(diào)頻式（PFW）逆變、調(diào)脈寬式（PWM）逆變和混合調(diào)節(jié)式逆變逆變開關(guān)電路的工作方式諧振式逆變、定頻硬開關(guān)式逆變和定頻軟開關(guān)式逆變以直接接入負載。由直流電逆變回來的交流電同樣可以是低頻的，但它的頻率或占空比可以進行比較大范圍的調(diào)節(jié)，從而滿足負載的需要。（2）ACDCACDC將上述逆變成的交流電再次整流成直流電。此逆變體制可以用作直流驅(qū)動電

12、機、電鍍電源、穩(wěn)壓電源或電弧電源等。此逆變過程并非多此一舉的，總的來說，就是要同時達到兩個目的：一是變壓，二是節(jié)能。即利用逆變原理把50Hz工頻交流電逆變成高頻交流電再進行變壓（借助高頻變壓器）和整流，較直接把工頻交流電進行變壓（借助工頻變壓器）和整流，要節(jié)電得多。（3）ACDCACDCAC此種逆變體制主要用于提供矩形波交流電的場合，其它場合應(yīng)用比較少。1.2.3 逆變焊機的優(yōu)點逆變焊機的優(yōu)點如下9：（1）體積小、重量輕由于逆變焊機的逆變頻率較高，變壓器重量降低。現(xiàn)在逆變焊機變壓器鐵芯材料主要采用鐵氧體材料和非晶材料，小功率逆變焊機已作為工具進入家庭。傳統(tǒng)焊機中變壓器的重量占焊機重量的80%以

13、上，逆變焊機中變壓器的重量占焊機重量的1/51/10。逆變焊機的重量是同容量整流焊機的1/21/4。（2）節(jié)能表1.2 逆變焊機與傳統(tǒng)焊機參數(shù)對照表逆變焊機的節(jié)能體現(xiàn)在兩方面：空載時節(jié)能和負載時節(jié)能。空載時逆變焊機可使主電路、風(fēng)扇等全部進入停止?fàn)顟B(tài)，空載功耗只有幾瓦。表1.2為輸出電流為350A的某款I(lǐng)GBT逆變焊機和晶閘管整流焊機效率的對比。焊機參數(shù)逆變焊機傳統(tǒng)的晶閘管整流焊機額定輸入電壓三相AC 380V/50Hz額定輸入功率/有功功率13.7kVA/12kW15.7kVA/14.1kW額定輸入電流/A2124輸出電流/ADC 60350DC 60350輸出電壓/VDC 1440DC 16

14、40滿載效率0.9160.78額定負載持續(xù)率（%）6060外形尺寸（長×寬×高）/636×322×584675×436×762重量/42100（3） 可實現(xiàn)熔滴過渡的精細控制由于逆變焊機的工作頻率在20kHz以上，從而可以對熔滴過渡細分為多個階段來進行控制。對于CO2氣體保護焊，可大幅度降低飛濺；對于脈沖熔化極惰性/活性氣體保護焊（MIG/MAG）而言，可有效地控制射流過渡的穩(wěn)定性，此外還能將熔滴過渡與送絲機構(gòu)的運動結(jié)合起來，從而進一步控制熔滴過渡的過程。這些都是傳統(tǒng)整流焊機無法比擬的。1.2.4 逆變焊機的發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代末

15、堪稱焊接電源發(fā)展史上具有突破性的時期逆變弧焊整流器問世。弧焊逆變整流器在構(gòu)造、性能和工作原理上均顛覆了傳統(tǒng)的焊接電源。因為它具有節(jié)能省材，效率高，穩(wěn)定性能與可靠性能高等優(yōu)勢，一經(jīng)面世就備受全球各機械加工部門的認可，被冠以“革命性焊接電源”的美名。我國的逆變焊機技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，真正得到有效的發(fā)展是在20世紀(jì)80年代。隨著對國際上焊機市場的發(fā)展?fàn)顩r的研究，我國的逆變焊機經(jīng)歷了以下三個發(fā)展時期6：（1）第一個時期：晶閘管（SCR）時期，這個時期的逆變焊機所用的逆變頻率較低，一般為25kHz，主要以晶閘管作為開關(guān)元器件；（2）第二個時期：隨著功率開關(guān)元器件的發(fā)展，出現(xiàn)了以晶體管（GTR）和

16、場效應(yīng)管（MOSFET）為主的新型功率開關(guān)器件，它們克服了晶閘管逆變頻率低的缺點，把逆變頻率提高到30100kHz；（3）第三個時期：目前，以絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）作為開關(guān)元器件的逆變焊機已然成為了焊機市場的主導(dǎo)，很多科研部門、企業(yè)單位、高校等成功研制出新的焊機產(chǎn)品，其性能、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量均已達到世界先進水平。1.3 本論文選題的意義及目的1.3.1 本論文選題的意義焊接作為一種基本的加工方法應(yīng)用非常廣泛。目前，工業(yè)發(fā)達國家的鋼產(chǎn)量有一半以上是以焊接結(jié)構(gòu)的形式應(yīng)用的。焊接與國民經(jīng)濟各個部門的發(fā)展，如冶金、礦山、國防工業(yè)、造船工業(yè)、機械加工工業(yè)、航空航天工業(yè)等都有著極其密切的關(guān)系。焊接水平的

17、高低將直接影響到一個國家工業(yè)品的質(zhì)量水平、競爭力以及經(jīng)濟效益。焊接在國民經(jīng)濟的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。因此，對焊接電源的研究具有非常重要的意義。長期以來，國外的焊機產(chǎn)品占據(jù)著我國電焊機市場的半壁江山，國產(chǎn)焊機由于設(shè)計水平低、制造工藝落后和可靠性差等諸多原因，在市場競爭中處于劣勢。改革開放以來，我國引進和研制了一些先進的焊接設(shè)備與技術(shù)，既提高了我國焊接設(shè)備的設(shè)計和制造水平，又使設(shè)備的品種、規(guī)格得到了豐富和發(fā)展。雖然我國焊機行業(yè)取得了長足的進步，但是與工業(yè)發(fā)達國家相比，仍有很大差距。要想改變這種現(xiàn)狀，趕上國際先進水平，就必須學(xué)習(xí)并掌握先進焊機的設(shè)計與控制技術(shù)，開發(fā)出適合我國國情、價位低、質(zhì)量優(yōu)的

18、國產(chǎn)焊機。因此，對焊接電源的研究具有非常重要的意義。本論文選題為“ZX7-400逆變電源系統(tǒng)研究”。以“奧太ZX7系列逆變弧焊機”為例，該系列逆變弧焊機包括S（直流弧焊機）、ST（焊條電弧/氬弧焊機）、STG（焊條電弧/氬弧焊機）3種型號。采用IGBT作為逆變器件，工作頻率達20kHz，無噪聲。既能用于碳鋼和低合金鋼的焊接，又能用于不銹鋼、高合金鋼、銅、銀、鉬、鈦等金屬的焊接，是一種新型高效節(jié)能的直流弧焊機9。由此可見，在能源日趨緊張，國際競爭日趨激烈的今天，研究此系列焊機顯然具有現(xiàn)實意義和實際應(yīng)用價值。1.3.2 本論文選題的目的通過本課題的研究，應(yīng)達到以下目的：（1）運用所學(xué)的專業(yè)知識，解

19、決實際問題的能力；（2）掌握開展科學(xué)研究的工作步驟和基本方法；（3）鍛煉和提高學(xué)生的科技論文寫作能力；（4）鍛煉和提高學(xué)生的實際動手能力；（5）掌握逆變焊接電源設(shè)計的特點；表1.3 奧太ZX7-400逆變焊機參數(shù)規(guī)格如表1.3所示為奧太ZX7-400逆變焊機參數(shù)規(guī)格，作為本課題的參考9。項 目參 數(shù)電源電壓/頻率三相380(L10%)V/50Hz額定輸出功率/kW14.4額定輸入電流/A26額定負載持續(xù)率(%)60輸出電流調(diào)節(jié)范圍/A20400輸出空載電壓/V728滿載效率(%)89功率因數(shù)0.952 ZX7-400逆變電源主電路的設(shè)計逆變弧焊機通常由兩部分組成：（1）主電路部分，它的作用是完

20、成電能的轉(zhuǎn)換和傳輸，是逆變電源的主要部分；（2）控制電路部分，它的作用是對逆變主電路進行控制，實現(xiàn)電源外特性輸出控制、焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)及其它功能，如參數(shù)預(yù)置、保護功能與顯示功能等。因為控制電路的研究是在逆變主電路的基礎(chǔ)上進行的，所以本論文先對逆變主電路進行分析和討論。2.1 總體設(shè)計如圖2.1所示為逆變焊機工作原理框圖。圖2.1 逆變焊機工作原理框圖圖2.1中，主電路由輸入整流濾波電路、逆變器、中頻變壓器、輸出整流濾波電路組成，其余部分為控制電路。三相380V交流電源通過輸入整流器和電容濾波后變成540V左右的直流，然后通過全橋逆變器變成20kHz的占空比可調(diào)的中頻交流電，因為中頻交流電壓的幅

21、值比較高，所以采用中頻變壓器降到焊接電壓，該電壓再通過輸出整流器和濾波電抗器濾波后轉(zhuǎn)變成直流電壓用于焊接。2.1.1 逆變頻率的確定選擇逆變頻率時應(yīng)考慮10:（1）有效地減少焊接變壓器的重量和體積；（2）所選用的開關(guān)元器件的頻率特性；（3）盡可能提高焊機效率；（4）對焊接性能的影響；（5）經(jīng)濟性。普通弧焊電源的重量和體積主要集中在變壓器和電抗器上，兩者所占的比例可達80%以上。在變壓器設(shè)計中，根據(jù)有關(guān)電磁定律，可以推出電壓U與變壓器工作頻率f、鐵心截面積S、鐵心材料最大磁感應(yīng)強度Bm以及繞組匝數(shù)N之間的關(guān)系：（2.1）由此式可得： (2.2)Bm的大小與變壓器鐵心的磁性材料有關(guān)，當(dāng)確定磁性材料

22、以后，Bm也就確定了。當(dāng)輸入電壓一定時，大幅度增大f，NS就會大幅度下降，相應(yīng)的變壓器重量和體積也大幅度減小。工作頻率從50Hz增大到20kHz時，NS減少了400倍，鐵和銅的損耗也將大幅度減少。同理，工作頻率大幅度提高，電抗器的重量和體積也將大幅度減小。同時，工作頻率越高，du/dt，di/dt等動態(tài)參數(shù)的影響也越明顯。逆變電源的電子功率開關(guān)等元件被擊穿、燒穿的可能性越大。為保證焊機電源的可靠性，不僅需要高品質(zhì)、高性能的元器件，而且需要設(shè)計、應(yīng)用許多保護電路，使得弧焊電源的控制電路非常復(fù)雜。而且較高的工作頻率是開關(guān)器件的開關(guān)損耗和通態(tài)損耗都大大增加，這將大大增加散熱器的體積，不利于降低焊機整

23、體重量和體積。綜上所述，結(jié)合常用的功率開關(guān)器件的使用頻率，本論文所選開關(guān)頻率為20kHz。2.1.2 逆變電路拓撲結(jié)構(gòu)選擇逆變弧焊機主電路拓撲結(jié)構(gòu)通常有以下幾種形式：推挽式、半橋式、全橋式以及單端正激、單端反激式等。各種形式逆變主電路的比較，如表2.1所示1。由表2.1可以看出，全橋式逆變電路的開關(guān)管數(shù)量（4個）較其它電路多一倍外，其開關(guān)管集-射極電壓最小（與半橋式同），相同輸出功率時集電極電流Ic最小（與推挽式同），相同集電極電流的輸出功率最大（與推挽式同），能獲得最大的輸出容量。對于較大容量的逆變弧焊機，應(yīng)主選全橋式和推挽式電路，但后者的開關(guān)管集-射極電壓是前者的二倍以上，安全性較差。由于

24、本次設(shè)計的逆變焊機是額定電流高達400A的大功率電源，故本設(shè)計中采用全橋式逆變主電路。表2.1 各種形式逆變主電路比較項目與形式單 端半 橋全 橋并聯(lián)（推挽）開關(guān)管承受電壓Umax>2UU<U>2U相同輸出功率時IcIc2IcIcIc中頻變壓器施加電壓U0.5UUU高壓開關(guān)管基數(shù)1242輸入濾波電容數(shù)量1211驅(qū)動電路復(fù)雜程度簡單中等復(fù)雜簡單宜于獲得輸出功率小中大大如圖2.2所示為全橋式逆變主電路，VI1VI4為功率開關(guān)元器件，它們構(gòu)成了全橋式逆變結(jié)構(gòu)的四個橋臂，VI1、VI4為一組，VI2、VI3為一組。在驅(qū)動電路中產(chǎn)生的驅(qū)動信號的激勵下四個橋臂兩兩導(dǎo)通、截止。當(dāng)VI1、V

25、I4導(dǎo)通時，VI2、VI3截止；當(dāng)VI2、VI3導(dǎo)通時，VI1、VI4截止。若當(dāng)VI1、VI4未完全截止時，VI2、VI3開始導(dǎo)通，這一瞬間四組開關(guān)元器件同時處于導(dǎo)通狀態(tài)，即發(fā)生直通，將會把功率開關(guān)器件擊穿。因此在設(shè)計全橋式逆變電路時要保證四組功率開關(guān)器件的型號相同，電參數(shù)一致，而且要設(shè)置死區(qū)時間，死區(qū)時間要大于開關(guān)器件關(guān)斷的延遲時間。圖2.2 全橋式逆變主電路2.1.3 功率開關(guān)器件的選擇如表2.2為晶閘管、晶體管、MOSFET和IGBT四種功率開關(guān)元器件各方面性能和參數(shù)的對比6。通過表2.2可以看出與其它元器件相比，晶閘管開關(guān)的速度最慢，工作頻率最低， 表2.2 不同開關(guān)元件性能與參數(shù)對比

26、器件特性晶閘管晶體管MOSFETIGBT開關(guān)速度/s25100150.10.50.51安全工作區(qū)大小大大額定電流密度/(A/cm2)203051050100驅(qū)動功率大大小小驅(qū)動方式電流電流電壓電壓高壓化易易難易大電流化易易難易高速化難難較易易飽和壓降低較低高低并聯(lián)使用難較易易易由于其頻率在音頻范圍內(nèi)，所以工作噪音是不能避免的。晶體管與晶閘管相比，在開關(guān)速度上與逆變器工作頻率上有了很大的提高，而且工作起來噪聲小，其電流、電壓容量大，可以應(yīng)用在大容量的逆變器中。晶體管的缺點是晶體管驅(qū)動功率較大，因此驅(qū)動電路設(shè)計起來較復(fù)雜而且要求高。場效應(yīng)管（MOSFET）開關(guān)速度很高，工作頻率可提高到100kHz

27、，以它作為開關(guān)器件的逆變電源噪聲小，其驅(qū)動方式是電壓型驅(qū)動，驅(qū)動功率低，驅(qū)動容易。但場效應(yīng)管獲得大容量的逆變器較為困難，由于其電壓、電流容量小，因此在使用時常采用多個場效應(yīng)管的并聯(lián)來滿足大容量的要求。IGBT實質(zhì)是場效應(yīng)管和晶體管的復(fù)合，近年來在逆變電源中得到廣泛的應(yīng)用，它同時兼?zhèn)鋱鲂?yīng)管和晶體管的優(yōu)點，電壓、電流容量大，可應(yīng)用于大容量的逆變器中，驅(qū)動電路采用電壓驅(qū)動，易于驅(qū)動且驅(qū)動功率小，工作頻率為10kHz40kHz。結(jié)合本論文所選課題“ZX7-400逆變電源系統(tǒng)研究”以及所選逆變頻率（20kHz），本論文選用IGBT作為開關(guān)器件。2.2 主電路的設(shè)計與計算本論文設(shè)計的電源為ZX7-400

28、逆變電源，通過前文的對比分析，選用絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）作為功率開關(guān)元器件，逆變頻率為20kHz，并采用全橋式逆變電路。全橋式逆變主電路，是逆變焊接電源的重要組成部分，在其內(nèi)部完成整流、濾波，逆變，再整流、濾波的工作。其工作原理如下：三相工頻交流電（380V，50Hz）輸入到主電路中，首先通過輸入整流濾波電路，經(jīng)過由二極管組成的整流器以及由濾波電容組成的濾波器的整流、濾波過程，轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姟Ｖ绷麟娺M入到全橋式逆變主電路中，該電路有四個橋臂，每個橋臂中有一組絕緣柵雙極性晶體管（IGBT），為了保證絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）正常工作，每個橋臂上均并聯(lián)有電容、電阻起到阻容保護作用。逆變結(jié)

29、束后獲得中頻或高頻的交流電，經(jīng)由變壓器降壓到所需電壓，最后進入到輸出整流濾波電路，通過整流、濾波過程轉(zhuǎn)換為焊接所需要的直流電。通過上述分析可知，逆變焊接電源主電路主要包括四個部分，即輸入整流濾波電路、全橋式逆變主電路、變壓器和輸出整流濾波電路。下面將對這四部分進行分析。2.2.1 中頻變壓器的設(shè)計與參數(shù)計算變壓器是逆變電路的重要組成部分，具有電網(wǎng)與負載的隔離、功率傳輸、降壓的功能，對逆變器的效率和工作的可靠性以及輸出的電氣性能起著重要作用。中頻變壓器工作在20kHz，而且為矩形波脈沖，因此要在磁芯材料，尺寸，繞組匝數(shù)，集膚效應(yīng)等方面認真考慮。（1） 磁芯材料表2.3 焊機用非晶鐵芯性能表（摘自

30、北京安泰公司技術(shù)資料）逆變焊接電源中常用的磁芯材料主要有硅鋼片、鐵氧體和非晶合金三種。對于20kHz的弧焊電源，普通硅鋼片的厚度不能超過幾十微米，加工難度相當(dāng)大；鐵氧體的飽和磁感應(yīng)強度較低(一般僅為0.4T)，居里溫度僅為120左右，而且易碎易裂。與以上兩種材料相比，非晶態(tài)磁性材料的飽和磁感應(yīng)強度較高(0.61.5T)，居里溫度可達350700，電阻率可達120150cm，為硅鋼片的3倍，尤其是它的矯頑力(Hc)很小，所以其鐵損小，故磁芯材料選用非晶合金。表2.3為電焊機常用的非晶鐵芯的性能表9。基本參數(shù)納米晶鐵芯基本參數(shù)納米晶鐵芯飽和磁感BS/T1.25矯頑力Hc/(A/m)<1.60

31、剩余磁感Br/T(20kHz)<0.20飽和磁致伸縮系數(shù)(×10-6)<2鐵損(20kHz/0.2T)/(W/kg)<3.4電阻率(cm)80鐵損(20kHz/0.5T)/(W/kg)<35居里溫度/570鐵損(50kHz/0.3T)/(W/kg)<40鐵芯疊片系數(shù)>0.70導(dǎo)磁率(20kHz)/(GS/Oe)>20000表2.4 ONL-1308040參數(shù)表（摘自北京安泰公司技術(shù)資料）根據(jù)焊機的額定輸出電流400A和額定輸出功率14.4kW，選用環(huán)形鐵芯ONL-1308040，其參數(shù)如表2.4所示。產(chǎn)品牌號鐵芯尺寸(mm)保護盒尺寸(mm)

32、S(cm2)L(cm)M(g)P(kW)適用焊機電流ODIDHTODITHTONL-13080401308040136764573316601520400A500A（2）匝數(shù)計算如圖2.2所示，中頻變壓器一次側(cè)為一組繞組N1，二次側(cè)設(shè)計為對稱串聯(lián)的兩組繞組N2、N3。變壓器一次側(cè)電壓為方波電壓，其幅值為電網(wǎng)輸人電壓Ui經(jīng)整流濾波后輸出的電壓U1，按電網(wǎng)正常電壓Ui=380V計算,則有： (2.3)此式中U1為中頻變壓器輸入電壓的幅值，取540V。為保證焊條電弧焊能夠引弧容易，焊機空載電壓U0取70V，并留有一定調(diào)節(jié)空間，將變壓器二次側(cè)電壓U2取為80V，則變壓器的匝數(shù)比為:（2.4）本設(shè)計中選

33、用ONL-1308040型非晶合金磁芯，有效截面積S為7cm2，工作頻率f為20kHz，則其PWM周期為50s，半周期為25s。為防止IGBT上下橋臂直通，要求IGBT的一個周期內(nèi)導(dǎo)通時間滿足Ton<25s，即有一定死區(qū)時間。選取矩形波最大占空比D為0.8，則每次導(dǎo)通的最大時間為。為防止磁芯飽和，取最大工作磁感應(yīng)強度B為飽和磁感應(yīng)強度Bs的1/3，即。則變壓器一次側(cè)匝數(shù)10為： （2.5）此處取N1=20匝。二次側(cè)匝數(shù)為： （2.6）則變壓器實際匝數(shù)比為：（3） 導(dǎo)線線徑及股數(shù)計算1）求原、副邊電流有效值Ie1和Ie2當(dāng)輸出電流I0=400A時，計算變壓器一、二次側(cè)繞組電流有效值Ie1和

34、Ie2如下11： （2.7） （2.8）2） 求繞組導(dǎo)線線徑根據(jù)公式12： （2.9）其中為電流密度，取=350A/cm2；S1和S2為導(dǎo)線截面積。代入Ie1和Ie2數(shù)值，得：，。3）集膚效應(yīng)交變電流通過導(dǎo)線時，導(dǎo)體中的電流密度會由導(dǎo)體表面向中心逐漸減小，并呈指數(shù)規(guī)律下降，稱為集膚效應(yīng)。交變電流的頻率越高，這種效應(yīng)越明顯。也就意味著導(dǎo)線的有效截面積減小，導(dǎo)通電阻增大。集膚效應(yīng)的強度可用穿透深度來表征，其含義為：交變電流從導(dǎo)線表面開始，向內(nèi)所能達到的徑向深度，它所具有的橫截面即是導(dǎo)線的有效截面。為了減小集膚效應(yīng)，要求繞組銅線的直徑d<2。有經(jīng)驗公式13： （2.10）此式中，的單位是mil

35、，f的單位是Hz。則當(dāng)f=20kHz時，。結(jié)合生產(chǎn)實際，選擇d=0.4mm的漆包線。則對于初級繞組，需要漆包線并繞；對于次級繞組，需要漆包線并繞。2.2.2 輸入整流濾波電路的設(shè)計與參數(shù)計算（1）輸入整流濾波電路的設(shè)計輸入整流濾波電路的作用主要是將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡@部分與常規(guī)焊接電源相同。它還需要具有一定電壓輸出的保持能力，既要能防止電網(wǎng)的干擾侵入電源，又要能防止電源產(chǎn)生的諧波污染電網(wǎng)，即具有抗干擾性。本論文采用的是三相全橋式整流濾波電路，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。圖2.3 輸入整流濾波電路示意圖圖2.3中K1為逆變弧焊機的電源開關(guān)。通過風(fēng)扇的強迫風(fēng)冷，可有效地冷卻逆變弧焊機內(nèi)部的發(fā)熱元器

36、件，并保證其負載持續(xù)率。當(dāng)合上電源開關(guān)K1后，冷卻風(fēng)扇開始工作。工頻交流電經(jīng)整流橋整流后，再經(jīng)電解電容C1濾波，最終得到紋波系數(shù)較小的540V直流電，輸入到逆變主電路中。R1為均壓電阻。控制變壓器二次輸出端14V-0V-14V的交流電接到控制電路中，風(fēng)扇輸入端電壓為220V。本論文在設(shè)計時為了獲得波紋較小的濾波電壓，輸入濾波電容會較大，合閘時由于電容充電往往會引起較大的浪涌電流且持續(xù)時間較長，浪涌電流不僅會造成電源開關(guān)節(jié)點的溶解或輸入熔斷器的熔斷，還會因為電容器和整流器反復(fù)經(jīng)受大電流沖擊，使其性能逐漸劣化，因此必須設(shè)法加以抑制。其方法就是在輸入回路中串入限流電阻R2，如圖2.3中所示，此電阻為

37、熱敏電阻，只有在合閘瞬間才有必要，在逆變電源正常工作時，會產(chǎn)生很大的功率損耗，所以在主回路向負載提供功率時需要設(shè)法將R2短接。短接方法通常有無觸點和有觸點兩種，有觸點電路一般用普通繼電器或接觸器通過簡單延時來實現(xiàn)，無觸點電路一般用晶閘管來短接。本論文采用有觸點延時繼電器J1短接限流電阻R2的方法來實現(xiàn)上述目的。圖2.4 軟啟動電路原理圖如圖2.4所示為軟啟動電路原理圖，其中繼電器觸點J1-1接到圖2.3輸入整流濾波電路中熱敏電阻R2兩端，當(dāng)主電源開關(guān)K1關(guān)閉時，+24V電壓經(jīng)過電阻R3向電解電容C3充電，形成充電回路。當(dāng)電解電容C3兩端的充電電壓達到場效應(yīng)管Q1的導(dǎo)通電壓時，Q1導(dǎo)通，使得24

38、V電壓接到繼電器J1兩端，J1導(dǎo)通，繼電器觸點J1-1閉合，將熱敏電阻R2短接。穩(wěn)壓管WD1并聯(lián)于電容兩端，將場效應(yīng)管的柵極電壓箝位在小于12V，以防Q1由于柵極電壓過大而被擊穿。（2） 重要參數(shù)的計算1） 輸入整流管的參數(shù)計算整流模塊的整流管是輪流工作的，每個整流管導(dǎo)通1/3周期。整流管的電流有效值為： （2.11）其中，Id為直流母線上的電流有效值，ID為整流管的電流有效值。由于電流脈動較小，取，I1為變壓器原邊電流。中頻變壓器原邊電流： （2.12）從有效值相等的原則，并考慮選取1.52倍的安全裕量折算到整流管的額定平均電流IN，則有： （2.13）考慮10%的網(wǎng)壓波動，整流二極管最高承

39、受電壓： （2.14）整流二極管承受電壓值考慮23倍的安全裕量后，可取額定電壓值為1200V。綜上所述，結(jié)合實際生產(chǎn)，選取額定值40A、1200V的二極管6只。2） 輸入濾波電容的參數(shù)計算三相380V/50Hz的交流電Vline經(jīng)過全橋整流后得到脈動的直流電壓Vin，輸入濾波電容C1，用來平滑這一直流電壓，使其脈動減小。濾波電容C1的選擇是比較關(guān)鍵的，如果C1太小，直流電壓Vin的脈動就會比較大。那么為了得到所要求的輸出電壓，就需要過大的占空比調(diào)節(jié)范圍；同時，直流電壓Vin的最小值Vin(min)也比較小，要求高頻變壓器的原副邊匝比變小，以致于開關(guān)管的電流增大，輸出整流二極管的反向電壓增大。如

40、果C1太大，其充電電流脈沖寬度變窄，幅值增高，以致于輸入功率因數(shù)降低，過高的輸入電流(有效值)使得輸入整流管和濾波電容的損耗增加；此外，電容過大，成本也會增加。一般而言，用下述經(jīng)驗算法2,12：線電壓有效值：線電壓峰值：整流濾波后直流電壓的最大脈動值：整流濾波后直流電壓：為了保證整流濾波之后的直流電壓最小值Vin(min)符合要求，每個周期中C1所提供的能量約為： （2.15）式中A為交流電的相數(shù)，f為其頻率，為滿載效率，P0為額定輸出功率，Pin為額定輸入功率。每半個周期輸入濾波電容所提供的能量為：（2.16）由此可得輸入濾波電容容量為： （2.17）由于電容承受的電壓峰值為591V，結(jié)合實

41、際應(yīng)用，選用4個560F/630V的電解電容并聯(lián)使用。電解電容并不是理想的電容，其本身的阻抗對電容上的電壓會產(chǎn)生影響，所以為了穩(wěn)定電解電容兩端的電壓，使每組電容上的分壓相等，分別在每組電容兩端并聯(lián)了均壓電阻R，選擇阻值R=10k，額定功率為10W。有時為了濾波除去高頻干擾，需要在濾波電容組前并聯(lián)電容。一般來說，只要該電容能夠經(jīng)受電壓的沖擊即可。2.2.3 逆變主電路設(shè)計與參數(shù)計算由前文分析可知，本論文逆變主電路選用開關(guān)元件為IGBT的全橋逆變主電路，其電路拓撲如圖2.4所示。圖2.4 全橋逆變主電路（1）IGBT的參數(shù)計算IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件，它既有MOSFET易驅(qū)動又

42、有功率晶體管電壓、電流容量大的特點，頻率特性介于MOSFET和功率晶體管之間，一般在10kHz40kHz之間，在較高頻率的大中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。并且IGBT為電壓驅(qū)動，開通和關(guān)斷容易，開關(guān)速度快，單個器件的載流容量大，電流密度高，開關(guān)和通態(tài)功耗小，飽和壓降低，安全工作區(qū)寬，無二次擊穿現(xiàn)象，其輸入阻抗高，驅(qū)動電路功率小且簡單，是目前較為理想的功率開關(guān)器件。IGBT參數(shù)的正確選擇是逆變電路能夠可靠工作的關(guān)鍵，如果選擇不好，會導(dǎo)致焊機可靠性下降，安全性下降。因此，IGBT選擇的參數(shù)必須在IGBT安全工作區(qū)內(nèi)，并留有一定安全裕量。工頻交流電（380V/50Hz）經(jīng)整流濾波后，考慮10%的網(wǎng)壓波

43、動，輸出直流電壓的最大值為： （2.18）式子中，Udm為IGBT承受的最大穩(wěn)態(tài)電壓，Ui為網(wǎng)壓有效值。在此基礎(chǔ)上考慮一定的安全裕量，一般選=1.52倍，則IGBT耐壓值應(yīng)為： （2.19）IGBT的額定電壓值應(yīng)高于此值，選取1200V。由式（2.12）可知中頻變壓器原邊電流I1=60A，則單個IGBT上的平均電流為： （2.20）考慮到10%的網(wǎng)壓波動、1.5倍的安全裕量，則IGBT的額定電流為： （2.21）額定電流Ic根據(jù)管子電流等級選擇選擇75A。綜上所述，結(jié)合實際應(yīng)用所選IGBT額定電壓1200V，額定電流75A。選用SKM-75GB123D。（2） 隔直電容參數(shù)計算對于全橋逆變電路

44、，偏磁是一個不得不認真解決的問題。偏磁的積累將造成變壓器的磁飽和，從而導(dǎo)致逆變“顛覆”。本設(shè)計采用串聯(lián)耦合隔直電容的方法來隔直糾偏，隔直電容的參數(shù)可通過如下方法計算14： （2.22）此式中，LR為變壓器二次側(cè)折算到一次側(cè)的等效電感與一次側(cè)電感之和(單位：H)；fR為LR與C組成的串聯(lián)諧振電路的諧振頻率(單位：kHz)。為了使耦合電容線性，一般選fR=0.1f，本文中f=20kHz，故fR=2kHz，實驗測得LR=200H，帶入數(shù)據(jù)算得：C=31.7F。另外，電容充電電壓不宜過大，一般以5%10%Vs為好，即需要滿足以下不等式： （2.23）此式中，VC為充電電壓，IC為充電電流，t為充電時間

45、，D為IGBT導(dǎo)通占空比，Ts為開關(guān)周期，Vs為電源電壓。按照VC=7.5%Vs進行計算，則有： （2.24）綜上所述并結(jié)合實際應(yīng)用，隔直電容C實際選用耐壓630V，容量為60F的電容(由3只20F的電容并聯(lián)而成)，即可滿足要求。（3） RC緩沖電路參數(shù)設(shè)計RC緩沖電路并聯(lián)在IGBT兩端，具有抑制過電壓、減小開關(guān)損耗、限制電壓上升速率以及消除電磁干擾等幾個方面作用。緩沖電路中，電容C越大，緩沖電阻R越小，則緩沖電路的作用越明顯，但同時要考慮功率損耗等因素。IGBT關(guān)斷后，緩沖電容C上貯存電能，當(dāng)下次IGBT開通時，這部分能量將以熱能形式消耗在電阻R上。電阻R的功耗為： （2.25）此式中，VC

46、E為最大的集電極-發(fā)射極電壓(V)，本電源VCE=537.4V；為了減少功率損耗，一般要求PR120W，即： （2.26）則緩沖電容為： （2.27）實際選用C=0.01F。IGBT開通后，電容C必須在再次關(guān)斷前放電完畢，以保證電容電壓的初始狀態(tài)始終為零。為此，RC放電時間常數(shù)受到限制，一般假設(shè)超過3倍時間常數(shù)可以放完電，即： （2.28）所以： （2.29）此外，計算電阻值時，還需要限制放電電流，使放電電流Idis小于集電極電流IC的1/4，即： （2.30）代入數(shù)據(jù)解得： （2.31）實際選取R=47。實際電阻功率為，符合要求。綜上所述，選取C=0.01F的電容，R=47的電阻作為IGBT

47、的RC吸收電路。2.2.4 輸出整流濾波電路的設(shè)計與參數(shù)計算整流輸出濾波電路的作用是將中頻主變壓器二次方波電壓整流成脈動直流，并將其濾波成滿足要求的低紋波直流電。本論文采用的是全波整流輸出電路。全波整流輸出電路可分為全波中心抽頭式和橋式，由于前者少用一對二極管，且可減少一個二極管的正向壓降，因此本設(shè)計采用中心抽頭式的全波整流電路，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。（1） 輸出整流二極管的參數(shù)計算輸出整流二極管的導(dǎo)通與關(guān)斷特性影響著主電路的工作頻率和IGBT的瞬時集電極電流與損耗，從而對電源整體效率有關(guān)鍵的影響。由于整流二極管工作在20kHz，不僅需要有較短的反向恢復(fù)時間和和較小的反向恢復(fù)電流，且反向電

48、流的恢復(fù)以緩慢為好，從而減少噪音。因此，逆變焊機中常采用快恢復(fù)二極管。對于單相全波整流電路，硅整流二極管額定電流為： （2.32）此式中，I2N為硅整流二極管額定電流，I0為焊機額定輸出電流。整流管承受最大反向電壓： （2.33）此式中，U1m是IGBT承受的穩(wěn)態(tài)電壓最大值，U2m是輸出整流二極管承受最大反壓，n為中頻變壓器變比。綜上所述，結(jié)合實際應(yīng)用，選用快恢復(fù)二極管MURP20040CT，并聯(lián)降額使用。（2） 直流電抗器參數(shù)計算直流電抗器的作用有兩方面：一是用于濾波，使電流連續(xù)，特別是小電流脈動大時，電抗器電感的選擇以最小直流電流波形連續(xù)為依據(jù)；二是改善電源的動態(tài)品質(zhì)，在焊接短路過渡時，限

49、制短路電流上升速度和短路電流峰值，以便改善電源的引弧性能和減少飛濺。直流電抗器的鐵芯有條形和閉合之分，本文選擇條形鐵芯，這是為了在短路電流很大時，電抗器不會很快就飽和。鐵芯材料選擇普通硅鋼片，減少整臺焊機成本從而提高性價比。在主電路電流未通過電抗器濾波之前是斷續(xù)的，為了獲得連續(xù)的輸出電流，電抗器的電感量L應(yīng)滿足下述關(guān)系式： （2.34）此式中，L為直流電抗器的電感量，U2為中頻變壓器的副邊電壓幅值，U0為電感濾波輸出電壓，即空載電壓，ton為IGBT最大導(dǎo)通時間，Iomin為最小電流。其中， （2.35）此式中，IL為電抗器中的電流，即焊機的輸出電流（A），IL為IL的變化量，一般取其5%，即

50、。將此值代入式（2.34）可得：實際取L=40H。確定繞組匝數(shù)： （2.36）此式中，N為直流電抗器繞組匝數(shù)，Bm為鐵芯中最大磁感應(yīng)強度，L為直流電感量，IL為直流電抗器中的電流。繞組匝數(shù)取N=19匝綜上所述，選擇L=40H，繞組匝數(shù)取N=19匝，鐵芯材料為普通硅鋼片的直流電抗器。3 ZX7-400逆變電源控制電路的設(shè)計3.1 控制電路的組成本論文所設(shè)計的ZX7-400逆變電源系統(tǒng)主要是由主電路部分和控制電路部分組成，對于一個完整的逆變系統(tǒng)，主電路和控制電路二者缺一不可。控制電路的設(shè)計不僅受逆變主電路的形式、逆變工作頻率和主電路開關(guān)器件的類型的支配，而且還取決于選取功率變換技術(shù)的種類。控制電路

51、主要由給定電路、反饋電路、驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、保護電路等組成，它是整個逆變弧焊機的核心，其作用是將電流反饋信號與給定信號比較，獲得寬度可變的脈沖信號給驅(qū)動電路，控制功率開關(guān)器件的通斷時間，從而實現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)，獲得符合焊接要求的靜特性和動特性。如圖3.1所示為逆變弧焊機的控制電路的基本結(jié)構(gòu)框圖。圖3.1 控制電路基本結(jié)構(gòu)圖3.2 外特性控制在電源參數(shù)一定的條件下，改變負載時，電源輸出的電壓穩(wěn)定值Uy與輸出的電流穩(wěn)定值Iy之間的關(guān)系，稱為電源的外特性7。逆變弧焊機外特性的設(shè)計決定著逆變器電氣性能的好壞，是其最基本的體現(xiàn)。焊接電源的功率控制是通過對功率開關(guān)器件的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間的比值的控制

52、來實現(xiàn)的，導(dǎo)通時間與開關(guān)周期的比值稱為占空比，常用它來表示控制的過程。根據(jù)工作狀態(tài)的不同可分為定脈寬調(diào)頻率（PFM）、定頻率調(diào)脈寬（PWM）、混合調(diào)制（PFM+PWM）三種調(diào)制方式7：（1） 定脈寬調(diào)頻率（PFM）：即定脈寬對頻率進行調(diào)節(jié)，通過改變工作頻率來調(diào)節(jié)占空比。在這種調(diào)節(jié)方式下，由于占空比可在一個很寬的范圍下進行變化，因此輸出電壓同樣可在一個大的范圍進行調(diào)節(jié)。但是濾波電路需要能適應(yīng)較寬的頻段，在工作頻率低時，濾波器體積較大。現(xiàn)在只有半控型功率開關(guān)器件晶閘管式逆變焊機采用PFW控制方式。（2）定頻率調(diào)脈寬（PWM）：即定頻率對脈寬進行調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點是其周期恒定，濾波電路設(shè)計比其它

53、調(diào)制方式容易。但是，由于晶體管導(dǎo)通寬度存在最小值，所設(shè)計的恒壓特性的逆變焊機，其輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍將會受到限制，不能進行較寬范圍的調(diào)節(jié)，其輸出端必須有一定數(shù)量的無效負載（俗稱“死”負載）。現(xiàn)階段當(dāng)功率開關(guān)為全控制型器件時，為滿足實現(xiàn)各種控制的需求，多采用PWM集成芯片。（3）混合調(diào)制（PFM+PWM）：這種調(diào)制方式是將上述兩種調(diào)制方式結(jié)合起來，此情況下占空比可以在一個非常大的范圍內(nèi)變化。此方式大多用于需要大范圍調(diào)節(jié)的逆變焊機中。一般手工弧焊機的外特性有以下三種：（1）恒流特性，（2）斜線形緩降特性，（3）1/4橢圓形緩降特性。本論文設(shè)計的為恒流外特性逆變弧焊機，其外特性控制和其它功能均是通過以電壓反饋