高频软开关弧焊电源毕业论文VIP

I摘要本文在分析了弧焊电源发展历程和研究现状以后，结合开关电源的基本原理，设计了输出为 300A 的高频软开关弧焊电源。应用全桥零电压脉宽调制软开关电路作为主电路拓扑设计了该变换器的主电路，实现对输出电流的调节，解决了传统弧焊电源开关损耗大、对电网造成污染较大等缺点。在该电路拓扑的基础上，基于 UC3875 的移相控制技术，根据焊接时所需的要求以及主电路对驱动电路的要求设计了控制电路。控制电路采用了电流闭环 PI 调节系统，以满足焊接时对电源特性方面的需求。设计了输入过欠压、输入过流保护电路、IGBT 过热以及 IGBT 的缓冲保护电路，解决了弧焊逆变器可靠性低的缺点。关键词 软开关 逆变电源 UC3875 移相控制IIAbstractBased on the analysis of the arc welding process development and research status, the switching power supply with the basic principles Design of the output of 300 A high-frequency soft-switching welding power source. Application of full-bridge zero-voltage pulse width modulation circuit as a soft-switching circuit topology design of the converter circuit. Implementation of the output voltage and current regulation to solve the traditional arc welding power source switching loss, Pollution from the large power grids and other shortcomings. In the circuit topology and based on the UC3875 Phase-control technology, Under the welding requirements for a pair of main circuit and driver circuit design requirements of the control circuit. Control circuit used PI current loop control system to meet the welding characteristics of the power demand Design of input undervoltage off, the importation of overcurrent protection circuit, IGBT overheating and IGBT protection buffer circuit solved the welding inverter low reliability shortcomings. Key words: soft-switch; inverter power Bourse; UC3875; phase-shift.III目录摘要 .IAbstract .II第一章 绪论 .11.1 逆变弧焊电源的特点 .11.2 逆变弧焊电源的发展状况 .11.3 本课题设计方案及研究目标 .4第 2章 主电路设计 .52.1 输入整流滤波电路设计 .62.1.1 熔断器的选择 .62.1.2 滤波电路的设计 .62.1.3 输入整流管的选择 .72.1.4 输入滤波电容 .72.2 移相控制 ZVS PWM DC/DC 变换器工作原理 .92.2.1 主电路拓扑分析 .92.2.2 主电路拓扑 ZVS 的实现 .152.3 逆变电路的设计 .162.3.1 主功率管 IGBT 的容量计算 .172.3.2 谐振电感的计算 .172.4 高频脉冲变压器的设计 .182.5 输出滤波电路的设计 .222.5.1 输出整流二极管的选择 .222.5.2 输出滤波电感 .232.5.3 输出滤波电容的选择 .24第 3章 控制电路的设计 .253.1 移相控制芯片的设计 .263.1.1 振荡频率的设定及同步 .273.1.2 死区的设置 .273.2 反馈电路的设计 .28第 4章 驱动电路设计 .30第 5章 保护电路的设计 .315.1 过流保护电路的设计 .315.1.1 输入过流保护 .315.1.2 IGBT 过流保护 .31IV5.2 过、欠压保护电路的设计 .325.2.1 输入过、欠压保护电路的设计 .325.2.2 IGBT 过压保护电路 .335.3 过热保护电路的设计 .34第 6章 辅助电源的设计 .35结论 .36致谢 .37参考文献 .38附录 1.40附录 2.441第一章 绪论1.1 逆变弧焊电源的特点随着当代科学技术的飞速发展和制造工艺的不断提高，在机械结构中，越来越多的采用了焊接技术， “以焊代铸” 、 “以焊代锻”等工艺手段获得了广泛的应用，融合各种工艺优点的混合制造工艺也得到了长足的发展。同其他加工工艺相比，焊接技术具有设备结构相对简易，现场性好，适应于各种不同的工作条件等优点，在解决航天、水下、低温等应用领域的特殊需要时有突出的优势，但也对焊接设备提出了更高的要求。同时，新材料的不断研制和投入商业应用，也迫切需要采用适合该种材料焊接性的新型焊接设备且设备研制周期越短好。因此，研究焊接设备，尤其是其核心焊接电源的研究方法同开发新型焊接设备同等重要。弧焊逆变器对焊接工艺性能的改善很大，传统的弧焊电源均采用工频来传递电功率和变换电参数，而弧焊逆变电源则把工频电提高到几千至几十万赫兹进行电能传输和变换，因此，弧焊电源的结构和性能有了很大变化，形成了弧焊逆变器高效、轻巧、性能优良的特点 1。逆变弧焊电源具有优越的技术经济指标，因而成为了弧焊电源最具有发展前途的方向。归纳而言，主要有如下优点：（1）重量轻，体积小，没有工频变压器，节约铜、铁等材料，提高了灵活机动性；（2）高效节能，由于现在普遍采用软开关技术，PFC 技术也正在研究开发中，总体而言，逆变焊机具有较低的损耗和较高的功率因数；（3）性能优良，响应时间为毫秒级，控制速度快，可方便的根据需要设计出合适的外特性。正是由于逆变弧焊电源的上述优点，使其在上世纪 80 年代出现以来，受到了各国的高度重视。在我国也掀起了逆变焊机研制高潮，并于上世纪 90 年代开始投放市场，但人们很快发现逆变焊机返修率很高，其可靠性还有待进一步提高。但是从长远来看，逆变弧焊电源是弧焊电源的发展方向。只是由于逆变电源发展时间还不长，其技术还有待于继续成熟和完善。1.2 逆变弧焊电源的发展状况现代逆变技术之所以得到如此广泛的应用，是因为其具有诸多优越性：它能明显减小用电设备的体积和重量，节省材料；高效节能，减小功率损失，并2具有较大的功率因素；动态响应快，控制性能和电气性能好等优点。将逆变技术应用于焊接电源，为焊接设备的发展带来了革命性的变化。焊接逆变电源与工频焊接电源相比节能 20%30%，效率可达 80%90%，体积小，重量轻，整机重量和材料消耗大幅度减小。另外，其良好的响应和控制性能为焊接过程控制提供了良好的基础。因而其具有巨大的发展空间和市场潜力。作为逆变技术的先决条件，电力电子器件的快速发展为现代逆变技术奠定了良好的基础，并为不同的逆变应用场合提供了不同的元器件支持。近年来，功率器件 IGBT 发展较快，它是 MOSFET 与 GTR 的复合器件，既具有 MOSFET 的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单的优点，又包含了 GTR 的载流量大、阻断电压高等优点，其工作频率范围可以从几 K几十 K，所以，IGBT 很适合中等功率电源的应用，是作为焊机电源的较好的开关器件。目前在各发达工业国家，逆变焊机已相当普遍，手工电弧焊、TIG 焊、MIG/MAG 焊已广泛采用逆变电源。据有关资料统计报道，美国整流焊机的 16%、日本气保焊机的 41%和整流焊机的 32%均已采用逆变式焊机。目前，美国的米勒、日本的松下、富士、芬兰的肯比等焊接设备公司均能生产成熟的可供商业出售的 IGBT 焊机产品。我国逆变焊机的研究开发起步于 20 世纪 70 年代末期。1982 年，成都电焊机研究所开始研制晶闸管逆变式弧焊整流器，并于次年研制出我国第一台商业化的 ZX7-250 逆变式弧焊电源，当年通过该项目的部级鉴定。80 年代末期，各大高等院校、科研单位、生产厂家先后投入生产了各种容量的晶体管逆变焊机、场效应管逆变焊机、IGBT 逆变焊机等一系列产品。其中，不少乡镇企业和个体企业也通过技术转让等方式参与其中。从 1994 年起，全国范围内掀起了新一轮的逆变焊机热潮，并取得了可喜的成果。经过几十年的技术发展，我国逆变焊接电源的可靠性已经有了相当的保障，产品的性能也在不断的提高，市场份额逐年增加。而我国的逆变焊机产品主要集中在弧焊领域，产品种类大多局限于手工焊机与 TIG 焊机，焊机结构也相对简单，焊机潜力也不能得到充分发挥，高端市场仍被国外产品所占领 2。逆变技术在弧焊设备中的应用，为电阻焊逆变电源提供技术参考，发展逆变式点焊机的条件已日臻成熟。从国际范围看，逆变式点焊机出现于 20 世纪80 代中期。之后，日本、美国等国家先后推出逆变式电阻焊机产品，并应用于汽车、家电、电子行业，并建立了以逆变点焊机器人为主的汽车车身焊装线，使逆变式电阻点焊机进入实际应用阶段。如韩国 TAESUNG 公司的系列产品 TST-105、TST-300 和 TST-5000 等。国内虽在逆变弧焊领域比较成功，但在电阻焊领域，该项技术的优点还未得到发挥，仍有待于进一步的研究与开发。在这方面国内研究工作开展较早的单位有华南理工大学、上海交通大学、吉林工业大学和成都电焊机研究所等等。弧焊逆变技术发展方向:31.沿 20 KHz 的技术路线开发研制 50KHz、100KHz 级的弧焊逆变器。1993年埃森博览会上首次展出了 1 台 100KHz,额定电流 130,重量仅 4Kg 的弧焊逆变器样机,它标志着国际上 100KHz 级的弧焊逆变器开始从实验室走向生产车间。2.探讨旨在降低电力电子器件开关功耗,提高开关频率的零电压,零电流开关(软开关)技术,其中包括电路拓扑结构和工程实现。高频(110MHz)谐振开关技术,包括准谐振式和多谐振式零电压、零电流技术,是近 10 年来国际电力电子领域研究的热点。目前在 110MHz,实验室已达数百瓦水平;在100KHz 级达几千瓦水平。对高频谐振软开关技术在数百 KHz 以上才能充分显示其巨大的优越性,由于器件、材料和技术上的原因,在今后较长的一段时间内,弧焊逆变器依然以硬开关技术为主,但软开关技术也将愈来愈多地得到开发和应用。3.研制和生产大容量的逆变式焊机。为适应市场的需求,厚大工件焊接需要 10002000A 的逆变式埋弧焊机(单、双丝,带状电极等)、大功率等离子喷涂逆变器和电阻焊机等等。国内外正在研制和生产大容量的逆变焊机。在国内,1000A、1250A 的埋弧焊逆变器和 60KVA 以上的等离子喷涂逆变器已有样机,而且容量还在不断增大。4.研制和生产智能控制的逆变式焊机。为适应高质量、高性能和焊接工作的市场需求,愈来愈多地研究开发和生产智能控制的逆变式焊机,其中包括为了大幅度减少 2焊飞溅的波形控制和模糊控制技术,人工神经网络技术、自动跟踪技术等等。采用波形控制和模糊控制技术的逆变式焊机,在日本、美国、法国等国已有批量产品,我国已有研究开发成果和样机。为了减少人为因素对焊接操作和质量的影响,人们还正在研制象傻瓜相机那样操作的逆变式焊机。5.研究功率因数校正和减少电网谐振干扰。目前逆变式焊机的输入整流滤波单元都采用不可控二极管整流和大容量滤波电容,它会产生交变的严重非正弦化和窄脉冲电流,导致有的逆变器功率因数很低,如半桥式焊机只有 0.65 左右,随着逆变式焊机的日益推广应用,电网谐振问题变得愈来愈严重,因而改善输入电流波形和提高功率因数已成为重要的课题,特别是对三相和中大功率的逆变式焊机需要进一步开展功率因数校正和减少电网谐振波干扰的研究。综上可知，逆变焊机的发展前景十分广阔，但其研究的工作量很大，要消耗大量的人力财力，周期较长，而且对于不同的结构参数，其设计过程在很大程度上雷同，致使开发工作在很大程度上变成了重复劳动，所以，本着改善上述劣势的观点出发，应对设计开发过程本身做出调整。41.3 本课题设计方案及研究目标设计指标：输入交流电压： 380V10%，50Hz额定焊接电流 Ie： 300A参数调节范围： 20A-300A空载电压 V0: 60V开关频率 fs: 20KHz设计方案如图 1-1 所示。保保 保保 保保保 保保保保 保保保 保保保保 保保保保AC380V 保图 1-1 焊接电源结构框图逆变器主电路中，大功率开关元器件采用绝缘栅双极性晶体管（IGBT）的逆变焊机控制系统研究。所研制的逆变焊机控制系统，其对应控制的主电路为全桥式逆变结构，频率为 20KHz。在不改变逆变主电路的情况下，研究和设计控制控制系统电路。通过对研究对象的分析和设计，设计的弧焊电源应具有以下基本功能：1.向逆变焊机主电路开关管 IBGT 提供所需的前后沿陡峭、相位差 180o、对称的脉冲列；2.能够控制控制输出弧焊工艺所要求的电气性能（外特性、动态性和波形）；3.具有过流、过热和过、欠压等故障诊断和处理功能；4.能够获得需要的输出电压、电流及调节范围；5.具有较强的抗干扰能力；56.实现移相 PWM 零电压开关；实现电压的软启动和软关断。第 2章 主电路设计主电路原理图如图 2-1 所示。 D101D102D103D104D105D106F101F102F103L102L101L103R103R104C110C111R101R102L14-1L14-2ABC101 C102C103C104 C106C105C107C108C109VT1 VT2VT3 VT4C14C17C15C16D107D12