（材料加工工程专业论文）中频点焊逆变电源的设计研究.pdf

摘要 点焊逆变电源是电阻焊电源的主要研究方向及发展趋势。 本文采用了计算机辅助设计手段，利用p s p i c e 电路仿真软件对带缓冲电路的 硬开关方式的全桥逆变主电路进行深入研究。建立了逆变电路仿真模型，确定了 电路特点和元器件工作参数。采用模块化设计思想，针对每个模块各自的特点， 选择合适的元器件，做了大量实验。研究结果表明，这些模块性能稳定，达到了 逆变电源技术性能要求。 在点焊变压器的设计上，采用了铁基非晶合金：同时对变压器的各个参数进 行详细计算；另外在变压器上增加了冷却和温度检测辅助系统，保证了变压器工 作的安全可靠性。 本文在控制方面，采用3 2 位高端a r m 芯片替代了传统的8 位单片机；在显 示方面用流行的l c d 替代传统l e d ；在输入方面，用触摸屏替代传统的键盘输 入；这样整个控制器系统处理速度更快，系统参数的输入显示更方便快捷，适用 于工业生产要求。 在软件的实现方面，采用了实时操作系统u c o s i i ，并在该系统之上移植了 目前图形界面开发方面的u c g u i 软件，实现l c d 的图形界面的显示，使整个 系统可视性更强，更人性化。 关键词：点焊逆变电源；模块化设计；p s p i c e 仿真；l c d ： 触摸屏 a b s t r a c t s t u d yo nt h ei n v e r t e rr e s i s t a n c es p o tw e n i n gp o w e ri s t h em a i nr e s e a r c h d i r e c t i o n sa n dd e v e l o p i n gt r e n d si nr e c e n ty e a r s i nt h i sp a p e r , w i t ht h ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g nt o o l , ah a r ds w i t c h i n gf u l l - b r i d g e i n v e r t e rc i r c u i tw i t hab u f f e ri sc o n d u c t e dt od e 印l ys t u d yb yp s p i c es i m u l a t i o n s o f t w a r e t h ei n v e r t e rc i r c u i ts i m u l a t i o nm o d e li ss e tu pt od e t e r m i n et h ec i r c u i t c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep a r a m e t e r so fc o m p o n e n t s w i t ht h em o d u l a rd e s i g ni d e a l w ec h o o s et h er i g h tc o m p o n e m sa n dd i dal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t s t h er e s u l t s s h o wt h a tt h e s em o d u l e sh a v es t a b l ep e r f o r m a n c ea n dc a nm e e tt h ei n v e r t e rp o w e r s o u r c et e c h n o l o g yp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s i nt h ed e s i g no fs p o tw e m i n gt r a n s f o r m e r , t h ef e - b a s e da m o r p h o u sa l l o yi su s e d a n dt h ev a r i o u sp a r a m e t e r so ft h et r a n s f o r m e ra r ed e t a i l e dc a l c u l a t e d ；a l s oac o o l i n g f a na n dt h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls w i t c ha r ei n s t a l l e do nt h et r a n s f o r m e r , e n s u r i n gt h e s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h ew o r k i n g i nt h ec o n t r o la3 2 - b i th i g h - e n da r m c h i pr e p l a c e st h et r a d i t i o n a l8 一b i tm c u ；i n t h ed o l a y i n g ，t h ep o p u l a rl c dr e p l a c e st h et r a d i t i o n a ll e d ；i nt h ei n p u t t i n g ，t h e t o u c h s c r e e nr e p l a c e st h et r a d i t i o n a lk e y b o a r di n p u t ；s ot h ew h o l ec o n t r o l l e rr u n s f a s t e r , t h ei n p u ta n dd i s p l a yp a r a m e t e r sa r em o r ec o n v e n i e n ta n de f f i c i e n t i nt h es o f t w a r er e a l i z a t i o n , t h er e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e mu c o s - i ii su s e d ；a n d t h eg r a p h i c a li n t e r f a c e ss o f t w a r eu c g u ii st r a n s p l a n t e di n t ot h eu c o s i io p e r a t i o n s y s t e m , r e a l i z i n gt h eg r a p h i c a li n t e r f a c el c dd i s p l a y t h ew h o l es y s t e mi sv i s i b l ea n d h u m a n e k e yw o r d s ：i n v e r t e rr e s i s t a n c es p o tw e l d i n gp o w e r ；m o d u l ed e s i g n ；l c d ；t o u c h s c r e c l l ；p s p i c es i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢表三签字嗍刁年f 月2 日 学位论文版权使用授权书 + 本学位论文作者完全了解丕盗叁鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：衷三 签字日期：叫年f 月乙日 翩虢释 签字嘲：2 矽朋鲫 第一章绪论 第一章绪论 随着科学技术的发展和制造工艺的提高，在机械结构中，焊接技术获得了越 来越多的应用。同其他加工工艺相比，焊接技术具有突出的优点，比如设备结构 相对简单，现场性好，适应于各种不同的工作条件，在解决航天、水下、低温等 应用领域的特殊需要时优势尤为突出。这些优势的突显也对焊接设备提出更高的 要求。因此，研究焊接设备，尤其核心部分即焊接电源的研究越来越重要。 从本质上来讲，焊接电源是一种将电能通过各种不同途径转化为热能来对 被焊件进行集中加热的工具。今天的焊机综合了电力、机械、焊接以及自动化控 制技术，广泛采用了电力电子技术、自控技术、计算机技术、跟踪技术等多方面 的最新成就。就目前的发展趋势来看，研究具有智能特性的新型焊机是今后焊接 设备发展的一个重要方向i lj 。 电阻焊机作为焊机的一个重要部分，它独特的工艺特性，使之在诸如家电、 电子、航空航天、汽车等领域发挥着重要作用。 1 1 电阻点焊电源发展状况 1 1 1 单相工频电阻焊电源 最早出现的电阻焊机是非同步式的单相工频电阻焊机，后来随着大功率可控 硅元件的出现，非同步式逐渐被同步式单相工频电阻焊机给取代。图1 - 1 为同步 式单相工频电阻焊机的结构示意图。 ：厂 图1 1 同步式单相工频电阻焊机示意图 第一章绪论 单相工频电阻焊机具有结构和控制简单、方便灵活、易于操作，尤其适合于 焊接低碳钢等黑色金属，因此该设备仍然是目前国内外市场使用最多的电阻焊 机。其缺点在于使用时将会给电网造成较大的冲击，尤其是在焊机功率较大的情 况下，它对电网的影响更大。其次，单相工频电阻焊机在焊接的时候存在焊接电 流过零的问题，将造成焊接加热的不连续，因此这类焊机不宜用来焊接镁、铝这 类导热性好的有色金属材料【2 】。 1 1 2 三相低频电阻焊电源 三相低频电阻焊机能很好的解决单相低频焊机存在的问题。该焊机的核心为 一个特殊的焊接变压器，焊机由该变压器以及相应的整流元件组成。如图卜2 所 示。这个特殊的焊接变压器有一个单匝的次级绕组和三个独立的、具有相同匝数 的初级绕组。初级和次级绕组都在同一个铁心上。每个初级线圈通过两只反向并 联的可控硅与电网中的一相连接。 a b c 蚶： s c r 5 8 c r 4 j ” 斗： s c r 3 f s c r 2 、l s c剿 图1 2 三相低频电阻焊机原理示意图 三相低频电阻焊机功率因数高、能量损耗小、供电网路负载均匀以及可焊材 料广泛。同时，由于三相低频焊机没有大功率次级整流二极管所造成的功率损耗， 一般可减少1 0 左右的能量损耗。故在生产上的应用有进一步扩大的趋势【3 1 。 另一方面，三相低频电阻焊机瞬时负载实际上是三相轮流使用，并不能做到 严格意思上的三相负载平衡，其在低频工作的时候，仍然存在电流过零情况，加 之存在体积庞大，制造工艺复杂，限制了这类焊机的发剧钔。 2 第一章绪论 1 1 3 次级整流电阻焊电源 由于本世纪六十年代大功率整流管制造技术及工艺的发展与成熟，使次级整 流电阻焊机发展成为当今电阻焊机的主流之一。我国的上海自行车厂研制成功的 一台次级整流缝焊机，于1 9 7 6 年投入自行车车圈焊接生产中，成为我国第一台 投入大量生产的次级整流缝焊机，为我国电阻焊机生产填补了空白。次级整流电 阻焊机的原理图见图1 3 所示。 1 训耀”过 池d 。2叫 图1 - 3 单相次级整流电阻焊机原理图 它的基本原理是：在焊接变压器的次级接入大电流硅整流桥，将交流电整流 为直流电，用直流电对工件进行焊接。 它具有如下优点：所需输入容量小；功率因数高；三相负载平衡；焊接电流 稳定；焊接电流有自动调整作用；焊接热效率高；焊接质量高，飞溅小。因此次 级整流焊机可以焊接铝及铝合金、铜及铜合金、镁合金、钛合金、不锈钢、低合 金钢、碳钢和有镀层的钢板等1 5 】。 但是次级整流电阻焊机的缺点也是显而易见的。由于次级整流元件的接入， 增加了焊机的功率消耗，大功率整流二极管价格昂贵，为防止其损坏，还增加一 系列均流、防过压、防过流等保护电路，进一步增加了焊机的成本和复杂程度【6 】。 1 1 4 电容储能电阻焊电源 电容储能电阻焊机是电阻焊机中的一类，它采用电容储能的方式，可以很容 易的解决电源功率问题，其原理图如图1 4 所示。 a b c 图1 - 4 电容储能电阻焊机原理示意图 3 第一章绪论 其工作原理是：当焊机工作时，整流系统通过电网向电容充电，达到设定的 充电电压后，可控硅导通，电容通过可控硅向焊接变压器放电，产生一个用于焊 接的电流脉冲。这种方法的优点是采用三相电网供电，电网负载均匀，对供电网 路的容量要求低，其焊接电流波形较陡，加热能量集中，特别适合与铝合金、钛 合金和一些难熔材料的焊接。其缺点就在于充、放电过程中消耗的能量较多，不 能进行高速焊接。 1 1 5 逆变式电阻焊电源 随着大功率开关器件的出现和集成电路技术的发展，为焊接电源的发展提供 了广阔的发展空间。 如图1 5 为逆变式电阻焊电源的结构示意图。比较图1 5 和图1 - 1 可以发现， 逆变式电阻焊电源与次级整流电阻焊电源的结构基本相同，只是逆变电阻焊电源 在主电路中采用了逆变技术，因此该电源具有一些更为突出的优点。表现在： 一：o 乇勺 b 一整流亏 磊芬： ； u 。j i 一 图1 - 5 逆变式电阻焊电源示意图 1 ) 响应速度快，控制精度高。由于采用了较高的逆变频率，时间调节和反 馈的控制周期缩短，大大提高了焊接电流的控制精度。 2 ) 体积小，重量轻。由于采用了中频的工作评论，在相同的功率输出时焊接 变压器的体积和重量明显减少。 3 ) 工艺优势明显。焊接电流为脉动直流，无交流过零的情况，故热量集中 能焊接很多材料。 逆变电阻焊电源几乎适用于现在的任何其他电阻点焊的应用场合，对一些其 他点焊电源不能解决的问题，也有可能用这种逆变电源解决。在绝大部分场合， 其工艺性能明显优于其他的焊接电源 。 通过回顾电阻焊电源的发展历史，可以清楚的看到电阻焊电源的发展日臻完 善，经历了从简单到复杂，从原始到完善的发展道路。同时也可以清楚的看到， 焊接电源作为- - i - j 应用学科，它的发展直接受到基础学科发展的影响，特别是电 子元器件的发展和控制理论的完善，对逆变电源的发展影响重大。 4 第一章绪论 1 2 电阻点焊逆变电源国内外研究现状 现代逆变技术之所以得到如此广泛的应用，是因为它具有诸多优越性：首先， 它能明显减少用电设备体积和重量，节省材料【8 】；其次，高效节能，减少功率损 耗，并具有较大的功率因素；另外，由于焊接电流经逆变后，原来的5 0 h z 提高 到1 k h z 或者更大的频率，这样大大提高焊接控制的精度，使电源的动态响应快， 控制性能和电气性能都得到了提耐9 1 。 近十几年来，逆变技术的发展带动逆变电源的发展。目前在发达国家，逆变 焊机已经相当普遍。逆变点焊机是继单相工频交流点焊机、直接脉冲点焊机、三 相低频点焊机、次级整流式及电容储能式点焊机之后的新型焊机。它是在8 0 年 代中期才出现。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。建立起以逆变点焊机器人为主的汽车车身焊接线，使逆变式电 阻点焊机进入了实际应用阶段。目前，逆变电阻焊机主要用于中小功率焊机及集 成点焊钳上。小功率的逆变点焊机在电子工业中的应用较多。日本宫地美国分公 司生产的精密逆变点焊机电源和配套的焊接变压器，采用恒功率控制，保证焊接 质量，通过1 个名为w e l d c a r d 的a r m 系统与p c 机相联，分析处理焊接程序和 数据，并采用m a 6 0 0 a 的焊接变压器选择装置，使1 个逆变电源可以控制4 个 焊接变压器：日本木村研究所开发了t d l 1 2 0 0 t 型逆变控制器等产品，并将其 用于悬挂式点焊机和固定式点焊机；韩国的t a e s u n g 电子公司生产的精密逆变 点焊机系列产品t s t - 1 0 5 、t s t - 3 0 0 和t s t - 5 0 0 0 ，采用i g b t 全桥逆变式主电路， 采用恒流控制，4 行l c d 显示，键盘输入，可调节电流的上升、下降斜率。其 中t s t - 1 0 5 逆变逆变频率为4 k h z ，最大输出电流为1 5 0 0 a ；t s t - 3 0 0 逆变频率 为2 k h z ，最大输出电流为3 0 0 0 k ；t s t 5 0 0 0 逆变频率为1 k h z ，最大输出电流 为5 0 0 0 a 。国外逆变点焊机的研究，商品化程度较高【l 叭。 我国自1 9 8 3 年由成都焊机研究所研制出第一台商品化的晶闸管式z x 2 5 0 逆 变弧焊电源起，到最近几年，由大专院校、科研院所和生产厂家先后开发生产了 各种容量的晶闸管逆变焊机、场效应管逆变焊机和i g b t 逆变焊机，1 9 9 5 年被机 电部确定为“九五”重点开发节能产品，首次向全国推广。2 0 0 0 年5 月1 7 日在 天津召开的“中国逆变焊机全国应用推广会”指出，逆变焊机是电焊机发展的主 要方向之一】。到目前，我国的逆变技术在电阻焊领域的优点还未得到发挥，仍 有待进一步的研究与开发。在这个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、吉林大学和成都电焊机研究所掣1 2 】。 第一章绪论 1 3 仿真技术在逆变点焊电源研制中的应用 所谓计算机仿真就是根据实际电路或者系统建立数学模型，通过对模型的计 算机分析、研究和试验，以达到研制和开发实际电路或者系统的目的【13 1 。 一个典型的电力电子系统通常是由电力电子器件构成的开关装置、模拟电路 或数字电删1 4 】。这样一个复杂的非线性数模混合系统，其各个部分往往遵循不同 的物理法则，从而给设计和分析带来了巨大的困难。而计算机仿真技术的发展， 使得只要用户能建立适当而精确的电路模型，就可以利用已知的电路理论和计算 方法，在计算机上利用软件建立一个虚拟的电路模型，并进行大量且迅速的计算， 使仿真出的结果更接近真实的结果。这种利用软件包的形式对电路设计进行验证 的方法使得设计人员将更多的精力集中咋设计层面上，从而大大缩短了开发周 期。因此，电子电路设计自动化( e d a ) 已经渗入到电子电路设计的各个领域 1 5 】。 目前，应用较为广泛的电力电子仿真软件为p s p i c e ，它主要用在所设计的电 路硬件实现之前，先对电路进行模拟分析，然后用各种仪器来进行调整和测试一 样，这些工作完全由计算机来完成。用户根据要求来设置不同的参数，计算机就 像扫频仪一样，分析电路的频率响应；能像示波器一样，测试电路的瞬态响应。 所以p s p i c e 能把仿真与电路原理图的设计紧密结合在一起，可以满足电力电子 电路动态仿真的要求，其元件模型的特性与实际元件的特性十分相似，因而它的 仿真波形与实验电路的测试结构相近，对电路设计有重要的指导意义【l 6 1 。 1 4 本课题研究的内容 本课题的研究目标是拟设计出一台点焊逆变电源，其研究思路为： ( 1 ) 分析点焊逆变电源的工作原理，设计其主电路的结构形式： ( 2 ) 设计一台满足逆变主电路结构的点焊变压器，其功率为4 0 k v a ； ( 3 ) 对点焊逆变电源的主电路进行p s p i c e 仿真，阐明逆变电源的工作过程， 得到最佳的元器件值； ( 4 ) 对点焊逆变电源的控制部分进行设计，采用3 2 位a r m 控制芯片，设 计出液晶显示和触摸屏，完成相应的控制和显示功能； ( 5 ) 在软件的实现方面，尝试采用实时操作系统u c o s i i ，并在该操作系 统上移植图形界面发开软件u c g u i ，实现l c d 界面的开发。 本课题的重点在于液晶显示界面的开发和触摸屏硬件电路设计；难点在于3 2 位a r m 芯片上移植u c c o s i i 实时操作系统，并利用图形界面开发软件u c g u i 进行界面开发。 6 第二章电阻点焊逆变电源 第二章电阻点焊逆变电源 点焊逆变电源与一般的交流点焊电源不同之处在于，逆变电源的工作频率相 对较高，另外次级一般输出的为全波整流的直流电。与普通工频交流点焊机相比， 逆变式焊机具有焊机变压器体积小、质量轻、动态响应速度快、控制精度高、功 率因数高、焊接电流脉动小、电网三相平衡等优点。本章主要讨论电阻点焊逆变 电源的基本原理以及相关组成。 2 1 点焊逆变电源的原理及组成 逆变式电阻焊电源是将三相交流电经过全波整流后形成直流电，再由大功率 开关器件组成的逆变器，将直流电逆变为1 k 2 k 的交流电，然后经焊接变压器 降压，降压后的交流电通过全波整流后形成平稳的直流电，供给与电源相连的点 焊设备，以供焊接使用，其电路原理如图2 1 所示。 图2 1 点焊逆变电源的原理框图 由图2 1 可以看出，点焊逆变电源主要由三相波整流器，斩波器，焊接变压 器，次级整流电路，功率器件驱动和保护电路，单片机电路，次级电流测量传感 器等组成。 在开关器件方面，开关器件主要有晶体管式、场效应管式和i g b t 式等几种。 由于i g b t 兼有g t r 和m o s f e t 功率器件的优点，其驱动功率小、输出功率大， 7 第二章电阻点焊逆变电源 所以i g b t 是近几年来发展逆变点焊电源的首选器件。 在拓扑结构方面，主要结构有半桥式、单端正激式和全桥式。点焊逆变电源 由于次级输出电流大，功率高，因此一般采用全桥逆变主电路。 在控制方面，微机控制的阻焊质量监控可以实现快速、高精度、灵活及多功 能控制，因此微机控制是逆变点焊电源的主要控制方式。 在质量监控方面，监控方式主要有恒流控制法、恒压控制法、热膨胀电极位 移法、动态电阻法、超声波控制法、声发射法、表面温度控制法、红外辐射控制 法、能量积分法等质量监控方法【 】。由于恒流控制其方法简单，控制效果好，对 网压波动有良好的补偿作用，在生产中也最为成熟，是比较理想的质量控制的方 式。欧洲及日本的各大汽车公司几乎都采用恒流控制法来保证点焊质量。 2 2 点焊逆变电源计算机仿真理论 近年来，计算机仿真技术在电路分析设计中得到极为广泛的应用，采用计算 机仿真技术可以很快的得到设计方案的模拟结果，从而进一步对设计方案行进评 估，优化元器件参数，缩短设计周期，降低设计成本。对于大功率逆变电源来讲， 还减少了使用价格昂贵的功率器件进行探索性试验的风险，节省了成本，所以在 焊接逆变电源的设计中，采用仿真技术具有很大的优越性【l 8 1 。 计算机仿真技术主要应用于以下四个方面【l9 】：( 1 ) 验证设计方案；( 2 ) 预测 系统的性能：( 3 ) 发现新产品的潜在问题：( 4 ) 评价解决问题的方法。 电路的计算机仿真主要解决两个问题：( 1 ) 如何建立电路方程( 即建立仿真 数学模型) ；( 2 ) 如何求解电路方程【2 0 】( 即对模型中的相关参数进行求解，得到 其相应的数值解) 。 对于点焊逆变电源这样一个强非线性的时变系统，要想准确的分析其稳态和 动态性能是一件困难事情。要想解决这个问题首先要建立精确的数学模型。而精 确模型的建立却一直是电力电子学领域的一个难题1 2 1 | 。按照现在处理问题方式， 通常只有假设一定条件，而忽略一些次要因素，才能得到在一定范围内适用的数 学模型，为下一步进行电路的分析和设计提供帮助【2 2 1 。点焊逆变电源的电路仿真 大致可以分为三个级别：( 1 ) 研究电路微观特性和元器件在工作状态时的仿真特 性；( 2 ) 研究点焊逆变电路的拓扑结构和其暂态过程中的电路仿真特性；( 3 ) 逆 变电源系统的低频特性的系统仿真。在仿真过程中，考虑到仿真的速度和收敛性， 要采用不同精度的器件模型1 2 引。 近几年来，国内外许多学者在电磁器件的建模方面做了大量工作。首先需要 解决的问题是描述磁性材料的磁化特性，然后在磁性材料模型基础上，综合应用 第二章电阻点焊逆变电源 法拉第、安培和高斯这三大电磁定律，可确定电磁器件的磁路模型。再根据电路 与磁路的耦合原理，即可以建立电磁器件的电路模型【2 4 1 。从目前研究的状况来看 控制电路的建模、理论分析和计算机仿真技术比较成熟了，将之应用于点焊逆变 电源的设计中具有可行性，为逆变电源的设计提供有力的理论支持。 p s p i c e 是较早出现的e d a 软件之一，由m i c r o s i m 公司于1 9 8 5 年推出。 经过近2 0 多年的发展与完善，可以说在电路仿真方面，它的功能最为强大，在 国内外普遍使用。p s p i c e 工作于w i n d o w s 环境下，占用硬盘空间小，可以在同 一个窗口中同时显示模拟和数字电路，它具有全程自动化、工具集成化、操作智 能化、执行并行化和成果规范化等特剧2 5 1 。对i g b t 、脉宽调制电路、模数转、 数模转换等可以进行仿真，都可以得到比较精确的仿真结果。对于库里面没有 的元器件，还可以自己建立器件模型，使用方便。对于点焊逆变电源的设计来讲， 电路的设计和元器件参数的确定是整个设计工作的核心，因此，本论文选用 p s p i c e 仿真软件对电路进行仿真和研究。 2 3 点焊逆变电源元器件建模 每个具体的电力电子电路均是由元器件组成的，这些元器件包括线性器件， 如电阻、电容、线性电感和电源；也包括各种非线性的器件，如二极管、晶体管、 m o s 管、i g b t 等。在利用计算机仿真软件对电路进行辅助分析时，就需要利 用各种等效的数学模型来描述这些元器件。这些数学模型的建立必须满足一些要 求，即便于计算机负载程序的识别和计算，又能正确的反映元器件的电气性能【2 6 】。 因此，元器件模型的建立就成了电子电子技术中仿真的第一步。本章将对逆变点 焊电源中所涉及到的元器件进行建型，使这些器件模型能更好地反映实际元器件 的工作特性，让模拟的结果更贴进实际，使对电源的研制更具有指导性。 点焊逆变电源系统中的元器件主要包括二极管、i g b t 、电阻、电容和电感。 为了对逆变主电路进行模拟仿真，就必须建立相应的各个元器件的仿真模型。 在p s p i c e 元件库中，已经建立好了电阻、电感、电容以及i g b t 的模型，但 是这些电学模型和本文研制的点焊逆变电源中所需要的元器件在某些参数上有 一些差异，因此本文在参照电阻、电容、i g b t 的技术参数手册的基础上，需要 重新修正这些元器件的参数，使之能更好的模拟实际的逆变电源的工作过程；同 时，在p s p i c e 元器件库中，没有线性电感模型，因此需要重新建立模型。 2 3 1 线性电感的建模 在焊接变压器中，由于变压器自身结构和加工等其他的原因，总有一部分磁 9 第二章电阻点焊逆变电源 力线不是通过变压器铁芯，而是通过空气形成闭合回路，从而引起漏磁。通常将 由于漏磁产生的感抗称为漏感。由于空气的磁导率可以近似视为一常数，所以漏 感也是线性的。可以把漏感等效为由电流经过一个空心线圈产生的。根据法拉第 定律，当电流i 流经匝数为n 的空心线圈时，其线圈两端的电压降为： 从而得到： 圪= 唔= ， r u a o l = 一 谚 对于线性电感而言，其磁通与电流的变化成正比，上式可写为： 另外，磁通的等效形式为： l ：n 由t l f 移= 一 如 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 式中f 一磁动势矿； 吃一为磁阻q 。 对于由匝空心线圈组成的电感而言，设其磁路的平均长度为1 米，截面 积为4 ，则磁阻如可以表示为： 将上式代入即得： 见= 去 l = n 2 9 0 以 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 式中风一真空的磁导率，取硒= 4 n 1 0 。亨米。 对于一个已经制成的空心线圈电感，其线圈匝数、磁路的平均长度以及面积 1 0 第二章电阻点焊逆变电源 均为常数，通过上式就可以计算出线性电感的具体值。 当在线性电感两端施加直流电压时，可以得到电流与电压的关系： 式中矿一电源电压( v ) ； 尺一电源的内部电阻( q ) ， 一电感值( h ) 。 解方程( 2 7 ) 得到： f 为时间常数，其值为： 矿：识+ 三堕 d t 汪页v ( 1 一p ；) 三 f = 一 r ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 当切断供电电源时，电感从储能状态转换为释放能量状态，此时的方程为： 氓+ 三生：o( 2 1 0 ) d t 解方程( 2 - 1 0 ) 得到： 在t = 0 时刻： 则： 胄 一0 f = a e 矿 z = 一 r 矿 a = - 一 r ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 第二章电阻点焊逆变电源 故： 矿一三 i = 二e7 尺 ( 2 - 1 4 ) 从上面的式子可以看出，电感在整个工作过程中，流经电感的电流总是在时 刻变化的，并且随着时间的延长，电流趋向于一个稳定值。 对公式江v ( 1 - e - ；) 两端求导得： 当f t ，则上式可写成： 堕：一v e _ l ，一= 一f 。 d ， r a t v dtr ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 从上式可以看出，在线性电感两端加一恒定的电压时，其电流上升的斜率为 一常数。当外加的电压为零时，线性的电感由储能状态转换为能量释放状态。此 时作用在电感两端的电压不再是常数。对式子汪妥p 两端求导得： 堕：! 墨鱼匕一言( 2 1 7 ) 一= 一p k 二一1 ， d 。氏l 式中v 一电感两端不断变化的电压( v ) 5 瓦一能量释放过程中的时间常数( s ) 。 由上式可以看出，由于，在不断减小，所以线性电感能量的释放阶段的电流 按照指数曲线下降。 如图2 3 所示为线性电感的建模原理图，图2 4 为对模型的测试结果。 1 2 第二章电阻点焊逆变电源 0 a 图2 - 3 线性电感模型 ， | i 、 、 、 、 、。 、 、 n l m cn ，t n on l t 竹ona t m cn 毫m on m on ，f h en 女mcn t h i n o1r 2 3 2i g b t 建模 图2 - 4 线性电感测试结果 i g b t 是集g t r 和m o s f e t 二者优点于一体的复合器件，它既有功率晶体 管g t r 的通态电压低、耐压高和电流量大的优点，又具有m o s f e t 的输入阻抗 高、速度快、开关损耗小、驱动电路简单、驱动功率小、极限工作温度高和易驱 动的特点，为电压控制通断的自关断器件。能正常工作于1 0 k h z 频率范围内。 因此，i g b t 正日益广泛应用于体积小，噪声低和性能要求高的变频电源等其他 系统中。 对于i g b t 模型的建立，国内外的学者已经做了大量的研究工俐2 1 7 2 引。文献 2 9 】以s a b e r 软件为基础，建立了以受控电流源为基础，把i g b t 看作是一个三端 口的黑箱，根据厂商提高的特性曲线和参数，建立其子电路方程式，然后利用最 小二乘法来提取各参数值，从而建立了i g b t 的仿真模型；文献 3 0 1 以p s p i c e 模 型库中现有的器件为基础，采用非线性电容来表征器件的寄生电容，建立了能模 型i g b t 动、静态特性的组合模型。目前，被公认为能够较为全面地描述i g b t 第二章电阻点焊逆变电源 特性的模型为h e f n e r 模型【3 1 1 ，该模型精度高，参数的物理意义明确，但是模 型参数难于获取，模型运算量大，很难实际应用 3 2 1 。本文将以p s p i c e 软件包中 已有的器件模型为基础，结合i g b t 的参数手册建立适合于点焊逆变电源所用的 i g b t 模型。 i g b t 的基本结构如图2 5 所示，它是以g t r 为主导元件，m o s f e t 为驱动 元件的达林顿电路结构的复合器件。i g b t 导通时，工作电流密度很高，同时， 其电流的通断可以通过栅极电压控制，这个特性不仅能通过栅极关断i g b t ，而 且还可以用来限制集电极电流大小。 图2 - 5i g b t 基本结构 根据非线性电路理论，m o s f e t 可以看作一个开关，在没有施加栅极触发电 压之前，开关处于断开状态，i g b t 关断且呈现出很高的阻抗；当栅极施加电压 后，开关闭合，i g b t 导通，其输出特性完全取决于g t r ；而g t r 可以看作为 一个典型的三端电阻元件，其等效电路可以用电流控制型的非线性电阻来表示， 该非线性电阻的阻值与压降随着流过本身电流的大小而变化，其变化规律可以通 过厂家提供的i g b t 输出特性而定。至如i g b t 关断和开通时表现出来的延迟效 应，可相应的用一个电感来模拟。也就是说，由开关和非线性电阻、电感可以近 似模拟的i g b t 的特性。 i g b t 的静态工作特性主要有传输特性与转移特性。输出特性表征了集电极 电流，r 与集电极发射极间电压坼，之间的关系，分为饱和区、放大区和击穿区。 饱和导通时，i g b t 的管压降一般为( 2 5 ) v ；i g b t 输出特性的特点是集电极 电流由栅极电压来控制，越大越大，在发射极电压作用下，器件呈 反向阻断特性，一般只流过微小的反向漏电流。 i g b t 的转移特性表示了栅极电压对集电极电流i c 的控制作用。在大部分 范围内，l 与呈线性关系，只有当u o 接近于开启电压时，才表现出非 线性关系，丘变得很小，当u o c m 。i g b t 的开通和关断受上述三个电容的影响。在其开通过程中，珞， 由负向电压向正向电压变化，此时栅电容g 。充电，引起栅源极之间电压的变化， 从而驱动i g b t 工作；在其关断过程中，其工作过程正好相反，图2 1 0 、2 1 1 正好反映出这一关断、开通的过程。 2 4 本章小结 本章主要得到了以下三个结论： ( 1 )阐述了点焊逆变电源的工作原理及其相关组成； ( 2 )分析了线性电感和i g b t 的工作过程，建立了线性电感的仿真模型， 并对模型进行了p s p i c e 仿真；修改了i g b t 模型参数，得到i g b t 工作特性曲线； ( 3 ) 详细分析了i g b t 导通、关断过程，得到了i g b t 在开通、关断过程 中的功率损耗曲线，该曲线符合i g b t 实际工作过程。 1 9 第j 章电阻点焊逆变电源 第三章电阻点焊变压器 变压器是逆变电路的重要组成部分，具有负载与电网的隔离、功率传输、降 压的功能，对逆变器的效率和工作的可靠性以及输出电气性能起着非常重要的作 用。一般来讲，逆变点焊变压器的工作频率一般在5 0 0 5 0 0 0 h z 之间，而且大部 分焊机的工作频率都集中在1 0 0 0 , - , 2 0 0 0 h z 之间。太高会对变压器的材质要求过 严格，而且偏高的频率并不能有效减小变压器的体积，太低则焊机的动态响应能 力较差而且会使变压器的体积变大，不能充分发挥逆变技术的优势。由于加载在 点焊变压器原边的电压约等于主电路的输出电压，根据变比与次级空载电压成反 比的关系，一般来讲变压器的变比一般选在6 0 1 0 0 之间。在采用全桥结构形式 的主电路中，常由于开关管的驱动脉冲宽度不等使得通过变压器的交变电流中存 在直流分量，使得变压器在直流电压的作用下产生偏磁现象。 3 1 变压器基本原理 变压器空载和负载状态下的原理1 3 q 如图3 1 所示。 丞 垂2 中1 图3 - 1 变压器原理图 b ) f - , z 当变压器工作在空载状态时，次级绕组与负载断开，如图3 1 ( a ) 所示。如 果初级绕组两端的交流电压为u ，在该绕组中将产生交流电流厶和磁通识，厶称 为空载电流。破中的一部分经过铁芯闭合的为空载主磁通魂，同时穿过初级线圈 和次级线圈的交变磁通，另一部分经过空气闭合的为空载漏磁通破。，唬分别与 初级线圈1 、次级线圈，产生感应电动势巨。、丘。，在次级输出端输出空载电 压“。上述电磁关系可以表示为： 第i 章电阻点焊逆变电源 - 正j 。 u ，i 厶- ) 识晚 l = 谚l 。巨。 根据电磁感应原理，初级和次级的感应电动势分别表示为： e l = 4 k , f n l 吃乏x 1 0 一 e 2 - - 4 r , 硝2 b m s c x 1 0 一 式中：瓦一变压器的耦合系数； 厂一初级交变电流的频率( - z ) ； l ，一初级，次级线圈的匝数( t ) ； 吃一磁通密度( 伍) ； 墨一磁路的有效面积( m 2 ) ； 由上式可得： e n 、 上= o e 2n 2 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 变压器在空载时有漏磁织。，在一次绕组中也就产生了漏电动势巨。，则变压 器一次回路的复数电压方程为： u = 儿五+ 厶r 一互。 ( 3 4 ) 巨o = 一u + 儿五+ 厶墨 ( 3 - 5 ) 其中：五、置分别为一次绕组的漏抗和电阻。 负载状态下，在一次绕组上施加电压u 1 ，二次绕组与负载尺接通。于是在 一次和二次回路中各有电流，、厶和相应的此电动势j ，1 、厶，。他们共同产 生磁通妒并经过铁芯闭合，而又各自产生只与本身绕组经空气闭合的漏磁通勿、 办，。主磁通经过初级、次级绕组分别产生感应电动势巨、e 。漏磁通办，、办，分 别在初级、次级产生漏感应电动势e 、e 舱，二者可以看作是在各自回路中的 2 1 第三章电阻点焊逆变电源 感抗压降。 从上面的讨论可以看出，变压器在空载工作时，相当于一电感，在负载状态 工作时，与空载过程有很大的不同。对于点焊变压器来讲，初级导线的电阻一般 很小，为毫安级，而流过初级的电流也一般为几十安培，在导线上的电压降很小， 该电压降可以忽略不计，所以一般情况下可以不考虑初级导线电阻；而次级线圈 的导线电阻尽管也很小，但由于次级电路的电阻也相对较小，所以不能将其忽略。 同时，初级线圈的漏感对逆变电路的影响很大，当开关管关断时，漏感和回 路中的寄生电感一起感应出很大的尖峰电压，为了避免开关管被很高的尖峰电压 给击穿，必须得在开关管两端并联缓冲电容，消除尖峰电压。 3 2 变压器铁芯材料的选择 点焊变压器也可以简单称为高频变压器，和普通变压器相比，点焊变压器具 有以下特点： ( 1 ) 电源电压不再是传统的正弦波，而是交流方波，初级绕组中的电流都 是非正弦波； ( 2 ) 变压器的工作频率一般都比较高，已不是传统的工频，逆变点焊电源 的变压器的频率一般在l k h z 以上。因此在确定铁芯材料及其损耗时候必须充分 考虑能满足高频工作需要及铁芯中高次谐波的影响； ( 3 ) 逆变变压器的绕组线路比较复杂，多半都有中心抽头。 目前常用的磁性材料有硅钢片、铁氧体、非晶态合金、微晶合金等。硅钢片 是用硅钢材料s l s s j 成的薄片；铁氧体是铁和其他金属元素的复合氧化物：非晶态 磁性材料是以铁、钴、镍等第一过渡族元素为基，加入其他类金属( p 、b 、s i 等 易形成非晶的元素) 而成的玻璃态合金。非晶态磁性材料的饱和磁感应强度较高， 铁损小，用于变压器磁芯时，工作频率可达5 0 k h z ，因此在本文的中频点焊电源 中选用这种材料。 铁基非晶态合金物理性能如表3 1 所示。由于非晶材料比较脆，所以一般制 成环形或矩形铁芯。在选用铁基非晶合金时，其每片厚度为0 0 3 r a m ，用漆绝缘。 第三章电阻点焊逆变电源 表3 1 铁基非晶合金的物理性能( 国标牌号1 k 1 0 1 ) 居里温度疋。c4 1 0 饱和磁感应强度鼠丁 1 3 5 1 6 晶化温度z o c5 5 0 硬度h v9 6 0 密度p g c m 。37 1 8 电阻率( d c m ) 1 3 0 饱和磁致伸缩系数允 2 7 1 0 。5 3 3 点焊变压器的设计 点焊变压器的设计，应该从点焊次级电路结构入手，同时还必须考虑次级整 流二极管的管压降的相关问题。通过参考变压器设备公司的变压器设计经验和点 焊设备实际的工作过程，将变压器的次级空载电压设定为6 v 。 目前变压器的设计有两种方法，即几何参数法和面积乘积法。面积乘积法就 是先求出磁芯的窗1 ：3 面积以和磁芯的有效截面积4 的乘积彳。，根据所求的a 。， 查表找出需要磁性材料的编号；几何参数法则是先求出几何参数，查表找出磁芯 的标号，然后再进行设计。本文变压器的设计采用窗口面积法进行设计。具体计 算过程如下所示： 变压器的导磁体截面积按下式计算： u l = k s b n i f x l 0 一 ( 3 1 4 ) 式中u 一初级绕组上的电压( y ) ； 删形系数，对方波为4 ； s 一磁芯有效截面积( c m 2 ) ； b 一工作磁感应强度( t ) ； 1 一为一次绕组的匝数； 厂一工作频率( h z ) 。 对于铁基非晶合金，其饱和磁感应强度西= 1 5 6 t ，当工作于f = l k h z 的逆变 电路中时，一般取曰= 0 4 t 。次电压以= 6 v ， 因为采用三相全桥整流电路，考虑网压波动，变压器的初级线圈两端电压取 u 1 = 5 1 0 v ，变压器次级线圈的端电压取6 v ；二次绕组的匝数1 = l ，则一次绕组 匝数1 = 6 4 。 第三章电阻点焊逆变电源 通过公式( 3 - 1 4 ) 解得磁芯的有效面积为： s = u lx 1 0 4 4 f l v , b = 1 2 8 ( c m 2 ) ( 3 1 5 ) 变压器铁心的面积乘积公式为： 4 = 4 吃= 只x 1 0 4 ( 吃髟x f x 巧k ) ( 3 1 6 ) 式中4 面积乘积( c m 2 ) ：4 一铁心横截面积( 锄2 ) ；形铁心窗口面积；e , - - 变压器视在功率( k 瑚) ；吃一变压器铁心的工作磁通密度( 丁) ；巧一变压器绕 组算选用材料的电流密度系数，这里取2 4 8 ；厂一