（电力系统及其自动化专业论文）逆变直流弧焊电源及其控制技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , i tb e c o m e sm o r ea n dm o r ti m p o r t a n tf o r a r cw e l d i n gt e c h n o l o g yi nt h eu s eo fm o d e mi n d u s t r y a r cw e l d i n gp o w e r s u p p l yi s t h ek e yp a r to fe l e c t r i cw e l d i n gm a c h i n e , s oi t sp e r f o r m a n c ed i r e c t l ya f f e c t st h e 、 w e l d i n gq u a l i t y d i g i t a li n v e r ta 佗w e l d i n gp o w e rs u p p l yh a sb e c o m et h em a i n d e v e l o p i n ga s p e c to fw e l d i n gp o w e rs u p p l yb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c ha sg o o d w e l d i n gp e r f o r m a n c e ，q u i c kd y n a m i cr e s p o n d ，s m a l lc u b a g e ，l i g h tw e i g h t , h i g h e f f i c i e n c ya n di n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 t h ep a p e rr e s e a r c h e sd i g i t a lh a l f - b r i d g ei n v e r t a r cw e l d i n gp o w e rs u p p l y b a s e do nd s pf i r s t , t h em a i nc i r c u i ti sd e s i g n e d i ti n c l u d e st h r e ep h a s ei n p u t r e c t i f i e rf i l t e rc i r c u i t , o u t p u tr e c t i f i e rf i l t e rc i r c u i ta n dh a l f - b r i d g ei n v e r tc i r c u i t w h i c hc o n t a i n st w og r o u pc b bc a p a c i t o r s , i g b ta n dt r a n s f o r m e ls e c o n d ，t h e c o n t r o ic i r c u i tw a sd e s i g n e d i ti sc e n t e r e db y 田m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa n di n c l u d e ss o m e p e r i p h e r yc i r c u i ts u c ha so u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n ts a m p l ec i r c u i t , l o w i n p u t v o l t a g e ，o v e v i n p u tv o l t a g e ，o v e r - c u r r e n ta n do v e r - h c a ti n h i b i tc i r c u i t i g b td r i v e c i r c u i t , p a r a m e t e ri n p u tc i r c u i t , w e l d i n gv o l t a g ea n dc u r r e n td i s p l a yc i r c u i ta n df a u l t d i s p l a yc i r c u i t t h es o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sp w mg e n e r a t i o np r o g r a m a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r tp r o g r a m ，d i g i t a lp i dm o d u l a t i o np r o g r a m ，e t c i nt h ee n d ，as e r i a lo fs t a t i ca n dd y n a m i ce x p e r i m e n t sa r ec o n v e y e di nt h e p r o t o t y p ew e l d i n gm a c h i n e n er e s u l tv e r i f i e st h a tt h ed i g i t a li n v e r ta r cw e l d i n g p o w e rs u p p l yc a nf u l f i l lt h er e q u e s to f t h ed e s i g n k e y w o r d s ：i n v e r ta r cw e l d i n gp o w e rs u p p l y ；d s p ；p i dc o n t r o l 学位论文独创声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果文中依法引 用他人的成果。均巳做出明确标注或得到许可论文内客未包含法律意义上巳属于他人的任 何形式的研究成果。也不包含本人巳用于其他学位申请的论文或成果 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果 论文作者签名：王是伤日期：训埠6 月f 。日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校学校享 有以任何方式发表，复制、公开阅览，借阅以及申请专利等权利本人离校后发表或使用学 位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛大学 本 保 不 年解密后适用于本声明 ( 请在以上h - 框内打“。 ) 论文作者签名：王世钙日期：绷年6 月f o 日 导师签名：玺砖 日期：棚孑年6 月p 日 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 电焊机号称“工业缝纫机”，在国民经济建设中起着不可替代的作用。焊接技 术是一种精确、可靠、永久性金属加工的方法，在石油、化工、电力、机械、制造、 航空等领域都有广泛的应用。焊接设备的需求量与钢材消费量成正比，目前世界公 认的标准是，每亿吨钢材需2 5 万台焊机【。就我国而言，2 0 0 7 年钢产量达到4 9 亿吨，占世界钢产量( 1 3 亿吨) 的3 7 ，连续多年排名世界第一位。中钢协预计 2 0 0 8 年我国的粗钢产量会达到5 4 亿吨，由此可以算出，我国将需要近1 3 5 万台各 类焊机，可见焊机在我国工业发展中有着多么重要的地位。 电焊机的核心是弧焊电源，它直接影响到电焊机的质量、可靠性、生产成本及 效率。大功率电子元件和集成电路技术的迅速发展，为弧焊电源的发展奠定了坚实 的基础。逆变弧焊电源因其效率高、重量轻、体积小等优点，已经成为弧焊电源发 展的主要方向【2 训。首先，逆变式焊接电源与工频焊接电源比，节能2 0 - - - 3 0 ，效 率可达8 0 9 0 ；其次，逆变式焊接电源整机重量仅为传统工频整流焊接电源的 1 5 1 1 0 减少材料消耗8 0 9 0 ：最后，逆变式焊接电源的动态响应快，且有 利于实现焊接过程的自动化和智能控制。 近年来，数字信号处理器( d s p ) 得到了迅速发展。其高性价比、数据处理能 力强、高运算速度等优点，弥补了单片机的不足，有利于逆变弧焊电源控制系统的 全数字化。数字化逆变弧焊电源稳定性高、接口兼容性好，而且在具体控制过程中， 可以根据电弧的不同工作阶段，调用不同的参数进行分段控制，所以具有灵活性好， 控制精度高的优点，因而数字化逆变弧焊电源成为电源领域一个新的研究热点。 基于d s p 控制的逆变直流弧焊电源的研究，有利于精密控制焊接过程中的各个 工作状态，提高焊接设备的技术含量和附加值，有利于促进国内高档焊机及焊接设 备的发展，减少进口。因此，研究出经济、实用的逆变弧焊电源具有很高的现实意 义。 1 2 国内外研究状况与发展方向 1 2 1 国外近年来的发展情况 目前，数字化焊接电源的优势主要集中在国外几家大规模的焊机生产厂家。数 字化焊接电源的概念于1 9 9 8 年由奥地利的f r o n i u s 公司提出，并以。数字化革命一 的e l 号推广其产品。奥地利f r o n i u s 公司的t p s 系列焊机【5 】可称为全数字化焊机的 代表。其控制采用“m c u + d s p ”相结合的控制技术，通过d s p 集中处理所有焊接 1 青岛大学硕士学位论文 数据，检测和控制整个焊接过程，电源具有引弧、精确控制电弧、专家系统、一机 多功能、焊接数据接口和评价系统等功能，同时实现了焊机程序的软件升级、焊接 工艺规范优化、多功能、多种焊接材料的适用性以及焊接工艺参数的离线处理等 由于采用了数字信号处理器d s p ，实现了逆变弧焊电源的电流调节的数字闭环控 制，使得数字控制的优势得以充分体现。熔化极气体保护焊的焊接电流波形能够得 到精确调节，以便适应不同的焊接材料、焊丝直径以及所用保护气体。 德国e w m 公司生产的数字化焊机主要有i n t e g r a i 系列和p h o e n i x 系歹i j 【6 。8 1 ， 其数字处理系统处理所有焊接数据，控制整个焊接过程，同样具有专家系统、一机 多用、计算机或网络通讯、模块化设计、焊接数据的存储和分析系统等功能。同时 电源的超脉冲功能使得m i g m a g 的焊接质量接近于t i g 焊的高质量，并充分体现 了m 1 g m a g 焊接的高效率。投入市场后，成功应用于汽车工业、机械制造业和船 舶制造业等行业。 日本o t c 公司新研制的g m a w 脉冲焊电源【9 】，采用i g b t 作为功率控制器件， 用微机进行焊接程序控制和焊接参数预处理。该机由于采用软件来实现灵活新颖的 控制算法，可以实现外特性控制、脉冲电流波形控制以及短路电流波形控制，大大 提高了电弧的稳定性。 此外，芬兰的k e m p p i 公司、德国c l o o s 公司和澳大利亚的w o l l o n g 大 学等都在数字化焊接电源领域做出了很多贡献。 1 2 2 国内近年来的发展情况 从国内的研究来看，研究数字化逆变弧焊电源的高校主要集中在北京工业大 学、上海交通大学、华南理工大学、兰州理工大学等几所院校。 上海交通大学焊接研究所1 9 9 9 年提出了数字化逆变弧焊电源的概念并进行了 较深入的研列，他们采用d s p 芯片作为控制系统的核心，已成功地把数字信号 处理器应用在熔化极气保护焊接电源系统的控制中，并实现了商品化的数字化焊接 电源【1 17 1 。 北京工业大学材料学院分析了数字化电源的特，怔【1 1 , 1 2 】，提出了“全数字化控制 焊接电源的方案”，他们重点开发“m c u + d s p ”双处理器控制系统。由单片机( m c u ) 根据不同的送丝速度按照一定的规则计算出相应的焊接电弧电压及电流参数，同时 负责系统的总体管理，控制算法如p l 控制则由d s p 实现。 华南理工大学提出了基于d s p 的弧焊逆变电源数字化控制系统，给出了利用单 片机和数字信号处理器( d s p ) 实现弧焊逆变电源数字化控制的解决方案，探讨了 应用前景。兰州理工大学材料学院根据数字信号处理器的工作原理及特点，研究了 数字化i g b t 逆变脉冲m i g m a g 焊接电源，并得到了相关的实验结果【1 4 l 。 2 第一章绪论 在国内，己经有几家厂商可以自主地进行开发和生产数字化焊机，并逐步发展 为大型企业集团，提高了国内焊接企业在国际市场的竞争力。例如：北京时代集团 在逆变焊接电源领域瞄准国际尖端技术，不断开发焊机中的高档产品，将国产逆变 焊接电源产品推向国际先进水平。 1 3 本文的主要研究内容和方案 本文的研究内容主要有四个方面： ( 1 ) 逆变直流弧焊电源主电路的设计。主电路是功率变换部分，承担着转换与 传递能量的任务，因此一个安全、可靠的主电路是整个设计的基础。 ( 2 ) 控制系统硬件设计。控制系统硬件主要以d s p 为核心，其外围电路主要由 电压、电流采样电路、p w m 驱动电路以及各种保护电路等组成。 ( 3 ) 控制面板设计。控制面板是使用者操作逆变焊机的平台，主要用于输入焊 接参数，并显示电压和电流值。 ( 4 ) 控制系统软件设计。软件主要由a d 转换程序，p i d 控制程序，p w m 波产 生程序等组成。 本设计系统框图方案如图1 1 所示。 图1 1 逆变电源系统框图 逆变弧焊电源主电路主要由输入整流滤波电路、半桥逆变电路和输出整流滤波 电路组成。弧焊电源的输出电流和输出电压经过采样电路与信号调理电路后，输入 到控制芯片d s p 的a d 端口。d s p 读取此数据后与给定参数相比较后计算出所需 的p w m 波，p w m 波经驱动电路输出到逆变电源的开关管，从而实现对电源输出 的实时检测与控制，并将相应输出电压、输出电流通过控制面板显示给用户。 3 青岛大学硕士学位论文 1 4 课题的难点和创新点 课题的难点： ( 1 ) d s p 需要处理大量外围接口信号，如何充分发挥d s p 的功能，设计一个有 效而可靠的控制电路是一个难点。 ( 2 ) 在焊接过程中逆变弧焊电源有空载、短路、起弧、燃弧四个工作状态，且 各状态之间转换迅速，如何利用d s p 控制焊接过程的时序是一个难点。 课题的创新点： ( 1 ) 主电路采用两组金属化聚丙烯膜电容，取代传统半桥开关电源中的两个大 容量电解电容，大大降低了生产成本。 ( 2 ) 控制系统中的输出电压采样电路直接采用电阻分压获得采样电压，取代了 传统电路采用光耦隔离式的电压采样电路，在保证系统安全和采样精度的条件下降 低了成本。 4 第二章逆变弧焊电源主电路设计 第二章逆变弧焊电源主电路设计 2 1 逆变弧焊电源的设计参数 逆变焊接电源由主电路、控制电路和保护电路三部分组成。主电路承担着转换 能量、传递能量的任务，是整个电源的基础。因此，主电路设计必须安全、可靠， 器件的选择必须以极限工作条件为依据，并留有一定裕量，以保证所选器件工作在 安全区域。本文设计的i g b t 逆变焊接电源额定输出电流为3 1 5 a ，逆变器工作频率 为2 0 k h z ，且要求系统具有良好的外特性和动特性，电流、电压响应迅速。 。 弧焊电源的具体设计指标如下： 输入三相工频交流电压u g ：3 8 0 2 0 ，5 0 h z ： 额定输出功率：1 0 k w 输出电流调节范围：5 3 1 5 a 推力电流调节范围：0 , - - 1 5 0 a 额定空载电压：5 0 v - 7 0 v 开关频率：2 0 k h z ； 效率r l ：9 0 ； 额定负载持续率f s c ：6 0 。 2 2 逆变弧焊电源主电路结构及原理 逆变焊接电源中，最常用的两种主电路形式是半桥式和全桥式。全桥式电路结 构对称，在相同输出功率时，由于主变压器原边电压是半桥式电路的两倍，开关元 件集电极电流只有半桥式电路的元件的一半。因此，它适合于需要较大的焊接电流 的场合。其缺点是所需开关元件数目是半桥式电路的两倍，驱动电路复杂，可靠性 相对较差。 半桥式电路元件集电极电流较大，适合于中等焊接电流场合。它的优点是开关 元件少，控制电路简单，具有很强的抗不平衡能力，适用于对焊接质量要求较高的 场合。两个换向电容能够储存电荷，使两桥臂容易达到平衡，防止单向直流磁化。 因此，我们选择半桥拓扑作为逆变逆变弧焊电源的主电路。其电路原理图如2 1 所示： 5 青岛大学硕士学位论文 j _ l 2l 2 _-_ 单f ， 孑 l2、c 蛩 lj 1 翻i 、 j t r c 蛩 n ；1 。k 孑 zl 2lzi 西 盯卿 图2 1 逆变弧焊电源主电路 主电路主要包括三部分： 第一部分，输入整流滤波电路：三相工频整流桥由6 个二极管组成( 实际中用 3 相整流模块代替) ；电解电容c 。和c b 串联其输入滤波作用：电阻r 1 和r 2 为输 入滤波电容c 。和c b 的分压电阻。 第二部分，半桥逆变电路：功率开关管q l 、q 2 组成桥臂一端，c ! - - c 5 并联等 效电容及c 6 - c 1 0 并联等效电容组成桥臂另一端，然后与变压器t 共同组成半桥逆 变电路；电阻r 5 、r 6 为两组分压电容的均压电阻。 第三部分，输出整流滤波电路：两组超快恢复整流二极管d i d 4 和d 5 d 8 分 别并联，组成输出全波整流电路。直流电抗器l 为输出滤波电感：r 7 、c 1 8 和r 8 、 c 1 9 组成整流二极管的吸收电路。 主电路工作原理为：三相工频交流电经过三相桥式整流电路后，输出为脉动的 直流电压，再经过由电解电容c 。和c b 串联组成的滤波电路滤波后，变成较为平滑 的直流电输入到由i g b t 、电容和变压器组成的半桥逆变器。控制系统的两路互补 驱动脉冲分别加到两个开关管q l 和q 2 的栅极g 和射极e 之间，使它们轮流导通 和关断。此时，直流电压被斩波成交流矩形波，使主变压器原边绕组上的电压为正 负对称的矩形波电压。变压器的次级绕组感应的交流电压经过全波整流后变成直流 电压，最后经过滤波电感l 滤波后输出到负载。下面分别介绍图2 1 电路中各部分 的设计。 2 3 输入整流滤波电路设计 2 3 1 输入三相整流模块的选择 在选择整流管时，首先要使整流管的反向峰值电压大于实际承受的最大反向电 压，并留有一定的余量，一般取2 倍。对于3 相桥式整流电路，整流管所承受的最 6 第二章逆变弧焊电源主电路设计 大反向电压为 u 锄( m 柚= 2 x u i x ( 1 + 2 0 ) = 4 2 3 8 0 x i 2 = 6 4 4 4 v 2 ( 1 ) 考虑到瞬时过压冲击和加有防护措施并保证留出1 5 倍的安全裕量的情况下， 实际选用额定电压为1 2 0 0 v 的整流管。 其次要考虑整流管电流平均值值大于实际通过管子的电流平均值，并留有余 量。 按照标准弧压公式，当焊机输出额定电流时，输出电压和电流有如下关系 u = 0 0 4 x i + 2 0 = 0 0 4 x 3 1 5 4 - 2 0 = 3 2 6 v 2 - ( 2 ) 所以可算出焊机的输出功率 e o = u x i = 3 2 6 x 3 1 5 = 1 0 2 6 9 w2 - ( 3 ) 则焊机的输入功率 毋= p 2 刁= 1 0 2 6 9 0 9 = l1 4 1 0 w 2 一( 4 ) 所以三相整流电路中输入线电流的最大值为 也= 毋 , 3 研( 1 - 2 0 ) x c o s 】_ 1 1 4 1 0 ( 4 3 x 3 8 0 x o 8 x 0 9 ) = 2 4 i a 2 - ( 5 ) 根据三相整流中线电流与整流平均电流的关系有 i = 屯0 8 2 = 2 4 i 0 8 2 = 2 9 4 a 2 - ( 6 ) 考虑到合闸瞬间的冲击电流，在留出安全裕量的情况下，选用平均电流为6 0 a 的整流管。 最后，我们选用了m d s 6 0 1 2 型整流桥，其额定电压为1 2 0 0 v ，平均电流6 0 a 。 2 3 2 输入滤波电容的计算 滤波电容在电路中主要起滤波的作用，三相交流电经过整流模块后被整流成为 波动的直流电压，要得到平滑的直流电压u i l l ，还要经过滤波电容进行处理。 滤波电容的选择尤其的重要。如果电容值太小，直流电压u i 。的脉动就会比较 大，为了得到所要求的输出电压，需要过大的占空比调节范围和过高的控制闭环增 益；同时，直流电压u j l i 的最小值也比较小，要求高频变压器的原副边匝比变小， 导致开关管的电流增大，输出整流二极管的反向电压增大。电容值如果太大，其充 电电流脉冲宽度变窄，幅值增高，导致输入功率因数降低，e m i 增加，过高的输入 电流( 有效值) 使得输入整流管和滤波电容的损耗增加；同时，电容过大，成本也会 增加。 三相交流电经输入整流后的平均直流电压为 7 青岛大学硕士学位论文 = 4 2 x 3 8 0 = 5 3 7 4 v2 - ( 7 ) 因为e i = 1 0 6 6 6 w ，所以输入滤波电容的平均输入电流为 = 毋= 1 1 4 1 0 5 3 7 4 = 2 1 2 a2 - ( 8 ) 我们设定输入到逆变器的直流电压纹波av = 2 0 v ，则输入滤波电容值的大小由 下式算出 c k 2 了云丢惫2 丽0 3 x 1 1 4 1 0 = 3 1 8 p f 2 9 ， 输入滤波电容承受的最大电压为 r m a x ) = , 2 x 3 8 0 x ( 1 + 2 0 呦= 6 4 4 4 v 2 - ( 1 0 ) 考虑到电压波动及瞬时冲击电压，我们设定电容的额定电压为8 0 0 v ，容量为 5 0 0 u f 。由于额定电压8 0 0 v ，容量为5 0 0 u f 的电容很难买到，因此我们用2 个额定 电压4 0 0 v ，容量为1 0 0 0 u f 的电容串联使用，如图2 1 中的c a 和c b ，这样c a 和 c b 的等效电容值为5 0 0 u f ，所承受的电压为8 0 0 v 。 电阻r l 和r 2 为均压电阻，目的是为了足两个电解电容c a 和c b 的电压相等， 避免其中一个电容上的电压过大而损坏电容。r l 和r 2 的阻值为2 0 k q ，则流过 r l 和r 2 的最大电流为 i r ( m a x ) = 6 4 4 4 ( 2 x2 0 ) m a = 1 6 m a 2 - ( 11 ) 所以r i 和r 2 的最大功率为 段r m a x ) = 1 6 x 1 6 x2 0 x1 0 一= 5 1 w 2 - ( 1 2 ) 最后选择功率为8 w 的电阻作为分压电阻。 2 4 半桥逆变电路的设计 2 4 1 开关管的选择 目前开关电源常用的开关管为功率场效应管m o s f e t 和绝缘栅双极性晶体管 i g b t 。m o s f e t 具有开关速度快，电压控制简单的优点，缺点是导通电压大，且 管子电流、电压容量不大，因而主要用在中小功率场合。而i g b t 有通态压降低、 电压电流容量大等优点，已经成为大功率应用领域的主要开关器件。 ( 1 ) i g b t 概述 逆变i g b t 是上世纪8 0 年代研制成功的一种高性能功率晶体管，9 0 年代已经 生产出1 2 0 0 v 1 0 0 0 a 的i g b t 。由于它把m o s f e t ( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r 第二章逆变弧焊电源主电路设计 f i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r ) 管和g t r ( g i a n tt r a n s i s t o r ) 管的优点集于一体，既有输入 阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、反向耐 压高、承受电流大等优点，因此，得到越来越多的应用。世界上主要的焊机制造商 都基本完成全系列i g b t 弧焊逆变电源的商品化。 ( 2 ) i g b t 基本结构及工作原理 i g b t 结构上与m o s f e t 十分类似。其栅极、集电极在m o s f e t 管的基础上 增加了一个p + 层，引出发射极。i g b t 相当于一个由m o s f e t 驱动的厚基区g t r ， i g b t 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结构器件。当用正电压 触发元件中场效应管栅极时，场效应管导通，其漏源电流为元件中的晶体管提供基 极电流，使晶体管导通，这就是i g b t 管的工作过程。当i g b t 导通时，工作电流 大，饱和压降低。 i g b t 属于栅控自关断器件，可以通过栅极电压控制集电极电流大小，从而关 断或者开通i g b t 。栅极具有极高的输入电阻，当栅极施以正向电压时，m o s f e t 内形成沟道，并为p n p 晶体管提供基极电流，从而使i g b t 导通。此时，从p + 区注 入到n 。区的空穴对n 。区进行电导调制，减少n 区的电阻，使高耐压的i g b t 也具 有低的通态压降。在栅极施以负电压时，m o s f e t 内的沟道消失，p n p 管的基极电 流被切断，i g b t 即被关断。 ( 3 ) i g b t 的工作特性 电压驱动、驱动功率小、输入阻抗高：与m o s f e t 一样，i g b t 也是电压驱 动器件，因此驱动简单。当门限值( 阀值) 超过某一值时才出现沟道。一般门限电 压v o e t t h ) 为2 5 - 5 v ，推荐门驱动电压1 2 - 1 5 v 。 高的开关速度：i g b t 具有极高的开关速度，1 0 0 0 v 高压的i g b t 的标准关 断时间t o f r 为1 2i is ，是同规格晶体管的1 1 0 左右，接近m o s f e t 的特性。 电流密度高、载流容量大：由于i g b t 是电导调节器件，所以电流密度是 m o s f e t 管的数倍，为同规格的双极晶体管的1 5 倍，载流容量为m o s f e t 管的 5 1 0 倍。现在i g b t 管容量已经达到1 8 0 0 a 1 2 0 0 v ，这为制造大容量的逆变焊接电 源创造了有利的条件。 开关损耗小、饱和压降低：i g b t 不仅具有高的开关速度，而且工作在高速 开关状态时，损耗( 包括开关损耗和关断损耗) 约为同规格的双极晶体管的l 3 左 右。i g b t 的饱和压降低，标准饱和压降为3 v ，与相同规格的m o s f e t 相比，通 态电阻r 饥至少小1 0 - - 2 0 倍，通态压降减少1 0 倍，通态损耗大大减少。 安全工作区宽：i g b t 与m o s f e t 管相同，没有二次击穿现象，高压安全工 9 青岛大学硕士学位论文 作区比同规格的双极晶体管宽。 综上所述，i g b t 集合了m o s f e t 管和双极晶体管的优点，更适合用作大电流 电源( 如焊接电源) 的功率开关器件。 ( 4 ) i g b t 的选型 逆变器频率的选择要受到多种条件和因素的制约，例如功率开关器件、快速整 流二极管本身的开关速度等。另外，逆变频率越高，对控制电路的设计要求也就越 高，电路的电磁干扰也就越严重，功率开关器件的功耗也就越大，整机效率不一定 就越高。因此，频率的选择应该综合考虑，选定功率开关管i g b t 的工作频率为 2 0 k h z 。 对于半桥逆变电路，i g b t 上施加的电压等于输入电压u i n 。但是由于高频漏感 以及集电极回路中引线电感的影响，在开关断开瞬问会引起较大的电压尖峰，电路 中加入缓冲电路等措施后，一般应将电压尖峰限制在稳压值的2 0 以内，则 = ( 1 + 2 0 ) 一) = 1 2 x 6 4 4 4 = 7 7 3 3 v 2 - ( 1 3 ) 为了安全考虑，选取额定电压为1 2 0 0 v 的i g b t 。 开关管电流即变压器的原边电流，因为变压器的原边电压为输入整流后直流电 压的一半，当输入电压最小时，变压器原边电流最大，其值为 印= 易【( 1 2 0 ) 2 】= 1 0 2 6 9 ( 5 3 7 4 x 0 8 2 ) = 4 7 8 a2 - ( 1 4 ) 则i g b t 开关管额定电流为 七= 4 2 ex 1 5 = 1 0 1 3 a 2 - ( 1 5 ) 其中，1 5 为安全系数。所以为了保证安全，选取额定电压为1 2 0 a 的i g b t 。 综合考虑，使用西门康公司的s k m l o o g b l 2 8 d 型号的i g b t 作为半桥电路开 关管，其额定电压为1 2 0 0 v ，额定电流为1 2 0 a ，且内部集成了反向二极管，其额 定参数如表2 1 所示。 表2 1s k m l o o g b l 2 8 d 额定参数 1 0 第二章逆变弧焊电源主电路设计 v c f s 1 2 0 0v v c 口一r 饨z 2 0k q 2 0 0v l cl = 2 5 1 8 0 。c1 ， a i c m k _ = 2 5 8 0 c ：k = 1i l l s 瑚，1 a v o 窖s 土2 0v p 嘲p e r i g b t 。t _ = 2 5 。c 6 w t j f r 柏1 5 0 ( 1 2 5 ) c v i a c 1r a i n 2 5 0 0v h u n g r yi e c6 0 7 2 1 4 0 c l a s s3 k 7 i e 3 2 e l | m a t el e c 6 8 t 14 0 1 2 5 ，5 6 i i l n e r $ ed io d e i f = l ct 潮；2 5 8 0 c 9 5 ，6 5a i f m = 屯t o m = 2 5 1 8 0 。c ：= 1m s2 0 0 ，1 i f 钳 t p = 1 0 m s 蜘：t j = 1 5 0 c 7 2 0a r k = 1 0 m s ；t j = 1 5 0 。c 2 6 0 0a 2 s 2 4 2 分压电容的设计 半桥式电路用两组分压电容代替全桥式电路中的两个开关管，如图2 1 所示。 处于半桥臂一侧的分压电容，工作在高频高压状态，且要储存主变压器原边漏感释 放的能量，需要选用高频无感电容。分压电容值由下式计算 = 南吆2 0 x 1 0 j 2 6 8 7 x 1 2 z 1= 4 4 u f2 - ( 1 6 ) 所以在电路中选用5 个耐压i k v 、容量i u f 的c b b 2 2 型金属化聚丙烯膜电容 并联作为半桥电路的一个桥臂。c b b 2 2 型电容的主要特点有：高频损耗小，内部升 温小，电容量随温度和频率变化小有，自愈特性，电性能良好等优点，适用与高频 电路。 2 4 3 主变压器的设计 高频变压器的设计是研制逆变弧焊电源时非常重要的问题。由于它与高压 i g b t 管直接相连后施加较高的输入电压，它的性能的优劣不仅涉及到变压器本身 的效率、发热，而且将左右整个逆变弧焊电源的性能，甚至会导致i g b t 管的损坏， 这是在设计中要特别注意到的问题。 现在高频化逆变式焊机中磁性元件大多采用铁氧体。铁氧体虽然电阻率较高， 高频损耗小，但磁密度不高，且温度特性不好，随着温度升高，饱和磁通密度下降 快，居里温度低，比重大，机械性能也较差，因此用于高频逆变焊机中是不理想的。 非晶态金属与合金是2 0 世纪7 0 年代问世的一种新兴的材料。其制备技术完全 不同于传统的晶态工艺方法，而采用冷却速度大约1 0 6 秒的超急冷凝固技术，从 钢液到薄带成品一次成型。由于超急冷凝固，合金凝固时的原子来不及有序排列结 晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，故称为非 晶态合金。这种结构类似于玻璃，因此也称为金属玻璃。 青岛大学硕士学位论文 铁基微晶合金是首先备置非晶带料，经过热处理后获得到晶粒直径l o - - , 2 0 n m 的 微晶，因此称为超微晶材料该合金几乎综合了所有非晶合金的优异性能：高的初 始磁导率( 1 0 5 ) ，高饱和磁通密度( d ，低比损耗( p o w 5 0 k = s w k g ) 以及良好的温度 稳定性。由于铁基微晶合金的损耗接近钴基非晶合金，又明显小于铁基非晶合金， 而饱和感应强度( b s ) 比钴基非晶合金要高的多，磁的温度稳定性与坡莫合金相当， 但价格低廉，故在2 0 k h z 以下的应用场合，微晶合金是其他软磁材料最优力的竞争 者。 纳米晶材料铁芯与铁氧体材料铁芯性能比较见表2 2 ，由表可知用铁基微品合 金取代铁氧体材料铁芯可以节约大量的能源，这是非常吸引人的。并且，铁基微晶 合金材料价格并不高，从性能、价格比考虑，它是一种经济而理想的材料。 表2 2 纳米晶材料铁芯与铁氧体材料铁芯性能对比 基本参数纳米晶铁芯铁氧体铁芯 饱和磁感b s ( d 1 2 5o 5 剩余磁感b r ( t ) ( 2 0 k l - l z ) 0 2 0o 2 0 铁损( 2 0 k h z 0 2 t ) ( w k g ) 3 47 5 铁损( 2 0 k h z 0 5 t ) ( w k g ) 3 5不能使用 铁损( 5 0 k h z 0 3 t ) ( w k g ) 2 0 ，0 0 02 ，0 0 0 矫顽力h c ( a m ) 1 6 06 饱和磁致伸缩系数( 1 0 o 7 0 在选择材料结构的时候，漏磁要小，以便获得较小的绕组漏感，以减小由于高 频变压器漏感引起的电压尖峰。所以选择漏磁小，安装比较方便的环形铁芯。 本设计中选用北京安泰科技公司所生产的系列纳米晶铁芯，铁芯的产品规格如 表2 3 所示： 1 2 第二章逆变弧焊电源主电路设计 表2 3 北京安泰公司系列纳米晶铁芯规格表 铁芯尺寸 保护盒尺寸 slmp 适用焊机 产品牌号 ( r a m ) ( m m ) ( c m 2 )( c m )( g )( k 电流 o di dh to d i dh t o n l 6 4 q 0 2 0 6 4 4 0 2 06 63 72 31 6 81 6 32 0 0o 2 0 5 o n l 7 0 4 0 2 5 7 04 02 57 23 72 82 6 21 7 33 0 0o 5 1 o n l 7 5 5 0 2 57 55 02 57 74 72 82 1 81 9 63 0 01 1 5 o n l 广8 0 5 0 2 08 05 02 0 8 2 4 6 2 32 1 02 0 43 2 - 4 1 2 0 a o n l 8 0 5 0 2 58 05 02 58 5 4 4 3 0 2 6 32 0 44 0 04 5 1 6 0 a 1 6 0 a o n l l0 0 6 0 2 01 0 06 02 01 0 55 62 32 8 02 5 15 0 04 5 2 0 0 a o n l l 0 3 7 4 2 51 0 37 42 51 0 96 92 6 52 5 32 7 85 1 05 6 0 n l l 2 0 6 0 3 01 2 06 03 0 1 2 5 5 73 5 6 3 02 9 81 2 0 08 1 53 1 5 a o n l 12 0 7 0 2 01 2 0 7 02 01 2 56 72 53 5 02 9 87 3 05 6 2 0 0 a o n l 广1 2 0 7 0 2 51 2 07 0 2 51 2 56 73 04 3 82 9 89 2 06 7 2 5 0 a 3 1 5 a o n l 12 0 7 0 3 01 3 07 03 01 2 56 73 55 2 52 9 8 l l o o 6 - l o 4 0 0 a 4 0 0 a o n l r l 3 0 8 0 4 01 3 08 04 01 3 67 64 57 o3 3 o1 6 5 01 5 2 0 5 0 0 a 5 0 0 a o n l 广1 3 0 8 0 5 01 3 08 05 01 3 67 65 58 7 53 3 o2 0 6 0 2 3 - 2 5 6 3 0 a o n l 1 3 0 9 0 2 51 3 0 9 0 2 51 3 68 52 8 3 5 0 3 4 5 8 7 08 1 0 o n l l3 0 9 0 3 01 3 09 03 01 3 68 53 64 2 03 4 51 0 4 51 2 1 8 o n l 13 0 9 0 5 01 3 09 05 01 3 68 55 67 o3 4 51 7 4 01 5 2 06 3 0 a o n l 广1 4 2 6 7 3 51 4 26 73 51 5 06 04 09 1 83 2 82 1 5 0 1 5 2 5 变压器的铁损随着频率和工作磁感应强度的提高而增大。对于铁基微晶磁芯， 饱和磁感应强度b s 较高，约为1 2 5 t 。本设计所选用的北京瑞泰科技公司所提供的 数据手册上建议：当工作频率为2 0 k h z 时，b m 可选o 5 t 。所以在这里初步将磁芯 1 3 青岛大学硕士学位论文 的工作磁通密度b m 定为0 5 t 。 ( 1 ) 变压器的计算功率盯 对于全波整流电路，变压器的计算功率阿为： 弓= 只压) 2 们 其中：f l t - 变压器效率。 将p o = 1 0 2 6 9 w ，t 1r - 9 8 代入到式( 2 - 1 5 ) 得p t = 2 4 9 9 8 w 。 ( 2 ) 计算变压器的a p 值 变压器的a p 值是变压器磁芯窗1 2 1 面积a w 与磁芯有效截面积a e 的乘积，即 a p = a w x a e 。a p 值越大说明变压器的功率能量越大。a p 值计算公式如下： 彳尸：l 墨兰! q ：r ir o x ：f s b k , j 2 ( 18 ) 其中：a p 一磁j 卷窗口面积a w 与磁芯有效截面积a e 的乘积( c m 4 ) ； p t - 变压器的视在功率( 、聊；k 0 窗口适用系数，一般取0 2 - 0 4 ； k f 波形系数，有效值与平均值之比，正弦波时为4 4 4 ，方波时为4 ： f s 工作开关频率( h z ) ；b m 一工作磁通密度( d ； k j - 电流密度比例系数，其值跟磁芯结构有关，参看表2 3 ； 表2 4 各种磁芯结构常数 磁芯种类 g j ( 允许温升2 5 c )k j ( 允许温升5 0 ( 2 )x 一般罐形磁芯4 3 36 3 2o 1 7 铁粉磁芯4 0 35 9 0- o 1 2 金属叠片磁芯3 6 65 3 40 1 2 c 型磁芯3 2 34 6 8o 1 4 单线圈3 9 55 6 9o 1 4 带绕磁芯2 5 03 6 5o 1 3 根据以上分析，可以完全确定公式( 2 - 1 5 ) 中的各个参数，取p t = 2 4 9 9 8 w ，k 0 = 0 2 ， k f = 4 ，f , = 2 0 k h z ，b m 0 5 t ，k j = 2 5 0 ( 允许温升2 5 c ) ，x = - 0 1 3 。将以上数据代入公 式可得a p 值为2 4 0 c m 4 。 1 4 第二章逆变弧焊电源主电路设计 ( 3 ) 变压器实际输出能力计算 根据表2 4 查得磁芯型号o n l 1 2 0 7 0 3 0 ，其磁芯尺寸为1 3 0 x 7 0 3 0 ( 且h ： o d = 1 3 0 m m ；i d = 7 0 m m ；h t = 3 0 m m ) ，变压器实际a p 为2 7 7 c m 4 ( 取面积系数为0 8 ) ， 大于变压器的设计输出能力。为了以后将变换器的功率做大，为后续的实验做准备， 我们购买了上述型号的变压器磁芯，在满足功率要求的前提下，使用此磁芯。 ( 4 ) 原边绕组匝数计算n p 原边绕组匝数n p 计算公式如下： 坼= 辚 2 邶， 其中：n p 原边绕组匝数( 匝) ； 吒- 原边绕组电压m ； a e 磁芯有效截面积( c m 2 ) ，一般取磁芯实际截面积的8 0 ； 取u i n = 2 7 0 v ，f s = 2 0 k h z ，b m = 0 5 t ，a e = 3 2 c m 2 ( 截面积系数取o 8 ) 得原边绕 组匝数n p - = - 1 9 2 匝，取整数2 0 匝。 ( 5 ) 计算原边绕组电流l p 原边绕组电流i p 就算公式如下： ，= 再_ 二o - 2 - ( 2 0 ) ( 岫胁 取u i n = 2 7 0v ，t iv = 0 9 8 得到i p = 4 2 a 。 ( 6 ) 计算电流密度j 电流密度计算公式如下： ，2 ( 4 4 ) x = k j a p 石 2 ( 2 1 ) 其中：j 一电流密度( a c m 2 ) ； 由表2 5 确定k j = 2 5 0 ，a w xa c = 2 4 0 c m 4 ，x = - 0 1 3 代入公式( 2 - 1 9 ) 得 j = 2 8 0 18 c m 2 。 ( 7 ) g t 算原边绕组裸线面积a x p 计算原边绕组裸线面积a x p 计算公式如下： 1 5 青岛大学硕士学位论文 冬2 等 2 但) 将i p = 3 6 a ，j = 2 8 0 18 a c m 2 代a f r o ( 2 1 9 ) 得a x p -