带气隙电抗器的设计计算正激式电源的输出电抗器设计.doc

带气隙电抗器的设计 直流电抗器是由一定形状的带气隙铁芯和绕在铁芯外的导线组成的，由于电流导体（铜）和磁导体（铁）价格差异，而组成电抗器的两种材料又存在内在固有的物理关系，因此，设计一款合适的电抗器绝对是一门艺术一门遵循铁磁理论的艺术一,设电抗器气隙为：lg （单位m）lg2，为气隙厚度 磁芯最大磁通密度为：Bm（单位T） 电抗器匝数为：N（单位匝） 电抗器电感量为：L（单位H） 流过电抗器的直流电流有效值为：I（单位A）*1 注1：以上所有量纲均采用国际单位制二,公式推导：1,电流I在匝数为N的线圈中产生的磁动势为：mNI2,带气隙磁心的磁阻为：RmRmfRma Rmf为磁路的磁阻 Rma为空气隙的磁阻他们分别为： Rmflc/0 rf S Rmflg/0 ra Srf ，ra 分别为磁芯相对导磁率和空气相对导磁率 lc为磁路长度 lg为空气隙长度故整个磁路总磁阻为：Rmlc/0 rf Slg/0 ra S由于rf 比ra 大三个数量级。当lc不比lg也大同样数量级时，我们可以认为lg/0 ra S远远大于lc/0 rf S。我们理当略去低数量级小项，同时忽略气隙带来的边缘磁场效应的影响。权作工程近似*2所以可以得出：Rmlg/0 ra S lg/0 S ra空气相对导磁率为1 注2：这样的近似可在工程计算上带来一定的余量，因此可以预期：其结果一定是趋于安全方向的3，于是可以列出磁芯中的磁通量： mm/Rm NI/（lg/0 S） NI0 S/lg4,磁芯中磁通密度为：Bmm/S （NI0 S/lg）/S NI0 /lg 于是得出气隙公式：lgNI0 /Bm-（1）*35,设想在电抗器上加一脉冲电压，于是有： NVt/BmVtIL（此线性关系是基于对带气隙电抗器感抗是常数的肯定） IL/BmS 和（1）式合并后可得：L=N2S0/lg（2）*3 注3：0410-7 采用式（1）可以在已知电流，磁芯材料参数和绕组匝数的情况下求得电抗器不饱和时的气隙大小; 采用式（2）可以在以上基础上求得电抗器电感量。 将两式输入Excel 电子表格，即可进行自动运算。/ 铝塑复合管是九十年代的先进产品，是建设部重点推广逐步取代镀锌水管的理想产品。由于其耐腐蚀、重量轻、可弯曲、成本低等各种优异性能，将大规模地推广到石油、化工、燃气管道、供水管道等领域。随着铝塑复合管用途的日益广泛，生产该产品的厂家也日益增多，而进口的焊机价格昂贵，为此，要进行这一领域的深入研究和分析。我们应用开关电源、电力驱动控制的有关知识，作了用在这种场合的焊机电源的研究，旨在替代价格昂贵的进口设备。下面介绍这方面的一些体会。1. 方案选择 系统框图如图1所示，在考虑方案选择时，用半桥或全桥作为逆变器原边的开关电路均可。图1所示为半桥方案，其中C1、C2作为桥的二臂，IGBTV1、V2作为桥的另二臂；桥对角线接高频变压器原边绕组，高频变压器副边绕组的高频交变电压经VD1、VD2全波整流得直流电压。工件（待焊的长管）接正极，焊枪（钨棒）接负极，所以选择这种正接极的极性（相反极性称反接极），是因为阳极（长管）可以得到较高于阴极的温度，从而得到较大的熔深，相对同一管厚的管子，其焊接效率高。本方案的电极采用非熔性钨棒作为负极的正接TIG焊，因电极损耗低而适合于生产线，也不存在金属熔滴过渡问题，电弧稳定，用氦气氩气等惰性混合气体作为保护气适应于铝管焊接生产线。控制系统采用带软启动的电流闭环反馈系统，具有恒流源特性和过流、过温保护。对基流、占空比、叠加的脉冲频率、起弧和收弧时间均可根据焊管的材料、壁厚、焊接速度及工艺环境等进行灵活的调节，以确保焊缝质量和工作的可靠。2. 负载特性与外特性的配合 根据国家有关钨极氩弧焊逆变器的技术标准，其外特性和负载特性如图2曲线1和曲线2所示。 电弧电压与电流的关系式为：Uf=f（If）=10+0.04 If （V）当If大于600A时，保持Uf为34V；最小电流Ifmin为1%的额定电流，最大电流本设计为300A。最大短路电流Iwd为1.2Ie（Ie为额定电流），如果超出此数值，设备视为不合格，存在可靠性问题。本系统经调试后能提供3300A可调的稳定弧流，在每个工作点上均有恒流特性。短路时，Iwd限在360A，经短暂延时后系统自动跳闸，处于保护状态。 外特性曲线Uy=f（Iy）由斜降和陡降二段组成。外特性与负载特性相交的点A、B、C均在陡降部分故系统能稳定运行。 3高频变压器的设计 高频变压器起着降压和传递电能的作用，它的结构参数及制作工艺质量直接影响到逆变主电路的工作性能和安全。本电路中的变压器工作频率较高，因此重量和体积显著减小，效率显著提高。设计技巧和原则，主要是通过额定励磁电流，在达到允许的温升条件下尽可能减少磁心体积和绕组的匝数。在工艺制作上，要减少漏抗，抑制尖峰电压的数值；当然结构上要紧凑合理和可靠。4开关元件的选择 高频变压器原边桥臂开关选用IGBT，IGBT是绝缘栅双极型晶体管，是目前开关电源类在要求快速、低损耗、大容量场合很有前景的元件，有关介绍可参看其他文献。高频变压器副边开关元件采用2组660A/400V的快速整流管。整流管的关断损耗表示值为PfD=TrrIRPUR/2T，式中IRP为管子的反向峰值电流，UR为管子承受的最高反向工作电压，Trr为反向恢复时间，T为周期。由式可知关断损耗与反向恢复时间成正比，选择反向恢复时间小的二极管有重要的意义。条件成熟时可考虑选择同步整流的方案，以进一步提高效率。 5输出电抗器的设计考虑 输出电抗器L串联在弧焊逆变器的直流输出回路中，它起到滤波、限制短路电流上升率（disd/dt）的上升和改善动特性的作用。增大L值，滤波效果好，disd/dt受抑制，有利于电弧的稳定；但L值增得太大，则输出的直流中没有了叠加的高频脉冲电流，对薄管焊接容易熔通。 所谓动特性是指弧焊逆变器能提供的电压Uf=f（t）和电流If=f（t）对负载或交流输入电压突变适应的能力。有些文献认为在进行熔化极电弧焊时，电极加热熔化成金属熔滴进入熔池经常引起短路，因而是动态负载，对弧焊逆变器有动特性要求。其实，熔滴短路主要靠短路保护作用；非熔化极虽然不存在熔滴现象，但一样存在短路的可能性。例如，铝带剪边后经过成型口弯曲成管状，当剪边有小毛刺金属丝经过焊枪时，就会与非熔化电极相碰，因而引起短路。这时，限制短路电流的上升主要靠输出电抗器L起作用。这一现象尤其在管速高达20米以上时会突出一些，因为此时电抗器可能来不及起抑制作用。 由上所述，我们认为焊管生产线应有更高的动特性要求；另外，一般认为愈减小L的值愈能使工作电流在受到干扰时恢复快，因而稳定性愈好这一看法值得商讨。下面的实验说明，恰当的L值有利于限制短路电流的上升和动特性的提高。为此我们也体会到应用变值电抗器的可行性。下面作进一步的分析。 所谓变值电抗器（摆动电抗器）是指电感数值随流过它的电流变化而变化的电抗器，当小电流通过时，其电感值大；当电流增大时，电感值却随之变小。在负载变动较大的场合经常使用它。但这个“变值”电感会使输出回路滤波器的截止频率fc变动，使设计问题复杂化，而往往使得控制系统稳定运行增加了难度。 与传统电感不同，变值电感器的电感值随通过的电流存在非线性关系。非线性电感的磁心小些，它能保证从无载到满载有一致的特性。而在非线性电感提出前，这特性只能靠混合的复杂线性或大的电感来完成。这样不但成本、重量增加，而且在大负载下动态特性将变得很差。 要得到变值电感常用两种方法。一是用两种气隙的磁心，得到如图所示的（If）非线性曲线。图中曲线1的气隙为lg1，曲线2的气隙为lg2， lg2» lg1。曲线1在小电流（IfI1）时，电感量迅速滑落；曲线因有较大气隙，电感小，但在大电流（I1If I）时可以保持一定的电感量。高频脉冲逆变焊接在轻载时，可能出现电感电流不连续的工作状态，这种状态会产生人耳能听到的低频振荡声，有时甚至使系统不能稳定工作。为防止这一现象，故在轻载时要求有较大的电感值；满载时不需要太大的电感，允许较大的气隙防止饱和。因此理想的电感应如曲线所示，即有变动的气隙。 图4 变动气隙靠部分磁心饱和实现，图给出可以选用的两种变动气隙的磁心截面示意图。非线性电感的等效电路如图5所示，即气隙小的磁心在较大的工作直流下饱和。但它在轻载时，由于值大，所以电感量也大。负载增大时，气隙小的磁心饱和，此时限流主要依靠气隙大的磁心。 对于气隙为lg、绕组匝数为Np的电感Lp为：Lp=oxNpxAe/(lg+1/r)电感饱和的临界电流Idc为：IdcBdcxNpxAe/ Lp式中，lg为气隙长度mm，o为真空导磁率410-7，Np为绕组匝数，Lp为电感mH，Ae为磁心面积mm2，Idc为直流电流A，Bdc为磁感应强度值T。 图6系统动特性的改善与提高 调节电流放大器的反馈参数将影响电弧电流的动态品质。图6所示为本系统在某一良好参数配合下，电流IY60A时由0上升的过程。从图中可知，上升过程是非常快的，上升到稳态电流的时间只需要812s。图7给出了在另一主回路的电感值具有非线性电感特性下，电弧的动态电流上升曲线，此时电流由上升到额定值的时间为800s。从图7还可看到其电流波动