【正文】 焊電源主變壓器的幾十分之一。(6) 具有良好的動特性和弧焊工藝性能，可以設(shè)計出最合適的外特性曲線形狀，并根據(jù)焊接工藝要求對外特性和動特性進行任意控制，以適用于各種不同的焊接方法，做各種位置的焊接，獲得優(yōu)良的焊接工藝性能和焊接結(jié)果。 本課題研究對象及設(shè)計方案與設(shè)計目標(biāo)根據(jù)當(dāng)前弧焊逆變器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，我們確定了這一研究課題：針對逆變器主電路中，大功率開關(guān)元件采用隔離柵雙極性晶體管（IGBT）的逆變焊機的微機控制系統(tǒng)研究。所研制的逆變焊機微機控制系統(tǒng)，其對應(yīng)控制的逆變主電路為全橋式逆變結(jié)構(gòu)，頻率為20KHz。在不改變逆變主電路的情況下，研究和設(shè)計控制系統(tǒng)電路，通過改變控制系統(tǒng)的軟件，既可以實現(xiàn)電源恒壓、恒流特性控制，又可以實現(xiàn)脈沖輸出控制及其它任意特性控制。通過對研究對象的分析和設(shè)計，本控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本功能:(1) 向逆變焊機主電路開關(guān)管IGBT提供所需的前后沿陡峭、相位差180176。對稱的脈沖列。(2) 能夠控制輸出弧焊工藝所要求的電氣性能（外特性、動特性和波形）。(3) 具有過流、過熱和過、欠電壓等故障診斷和處理功能。(4) 具備參數(shù)預(yù)置、顯示和實時檢測功能。(5) 能夠獲得需要的輸出電壓、電流及調(diào)節(jié)范圍。(6) 具有較強的軟、硬件抗干擾能力。(7) 實現(xiàn)移相PWM零電壓、零電流軟開關(guān)；實現(xiàn)電流、電壓的軟啟動和軟關(guān)斷。該設(shè)計任務(wù)完成以后，就可以搭建一套逆變電源控制系統(tǒng)實驗平臺，為今后研究數(shù)字化軟開關(guān)型弧焊逆變電源奠定基礎(chǔ)，也為后續(xù)焊機試驗工作創(chuàng)造一定的條件。2 弧焊逆變電源主電路選擇與設(shè)計逆變式弧焊電源通常由兩部分組成：一是主電路部分，它完成電能的轉(zhuǎn)換和傳輸，是逆變電源的主要部分；二是控制電路部分，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，如保護功能、參數(shù)預(yù)置與顯示功能等。逆變電源控制系統(tǒng)研究必須以一定的逆變主電路為基礎(chǔ)，因此有必要對逆變主電路進行討論和研究。逆變式弧焊電源是一種可控的能量轉(zhuǎn)換器，它將電能由一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。常用的弧焊電源主電路實質(zhì)上是由三個轉(zhuǎn)換器組成，即：交流→直流整流器；直流→交流逆變器；交流→直流整流器，這三個轉(zhuǎn)換器加上必要的吸收保護電路環(huán)節(jié)即構(gòu)成了逆變弧焊電源主電路。其中輸入為三相380V工頻交流電，通過整流濾波后轉(zhuǎn)換為540V直流電，然后通過全控功率器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率很高（設(shè)計中為20KHz）的方波交流電，之后通過高頻變壓器降壓、整流橋整流、電抗器濾波得到焊接所需的低壓直流電?？梢酝ㄟ^控制IGBT的通斷時間獲得需要的電壓、電流及功率。主電路在整個電源系統(tǒng)中完成功率傳輸及轉(zhuǎn)換功能。 弧焊逆變器電能轉(zhuǎn)換和功率輸出控制的實現(xiàn)是一項系統(tǒng)的工作，涉及到多方面具體的任務(wù)，除了選擇和設(shè)計合適的控制系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計控制電路中元器件的參數(shù)之外，對主電路的選擇和設(shè)計及對其元器件的參數(shù)設(shè)計是最基礎(chǔ)也是十分重要的。 主電路拓撲結(jié)構(gòu)選擇弧焊逆變器主電路拓撲結(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。由上表可以看出，如果要獲得較大功率的輸出，一般情況下應(yīng)該選擇推挽式或者全橋式的主電路結(jié)構(gòu)。但是對于推挽式主電路結(jié)構(gòu)，它的功率開關(guān)管集射極之間承受的電壓在穩(wěn)態(tài)時為2倍的直流輸入電壓E，而其漏感引起的尖峰電壓VCEmax＞2E。因此，考慮到功率開關(guān)管的耐壓容限，本系統(tǒng)中選擇使用全橋式逆變主電路結(jié)構(gòu)。由于本設(shè)計中涉及到逆變器的軟性開關(guān)實現(xiàn)問題，因此我們首先從軟開關(guān)技術(shù)在弧焊逆變電源中的應(yīng)用入手，對逆變器主電路進行必要的分析和研究。 逆變主電路拓撲性能比較/推挽式全橋式半橋式單端式功率開關(guān)管集射極間施加電壓穩(wěn)態(tài)為2E，漏感引起的尖峰使Vcemax＞2E穩(wěn)態(tài)為E，二極管箝位Vcemax≤E同全橋截止期二極管箝位Vcemax=E輸出相同功率時集電極電流IcIc2Ic2Ic功率開關(guān)管數(shù)量2421輸出濾波電容數(shù)量1121獲得的輸出容量大大中等中、小 軟開關(guān)技術(shù)在逆變電源中的應(yīng)用在常規(guī)的PWM逆變電路中，電力電子開關(guān)器件在大電壓下導(dǎo)通，大電流下關(guān)斷，處于強迫關(guān)斷過程，這種逆變電路被稱之為硬性開關(guān)電路。硬性開關(guān)電路在頻率很高的情況下運行將帶來以下主要問題:(1) 溫度和功耗問題硬性開關(guān)電路的開關(guān)器件是在高壓下導(dǎo)通，大電流下關(guān)斷的，它導(dǎo)致的電壓和電流重疊會產(chǎn)生開關(guān)損耗（）。ttiuuiuiui(a) 開通 (b) 關(guān)斷 硬開關(guān)通斷U/I示意圖一般情況下一個周期內(nèi)器件的開關(guān)損耗可占全部損耗的30%～40%。隨著工作頻率的提高，這種損耗將成比例增加。同時由于過大的開關(guān)損耗使得器件結(jié)溫上升，不僅限制了工作頻率的提高，而且也無法使器件在額定電流、電壓容量條件下運行。(2) 電磁干擾問題在高頻情況工作時，開關(guān)器件本身的極間電容和電路中的雜散電感將影響整個電路的工作狀況。過大的du/dt和di/dt將對系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾（EMI），導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了解決硬性開關(guān)PWM逆變電路存在的上述問題，國內(nèi)外學(xué)者專家提出了改變器件開關(guān)軌跡的思想，研究和開發(fā)了多種軟開關(guān)型弧焊逆變電源，使軟開關(guān)型逆變電源成為一種有較大發(fā)展和應(yīng)用前景的弧焊電源。軟開關(guān)型逆變器的特點是功率開關(guān)器件在零電壓或零電流或零電壓和零電流狀態(tài)下導(dǎo)通或關(guān)斷。它不僅解決了開關(guān)耗損過大的問題，而且降低了器件運行時的結(jié)溫，降低了du/dt和di/dt，減少了電磁干擾（EMI），突破了硬性開關(guān)對工作頻率增大的限制?？梢哉f從根本上克服了硬性開關(guān)PWM逆變電路的缺點。在軟開關(guān)型全橋逆變主電路中，有根據(jù)負載方式實現(xiàn)零電壓或零電流開關(guān)的，也有根據(jù)控制方式實現(xiàn)功率器件的軟開關(guān)技術(shù)的。屬于前一種方式的電路有全橋串聯(lián)諧振逆變電路或全橋并聯(lián)諧振逆變電路以及它們的組合電路；屬于后一種方式的有移相控制全橋逆變電路。目前適合采用軟開關(guān)技術(shù)的全橋逆變電路有：全橋串聯(lián)諧振逆變電路；全橋并聯(lián)諧振逆變電路；高頻直流諧振環(huán)逆變電路；移相控制的全橋逆變電路。(1) 全橋串聯(lián)、并聯(lián)諧振逆變電路全橋串聯(lián)、并聯(lián)諧振逆變主電路。電路中電感L、電容C、功率器件和負載串聯(lián)（并聯(lián)）在一起形成一個欠阻尼電路，由于電路是欠阻尼的，引起振蕩，導(dǎo)致流過功率開關(guān)的電流出現(xiàn)自然過零的現(xiàn)象。這兩種主電路既可以實現(xiàn)零電壓開關(guān)，也可以實現(xiàn)零電流開關(guān)，其具體實現(xiàn)要根據(jù)頻率大小和負載情況而定。全橋串聯(lián)、并聯(lián)諧振逆變電路實現(xiàn)功率器件軟開關(guān)的基本原理是：當(dāng)電路在一定頻率下工作時，如果負載是感性的（或容性的），則由于感性負載電壓超前電流（或容性負載電壓滯后電流），在逆變過程中，關(guān)斷VTVT2時，電流轉(zhuǎn)移到VDVD4（或電流轉(zhuǎn)移到VD1 、VD2 ），使得VDVD4導(dǎo)通（或使得VDVD2導(dǎo)通），這樣當(dāng)VTVT4被觸發(fā)時，就實現(xiàn)了零電壓開通（或零電流開通），從而實現(xiàn)了功率開關(guān)器件的軟開關(guān)通斷。采用負載諧振來實現(xiàn)功率開關(guān)器件通斷的軟開關(guān)型逆變電路，其輸出功率的大小主要靠調(diào)節(jié)頻率來進行調(diào)節(jié)，相對于定頻率調(diào)脈寬的控制方式技術(shù)難度較大；而電路中器件所受的應(yīng)力與電路的功率值Q是成正比的，不適合輸出功率大的場合；而且雖然全橋串聯(lián)、并聯(lián)諧振逆變電路在恒定負載容易實現(xiàn)零電壓或零電流開關(guān)，但對于頻繁處于“空載一短路一負載一短路”負載大范圍變化的弧焊電源來說卻是很難滿足軟開關(guān)性能要求的。 全橋并聯(lián)諧振逆變電路 全橋串聯(lián)諧振逆變電路 (2) 相移控制的全橋逆變電路相移控制的全橋逆變電路綜合了PWM控制技術(shù)的優(yōu)點和軟開關(guān)技術(shù)的優(yōu)點，其開關(guān)工作頻率恒定，在大范圍內(nèi)實現(xiàn)PWM控制，在功率開關(guān)器件通斷瞬間實現(xiàn)軟開關(guān)換流，減少了開關(guān)損耗，降低了du/dt和di/dt，減少了電磁干擾（EMI），提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。它一經(jīng)出現(xiàn)就受到了人們的青睞。，它實質(zhì)上也是PWM控制，所不同與一般PWM控制電路的是，逆變功率器件的驅(qū)動信號有特殊的時序要求（）。按照如圖所示的時序信號驅(qū)動全橋逆變主電路中的功率開關(guān)管，使其按照驅(qū)動信號的順序先后通斷以達到軟開關(guān)型逆變電路的技術(shù)要求。相移PWM控制逆變電路實現(xiàn)零電壓開關(guān)，是依靠功率開關(guān)管本身反并聯(lián)的二極管先導(dǎo)通，實現(xiàn)零電壓開通的。它的控制策略是VTVT3和VT VT4分別輪流導(dǎo)通，每只開關(guān)管導(dǎo)通180176。（實際上為避免發(fā)生直通現(xiàn)象存在死區(qū)時間的限制）。其中VTVT3反相，VTVT4反相，VTVT3管導(dǎo)通時刻不變，是先導(dǎo)通的器件（稱為超前橋臂），控制VTVT4（稱為滯后橋臂）的導(dǎo)通時刻，使VT2管和VT1導(dǎo)通時刻相差為0176。～180176。，VT3與VT4類似，當(dāng)VTVT2移相為0176。時，輸出最大。VTVT2移相為180176。時，逆變器輸出為0。移相控制實現(xiàn)零電壓開通的工作原理是這樣的：假定負載是感性的，根據(jù)控制時序，VT1管先導(dǎo)通，VT2經(jīng)過一定的移相角后導(dǎo)通，電流由電源正極出發(fā)，流經(jīng)VT1管從A點流到B點經(jīng)VT2流向電源負極，此時電源向負載輸出功率。當(dāng)VT1關(guān)斷后，電流換流，方向為A→B→VT2→VD3→A。此時電流處于換流階段，VT3管可在零電壓下導(dǎo)通（VD3導(dǎo)通后，VT3兩端的電壓近似為0），且UAB≈O。因為Ldi/dt=UAB，所以電流衰減很慢。緊接著VT2關(guān)斷，電流從VT2換流到VD4，方向為VD3→A→B→VD4，由于VD4的導(dǎo)通，故VT4可在零電壓下導(dǎo)通，但是因為此時Ldi/dt=UAB等于電源電壓負值，所以電流衰減很快，因此VD4開通時間較短，滯后管VT4的零電壓開通有一定的限制范圍。（由于此種原因?qū)е碌脑谪撦d為輕載或電路中電感量小時，難以實現(xiàn)零電壓開通的情況可以通過進一步改進電路而得到解決。） 相移控制的全橋逆變電路VT1VT5VT3VT2VT4VT6UGEt 移相控制時序圖 (3) 高頻直流諧振環(huán)逆變電路高頻直流諧振環(huán)逆變電路是一種新型的實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)的方法，由于其技術(shù)難度較大，目前設(shè)計的軟開關(guān)型逆變器暫時不考慮這種方式，因此我們的方案選擇不考慮高頻直流諧振環(huán)逆變電路。通過對上述適合采用軟開關(guān)技術(shù)的不同全橋逆變主電路的特性及優(yōu)缺點分析，以實驗室現(xiàn)有條件為基礎(chǔ)，我們擬選擇采用全橋相移PWM控制的逆變主電路結(jié)構(gòu)形式，在此基礎(chǔ)上通過改變控制策略設(shè)計合適的移相控制系統(tǒng)來達到在逆變焊接電源中實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)的目的。 逆變焊接電源主電路原理圖 軟開關(guān)型弧焊逆變器高頻變壓器的設(shè)計在大功率軟開關(guān)型弧焊逆變器中，高頻變壓器的功能包括：電氣隔離，降壓作用，利用磁耦合作用傳送能量，參與功率開關(guān)管的軟開關(guān)過程。與傳統(tǒng)的弧焊變壓器相比，最后一項功能是軟開關(guān)弧焊逆變器中高頻變壓器特有的功能。進行高頻變壓器設(shè)計時必須全面考慮對變壓器性能產(chǎn)生影響的因素，如磁芯材料的選擇、磁通密度和鐵損的限制、制造工藝等。(1) 在設(shè)計高頻變壓器時，必須滿足以下要求：① 變壓器初、次級繞組變比應(yīng)滿足要求，即輸入電壓最低時，仍能得到所需的輸出電壓。② 當(dāng)輸入電壓最高，占空比最大時，磁芯不會飽和。③ 當(dāng)輸出功率最大時，變壓器穩(wěn)升在允許的范圍之內(nèi)。④ 初、次級繞組的損耗應(yīng)相等，銅損與鐵損也應(yīng)相等，損耗應(yīng)足夠低。⑤ 初、次級繞組之間的漏感應(yīng)適當(dāng)小。⑥ 符合必要的安全規(guī)格。根據(jù)上述要求，我們重點對磁芯材料選擇和變壓器初、次級變比計算進行討論。(2) 磁芯材料的選用主電路中由于高頻變壓器初級直接與開關(guān)管相連，其漏感引起的尖峰電壓對開關(guān)管的安全工作有很大威脅，因此，高頻變壓器的性能是至關(guān)重要的，而其性能又是由磁芯材料及繞制工藝決定的。對于工作頻率為20KHz的變壓器，主要考慮其漏感和勵磁電流的影響，工作時不能使變壓器飽和，否則勵磁電流會大大增加。一般選擇高頻磁芯材料有以下幾點特殊要求:① 在工作頻率下，鐵損要盡可能小。② 磁芯材料飽和磁通密度要高，電阻率要大。③ 隨著溫度升高，飽和磁通密度下降要慢。用于弧焊變壓器的磁芯材料主要有超薄硅鋼片、軟磁鐵氧體、非晶和微晶合金。由表可知，超薄硅鋼片的飽和磁通密度高，使用厚度極薄的硅鋼片可以降低渦流損耗，但很不經(jīng)濟，且其電阻率太低，高頻使用時鐵損仍然較大，不宜用于高頻變壓器；鐵氧體的電阻率非常高，高頻鐵損小，磁滯損耗小，價格低，缺點是飽和磁通密度低，溫度系數(shù)大，易脆裂，工作頻率為20～30KHz，在IGBT和MOSFET弧焊逆變器中多被選用作為鐵芯材料；非晶態(tài)合金的飽和磁通密度高，導(dǎo)磁率高，磁滯回路狹窄，機械強度高，熱穩(wěn)定性能好，高頻損耗比鐵氧體還要小，是一種較為理想的高頻磁芯材料。但是與鐵氧體相比，其價格較高。因此在本設(shè)計中根據(jù)現(xiàn)有條件選用鐵氧體作為高頻變壓器的磁芯材料。 不同磁芯材料主要性能指標(biāo)對照名稱規(guī)格飽和磁感應(yīng)強度Bs（T）鐵損（W/kg）磁密度 βr/Hc矯頑磁力βr/B電阻率β（μΩcm）臨界磁滯伸縮系數(shù) λs*106硅鋼片D334*1044710鐵氧體MX02000/17*1041*1053000非晶態(tài)Fe80B203210414531 開關(guān)器件的選擇功率開關(guān)器件的品種繁多，性能指標(biāo)相差很大。對于逆變電路中逆變用功率開關(guān)器件的選擇既要符合輸出功率大、電流和電壓等級高的要求，又要滿足功耗小，能夠達到高頻工作的要求。因此選擇合適的電力電子開關(guān)器件是電路元件選擇中十分重要的一環(huán)。我們對常用的普通晶閘管（SCR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、功率MOSFET、