【正文】 研究。(6) 具有較強的軟、硬件抗干擾能力。(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）。所研制的逆變焊機微機控制系統(tǒng)，其對應控制的逆變主電路為全橋式逆變結(jié)構(gòu)，頻率為20KHz。效率可達80～90%，空載損耗極小。頻率的大幅度提高減小了變壓器的體積和重量，節(jié)約了大量的材料，提高了功率因數(shù)，節(jié)省了電能，并且給弧焊逆變器的電氣性能、弧焊工藝性能帶來了明顯的好處：(1) 因為頻率高，交變電流過零的時間短，電流換向和熄弧期間由于熱慣性使得電弧空間的殘余熱場可以保持在較高的水平，這樣變換極性后電弧空間重新進行氣體放電所需的電場強度可以降低，從而有助于交流電弧的穩(wěn)定性。綜上所述，將逆變技術(shù)和微機技術(shù)結(jié)合應用到焊接領域是今后焊機發(fā)展的方向，用軟開關(guān)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬開關(guān)技術(shù)必將成為逆變電源的一個重要發(fā)展趨勢。(3) 軟開關(guān)技術(shù)的實現(xiàn)是逆變焊接電源發(fā)展的重要方向弧焊逆變器的另一發(fā)展趨勢是研究旨在降低開關(guān)器件的功耗、減少電磁干擾的軟開關(guān)式零電壓、零電流開關(guān)（ZVZCSPWM）弧焊逆變器。微機以其較高的可靠性和性能價格比將深入到焊接控制的各個領域，應用微機控制技術(shù)可使焊機向多功能化、智能化的方向發(fā)展；并且隨著微機技術(shù)、DSP芯片技術(shù)及其他數(shù)字信號處理技術(shù)的進一步發(fā)展，弧焊電源將向著數(shù)字化的方向邁進，焊機性能和適應性將進一步得到提高。近10年來，利用微機進行設計、制造焊接與切割電源有很大進展。這種“明天的電源”正在以極高的速度變成今天的電源。70年代末我國著手研制晶閘管式弧焊逆變器，80年代初取得初步成果。之后，美國的Lincoln, Miller, Powcon公司，芬蘭的Kemppi，瑞士的ELTRON，日本的大坂變壓器公司等國際著名的焊接設備公司都相繼推出了各自的弧焊逆變器產(chǎn)品。overheat, overvoltage and lowvoltage circuit are studied and designed in the paper.At last, some experiments about this control system are advised to do in the future and some improved advices are put forward so as to overing deficiency of the system and expected to make the whole system more reliable and more ideal.Key words: High frequency power supply, Inverter power sourse, UC3875, Phaseshift目 錄摘 要 IAbstract II1 緒論 1 弧焊逆變電源的發(fā)展與展望 1 1 1 弧焊逆變電源的特點和優(yōu)點 3 本課題研究對象及設計方案與設計目標 32 弧焊逆變電源主電路選擇與設計 5 主電路拓撲結(jié)構(gòu)選擇 5 軟開關(guān)技術(shù)在逆變電源中的應用 6 6 7 7 軟開關(guān)型弧焊逆變器高頻變壓器的設計 11 11 開關(guān)器件的選擇 12 12 15 IGBT對驅(qū)動電路的要求 18 抗干擾及吸收保護電路設計 18 18 19 主電路參數(shù)計算 19 19 21 21 22 小結(jié) 233 軟開關(guān)型弧焊逆變器控制系統(tǒng)研究與設計 24 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 24 控制系統(tǒng)硬件電路 25 25 25 26 27 UC3875移相脈寬調(diào)制電路 28 31 33 軟開關(guān)型控制系統(tǒng)軟件設計 35 35 PI控制算法 36 小結(jié) 374 控制系統(tǒng)可靠性研究與抗干擾設計 38 抗干擾技術(shù)原理 38 38 39 42 控制系統(tǒng)抗干擾設計 44 44 45 46 47 47 47 小結(jié) 495 系統(tǒng)調(diào)試及建議 50 控制系統(tǒng)調(diào)試 50 50 50 52 進一步研究和完善系統(tǒng)的幾點建議 52 小結(jié) 53結(jié) 論 54致 謝 55參 考 文 獻 561 緒論 弧焊逆變電源的發(fā)展與展望早在20世紀70年代初逆變器已應用于中頻加工領域?？刂葡到y(tǒng)經(jīng)過一定的實驗調(diào)試，得到了初步結(jié)果。在主電路分析中主要討論了高頻變壓器的設計，介紹了IGBT的特性，并對驅(qū)動電路、輸出整流電路的設計要求進行了分析、研究。論文主要闡述和設計了一個高頻直流焊機電源，電源控制系統(tǒng)以80C196KC為核心，采用移相PWM控制，逆變電源的軟開關(guān)實現(xiàn)是通過相移芯片UC3875產(chǎn)生具有一定相序的脈沖去觸發(fā)IGBT，保證其在零電流或零電壓下通斷。論文中給出了相關(guān)的實驗波形，并對實驗波形進行了分析、說明。1978年，美國首次研制成功了300A晶閘管弧焊逆變器，1981年又出現(xiàn)晶體管式弧焊逆變器。1993年德國埃森國際焊接與切割博覽會上，展出了各種規(guī)格和用途的弧焊逆變器，其應用范圍包括手工焊、TIG焊、MIG/MAG焊、二氧化碳焊等。1982年華南理工大學所研制出的ZX7SO型場效應管手工弧焊逆變器，接著成都電焊機研究所、清華大學等單位也相繼有弧焊逆變器樣機通過鑒定。就弧焊逆變器本身來說，歸納起來其發(fā)展方向主要有:(1) 器件創(chuàng)新推動逆變器向著輕量化、大容量方向發(fā)展隨著微電子技術(shù)和材料學科的迅速發(fā)展，功率開關(guān)器件、輸出整流器、快速整流二極管等器件性能不斷改進，在器件容量加大的基礎上，其頻率也在提高，不僅能夠獲得更好的電氣特性，而且控制性能不斷得到優(yōu)化。特別是在先進的逆變式焊接與切割電源上配以微機控制己成為當今焊接與切割電源發(fā)展的主流。采用單片機控制的弧焊逆變電源正在逐步成為產(chǎn)品呈現(xiàn)在廣大用戶面前。軟開關(guān)方式包括零電流開關(guān)方式、零電壓開關(guān)方式及兩者兼用的方式。目前，國外在這方面的結(jié)合做的較好，美國、日本、德國、瑞典等發(fā)達國家都己有較為成熟的微機控制逆變焊機問世，而在國內(nèi)，這方面還處于實驗室研究階段。(2) 在輸入整流電路和輸出回路中均存在儲能的電容器，從而明顯減少了無功損耗，提高了效率因素。(5) 重量輕，體積小，主變壓器的質(zhì)量僅為傳統(tǒng)弧焊電源主變壓器的幾十分之一。在不改變逆變主電路的情況下，研究和設計控制系統(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。(3) 具有過流、過熱和過、欠電壓等故障診斷和處理功能。(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。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。主電路在整個電源系統(tǒng)中完成功率傳輸及轉(zhuǎn)換功能。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。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)器件是在高壓下導通，大電流下關(guān)斷的，它導致的電壓和電流重疊會產(chǎn)生開關(guān)損耗（）。(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。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。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。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導通（或使得VDVD2導通），這樣當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。，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（）。（實際上為避免發(fā)生直通現(xiàn)象存在死區(qū)時間的限制）。時，輸出最大。當VT1關(guān)斷后，電流換流，方向為A→B→VT2→VD3→A。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的導通，故VT4可在零電壓下導通，但是因為此時L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，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，在此基礎上通過改變控制策略設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。(1) 在設計高頻變壓器時，必須滿足以下要求：① 變壓器初、次級繞組變比應滿足要求，即輸入電壓最低時，仍能得到所需的輸出電壓。⑤ 初、次級繞組之間的漏感應適當小。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。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。 不同磁芯材料主要性能指標對照名稱規(guī)格飽和磁感應強度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，性能指標相差很大。由圖可知，SCR的輸出功率最大，但工作頻率最低，屬于半控型器件；GTO次之，頻率則明顯增大；GTR的容量界于GTO和MOSFET之間，工作頻率有更大的提高；MOSFET的工作頻率最高，但是其容量最小，不適合大功率輸出場合；目前，IGBT的容量已超過MOSFET和GTR，其工作頻率能夠達到較高的數(shù)量等級，它的應用范圍正在逐步擴展，在高頻逆變方面使用較為廣泛，是一種趨于完善的器件。從當前的發(fā)展來看，IGBT是一種很有發(fā)展前途的電力電子器件，它的電壓、電流容量已超過了GTR，隨著半導體制造技術(shù)及工藝水平的提高，IGBT的電壓、電流容量還將進一步提高。絕緣柵雙極晶體管簡稱IGBT，是一種復合型電力半導體器件。（UCE—通態(tài)壓降，Ic—漏極電流）。當UGE＞UGE（th）漏極電流Ic不隨UGE而變化時，IGBT處于飽 和區(qū)，導通壓降較小，相當于一只合閘的開關(guān)。(2) 開關(guān)特性UcictticVCEONOFFab0 IGBT開關(guān)波形及開關(guān)特性。在NPN寄生晶體管的基極和發(fā)射極之間并接有一個體區(qū)擴展電阻R1。于是寄生晶體管開通，門極失去控制作用，這就是所謂的擎住效應。因此使用過程中必須防止IGBT發(fā)生擎住效應，為此可限制Ic。10usDC100usicic00uCEuCE1000v/us2000v/us3000v/us 正偏安全工作區(qū) 反偏安全工作區(qū) IGBT的反向偏置安全工作區(qū)隨IGBT關(guān)斷時的重加dUCE/dt而改變，dUCE/dt越高反向偏置安全工作區(qū)越窄（），因此，設計電路使IGBT關(guān)斷時，柵極應施加一定反偏壓，以減小重加dUCE/dt，同時可以縮小關(guān)斷時間。(2) IGBT的開關(guān)時間應綜合考慮快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。(4) 驅(qū)動電路應具有較強的抗干擾能力及對IGBT的保護功能。脈沖信號過流故障信IGBT負載過流保護電路有多種類型。(2) 變焊接電源易受到電網(wǎng)噪聲的污染，也易將自身產(chǎn)生的噪聲污染電網(wǎng)。 主電路參數(shù)計算(1) 三相整流橋的選擇因為三相電網(wǎng)輸出電壓為：50Hz，380V，且要求整流后輸出直流平均為400V，故三相整流橋輸入線電壓有效值為：296V177。(2) 輸入濾波電容和電感的設計① 輸入濾波電容的設計輸入濾波電容（C1）主要起濾波和平滑直流輸出電壓，減小其脈動的作用，因此輸入濾波電容的選擇是比較關(guān)鍵的。一般來說，無法找到一個可以把電源的所有電流紋波都吸收的電容，所以通常采用多個電容并聯(lián)，故選用的鋁電解電容4只關(guān)聯(lián)；由于鋁電解電容無法吸收加在其兩端的高頻分量，一般還要并上無極性的陶瓷電容，以吸收高頻分量。高頻變壓器一、二次側(cè)變比是一個涉及全局的重要參數(shù)。因此，我們所設計的變壓器一、二次側(cè)的變比應該盡可能的大一些。二是選擇合適的空載電壓。所以輸出電壓還要兼顧空載電壓的需要。 (1) 整流二極管的選擇 一般而言，輸出整流回路有兩種，一種是四個二極管構(gòu)成的單相全橋整流方式，另一種是兩個整流二極管構(gòu)成的單相全波整流方式。假設二極管的通態(tài)壓降為Ud，每個二極管的通態(tài)損耗為 ()每個整流管兩端承受的最高反向電壓為： V ()取3倍安全裕量所以選擇采用 IXYS 公司的快恢復二極管，耐壓400V，額定電流。 小結(jié)本章內(nèi)容主要針對弧焊逆變器主電路系統(tǒng)進行分析設計和參數(shù)計算:(1) 在對比不同拓撲結(jié)構(gòu)主電路性能基礎上選擇適合本課題研究的主電路結(jié)構(gòu)形式為全橋式拓撲結(jié)構(gòu)。(4) 針對主電路工作過程中存在的過流、浪涌、噪聲干擾等常見問題，設計了必要的吸收保護電路和檢測電路并采取了抗干擾措施。第二步，在得到空載電壓以后，由程序判斷焊槍開關(guān)合上時，進入焊接過程控制狀態(tài)。 控