【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 環(huán)控制系統(tǒng)，并使用各種先進(jìn)的控制算法用來實(shí)現(xiàn)其 實(shí)時(shí)快速的良好控制效果 。 其中， 中頻焊接電源的主電路由三相不可控整流橋、軟啟動(dòng)電路、濾波電路、IGBT 全橋方波逆變器、中頻焊接變壓器、輸出整流電路以及一些緩沖保護(hù)電路等組成 。 系統(tǒng)框圖如下圖 所示： 輸入 輸出 接焊頭 三相工頻電 工頻 不可控 整流 全橋 IGBT 逆 變電 路 中頻 變壓器 中 頻大功率 整流 電路 安徽建筑大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 主電路系統(tǒng)框圖 下面就是對(duì)各單元電路進(jìn)行的簡(jiǎn)要說明 ： :我們需要將三相交流電整流成約 54OV 的直流電。 :軟啟動(dòng)電路 由限流電阻 R繼電器 K R C1 等構(gòu)成。由于采用電容濾波 ,電容整流濾波電路在接通交流電壓時(shí) ,當(dāng)在合閘時(shí)由于電容充電往往會(huì)引起較大的浪涌電流。而由于是中頻焊接電源 ,則希望獲得一些紋波較小的濾波電壓 ,一般輸入的濾波電容較大。然而 直接從電網(wǎng)取來的交流電進(jìn)行整流 ,其電壓較高。因此 ,合閘浪涌電流比一般的整流焊接電源要高的多的多，并且電流的持續(xù)時(shí)間也長(zhǎng)。而合閘浪涌電流的大小隨 開關(guān)合閘瞬間交流電壓的相位以及輸入濾波回路的內(nèi)阻不同而異。當(dāng) 大的合閘浪涌電流出現(xiàn)時(shí) ,會(huì)對(duì)與系統(tǒng)相連的其它設(shè)備造成影響 ,電容器反復(fù)經(jīng)過浪涌電流的沖擊 ,其性能也會(huì)惡化。因此 ,必須采取措施 ,即加入限流電阻構(gòu)成軟啟動(dòng)電路。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí) ,通過 R1 R2 給電容 C1 充電 ,當(dāng)達(dá)到繼電器 K1 的吸合電壓時(shí) ,繼電器觸點(diǎn)合上 ,電阻 R1 被短接 ,系統(tǒng)進(jìn)入正常工作。 :擬采用π型濾波電路，使用兩個(gè)電容一個(gè)電阻作為濾波器，另外為了使濾波效 果更加明顯，又加了一個(gè)較小的電容對(duì)高次諧波進(jìn)行濾波。 ： 由兩個(gè)半橋 IGBT 模塊 FF400R12KE緩沖電路以及中頻變壓器組成。逆變器正常工作時(shí) ,兩組 IGBT 輪流導(dǎo)通 ,改變流經(jīng)中頻變壓器的電流方向 ,把直流電變成中頻正負(fù)交替的方波。 :由 D D6 兩組快恢復(fù)整流管把中頻交流電 (1KHz)變換成低壓直流電 (2KHz),供給焊頭 ,其中快恢復(fù)整流管應(yīng)加入緩沖電路。 :系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了放電阻止型 RCD 吸收電路 ,其中的 R 采用無感電阻 ,C 采用無感電容 ,D 采用快恢復(fù)二極管。 RCD 的優(yōu)點(diǎn)及選用 RCD 的原因如下：優(yōu)點(diǎn)是既能抑制關(guān)斷浪涌電壓，緩沖電路的損耗又很少，常用于中大容量器件，安徽建筑大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 比較高頻率的應(yīng)用場(chǎng)合，可以作為單獨(dú)緩沖電路使用。選用的原因是因?yàn)橹麟娐烽_關(guān)器件 IGBT 有四種工作狀態(tài)：開通、通態(tài)、關(guān)斷、斷態(tài)。 IGBT 斷態(tài)時(shí)可能承受高電壓但漏電流小，通態(tài)時(shí)可能承載大電流但管壓降小，而開通和關(guān)斷過程中IGBT 可能同時(shí)承受高電壓和大過流以及過大的瞬時(shí)功率。如果不采取防護(hù)措施，高電壓和大電流可能使 IGBT 的工作點(diǎn)超出安全工作區(qū)而將其損壞，因此在大功率逆變器中常設(shè)置緩沖吸收電 路，防止瞬時(shí)過壓。過流，減小 IGBT 開關(guān)損耗，確保其工作在安全工作區(qū)。 主電路設(shè)計(jì)圖如下圖 所示： 圖 主電路圖 中頻焊接電源的主電路元器件的選擇 輸入電路元器件的選擇 逆變焊接電源輸入電路 ,主要功能是整流濾波 ,這與常規(guī)焊接電源是相同的。這兒值得提出的是防止合閘浪涌電流及抗干擾問題。逆變焊接電源輸入整流濾波電路常見的三相全橋整流濾波電路和單相全橋整流濾波電路 ,采用三相全橋式整流電路時(shí) ,濾波主要采用電容 。單相全橋式整流電路時(shí) ,濾波主要采用電容外 ,有時(shí)還采用電感濾波。 : 選擇整流管時(shí) ,一般選擇電流有效值。設(shè)廠家給出的額定電流值為 ,這是流過管子的正弦半波平均值。相應(yīng)的正弦半波有效值 為： （ 31） 式中 為電流有效值 。 為額定電流值。 安徽建筑大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 另一方面 ,在一個(gè)市電周期中 ,Id有 6個(gè)波頭 ,流過每一個(gè)整流二極管的是其中的兩個(gè)波頭 ,即是一個(gè)周期中 ,每個(gè)整流管導(dǎo)通 1/3 周期 ,因此 ,一個(gè)周期內(nèi)管子電流發(fā)熱量 Q為： （ 32） 式中 Q為電流通過二極管的發(fā)熱量 。R為負(fù)載電阻 。Id為輸入電流平均值 ,即中頻變壓器一次電流 ， T 為周期。那么 ,管子電流有效值 Ib,在一周內(nèi)的發(fā)熱量也是 Q。所以： (33) (34) (35) 中頻變壓器初級(jí)電流 120A, ，所以額定電流值 : (36) 二極管上最高承受電壓 : = =593V (37) 式中 為二極管上最高承受電壓 。 為電網(wǎng)輸入線電壓有效值 380V。 為波動(dòng)系數(shù)。設(shè)計(jì)中我們考慮 2 倍以上安全裕量，因此采用額定值為 1200V， 100A 三相全橋整流模塊一個(gè)。 電網(wǎng)電壓為 380V，空載直流電壓 約為線電壓峰值 540V。在帶負(fù)載時(shí)，電壓有所下降，直流母線電壓為 : (38) 市電經(jīng)過三相全橋整流后形成的六個(gè)波頭電容 電壓在帶負(fù)載時(shí)是脈動(dòng)的， 圖中T/6 區(qū)間是一個(gè)完整的電容充放電周期，在 區(qū)間內(nèi)，電容放電，在 ~T/6 區(qū)間內(nèi)，電容充電。 ω 圖濾波電容濾波過程分析 假定電容放電電流恒定，則： 安徽建筑大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 (39) (310) 由 9 式和 10 式得： = =(311) 式中 為輸入電流 120A。 △ U 為 電 壓 變 化 量( ) 。 為電容放電時(shí)間 。 為空載直流電壓 540V。 T 為工頻交流電周期 20ms。ω 為工頻交流電角頻率 (ω =2π f==314Hz)。 代入 9 式得： （ 312） 電容承受的線電壓峰值 540V。 上面的計(jì)算過程是參照文獻(xiàn)（ 5）計(jì)算出來的結(jié)果，但是實(shí)際上，濾波電容主要對(duì)逆變器中頻 1KHZ 的基波進(jìn)行濾波的，所以在式 11 參數(shù)的選擇時(shí)，是以 1KHz來代替 300Hz(T/6)來進(jìn)行估算的，所以最后計(jì)算得到 :C 取 3700uf。 實(shí)際中，采用 2 個(gè) 4400uf， 450V 的電解電容和一個(gè)電阻并聯(lián)為一組。 至于去電源高頻干 擾的電容 C6，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可試選取 C6= 或該數(shù)量級(jí)其它電容，耐壓峰值選取 =1000V 安徽建筑大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 電容輸入式整流濾波電路在接通交流電壓時(shí)，合閘時(shí)由于電容充電，往往引起較大的合閘浪涌電流。特別是逆變焊接電源由于希望獲得紋波較小的濾波電壓，一般采用較大的濾波電容，當(dāng)它從電網(wǎng)直接取電時(shí)，產(chǎn)生的浪涌電流，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)引起一系列可靠性方面的問題，必須設(shè)法加以抑制。但限流電阻的選擇要適當(dāng)，過大，主電路電壓 降損失大 。過小，起不到限 流作用。系統(tǒng)中選擇的限流電阻 R1 為 50Ω /20W。 IGBT 的選取 整個(gè)系統(tǒng)中， IGBT 是逆變點(diǎn)焊電源中的關(guān)鍵功率元件。由于它比較脆弱，對(duì)它的設(shè)計(jì)、選擇直接關(guān)系到整個(gè)焊機(jī)的安全、可靠。所以，選擇的參數(shù)必須在其正向偏置安全區(qū) (FBSOA)。計(jì)算參數(shù)時(shí)留有的富裕量要大。 （ 1）額定電壓 ： 輸入電網(wǎng)電壓整流濾波后，輸出電壓峰值為 540V，考慮各種因素，如電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定，取波動(dòng)系數(shù) ，安全系數(shù) ，采用下面的式子： (313) 式中 為 IGBT 承受的穩(wěn)態(tài)最大電壓 。U 為三相整流后電壓的有效值 。安全系數(shù) a取 。關(guān)斷時(shí)的峰值電壓 : =(650V V (314) 式中 為 IGBT 關(guān)斷時(shí)的峰值電壓 。 α 為安全系數(shù)，取 。 為過電壓系數(shù)。150 為 引起的尖峰電壓（單位： V）?？紤]到安全原因，額定電壓 實(shí)際電壓等級(jí)取 1200V。 (2)額定電流 中頻變壓器一次側(cè)電流： 安徽建筑大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 (315) 取 為 120A，式中 P 為中頻逆變電阻點(diǎn)焊機(jī)的功率，按 60Kw 計(jì)算 。U 為中頻變壓器一次側(cè)電壓，按 540V 計(jì)算 。每只 IGBT 管上平均電流為： (316) 額定電流 是 IGBT 應(yīng)用手冊(cè)給出的在結(jié)溫 25℃ 條件下的額定值為 : (317) 式中 為 IGBT 額定電流計(jì)算值 。 為每只 IGBT 管上平均電流 。 為峰值系數(shù) 。 為 1min 過載容量系數(shù) 。 為減小系數(shù)。額定電流 根據(jù)管子電流等級(jí)按400A 選取。 綜上所述，所選 IGBT 管額定電壓 1200V，額定電流為 400A。本課題選取的是英飛凌公司的 IGBT 半橋模塊 2 個(gè)，型號(hào)是 FF400R12KE3。 中頻變壓器設(shè)計(jì) 中頻逆變點(diǎn)焊變壓器在點(diǎn)焊逆變電源主電路中起著能量轉(zhuǎn)移的作用，其工作性能關(guān)系著整個(gè)主電路的工作質(zhì)量。以下詳細(xì)討論變壓器的參數(shù)選取過程。 中頻逆變點(diǎn)焊變壓器的設(shè)計(jì)，應(yīng)從點(diǎn)焊次級(jí)電路結(jié)構(gòu)入手。次級(jí)電參數(shù)和要求達(dá)到的次級(jí)電流有效值決定了次級(jí)電壓的值，另外，整流二極管的導(dǎo)通壓降也對(duì)次級(jí)空載電壓的選擇有很大的影響，整流二極管的導(dǎo)通壓降大，次級(jí)空載電壓的值也應(yīng)選得較大，否則將會(huì)使次級(jí)電流有效值降低。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果并參考天津某點(diǎn)焊設(shè)備公司的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將變壓器的空載輸出電壓取在 7~ 較為合適。點(diǎn)焊逆變電源的中頻變壓器一般次級(jí)都是 1 匝，中頻變壓器初級(jí)電壓為 540V 左右，由此可確定變壓器的變比應(yīng)定為 72:1。 設(shè)計(jì)時(shí)，欲使其結(jié)構(gòu)緊湊、損耗小、輸出脈沖上升 速度快，應(yīng)該選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、電阻率及脈沖導(dǎo)磁率均較大且?guī)Р暮穸刃〉牟牧稀Ｗ儔浩麒F芯材料的選擇還和逆變頻率有很大關(guān)系，本機(jī)的逆變頻率確定在 1 KHz，屬中頻范圍，故可選用較薄的硅鋼片，厚度為 硅鋼片可用于 1000 Hz2020 Hz 的工作場(chǎng)合。 由于電流較大造成了變壓器的發(fā)熱量也很大，使用空冷冷卻效果較差，可考慮使安徽建筑大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 用水冷的方法。變壓器發(fā)熱量是點(diǎn)焊電流常時(shí)間的積累效果，應(yīng)以長(zhǎng)時(shí)電流做為參考，就是將短時(shí)間流過的電流映射為長(zhǎng)時(shí)間電流，其計(jì)算方法如下： (318) 其中 F 為負(fù)載持續(xù)率。 則導(dǎo)線的截面積的設(shè)計(jì)公式為 （ 319） 其中， ρ 為許用電流密度。 根據(jù)式 20 可確定變壓器原邊與副邊的截面積。對(duì)于變壓器來說，有（ 321） 其中， U—變壓器的原邊電壓 (V)。 K 一電壓波形因數(shù)，對(duì)于正弦波， ，對(duì)于方波， =4。 —磁感應(yīng)強(qiáng)度振幅值 (T)。 S—鐵心有效截面積 ( )。 由式 21 可求得變壓器鐵芯的截面積，進(jìn)而可確定鐵芯的結(jié)構(gòu)。最后得到的變壓器主要參數(shù)如下 ： 次級(jí)輸出 7~，變比為 72:1，次級(jí) 1 匝 2 路，原級(jí) 4盤，每盤 18 匝，共 4 只 18 匝 =72 匝 。原級(jí)電流密度為 ∕ ，次級(jí)取為 7 A∕ ，次級(jí)內(nèi)部鉆孔，并通以冷卻水 。原級(jí)導(dǎo)線使用 規(guī)格的導(dǎo)線兩匝并繞，次級(jí)設(shè)計(jì)為 32mm 16mm 規(guī)格 。鐵芯使用 的冷軋硅鋼片疊制50mm，鐵心窗口由 50mm 125mm、 25mm 125mm、 25mm 三種規(guī)格的硅鋼片首尾構(gòu)成。 . 輸出電路元器件的選擇 輸出整流濾波電路的作用是將中頻變壓器二次方波電壓整流成單向脈動(dòng)直安徽建筑大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 流電壓，并將其平滑成設(shè)計(jì)要求的低紋波直流電壓。由于欲整流電壓的頻率高達(dá)1 KHz，而且是矩形波，在整流過程中將會(huì)出現(xiàn)一些與普通低頻整流不同的、但確是十分重要的問題。輸出整流濾波電路的另一個(gè)重要功能是抑制尖噪聲，尤其是抑制開關(guān)整流二極管反向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)電流急劇恢復(fù)產(chǎn)生的尖峰噪聲。參考各種資料，考慮留一定安全裕量，本系統(tǒng)輸出整流二極管額定電壓按 40V，電流 6000A快恢復(fù)二極管選取 。 主要元器件選擇表 元器件名稱 數(shù)量 主要參數(shù) (型號(hào) ) 三相全橋整流模塊 1 個(gè) 1200V,100A IGBT 半橋模塊 2 個(gè) FF400R12KE3 濾波電容 3 個(gè) 4400μ f， 450V 高頻濾波電容 1 個(gè) f， 1000V 整流二極管 2 個(gè) 40V,6000A 限流電阻 1 個(gè) 50Ω /20W 緩沖電路電容 4 個(gè) f 緩沖電路電阻 4 個(gè) 20Ω 安徽建筑大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）