【文章內容簡介】 環(huán)控制系統(tǒng)，并使用各種先進的控制算法用來實現其 實時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 畢業(yè)設計（論文） 14 圖 主電路系統(tǒng)框圖 下面就是對各單元電路進行的簡要說明 ： :我們需要將三相交流電整流成約 54OV 的直流電。 :軟啟動電路 由限流電阻 R繼電器 K R C1 等構成。由于采用電容濾波 ,電容整流濾波電路在接通交流電壓時 ,當在合閘時由于電容充電往往會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 直接從電網取來的交流電進行整流 ,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)時間也長。而合閘浪涌電流的大小隨 開關合閘瞬間交流電壓的相位以及輸入濾波回路的內阻不同而異。當 大的合閘浪涌電流出現時 ,會對與系統(tǒng)相連的其它設備造成影響 ,電容器反復經過浪涌電流的沖擊 ,其性能也會惡化。因此 ,必須采取措施 ,即加入限流電阻構成軟啟動電路。系統(tǒng)啟動時 ,通過 R1 R2 給電容 C1 充電 ,當達到繼電器 K1 的吸合電壓時 ,繼電器觸點合上 ,電阻 R1 被短接 ,系統(tǒng)進入正常工作。 :擬采用π型濾波電路，使用兩個電容一個電阻作為濾波器，另外為了使濾波效 果更加明顯，又加了一個較小的電容對高次諧波進行濾波。 ： 由兩個半橋 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 ,兩組 IGBT 輪流導通 ,改變流經中頻變壓器的電流方向 ,把直流電變成中頻正負交替的方波。 :由 D D6 兩組快恢復整流管把中頻交流電 (1KHz)變換成低壓直流電 (2KHz),供給焊頭 ,其中快恢復整流管應加入緩沖電路。 :系統(tǒng)中設計了放電阻止型 RCD 吸收電路 ,其中的 R 采用無感電阻 ,C 采用無感電容 ,D 采用快恢復二極管。 RCD 的優(yōu)點及選用 RCD 的原因如下：優(yōu)點是既能抑制關斷浪涌電壓，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 畢業(yè)設計（論文） 15 比較高頻率的應用場合，可以作為單獨緩沖電路使用。選用的原因是因為主電路開關器件 IGBT 有四種工作狀態(tài)：開通、通態(tài)、關斷、斷態(tài)。 IGBT 斷態(tài)時可能承受高電壓但漏電流小，通態(tài)時可能承載大電流但管壓降小，而開通和關斷過程中IGBT 可能同時承受高電壓和大過流以及過大的瞬時功率。如果不采取防護措施，高電壓和大電流可能使 IGBT 的工作點超出安全工作區(qū)而將其損壞，因此在大功率逆變器中常設置緩沖吸收電 路，防止瞬時過壓。過流，減小 IGBT 開關損耗，確保其工作在安全工作區(qū)。 主電路設計圖如下圖 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 ,濾波主要采用電容 。單相全橋式整流電路時 ,濾波主要采用電容外 ,有時還采用電感濾波。 : 選擇整流管時 ,一般選擇電流有效值。設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 畢業(yè)設計（論文） 16 另一方面 ,在一個市電周期中 ,Id有 6個波頭 ,流過每一個整流二極管的是其中的兩個波頭 ,即是一個周期中 ,每個整流管導通 1/3 周期 ,因此 ,一個周期內管子電流發(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,在一周內的發(fā)熱量也是 Q。所以： (33) (34) (35) 中頻變壓器初級電流 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 。 為電網輸入線電壓有效值 380V。 為波動系數。設計中我們考慮 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。 電網電壓為 380V，空載直流電壓 約為線電壓峰值 540V。在帶負載時，電壓有所下降，直流母線電壓為 : (38) 市電經過三相全橋整流后形成的六個波頭電容 電壓在帶負載時是脈動的， 圖中T/6 區(qū)間是一個完整的電容充放電周期，在 區(qū)間內，電容放電，在 ~T/6 區(qū)間內，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 畢業(yè)設計（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。 上面的計算過程是參照文獻（ 5）計算出來的結果，但是實際上，濾波電容主要對逆變器中頻 1KHZ 的基波進行濾波的，所以在式 11 參數的選擇時，是以 1KHz來代替 300Hz(T/6)來進行估算的，所以最后計算得到 :C 取 3700uf。 實際中，采用 2 個 4400uf， 450V 的電解電容和一個電阻并聯(lián)為一組。 至于去電源高頻干 擾的電容 C6，根據經驗可試選取 C6= 或該數量級其它電容，耐壓峰值選取 =1000V 安徽建筑大學 畢業(yè)設計（論文） 18 電容輸入式整流濾波電路在接通交流電壓時，合閘時由于電容充電，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，當它從電網直接取電時，產生的浪涌電流，持續(xù)時間長，會引起一系列可靠性方面的問題，必須設法加以抑制。但限流電阻的選擇要適當，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 整個系統(tǒng)中， IGBT 是逆變點焊電源中的關鍵功率元件。由于它比較脆弱，對它的設計、選擇直接關系到整個焊機的安全、可靠。所以，選擇的參數必須在其正向偏置安全區(qū) (FBSOA)。計算參數時留有的富裕量要大。 （ 1）額定電壓 ： 輸入電網電壓整流濾波后，輸出電壓峰值為 540V，考慮各種因素，如電網電壓的不穩(wěn)定，取波動系數 ，安全系數 ，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 a取 。關斷時的峰值電壓 : =(650V V (314) 式中 為 IGBT 關斷時的峰值電壓 。 α 為安全系數，取 。 為過電壓系數。150 為 引起的尖峰電壓（單位： V）?？紤]到安全原因，額定電壓 實際電壓等級取 1200V。 (2)額定電流 中頻變壓器一次側電流： 安徽建筑大學 畢業(yè)設計（論文） 19 (315) 取 為 120A，式中 P 為中頻逆變電阻點焊機的功率，按 60Kw 計算 。U 為中頻變壓器一次側電壓，按 540V 計算 。每只 IGBT 管上平均電流為： (316) 額定電流 是 IGBT 應用手冊給出的在結溫 25℃ 條件下的額定值為 : (317) 式中 為 IGBT 額定電流計算值 。 為每只 IGBT 管上平均電流 。 為峰值系數 。 為 1min 過載容量系數 。 為減小系數。額定電流 根據管子電流等級按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，型號是 FF400R12KE3。 中頻變壓器設計 中頻逆變點焊變壓器在點焊逆變電源主電路中起著能量轉移的作用，其工作性能關系著整個主電路的工作質量。以下詳細討論變壓器的參數選取過程。 中頻逆變點焊變壓器的設計，應從點焊次級電路結構入手。次級電參數和要求達到的次級電流有效值決定了次級電壓的值，另外，整流二極管的導通壓降也對次級空載電壓的選擇有很大的影響，整流二極管的導通壓降大，次級空載電壓的值也應選得較大，否則將會使次級電流有效值降低。根據計算的結果并參考天津某點焊設備公司的設計經驗，將變壓器的空載輸出電壓取在 7~ 較為合適。點焊逆變電源的中頻變壓器一般次級都是 1 匝，中頻變壓器初級電壓為 540V 左右，由此可確定變壓器的變比應定為 72:1。 設計時，欲使其結構緊湊、損耗小、輸出脈沖上升 速度快，應該選擇飽和磁感應強度、電阻率及脈沖導磁率均較大且?guī)Р暮穸刃〉牟牧?。變壓器鐵芯材料的選擇還和逆變頻率有很大關系，本機的逆變頻率確定在 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 畢業(yè)設計（論文） 20 用水冷的方法。變壓器發(fā)熱量是點焊電流常時間的積累效果，應以長時電流做為參考，就是將短時間流過的電流映射為長時間電流，其計算方法如下： (318) 其中 F 為負載持續(xù)率。 則導線的截面積的設計公式為 （ 319） 其中， ρ 為許用電流密度。 根據式 20 可確定變壓器原邊與副邊的截面積。對于變壓器來說，有（ 321） 其中， U—變壓器的原邊電壓 (V)。 K 一電壓波形因數，對于正弦波， ，對于方波， =4。 —磁感應強度振幅值 (T)。 S—鐵心有效截面積 ( )。 由式 21 可求得變壓器鐵芯的截面積，進而可確定鐵芯的結構。最后得到的變壓器主要參數如下 ： 次級輸出 7~，變比為 72:1，次級 1 匝 2 路，原級 4盤，每盤 18 匝，共 4 只 18 匝 =72 匝 。原級電流密度為 ∕ ，次級取為 7 A∕ ，次級內部鉆孔，并通以冷卻水 。原級導線使用 規(guī)格的導線兩匝并繞，次級設計為 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直安徽建筑大學 畢業(yè)設計（論文） 21 流電壓，并將其平滑成設計要求的低紋波直流電壓。由于欲整流電壓的頻率高達1 KHz，而且是矩形波，在整流過程中將會出現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重要功能是抑制尖噪聲，尤其是抑制開關整流二極管反向恢復時間內電流急劇恢復產生的尖峰噪聲。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快恢復二極管選取 。 主要元器件選擇表 元器件名稱 數量 主要參數 (型號 ) 三相全橋整流模塊 1 個 1200V,100A IGBT 半橋模塊 2 個 FF400R12KE3 濾波電容 3 個 4400μ f， 450V 高頻濾波電容 1 個 f， 1000V 整流二極管 2 個 40V,6000A 限流電阻 1 個 50Ω /20W 緩沖電路電容 4 個 f 緩沖電路電阻 4 個 20Ω 安徽建筑大學 畢業(yè)設計（論文）