【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 組成的濾波器的整流、濾波過(guò)程，轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姟Ｖ绷麟娺M(jìn)入到全橋式逆變主電路中，該電路有四個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂中有一組絕緣柵雙極性晶體管（ IGBT），為了保證絕緣柵雙極性晶體管（ IGBT）正常工作，每個(gè)橋臂上均并聯(lián)有電容、電阻起到阻容保護(hù)作用。逆變結(jié)束后獲得中頻或高頻的交流電，經(jīng)由變壓器降壓到所需電壓，最后進(jìn)入到輸出整流濾波電路，通過(guò)整流、濾波過(guò)程轉(zhuǎn)換為焊接所需要的直流電。通過(guò)上述分析可知，逆變焊接電源主電路主要包括四個(gè)部分，即輸入整流濾波電路、全橋式逆變主電路、變壓器 和輸出整流濾波電路。下面將對(duì)這四部分進(jìn)行分析。 中頻變壓器的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 變壓器是逆變電路的重要組成部分，具有電網(wǎng)與負(fù)載的隔離、功率傳輸、降壓的功能，對(duì)逆變器的效率和工作的可靠性以及輸出的電氣性能起著重要作用。中頻變壓器工作在 20kHz，而且為矩形波脈沖，因此要在磁芯材料，尺寸，繞組匝數(shù)，集膚效應(yīng)等方面認(rèn)真考慮。 （ 1） 磁芯材料 逆變焊接電源中常用的磁芯材料主要有硅鋼片、鐵氧體和非晶合金三種。對(duì)于 20kHz的弧焊電源，普通硅鋼片的厚度不能超過(guò)幾十微米，加工難度相當(dāng)大；鐵氧體的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較低 (一般僅為 )，居里溫度僅為 120℃ 左右，而且易碎易裂。與以上兩種材料相比，非晶態(tài)磁性材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較高 (~)，居里溫度可達(dá)350~700℃ ，電阻率可達(dá) 120~150μΩ?cm，為硅鋼片的 3 倍，尤其是它的矯頑力 (Hc)很小，所以其鐵損小，故磁芯材料選用非晶合金。表 為電焊機(jī)常用的非晶鐵芯的性能表 [9]。 基本參數(shù) 納米晶鐵芯 基本參數(shù) 納米晶鐵芯 飽和磁感 BS/T 矯頑力 Hc/(A/m) 剩余磁感 Br/T(20kHz) 飽和磁致伸縮系數(shù) (106) 2 鐵損 (20kHz/)/(W/kg) 電阻率 (μΩ?cm) 80 鐵損 (20kHz/)/(W/kg) 35 居里溫度 /℃ 570 鐵損 (50kHz/)/(W/kg) 40 鐵芯疊片系數(shù) 導(dǎo)磁率 (20kHz)/(GS/Oe) 20210 表 焊機(jī)用非晶鐵芯性能表（摘自北京安泰公司技術(shù)資料） 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 11 頁(yè) 共 36 頁(yè) 根據(jù)焊機(jī)的額定輸出電流 400A 和額定輸出功率 ，選用環(huán)形鐵芯ONL1308040，其參數(shù)如表 所示。 產(chǎn)品牌號(hào) 鐵芯尺寸 (mm) 保護(hù)盒尺寸 (mm) S (cm2) L (cm) M (g) P (kW) 適用焊機(jī)電流 OD ID HT OD IT HT ONL1308040 130 80 40 136 76 45 7 33 1660 15~20 400A 500A （ 2）匝數(shù)計(jì)算 如圖 所示，中頻變壓器一次側(cè)為一組繞組 N1，二次側(cè)設(shè)計(jì)為對(duì)稱串聯(lián)的兩組繞組 N N3。變壓器一次側(cè)電壓為方波電壓，其幅值為電網(wǎng)輸人電壓 Ui經(jīng)整流濾波后輸出的電壓 U1，按電網(wǎng)正常電壓 Ui=380V 計(jì)算 ,則有： 3 73 8 022U 1 ????? iU () 此式中 U1為中頻變壓器輸入電壓的幅值，取 540V。 為保證焊條電弧焊能夠引弧容易，焊機(jī)空載電壓 U0取 70V，并留有一定調(diào)節(jié)空間，將變壓器二次側(cè)電壓 U2取為 80V，則變壓器的匝數(shù)比為 : 21 ??? NNn （ ） 本設(shè)計(jì)中選用 ONL1308040 型非晶合金磁芯，有效截面積 S 為 7cm2，工作頻率 f為 20kHz，則其 PWM 周期為 50μs，半周期為 25μs。為防止 IGBT 上下橋臂直通，要求IGBT 的一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間滿足 Ton25μs，即有一定死區(qū)時(shí)間。選取矩形波最大占空比 D 為 ，則每次導(dǎo)通的最大時(shí)間為 sDTTON ? ????? 。為防止磁芯飽和，取最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bs 的 1/3，即 ????SBB 。則變壓器一次側(cè)匝數(shù) [10]為： 102054024611 ???? ??????BSTUN ON （ ） 此處取 N1=20 匝。 二次側(cè)匝數(shù)為： 表 ONL1308040 參數(shù)表（摘自北京安泰公司技術(shù)資料） 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 12 頁(yè) 共 36 頁(yè) 32 ???? nNNN （ ） 則變壓器實(shí)際匝數(shù)比為： 21 ??? NNn （ 3） 導(dǎo)線線徑及股數(shù)計(jì)算 1）求原、副邊電流有效值 Ie1和 Ie2 當(dāng)輸出電流 I0=400A 時(shí)，計(jì)算變壓器一、二次側(cè)繞組電流有效值 Ie1和 Ie2如下 [11]： 332040032101 ?????? DnII e （ ） 6 ?????? DIIe （ ） 2） 求繞組導(dǎo)線線徑 根據(jù)公式 [12]： ?11 eIS? ?222 eIS? （ ） 其中 ρ 為電流密度，取 ρ=350A/cm2； S1和 S2為導(dǎo)線截面積。代入 Ie1和 Ie2數(shù)值，得： 21 cmS ?? ， 22 cmS ??? 。 3）集膚效應(yīng) 交變電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)體中的電流密度會(huì)由導(dǎo)體表面向中心逐漸減小，并呈指數(shù)規(guī)律下降，稱為集膚效應(yīng)。交變電流的頻率越高，這種效應(yīng)越明顯。也就意味著導(dǎo)線的有效截面積減小，導(dǎo)通電阻增大。集膚效應(yīng)的強(qiáng)度可用穿透深度 Δ 來(lái)表征，其含義為：交變電流從導(dǎo)線表面開始，向內(nèi)所能達(dá)到的徑向深度，它所具有的橫截面即是導(dǎo)線的有效截面。為了減小集膚效應(yīng)，要求繞組銅線的直徑 d2Δ。有經(jīng)驗(yàn)公式 [13]： f2837?? （ ） 此式中， Δ 的單位是 mil， f 的單位是 Hz。 則當(dāng) f=20kHz 時(shí)， i 202102837 ??????。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，選擇 d= 的漆包線。則對(duì)于初級(jí)繞組，需要漆包線 ? ? ? ? 股127 162 221 ?? ?? dS 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 13 頁(yè) 共 36 頁(yè) 并繞；對(duì)于次級(jí)繞組，需要漆包線 ? ? ? ? 股310 392 222 ?? ?? dS并繞。 輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 （ 1）輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì) 輸入整流濾波電路的作用主要是將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡@部分與常規(guī)焊接電源相同。它還需要具有一定電壓輸出的保持能力，既要能防止電網(wǎng)的干擾侵入電源，又要能防止電源產(chǎn)生的諧波污染電網(wǎng)，即具有抗干擾性。本論文采用的是三相全橋式整流濾波電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 中 K1 為逆變弧焊機(jī)的電源開關(guān)。通過(guò)風(fēng)扇的強(qiáng)迫風(fēng)冷，可有效地冷卻逆變弧焊機(jī)內(nèi)部的發(fā)熱 元器件，并保證其負(fù)載持續(xù)率。當(dāng)合上電源開關(guān) K1 后，冷卻風(fēng)扇開始工作。工頻交流電經(jīng)整流橋整流后，再經(jīng)電解電容 C1 濾波，最終得到紋波系數(shù)較小的 540V 直流電，輸入到逆變主電路中。 R1 為均壓電阻?？刂谱儔浩鞫屋敵龆?4V0V14V 的交流電接到控制電路中，風(fēng)扇輸入端電壓為 220V。 本論文在設(shè)計(jì)時(shí)為了獲得波紋較小的濾波電壓，輸入濾波電容會(huì)較大，合閘時(shí)由于電容充電往往會(huì)引起較大的浪涌電流且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，浪涌電流不僅會(huì)造成電源開關(guān)節(jié)點(diǎn)的溶解或輸入熔斷器的熔斷，還會(huì)因?yàn)殡娙萜骱驼髌鞣磸?fù)經(jīng)受大電流沖擊，使其性能逐漸 劣化，因此必須設(shè)法加以抑制。其方法就是在輸入回路中串入限流電阻 R2，如圖 中所示，此電阻為熱敏電阻，只有在合閘瞬間才有必要，在逆變電源正常工作時(shí)，圖 輸入整流濾波電路示意圖 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 14 頁(yè) 共 36 頁(yè) 會(huì)產(chǎn)生很大的功率損耗，所以在主回路向負(fù)載提供功率時(shí)需要設(shè)法將 R2 短接。短接方法通常有無(wú)觸點(diǎn)和有觸點(diǎn)兩種，有觸點(diǎn)電路一般用普通繼電器或接觸器通過(guò)簡(jiǎn)單延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)觸點(diǎn)電路一般用晶閘管來(lái)短接。本論文采用有觸點(diǎn)延時(shí)繼電器 J1 短接限流電阻 R2 的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的。 如圖 所示為軟啟動(dòng)電路原理圖，其中繼電器觸點(diǎn) J11 接到圖 輸入整流濾波電路中熱敏電阻 R2 兩端 ，當(dāng)主電源開關(guān) K1 關(guān)閉時(shí)， +24V 電壓經(jīng)過(guò)電阻 R3 向電解電 容 C3 充電，形成充電回路。當(dāng)電解電容 C3 兩端的充電電壓達(dá)到場(chǎng)效應(yīng)管 Q1 的導(dǎo)通電壓時(shí)， Q1 導(dǎo)通，使得 24V 電壓接到繼電器 J1 兩端， J1 導(dǎo)通，繼電器觸點(diǎn) J11 閉合，將熱敏電阻 R2 短接。穩(wěn)壓管 WD1 并聯(lián)于電容兩端，將場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓箝位在小于 12V，以防 Q1 由于柵極電壓過(guò)大而被擊穿。 （ 2） 重要參數(shù)的計(jì)算 1） 輸入整流管的參數(shù)計(jì)算 整流模塊的整流管是輪流工作的，每個(gè)整流管導(dǎo)通 1/3 周期。整流管的電流有效值為： ddD III ?? （ ） 其中， Id 為直流母線上的電流有效值， ID為整流管的電流有效值。由于電流脈動(dòng)較小，取 1IId? ， I1為變壓器原邊電流。 中頻變壓器原邊電流： A602034001201 ???? ? NNII （ ） 圖 軟啟動(dòng)電路原理圖 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 15 頁(yè) 共 36 頁(yè) 從有效值相等的原則，并考慮選取 ~2 倍的安全裕量 α折算到整流管的額定平均電流IN，則有： ? ? ? ? ~ ~~ ?????? dN II （ ） 考慮 10%的網(wǎng)壓波動(dòng)，整流二極管最高承受電壓： ????? ?im UU （ ） 整流二極管承受電壓值考慮 2~3 倍的安全裕量后，可取額定電 壓值為 1200V。 綜上所述，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，選取額定值 40A、 1200V 的二極管 6 只。 2） 輸入濾波電容的參數(shù)計(jì)算 三相 380V/50Hz 的交流電 Vline 經(jīng)過(guò)全橋整流后得到脈動(dòng)的直流電壓 Vin，輸入濾波電容 C1， 用來(lái)平滑這一直流電壓，使其脈動(dòng)減小。 濾波電容 C1 的選擇是比較關(guān)鍵的 ，如果 C1 太小，直流電壓 Vin 的脈動(dòng)就會(huì)比較大。 那么 為了得到所要求的輸出電壓， 就需要過(guò)大的占空比調(diào)節(jié)范圍 ； 同時(shí)，直流電壓 Vi n 的最小值 Vin(min)也比較小，要求高頻變壓器的原副邊匝比變小， 以致于 開關(guān)管的電流增大，輸出整流二極管的反向電壓增大。如果 C1 太大，其充電電流脈沖寬度變窄，幅值增高， 以致于 輸入功率因數(shù)降低，過(guò)高的輸入電流 (有效值 )使得輸入整流管和濾波電容的損耗增加 ；此外 ，電容過(guò)大，成本也會(huì)增加。一般而言，用下述經(jīng)驗(yàn)算法 [2,12]： 線電壓有效值： ? ? V4 1 8~3 4 2%1013 8 0 ????lin eV 線電壓峰值： ? ? V591~483418~34222 ???lin eV 整流濾波后直流電壓的最大脈動(dòng)值： %10483%102 ????? lin epp VV 整流濾波后直流電壓： V591~4352~2 ??????????? lin epplin ein VVVV 為了保證整流濾波之后的直流電壓最小值 Vin(min)符合要求，每個(gè)周期中 C1 所提供的能量約為： ??????? fAPfAPW inin ? （ ） 式中 A 為交流電的相數(shù)， f 為其頻率， η為滿載效率， P0為額定輸出功率， Pin 為額定輸入功率。 每半 個(gè)周期輸入濾波電容所提供的能量為： 本 科 畢 業(yè) 論 文 第 16 頁(yè) 共 36 頁(yè) ???????? ?????? ?? ( m i n)22( m i n)21212 inlinein VVCW （ ） 由此可得輸入濾波電容容量為： ? ? 435483 322( m i n )22( m i n ) ??????? ?inl i ne in VV WC （ ） 由于電容承受的電壓峰值為 591V，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，選用 4 個(gè) 560μF/630V的電解電容并聯(lián)使用。電解電容并不是理想的電容，其本身的阻抗對(duì)電容上的 電壓會(huì)產(chǎn)生影響，所以為了穩(wěn)