【正文】 ...................11 整流濾波電路參數(shù)的計(jì)算及其元器件的選擇..........................12 逆變電路參數(shù)的計(jì)算及其元器件的選擇..................................14 高頻變壓器的設(shè)計(jì)......................................................................14 磁芯的選擇........................................................................15 磁芯規(guī)格及磁通密度B的選取........................................16 高頻變壓器的設(shè)計(jì)............................................................16 繞組導(dǎo)線線徑的計(jì)算........................................................18 二次整流電路二極管（D1D110）的選擇.............................1控制電路穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì).................................................................1 控制電路穩(wěn)壓電源原理圖.......................................................1工作原理.....................................................................................1電路元器件的選擇與計(jì)算.........................................................20 變壓器的計(jì)算.......................................................................................20 變壓器鐵芯面積的選擇...............................................................20 計(jì)算線圈繞組的匝數(shù).......................................................................2次級(jí)線圈直徑的確定....................................................213 過流過壓保護(hù)電路...............................................................2電壓保護(hù)電路.................................................................................2過流過壓保護(hù)電路原理.................................................................2電流保護(hù)電路.................................................................................244 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益分析.............................................................25參考文獻(xiàn).......................................................................................30致謝...............................................................................................32附錄1 英文文獻(xiàn)及其翻譯........................................................33附錄2 整流橋原理....................................................................4747 1 前 言電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，促進(jìn)了器件、電路及其控制技術(shù)向著集成化、高頻化、全控化、電路弱電化、控制技術(shù)多功能化的方向發(fā)展。電力電子技術(shù)的發(fā)展史促進(jìn)了逆變技術(shù)的發(fā)展。變頻調(diào)速、不間斷電源、電化學(xué)、電焊機(jī)、電力靜止變換、電加熱設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在電焊機(jī)行業(yè)，由于逆變技術(shù)的應(yīng)用，電焊機(jī)一改昔日粗大、笨重、耗能的缺點(diǎn)，成為節(jié)能、輕巧、性能更優(yōu)的新型焊機(jī)，從而使逆變焊機(jī)成為今后的發(fā)展方向之一。因而它在國(guó)內(nèi)得到迅速的推廣應(yīng)用。 50年代末，功率半導(dǎo)體二極管開始用于焊接電源，所構(gòu)成的弧焊整流器明顯優(yōu)于弧焊發(fā)電機(jī)。SCR弧焊機(jī)的電氣特性和工藝特性優(yōu)于二極管整流弧焊機(jī)，是當(dāng)時(shí)廣泛應(yīng)用的一種重要焊接電源設(shè)備。70年代末開始出現(xiàn)晶閘管式逆變弧焊機(jī)并主要應(yīng)用于TIG和手工電弧焊，后來又推廣到CO 2 、 MAG等焊接方法和切割。80年代末又出現(xiàn)IGBT式逆變焊機(jī)，主要應(yīng)用于各種電弧焊和切割。它不僅具有高效節(jié)能、體積小、重量輕、多功能、多用途等優(yōu)點(diǎn)，而且具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性和工藝特性。1989年世界焊接與切割博覽會(huì)（埃森博覽會(huì)）上有30多家廠商展出了弧焊逆變器。據(jù)IIW XIIC 1993年11月所作的調(diào)查，逆變式焊機(jī)在日、美、歐等地使用的焊機(jī)中占17%，其中在氣體保護(hù)焊和TIG焊中占30%以上。以IGBT，MOSFET等為開關(guān)器件的弧焊逆變器，有著廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前國(guó)際焊接電源設(shè)備發(fā)展的主流和方向。第一代是以SCR為主開關(guān)器件的弧焊逆變器，其逆變頻率為20005000Hz。第三代為IGBT弧焊逆變器，逆變頻率為20kHz30kHz。能進(jìn)行批量生產(chǎn)廠家為數(shù)不多，并開始于大約90年代中后期?！?，體積小　Ｓ——鐵芯截面積；　Ｂ——鐵芯中磁感應(yīng)應(yīng)強(qiáng)度的最大值．　根據(jù)變壓器的基本公式：Ｕ一—４．４４ f N S B　式中Ｕ——電壓；　 ｆ——頻率；　Ｎ——繞組匝數(shù)；　 逆變式弧焊機(jī)電源的逆變頻率一般達(dá)幾千赫到幾十千赫，比工頻提高了幾十至上千倍，而電壓Ｕ為一常數(shù)，那么ＮＳ就降低到工頻時(shí)的幾十分之一到上千分之一．因而逆變式弧焊電源的主變壓器重量很輕．逆變式弧焊電源的總重量可以做到 同等電流容量的其它類型的弧焊電源的十分之左右．由于重量輕，體積也大大減少． 功率因數(shù)高　因?yàn)槟孀兪交『鸽娫词菍⒔涣麟娫粗苯诱?，并接有濾波電容器，同時(shí)主變壓器體積小，繞組匝數(shù)少，因而漏感小，加之輸出回路的電感很小，故功率因數(shù)可以做得很高，甚至可以做到０．９９以上，即ｃｏｓφ. 高效節(jié)能　 空載損耗極小一般焊接電源空載損耗約為幾百瓦到幾千瓦，而逆變式弧焊機(jī)的空載損耗僅為幾十瓦，其原因是空載時(shí)除了維持一臺(tái)小風(fēng)扇冷卻外，其它電路基本上不工作。 具有良好的動(dòng)特性和弧焊工藝性能　它通過電子控制電路保證整機(jī)持有良好的動(dòng)特性，而且根據(jù)不同的焊接要求，設(shè)計(jì)出合適的外特性，從而滿足弧焊工藝的需要，可作各種位置的焊接． 逆變焊機(jī)設(shè)計(jì)的意義 逆變式焊機(jī)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外已普遍得到公認(rèn)，且正在全面推廣應(yīng)用。然而，在進(jìn)入全面推廣應(yīng)用中，還有不少研發(fā)單位和企業(yè)尚未很好地把握產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性和質(zhì)量。 設(shè)計(jì)的目的 對(duì)課本上所學(xué)的知識(shí)進(jìn)一步加深和鞏固。 學(xué)會(huì)分析電路、設(shè)計(jì)電路的方法和步驟。2 250A手弧焊機(jī)的設(shè)計(jì) 工作原理工作原理：輸入端為50Hz、220V交流電，經(jīng)整流濾波后得到310V左右逆變電路所需的較平滑的直流電流。經(jīng)輸出整流器整流和電抗器C的濾波，把（中）高頻交流變換成為直流輸出。 整流濾波部分電路參數(shù)的意義及工作原理。R11為啟動(dòng)電阻，因焊機(jī)啟動(dòng)時(shí)要給后面的濾波電解電容C11充電。開關(guān)接通之后，電流通過啟動(dòng)電阻給濾波電解電容充電，當(dāng)電容電壓達(dá)到一定值時(shí)，輔助電源開始工作提供24V電，使繼電器吸合，將啟動(dòng)電阻短路。C12為高頻濾波電容，因在高頻逆變中，需要給開關(guān)管提供高頻電流，而電解濾波電容因本身電感及引線電感的原因，不能提供高頻電流，因此需要高頻電容提供。C17為隔直電容，全橋電路由于存在偏磁現(xiàn)象，降低了其工作的安全性和可靠性。如無抗偏磁措施，容易引起高頻變壓器心飽和，勵(lì)磁電流急劇增加，將會(huì)導(dǎo)致與其連接的功率開關(guān)管承受極大的電流而損壞。變壓器的作用是將311V的高壓變換成適合電弧焊接所需要的幾十伏的低壓。從1986年至今，尤其是近幾年來IGBT發(fā)展很快，目前因?yàn)閂11，V14和V12，V13輪流導(dǎo)通，IGBT的的額已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種逆變器中。本電路中整流濾波后輸出的最高電壓為，因此要求每對(duì)IGBT的耐壓值為342V以上，額定電流在30A以上，在此選擇IGBT型號(hào)如下表：編號(hào)型號(hào)生產(chǎn)產(chǎn)家單元數(shù)規(guī)格數(shù)量V11～V146MBI100L060富士2600V 100A2 內(nèi)部過電壓的防護(hù)：圖（3）中D1D1D1D18為鉗位二極管。從而保護(hù)了IGBT器件。圖（5）為開關(guān)輔助電路。在IGBT 關(guān)斷時(shí)，通過二極管D12給電容充電，以降低IGBT集電極的電壓上升速率du/dt。 整流濾波電路參數(shù)的計(jì)算及其元器件的選擇：逆變手弧焊機(jī)電弧電壓為: 則焊接功率為:由于逆變式弧焊機(jī)的控制功率較小，大功率開關(guān)元件處于開一關(guān)狀態(tài)，其上的功率損耗很小．同時(shí)，由于主變壓器很小，繞組匝數(shù)少，銅鐵總量減少后，銅損鐵損也相應(yīng)下降，所以逆變式弧焊機(jī)的效率可達(dá)８０%—８５%。則經(jīng)整流濾波后，輸入逆變電路的功率為：工頻電流為220V 50Hz，經(jīng)硅橋整流及RC濾波后直流電壓為：則整流濾后輸出峰值電流為：由于電網(wǎng)頻率為50Hz，則輸出頻率為100Hz； 要得到一個(gè)大的時(shí)間常數(shù)，即RLC必須大于10ms至少為其10倍以上，即RLC不小于100ms。10%的網(wǎng)壓波動(dòng))為：因此要求電解電容的最大耐壓值為342V。 逆變電路參數(shù)的計(jì)算及其元器件的選擇：如圖（3）所示，V11和V14同時(shí)導(dǎo)通，V12和V13同時(shí)導(dǎo)通。整流濾波后的峰值電流為30A。圖（3）中C17為隔直電容，電容值由下式可以計(jì)算。為使隔直電容不致影響零壓轉(zhuǎn)換過程和輸出電壓，其諧振頻率應(yīng)大大低于開關(guān)頻率，研究中取。開關(guān)輔助電路參數(shù)的選擇：為了電容能夠完全的充放電，應(yīng)使其周期小于T/6；；；；要防止電阻發(fā)熱過大則電容應(yīng)小于； 高頻變壓器的設(shè)計(jì)：高頻逆變式弧焊電源具有放率高、節(jié)能、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為一種新型的弧焊電源。工作頻率在20KHz及其以上的頻率即可稱為高頻）主要作用是電壓變換、功率傳遞和輸入輸出之間的隔離。因其傳遞的是矩形交替脈沖。然而由于高頻變壓器工作在高頻，高壓、脈動(dòng)傳輸狀態(tài)，而且又與較為脆弱的高壓開關(guān)器件相連，因此，其性能的優(yōu)劣不僅關(guān)系到變壓器本身的效率、發(fā)熱，而且會(huì)左右整個(gè)弧焊逆變器的技術(shù)性能。鐵氧體飽和磁通密度不高（約4000Gs），溫度特性較差，居里點(diǎn)較低，機(jī)械性能不好。但其電阻率很高，高頻鐵損極小，而且相對(duì)價(jià)格比較便宜，目前高頻化逆變弧焊電源中高頻變壓器大多采用鐵氧體。是高頻化逆變式弧焊變壓器較為理想的磁芯材料，國(guó)內(nèi)已有單位將非晶材料用于逆變電源。參量材料飽和磁通密度初始磁導(dǎo)率（H/m）電阻率（*cm）居里溫度（℃）Bs(T)(25℃)Bs(T)(100℃)鐵氧體0．40．260．3106～1013100～180非晶1．51．351．1130415微晶1．251．201．0125650表(1)：三種磁性材料性能比較 磁芯規(guī)格及磁通密度B的選?。耗孀兪交『鸽娫锤哳l變壓器磁芯材料結(jié)構(gòu)的先擇，應(yīng)考慮漏磁盡可能小，便于繞制、安裝以及有利通風(fēng)散熱等幾個(gè)原則。磁芯規(guī)格的選取通?？上裙浪阈剩蟮酶哳l變壓器的輸入功率，然后按制選廠家給出的磁芯規(guī)格和功率的關(guān)系數(shù)據(jù)，查出所需的磁芯。高頻變壓器與普通變壓器一樣，若工作磁通密度選擇不當(dāng)，剛會(huì)產(chǎn)生合閘瞬間飽和。為此，設(shè)計(jì)中一般選擇。 高頻變壓器的設(shè)計(jì)：選高頻變壓器材料為鐵基非晶態(tài)合金，設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)如下：原邊繞組電壓幅值：；次級(jí)電壓：；逆變頻率：；次級(jí)額定電流：；額定負(fù)載持續(xù)率：60%；額定輸出功率：；變壓器效率：；功率因數(shù)：。取工作磁通密度B=3100GS 則：選取CD型磁芯規(guī)格為AC—5（S），有效截面積Sc=,飽和磁通密度Bc=,故。副邊繞組匝數(shù)取整數(shù)。 繞組導(dǎo)線線徑的計(jì)算： 由于電流的集膚效應(yīng)，相當(dāng)于導(dǎo)線有效截面積減少。當(dāng)導(dǎo)線要求截面大于穿透深度決定的最大有效直徑時(shí)，應(yīng)采用小直徑的多股導(dǎo)線并繞，尤其是副邊大電壓器磁芯窗口的高度接近，厚度則以穿透深度的兩倍來限制。其有效截面積Sm=0。73股。變壓器副邊電流有效值為： 取標(biāo)稱直徑為0。 二次整流電路二極管（D1D110）的選擇快恢復(fù)整流二極管具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短、正向電流大、體積小等特點(diǎn)，適用于脈沖調(diào)寬器、交流電機(jī)變頻調(diào)速器、開關(guān)電源、不間斷電源等到電子裝置中，作高頻、高壓、大電流整流及續(xù)流用。送入W7815型集成穩(wěn)壓器，得到固定+15V的直流電。因此取輸入電壓V2=18V。變壓器效率與功率的關(guān)