1、逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計 逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計 逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計 4逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計 4.1逆變焊機(jī)的工作原理與特點 逆變焊機(jī)原理框圖如圖4.1所示。該系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖中If為反應(yīng)電流，Uf為反應(yīng)電壓，19為給定電流，Ug為給定電壓，UO為實際輸出電壓。內(nèi)環(huán)為電流反應(yīng)閉環(huán)控制，反應(yīng)信號由電流霍爾傳感器得到。外環(huán)為電壓反應(yīng)閉環(huán)控制，反應(yīng)信號由電壓霍爾傳感器得到。詳細(xì)控制經(jīng)過后做分析. 逆變焊機(jī)工作時，先將單相220V/50Hz電壓整流并濾波后，變?yōu)槟孀冎骰芈匪璧?10V左右平滑直流電壓。然后將該直流電壓送入逆變主回路，經(jīng)過大功率電子元件IGBT的交替逆變作用轉(zhuǎn)變成為ZOK左右的中

2、頻溝通電壓，再經(jīng)過中頻降壓變壓器降壓至合適于焊接的幾十伏電壓，最后經(jīng)過整流濾波后得到直流焊接輸出。借助于控制電路及反應(yīng)回路，以及焊接回路的阻抗，能夠得到焊接工藝所需的外特性和動特性。其溝通變換順序為:工頻溝通一直流一中頻溝通一降壓一直流。焊機(jī)在“溝通一直流一溝通階段的電壓頻率發(fā)生了改變，所以逆變焊也成為變頻焊機(jī)。 溝通和直流反復(fù)轉(zhuǎn)換的目的是為了提高該電壓的工作頻率。我們知道，根據(jù)正弦波分析時變壓器輸出有如下公式60: 逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計 逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計 式中， 變壓器的體積、重量與Ns有關(guān)，而NS與變壓器的工作頻率f又有直接關(guān)系。當(dāng)凡一定時，若變壓器工作頻率從工頻(SOHz)提高到20

3、KHz，則繞組匝數(shù)與鐵心截面積的乘積NS就減少到原來的l/400，而主變壓器在逆變焊機(jī)中通常所占重量為1/3到 2/3，因而提高變壓器的工作頻率能夠使逆變焊機(jī)的體積和重量顯著的減少。同時，鋼和鐵的電能損耗將隨所需材料的明顯減少而大大降低，焊接質(zhì)量也有進(jìn)一步改善。 由于上述原因，逆變焊機(jī)與傳統(tǒng)的晶閘管式焊機(jī)和晶體管式焊機(jī)相比，具有諸多優(yōu)點: l)高效節(jié)能。逆變焊機(jī)材料的減少使焊機(jī)整體損耗大大降低，其效率可達(dá)80%到95%，功率因數(shù)可提高到0.9以上，空載損耗極小，只要幾十瓦，這一點在能源緊張的今天尤為可貴。 2)體積小，重量輕。這是逆變焊機(jī)最明顯的優(yōu)點，主變壓器的重量僅為傳統(tǒng)弧焊電源工頻變壓器的

4、幾特別之一。 3)動態(tài)響應(yīng)時間短，控制速度提高。該特征是逆變焊機(jī)最重要的特點。普通晶閘管焊機(jī)的控制周期為3.3ms，而逆變焊機(jī)的動態(tài)響應(yīng)時間到達(dá)百微妙級，和電弧焊接諸物理經(jīng)過的時間常數(shù)相當(dāng)，故能更準(zhǔn)確地控制電弧焊中各種物理現(xiàn)象，焊接的動態(tài)控制成為可能。 4)控制能力加強，顯著提高工藝性能?？刂颇芰κ桥c控制速度、控制手段密切相關(guān)的。它直接反映了焊機(jī)適應(yīng)焊接條件和焊接要求的能力。另一方面，焊機(jī)控制能力的加強主要依靠于器件速度的提高、微機(jī)的應(yīng)用及當(dāng)代化控制力等方法的應(yīng)用。 逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計 逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計 4.2常用的主電路拓?fù)錁?gòu)造 目前，弧焊逆變焊機(jī)主電路所采用的拓?fù)渲饕ㄈ珮蚴健霕?/p>

5、式、雙管正激式 和推挽式四種構(gòu)造。 l)全橋式逆變電路 全橋式電路一般用于大功率逆變電源中，采用四個功率開關(guān)組成兩組開關(guān)對(S1、S4和S2、S3)，兩組開關(guān)管對交替閉合將輸入電流電壓變成高頻溝通，加在變壓器上。圖4.2為全橋式逆變電路的原理圖。全橋式逆變電路對開關(guān)管的耐壓要求低，變壓器 的利用率高，易獲得大功率輸出。但其需要至少四個開關(guān)器件及相應(yīng)的驅(qū)動電路，因 此它的成本較之其它電路高。全橋式逆變電路是應(yīng)用最廣的，國內(nèi)外很多廠家如現(xiàn)代、瑞凌、日本松下、美國林肯等焊機(jī)都采用此主電路構(gòu)造。 全橋式逆變電路存在偏磁現(xiàn)象和功率開關(guān)管直通問題。偏磁現(xiàn)象是由于功率開關(guān) 管的開關(guān)時間存在差異，將導(dǎo)致變壓器

6、所加正負(fù)半波的伏秒乘積不同，經(jīng)過一定時間 積累，會使變壓器單線偏磁直至飽和，這是變壓器相當(dāng)于短路，由此產(chǎn)生很大的尖峰 電流將燒毀功率開關(guān)管。通常在變壓器原邊串入一個無極性隔直電容以改善偏磁問題6016l。 2)半橋式逆變電路 半橋式逆變電路的拓?fù)錁?gòu)造如圖4.3所示，這種拓?fù)錁?gòu)造只需要兩個開關(guān)器件， 驅(qū)動電路簡單。但在電流容量一樣的情況下，半橋式逆變電路所輸出的最大功率只要 全橋式的一半，所以一般只合適于中等功率輸出的場合。半橋電路也存在直臂導(dǎo)通的 問題。 3)雙管正激式逆變電路 雙管正激式逆變電路的原理圖如圖4.4所示。這種電路控制簡單，不存在直臂導(dǎo) 通的問題，但開關(guān)管所承受的峰值電流和電壓較

7、高，同時其高頻變壓器僅工作在磁滯 回線的一側(cè)，故只合適中小功率輸出。 4)推挽式逆變電路 圖4.5為推挽式逆變電路的原理圖。推挽式逆變電路只用兩個開關(guān)器件就能獲得 較大的功率輸出。一對功率管的發(fā)射極相連，兩組驅(qū)動電路相互間無須絕緣，驅(qū)動電 路簡單。但功率管承受的反壓較大，原邊繞組只要一半時間工作，高頻變壓器利用率低，合適用于單相輸入的電源中。 逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計 逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計 表4.1列出了上述四種拓?fù)錁?gòu)造的主要性能參數(shù)指標(biāo)。其中所列的公式都是理論計算值，實際應(yīng)用時由于變壓器漏感等寄生參數(shù)的存在，實際情況會與理想情況有所不同。比擬半橋式和全橋式電路可知，當(dāng)兩者所輸入、輸出電壓和額定功

8、率一樣時，固然承受都是輸入電壓Vin，但半橋變換器中的開關(guān)元件的峰值電流為全橋式變換器的兩倍，而輸出電壓卻只要全橋式變換器的一半。因而全橋式變換器更適用于大功率的 逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計 逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計 場合。 4.3本系統(tǒng)的主電路設(shè)計方案 逆變焊機(jī)的主電路承當(dāng)著轉(zhuǎn)換、傳遞能量的任務(wù)，是整個電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)。主電路必須安全、可靠，器件參數(shù)的選擇應(yīng)該以極限工作條件為根據(jù)，并留有一定余量，保證所選器件工作在安全區(qū)域。 本文設(shè)計的IGBT逆變焊機(jī)輸出電流為 160A，輸出電壓為27V，逆變器工作頻率為20KHz，要求系統(tǒng)具有平硬外特性和良好的動特性，電流、電壓響應(yīng)要求迅速。 逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計

9、逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計 由于全橋變換器能夠提高變壓器的利用率，減小開關(guān)元件的電壓電流等級，傳輸功率大，因而在本系統(tǒng)主電路設(shè)計采用全橋式構(gòu)造，拓?fù)錁?gòu)造圖如圖4.6所示。 主電路主要包括三部分: 第一部分，輸入整流濾波電路。二極管Dl一D4組成輸入整流電路(實際電路用整流模塊代替);電解電容Cl一C3和電阻Rl、咫組成濾波電路。 第二部分，逆變器。VTI一VT4為功率開關(guān)管IGBT管，與降壓變壓器T組成逆變器;RS一RS、CS一CS、DS一DS共同組成VTI一VT4的RCD吸收網(wǎng)絡(luò)，減少IGBT 開關(guān)經(jīng)過電流、電壓對管子的沖擊。 第三部分，輸出整流濾波電路?？焖僬鞫O管Dg、D10和直流電抗器Ll

10、共同組成單相全波整流濾波輸出電路;電阻R3、R4和電容Cg、 C10共同組成Dg、D10的RCD吸收網(wǎng)絡(luò)。 該主電路工作原理為:單相220V電壓經(jīng)過單相橋式整流后，輸出為帶紋波的直流電壓，再經(jīng)過電解電容Cl一C3組成的濾波電路濾波后得到310V平直的直流電壓。當(dāng)控制電路輸出一樣占空比的PWM脈沖控制IGBT，使它們輪流導(dǎo)通與關(guān)斷，此時，直流電壓被逆變成20K壬12的溝通方波電壓。VTI、VT4和VTZ、VT3的輪流導(dǎo)通和關(guān)斷使中頻變壓器Tl的原邊繞組上的電壓為正負(fù)對稱的方波。變壓器的次級繞組感應(yīng)的溝通方波電壓大小采用PWM方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，即改變驅(qū)動脈沖的占空比實現(xiàn)。變壓器輸出的溝通方波電壓經(jīng)過快

11、恢復(fù)二極管Dg和D10整流后變成方波直流電壓，最后經(jīng)過 逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計 逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計 濾波電感(直流電抗器Ll)濾波后輸出較為平直的直流電壓 6211631。此時實現(xiàn)了對輸出電流的恒流控制。 當(dāng)控制電路輸出不同占空比的PWM脈沖控制IGBT組VTI、VT4和VTZ、VT3的 開通與關(guān)斷，則逆變器輸出頻率為20KHz，幅值一樣但平均值不同的溝通方波脈沖。 經(jīng)過變壓器降壓整流濾波后，能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖電流的輸出?？梢?，改變控制脈沖的占空 比就能夠調(diào)節(jié)焊機(jī)電源的輸出。 PWM脈沖占空比通過軟件程序設(shè)計，本系統(tǒng)選用一樣占空比的PWM脈沖控制IGBT，使焊機(jī)輸出連續(xù)的直流電壓。 4.4主電路參數(shù)的設(shè)計計算 4.4.1中頻變壓器的設(shè)計 中頻變壓器主要作用是電壓變換(降壓)、功率傳遞和實現(xiàn)輸人、輸出之間的隔離。由于中頻變壓器工作頻率高達(dá)ZOKHz，它要求磁芯材料高頻損耗盡可能小，此外還要 求飽和磁通密度高，隨工作溫度升高，飽和磁密度的降低盡量小等。對于上述要求， 采用性價比擬好的鐵氧體材料做變壓器磁芯，功率損耗明顯減少。實際制作的變