逆变式焊机发展与应用 毕业设计论文.doc

摘 要 本文首先介绍了逆变焊机的发展史.由于逆变电路拓扑形式的发展和半导体器件的成熟，出现了逆变焊机。其原理一般是采用整流-逆变-再整流的过程；即交流-直流-交流。分析了各种焊机的优缺点和逆变焊接电源的发展方向。 逆变式焊机具有独特的优点，在国内外已普遍得到公认，且正在全面推广应用。国内有些技术力量雄厚、研发基础好、生产经验丰富的单位和企业、已较好地解决了逆变式焊机的没计、制造工艺以及产品可靠性、安全性等问题。然而，在进入全面推广应用中，还有不少研发单位和企业尚未很好地把握产品的可靠性、稳定性和质量。再之，即使已把握了产品质量可靠性和稳定性的研发单位和企业，随着输出功率的增大、对焊接性能要求的提高以及优化性能价格比等需求，也需利用新的功率器件和数字化技术，进一步提高产品性能，使产品不断升级，充分发挥逆变式焊机的优越性，如此等等，都要求逆变式焊机技术进一步发展。本设计通过对主电路工作原理的分析，对整流滤波部分电路参数，逆变部分电路参数的分析，以及内部各个器件的要求进行了说明和分析。从而明确了焊接电源的性能结构和发展方向。关键词：输出特性；主电路；驱动电路；焊机；绝缘栅双极晶体管AbstractThis paper first introduces the developing history of the welding inverter. Due to the development of inverter circuit topology form of semiconductor devices and mature, there was the welding inverter The general principle is to use the rectifier-inverter-the process of rectifying again; Namely communication-dc-ac analysis the advantages and disadvantages of various welding machine and development of inverter welding power source direction。Inverter type welder has special advantages at home and abroad, has generally recognized, and is a comprehensive promotion application of domestic some strong technical force development foundation good production experienced units and the enterprise has better solve the welding inverter type of project DingYi products manufacturing and no reliability problem such as security, however, entered the overall the promoted application, and a lot of the research unit and enterprise has not yet have a better understanding of the stability and reliability of the product quality。Again, even if the already mastered the product quality reliability and stability of the research unit and enterprise, with the increase of the power output of the welding performance requirements improving and optimizing the demand such as performance to price, also need to use the new power components and digital technology, further improve product performance, product escalated, give full play to the superiority of the inverter type welding machine, and so on, ask inverter type welding machine technology further development。 The design of main circuit through the analysis of the operation of rectifier filter, part of the circuit parameter, inverter circuit parameters, and the analysis of the internal each device that explains and analyzes and clear the performance of welding power structure and development directionKey word：Output characteristic；main circuit；drive circuit；weld IGBT目录摘要.IABSTRACT.II1 前 言 .11.1 逆变焊机的概述.21.1.1 国内外逆变式焊机发展与应用现状.21.1.2 逆变式弧焊机的优点.31.1.2.1重量轻，体积小.31.1.2.2、功率因数高.41.1.2.3、高效节能.41.1.2.4、具有良好的动特性和弧焊工艺性能.51.1.3、逆变焊机设计的意义.51.1.4、设计的目的.52 250A手弧焊机的设计.721 工作原理.72.2 主电路的设计.72.2.1 主电路工作原理.7 2.2.2 整流滤波部分电路参数的意义及工作原理.72.2.3 逆变部分电路参数的意义及工作原理.92.2.4 IGBT的选择.112.2.5 整流滤波电路参数的计算及其元器件的选择.122.2.6 逆变电路参数的计算及其元器件的选择.142.2.7 高频变压器的设计.142.2.7.1 磁芯的选择.152.2.7.2 磁芯规格及磁通密度B的选取.162.2.7.3 高频变压器的设计.162.2.7.4 绕组导线线径的计算.182.2.8 二次整流电路二极管（D19、D110）的选择.182.3、控制电路稳压电源的设计.192.3.1、 控制电路稳压电源原理图.192.3.2、工作原理.192.3.3、电路元器件的选择与计算.202.4 变压器的计算.202.4.1 变压器铁芯面积的选择.202.4.2 计算线圈绕组的匝数.212.4.3变压器初、次级线圈直径的确定.213 过流过压保护电路.233.1、电压保护电路.233.2、过流过压保护电路原理.233.3、电流保护电路.244 经济与社会效益分析.25参考文献.30致谢.32附录1 英文文献及其翻译.33附录2 整流桥原理.47471 前 言电力电子技术的高速发展，促进了器件、电路及其控制技术向着集成化、高频化、全控化、电路弱电化、控制技术多功能化的方向发展。电力电子技术的发展史促进了逆变技术的发展。目前，逆变技术广泛应用于电机驱动。变频调速、不间断电源、电化学、电焊机、电力静止变换、电加热设备等工业领域的产业发展。极大的推动了这些领域的产业发展。在电焊机行业，由于逆变技术的应用，电焊机一改昔日粗大、笨重、耗能的缺点，成为节能、轻巧、性能更优的新型焊机，从而使逆变焊机成为今后的发展方向之一。逆变式焊机与传统焊机相比，具有高效节能(约2035)、省材(约8090)、轻巧(输出l A焊接电流，传统焊机需05l kg制造材料，而逆变式只需要006012 kg)，而且动态特性和控制调节特性好、制造过程占地少、且加工量少等特点。因而它在国内得到迅速的推广应用。1.1 逆变焊机的概述 1.1.1 国内外逆变式焊机发展与应用现状现代焊接设备的发展与电力电子技术和器件的发展密切相关。 50年代末，功率半导体二极管开始用于焊接电源，所构成的弧焊整流器明显优于弧焊发电机。70年代初，由晶闸管（SCR）构成的可控整流式弧焊机的出现标志着现代电力电子技术开始进入焊接电源设备领域。SCR弧焊机的电气特性和工艺特性优于二极管整流弧焊机，是当时广泛应用的一种重要焊接电源设备。70年代中到80年代中，性能优良的自关断电力电子开关器件：功率晶体管（GTR），功率场效应管（MOSFET），绝缘栅晶体管（IGBT），可关断晶闸管（GTO）等相继出现。70年代末开始出现晶闸管式逆变弧焊机并主要应用于TIG和手工电弧焊，后来又推广到CO 2 、 MAG等焊接方法和切割。1982年，华南理工大学访问学者在德国首先研制成功场效应管式弧焊逆变器，其应用领域从TIG到手工电弧焊、气体保护焊以及切割，促进了焊接设备更新换代的发展.。80年代末又出现IGBT式逆变焊机，主要应用于各种电弧焊和切割。以功率晶闸管、晶体管、MOSFET、IGBT等为开关器件的新一代弧焊逆变器，采用高频PWM开关技术和微电子控制技术，淘汰了笨重的工频变压器和笨拙的电磁控制方式。它不仅具有高效节能、体积小、重量轻、多功能、多用途等优点，而且具有良好的动、静态特性和工艺特性。因而，新一代的弧焊逆变器自问世以来，受到广泛的重视，发展迅猛。1989年世界焊接与切割博览会（埃森博览会）上有30多家厂商展出了弧焊逆变器。1993年的埃森会上，绝大多数的厂商都展出了弧焊逆变器及设备。据IIW XIIC 1993年11月所作的调查，逆变式焊机在日、美、欧等地使用的焊机中占17%，其中在气体保护焊和TIG焊中占30%以上。到了1996年，日本日立公司的IGBT逆变焊机已占MIG/MAG焊机的70%，占TIG焊机的95%以上，占切割机的100%，日本松下，大阪变压器公司的逆变式焊机都超过50%。以IGBT，MOSFET等为开关器件的弧焊逆变器，有着广泛的应用前景，是当前国际焊接电源设备发展的主流和方向。 在我国，逆变式焊机的研究工作始于 80年代初，紧跟国际研究开发的进程，水平差距也不大，已形成三代产品。第一代是以SCR为主开关器件的弧焊逆变器，其逆变频率为2000-5000Hz。第二代是以GTR或MOSFET为主开关器件的弧焊逆变器，其逆变频率为20kHz-50kHz。第三代为IGBT弧焊逆变器，逆变频率为20kHz-30kHz。到90年代初，多个规格的一、二、三代的弧焊逆变器已在多所高校和研究所研究成功，并逐渐进入小批量生产，但大批量生产和大面积推广应用逆变式焊机却比较缓慢。能进行批量生产厂家为数不多，并开始于大约90年代中后期。1.1.2 逆变式弧焊机的优点与弧焊变压器，直流弧焊发电机、弧焊整流器几种弧焊电源比较，逆变式弧焊机具以下几个突出优点。1.1.2.1重量轻，体积小铁芯截面积；铁芯中磁感应应强度的最大值根据变压器的基本公式：一 f N S B式中电压； 频率；绕组匝数； 逆变式弧焊机电源的逆变频率一般达几千赫到几十千赫，比工频提高了几十至上千倍，而电压为一常数，那么就降低到工频时的几十分之一到上千分之一因而逆变式弧焊电源的主变压器重量很轻逆变式弧焊电源的总重量可以做到 同等电流容量的其它类型的弧焊电源的十分之左右由于重量轻，体积也大大减少1.1.2.2 功率因数高因为逆变式弧焊电源是将交流电源直接整流，并接有滤波电容器，同时主变压器体积小，绕组匝数少，因而漏感小，加之输出回路的电感很小，故功率因数可以做得很高，甚至可以做到以上，即.1.1.2.3 高效节能1、 空载损耗极小一般焊接电源空载损耗约为几百瓦到几千瓦，而逆变式弧焊机的空载损耗仅为几十瓦，其原因是空载时除了维持一台小风扇冷却外，其它电路基本上不工作。2、 效率高 由于逆变式弧焊机的控制功率较小，大功率开关元件处于开一关状态，其上的功率损耗很小同时，由于主变压器很小，绕组匝数少，铜铁总量减少后，铜损铁损也相应下降，所以逆变式弧焊机的效率可达%。1.1.2.4 具有良好的动特性和弧焊工艺性能它通过电子控制电路保证整机持有良好的动特性，而且根据不同的焊接要求，设计出合适的外特性，从而满足弧焊工艺的需要，可作各种位置的焊接1.1.3 逆变焊机设计的意义 逆变式焊机具有独特的优点，在国内外已普遍得到公认，且正在全面推广应用。国内有些技术力量雄厚、研发基础好、生产经验丰富的单位和企业、已较好地解决了逆变式焊机的设计、制造工艺以及产品可靠性、安全性等问题。然而，在进入全面推广应用中，还有不少研发单位和企业尚未很好地把握产品的可靠性、稳定性和质量。再之，即使已把握了产品质量可靠性和稳定性的研发单位和企业，随着输出功率的增大、对焊接性能要求的提高以及优化性能价格比等需求，也需利用新的功率器件和数字化技术，进一步提高产品性能，使产品不断升级，充分发挥逆变式焊机的优越性，如此等等，都要求逆变式焊机技术进一步发展。1.1.4 设计的目的1、 对课本上所学的知识进一步加深和巩固。2、 了解逆变焊机的工作原理。3、 学会分析电路、设计电路的方法和步骤。4、 培养学生一定的动手与制图能力。2 250A手弧焊机的设计2.1 工作原理工作原理：输入端为50Hz、220V交流电，经整流滤波后得到310V左右逆变电路所需的较平滑的直流电流。再由逆变主电路中的两组大功率开关电子器件（IGBT）的交替开关作用变成几千至十几万赫的中高频高压电，再经（中）高频变压器降至适合于焊接的几十伏低电压，并借助于电子控制驱动电路和给定反馈电路（M、G、N等组成），以及焊接回路的抗阻，获得弧焊工艺所需的外特性和动特性。经输出整流器整流和电抗器C的滤波，把（中）高频交流变换成为直流输出。 2.2主电路的设计2.2.1 主电路工作原理:开关K11，K12闭合，为主电路输入220V，50Hz交流电流，经全桥整流器（ZL11），滤波网络（C11,R12,C12）,得到约308V的直流电流，再经全桥式连结的逆变电路（V11、V12、V13、V14、T11）、二次整流电路（D19、D110）得到高频低压适合焊接的电流。2.2.2 整流滤波部分电路参数的意义及工作原理。图（1）整流滤波部分电路图为提高焊机的工作效率，ZL11部分采用全桥式连结。R11为启动电阻，因焊机启动时要给后面的滤波电解电容C11充电。为避免过大的开机浪涌电流损坏开关及触发空开跳闸，在开机时接入启动电阻，用以限制浪涌电流。开关接通之后，电流通过启动电阻给滤波电解电容充电，当电容电压达到一定值时，辅助电源开始工作提供24V电，使继电器吸合，将启动电阻短路。在关机以后，滤波电容中存有很高电压，为了安全，用电阻R12将存电放掉。C12为高频滤波电容，因在高频逆变中，需要给开关管提供高频电流，而电解滤波电容因本身电感及引线电感的原因，不能提供高频电流，因此需要高频电容提供。经ZL11，C11，整流滤波后电流波形比较图如下：图（2）输入波形（上）、整形波形（中）、滤波波形（下）2.2.3 逆变部分电路参数的意义及工作原理逆变部分电路图：图（3）逆变部分电路图图中各器件的作用：V11、V12、V13、V14组成全桥逆变器，在驱动信号作用下，将308V直流转变成200KHz（20万赫兹）的交流电。C17为隔直电容，全桥电路由于存在偏磁现象，降低了其工作的安全性和可靠性。在全桥电路中，由于多种因素（如功率开关管的饱和压降、存储时间及控制电路的输出脉宽等不可能完全一致，反馈回路也可能引起不对称）导致2个半周内加在变压器上的电压脉冲的“伏-秒”数不相等，从而2个半周内磁通变化的幅度也不相同，在一个方向逐渐增大，全桥电路工作在不平衡状态，发生单向偏磁。如无抗偏磁措施，容易引起高频变压器心饱和，励磁电流急剧增加，将会导致与其连接的功率开关管承受极大的电流而损坏。研究中通过先择合理的变压器磁心工作磁通密度，并在变压器一侧加入隔直电容，解决了这一问题。变压器的作用是将311V的高压变换成适合电弧焊接所需要的几十伏的低压。全桥逆变器工作原理全桥逆变器每个工作周期分四个时段，分别为t1、t2、t3、t4，其工作原理如下：t1时段 V11、V14导通， V12、V13关断电流方向：正极 V11 C17 变压器 V14 地t2时段 V11、V14、V12、V13关断无电流t3时段 V11、V14关断，V12、V13导通电流方向： 正极 V12 变压器 C17 V13 地t4时段 V11、V14、V12、V13关断无电流 从上述分析看，在t1与t3时段里，流过变压器T的电流方向正好相反，也就是将直流电变成了交流电全桥逆变器工作原理波形图: 图（4）全桥逆变器工作原理波形图 2.2.4 IGBT的选择绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）是MOSFET与GTR的复合器件，因此，它既具有MOSFET的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了GTR的载流量大、阻断电压高等多项优点，是取代GTR的理想开关器件。从1986年至今，尤其是近几年来IGBT发展很快，目前因为V11，V14和V12，V13轮流导通，IGBT的的额已经被广泛地应用于各种逆变器中。定电压就是其允许的最高集射电压,用,表示,也称为IGBT的耐压。本电路中整流滤波后输出的最高电压为，因此要求每对IGBT的耐压值为342V以上，额定电流在30A以上，在此选择IGBT型号如下表：编号型号生产产家单元数规格数量V11V146MBI100L-060富士2600V 100A2 内部过电压的防护：图（3）中D11、D14、D15、D18为钳位二极管。当关断尖峰电压超过电源电压时，相应的二极管导通将其钳位在输入电源电压上，亦即将尖峰电压限幅。从而保护了IGBT器件。因此钳位二极管必须具有IGBT同等的耐压，并有较快的开通速度。图（5）为开关辅助电路。二极管D12的作用是阻止电容C13在IGBT开通瞬间通过小阻值电阻放电，而通过阻值较大的R13放电，以减小IGBT开通时的负担。在IGBT 关断时，通过二极管D12给电容充电，以降低IGBT集电极的电压上升速率du/dt。这样就将开关损耗从IGBT转移到了电阻R13上。2.2.5 整流滤波电路参数的计算及其元器件的选择：逆变手弧焊机电弧电压为: 则焊接功率为:由于逆变式弧焊机的控制功率较小，大功率开关元件处于开一关状态，其上的功率损耗很小同时，由于主变压器很小，绕组匝数少，铜铁总量减少后，铜损铁损也相应下降，所以逆变式弧焊机的效率可达%。在这里我们取效率为80%。则经整流滤波后，输入逆变电路的功率为：工频电流为220V 50Hz，经硅桥整流及RC滤波后直流电压为：则整流滤后输出峰值电流为：由于电网频率为50Hz，则输出频率为100Hz； 要得到一个大的时间常数，即RLC必须大于10ms至少为其10倍以上，即RLC不小于100ms。满足此条件时，全波整流器可应用下列公式：输出电压 ： 取RLC=150ms；则VDC 302v； 即输出VDC=300v单相整流，滤波电路的时间常数必须为纹波中基波周期时间的6倍以上，即 ： 整流滤波电路的最大输出电压(考虑±10%的网压波动)为：因此要求电解电容的最大耐压值为342V。故选用电解电容为342V 8000F就足够了。2.2.6 逆变电路参数的计算及其元器件的选择：如图（3）所示，V11和V14同时导通，V12和V13同时导通。同时加在一组IGBT上的电压加上隔直电容的电压为整流滤波后的电压（311V），因此加在每个IGBT上的电压为V11=V12=V13=V14=（311-VC17）/2。整流滤波后的峰值电流为30A。因此IGBT应选电压高于155.5V，电流高于30A。图（3）中C17为隔直电容，电容值由下式可以计算。 式中为变压器漏感；为输出电感；n为变压器原边与副边匝数比；为隔直电容谐振频率。为使隔直电容不致影响零压转换过程和输出电压，其谐振频率应大大低于开关频率，研究中取。电容工作电压近似为 式中为原边电流；为逆变频率。开关辅助电路参数的选择：为了电容能够完全的充放电，应使其周期小于T/6；要防止电阻发热过大则电容应小于；2.2.7 高频变压器的设计：高频逆变式弧焊电源具有放率高、节能、体积小、重量轻等优点，已经成为一种新型的弧焊电源。其高频变压器（对弧焊电源变压器而言。工作频率在20KHz及其以上的频率即可称为高频）主要作用是电压变换、功率传递和输入输出之间的隔离。功能与普通弧焊变压器相仿。因其传递的是矩形交替脉冲。故可称为“脉冲功率变压器”。然而由于高频变压器工作在高频，高压、脉动传输状态，而且又与较为脆弱的高压开关器件相连，因此，其性能的优劣不仅关系到变压器本身的效率、发热，而且会左右整个弧焊逆变器的技术性能。2.2.7.1 磁芯的选择逆变式弧焊电源高频变压器的频率特点决定了其磁芯材料一般选用铁氧体或非晶、微晶合金。铁氧体饱和磁通密度不高（约4000Gs），温度特性较差，居里点较低，机械性能不好。易损而碎。但其电阻率很高，高频铁损极小，而且相对价格比较便宜，目前高频化逆变弧焊电源中高频变压器大多采用铁氧体。非晶、微晶合金具有饱和磁通密度Bs高、温度特性好，居里点高等优点（但电阻率低于铁氧体的电阻率）。是高频化逆变式弧焊变压器较为理想的磁芯材料，国内已有单位将非晶材料用于逆变电源。表1为铁氧体、非晶态和微晶合金主要的电磁性能。参量材料饱和磁通密度初始磁导率（H/m）电阻率（*cm）居里温度（）Bs(T)(25)Bs(T)(100)铁氧体04026031061013100180非晶1513511130415微晶12512010125650表(1)：三种磁性材料性能比较2.2.7.2 磁芯规格及磁通密度B的选取：逆变式弧焊电源高频变压器磁芯材料结构的先择，应考虑漏磁尽可能小，便于绕制、安装以及有利通风散热等几个原则。目前，用于逆变式弧焊高频变压器磁芯结构铁氧体主要为EE型，非晶、微晶态合金多为CD型。磁芯规格的选取通常可先估算效率，求得高频变压器的输入功率，然后按制选厂家给出的磁芯规格和功率的关系数据，查出所需的磁芯。也可通过原边匝数N1和磁芯有效截面的乘积N1可从绕组计算公式得到。高频变压器与普通变压器一样，若工作磁通密度选择不当，刚会产生合闸瞬间饱和。由于高频变压器与高压开关器件直接连接，高频高压的工作条件，即使只有几个周期的瞬间饱和，也会导致高压开关器件的损坏。为此，设计中一般选择。既可避免合闸时瞬间磁饱和现象，同时又可减小励磁电流，降低磁芯损耗，提高变压器效率，降低变压器温升。2.2.7.3 高频变压器的设计：选高频变压器材料为铁基非晶态合金，设计主要技术参数如下：原边绕组电压幅值：；次级电压：；逆变频率：；次级额定电流：；额定负载持续率：60%；额定输出功率：；变压器效率：；功率因数：。绕组匝数计算： 逆变式弧焊电源的高频变压器为方波转换高频变压器，可用导通脉冲宽度公式来设计计算：即 式中，为绕组原边匝数（T）；V1为施加在绕组上的电压幅值，即整流滤波后的电压值，B为工作磁通密度（G）；为磁芯有效截面积（cm2）；为半周期内导通脉冲宽度（）。取工作磁通密度B=3100GS 则：选取CD型磁芯规格为AC5（S），有效截面积Sc=6.4cm2,饱和磁通密度Bc=1.35T,故。由值可算出原边绕组匝数为： 取整数。副边绕组匝数取整数。原边绕组重新修正为：仍取，则V2略低于设计电压，V2=68.9V，对电源无不利影响。2.2.7.4 绕组导线线径的计算： 由于电流的集肤效应，相当于导线有效截面积减少。因此在导线选择上应遵循原副边绕组导线线径小于两倍穿透深度。当导线要求截面大于穿透深度决定的最大有效直径时，应采用小直径的多股导线并绕，尤其是副边大电压器磁芯窗口的高度接近，厚度则以穿透深度的两倍来限制。变压器原边绕组电流有效值为；J为电流密度，其可为25A/mm2这里取电流密度j=5A/mm2.则：；表(2) 高频电流穿透铜导线的深度f/kHz151820232530/mm0.53960.49260.46730.43580.41800.3851由表2知频率为20KHz时电流最大穿透深度=0.4926mm，故允许最大线径dmax=0.934mm。其有效截面积Sm=0。685mm2.取直径为0.93mm，高强度漆包铜线，则需8。73股。取9股0. 93高强漆包铜线并绕之。变压器副边电流有效值为： 取标称直径为0。93mm的高强漆包铜线，则需19.35股，取20股。2.2.8 二次整流电路二极管（D19、D110）的选择快恢复整流二极管具有开关特性好、反向恢复时间短、正向电流大、体积小等特点，适用于脉冲调宽器、交流电机变频调速器、开关电源、不间断电源等到电子装置中，作高频、高压、大电流整流及续流用。二极管承受的最大反向电压： 工最大浪涌电流为250A 因此选用二极管型号为：FR6032.3 控制电路稳压电源的设计2.3.1 控制电路稳压电源原理图：图（6）驱动电路稳压电源2.3.2 工作原理输入电源（220V、50Hz）经变压器T2得到12.5V的交流电压，经ZL2与C21的整流滤波作用得到约15V的直流电压。送入W7815型集成稳压器，得到固定+15V的直流电。2.3.3 电路元器件的选择与计算及变压器的计算为了使集成稳压器能正常工作，输入电压V2必须比输出电压V0高Vdrop，Vdrop称为电压降，它随稳压器品种与工作条件不同而异，78XX系列为23V。因此取输入电压V2=18V。则整流滤波前，变压器原边线圈电压有效值；由表3可知每只整流二极管的反向峰值电压；根据，得；二极管D21承受的最大反向电压Vmax=2V2=36V；2.4 变压器的计算2.4.1 变压器铁芯面积的选择：变压器的输出功率为；由于变压器都存在一定的漏磁，则必然有损耗，因此，次级绕组的总功率不能真正代表从变压器初级输入的功率大小，即变压器的功率传递效率不是100%，若设变压器的效率为，则变压器的初级功率。变压器效率与功率的关系如表（