（电气工程专业论文）数字式逆变焊机研究.pdf

学位论文版权使用授权书 1i l u l ii t l li h i i i i i i i l l i l l l l i 一 ! y 17 8 0 4 0 2 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：索苏参 签字日期：弘忙月形日 导师签名： 签字日期：l 口年( ，月才泊 ， 中图分类号：t g 4 3 4 u d c ：6 2 1 3 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 数字式逆变焊机研究 s t u d yo fd i g i t a li n v e r t e rw e l d i n gm a c h i n e 作者姓名：蔡兴龙 导师姓名：张奕黄 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 2 0 9 5 职称：教授 学位级别：硕士 学科专业：电气工程研究方向：电力电子与电力传动 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 ， i 来张奕黄教授对我的关心和指导 摘要：数字化 电源必然走向 机的发展现状 本文中， 滤波电路，逆 作原理和元器 可行性和合理 脉冲，经6 n 1 i g b t 。 本文还阐 时控制设计了 的保护电路模 干扰电路。 在深入了 相应的主程序 进行了相 负载范围内实 系统基本达到 最后对本阶段的工作做出了初步总结，并指出了进一步工作的目标和方向， 为后续研究奠定良好的基础。 关键词：数字化；逆变焊机；d s p ；t i g , i g b t ；a t m e g a l 6 分类号：t g 4 3 4 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：d i g i t a lt e c h n o l o g yh a sg r e a t l yp r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to fp r e c i s ea n d f l e x i b l ec o n t r o lo fw e l d i n gp o w e rs o u r c e d i 垂t a lc o n t r o li n e v i t a b l yi st h ed e v e l o p i n g d i r e c t i o no fw e l d i n gp o w e r t h ec o n c e p t , s t r u c t u r ea n df e a t u r e so fd i g i t a lw e l d i n g m a c h i n ei si n t r o d u c e di nt h et h e s i s c o m b i n e dw i t ht h ep r e s e n td e v e l o p m e n to f w e l d i n g m a c h i n ea th o m ea n da b r o a d ，t h en e c e s s i t yo ft h es t u d yp r o j e c ti sp u tf o r w a r d i nt h i st h e s i s ，m a i nc i r c u i t ，i nw h i c hf b - z v s - p w mf u l l - b r i d g ei n v e r t e rt o p o l o g y o fi g b ti sa p p l i e d ，i sm a d eu po fi n p u tr e c t i f i e rf i l t e rc i r c u i t ，i n v e r t e rc i r c u i t ，i f ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) t r a n s f o r m e ra n do u t p u tr e c t i f i e rc i r c u i t w o r k i n gp r i n c i p l eo f t h em a i nc i r c u i ta n dc o m p o n e n t sd e s i g na n ds e l e c t i o no fp a r a m e t e r si si n t r o d u c e d ，a n d s i m u l a t i o nw i t hm a t l a bv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo fm a i nc i r c u i t d s p 2 4 0 7 ai sa d o p t e di nt h ee o n t r o ls y s t e ma sac o r e f o u rp h a s e - s h i f t i n gp w m p u l s e d i r e c t l yg e n e r a t e db yt h ed s p , i s o l a t e db yt h e6 n 13 7o p t o c o u p l e r , i su s e dt od r i v ei g b t a f t e rp o w e ra m p l i f i c a t i o nb yt h ed r i v e ri cm 5 7 9 5 9 l d e s i g no ft h em i n i n l u n ls y s t e mo fd s pa n dp e r i p h e r a lf u n c t i o nc i r c u i t si s a l s o d e s 砸b e di nt h et h e s i s f o re x a m p l e , t oa c h i e v er e a l - t i m ec o n t r o l ，v o l t a g ea n dc u r r e n t s a m p l i n gp r o c e s s i n gc i r c u i t sa r ed e s i g n e d a n da c c o r d i n gt ot h es y s t e mf a i l u r et h a tm a y o c c a l r , t h ec o r r e s p o n d i n gp r o t e c t i o nc i r c u i tm o d u l ei sd e s i g n e d h i g h - f r e q u e n c ya r c i g n i t i o nc i r c u i tf o rt i ga n dc o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ea n t i - j a m m i n gc i r c u i t sa r es p e c i a l l y d e s i g n e d w i t hi n - d e p tu n d e r s t a n d i n go ft h er e s o u r c e sa n di n s t r u c t i o no fd s p , m o d u l a r p r o g r a m m i n gm e t h o d i su s e dt ow r i t et h em a i np r o g r a m ，e a c hf u n c t i o ns u b r o u n t i n ea n d i n t e r r u p ts e r v i c ep r o g r a m t om e e tt h ew e l d i n gc o n t r o ln e e d s t h ec o r r e s p o n d i n gg a t ed r i v ea n dl o a dt e s t sa r et a k e n e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ew e l d i n gp o w e rc i r c u i tc a na c h i e v es o f ts w i t c h i n gi nt h ew h o l el o a dr a n g e ，a n d m e e tt h em m aw e l d i n ga n dt i gw e l d i n go fw e l d i n gt e c h n o l o g y h a r d w a r ea n d s o f t w a r es y s t e m sc a r la c h i e v et h eo r i g i n a ld e s i g nc o n c e p ta n dt h eb a s i cr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , ap r e l i m i n a r yc o n c l u s i o no ft h i ss t a g ei sm a d e ，a n dt h ef u r t h e rw o r k d i r e c t i o n sa n dg o a l sa r ep o i n t e do u t t h e yw i l lm a k eaf o u n dg r o u n df o rf u t u r e ss t u d yo f d i g i t a lw e l d i n gp o w e r k e y w o r d s ：d i g i t a l ；i n v e r t e rw e l d i n gw a c h i n e ；d s p ；t i g ；i g b t ；a t m e g a l6 c i a s s n o ：t g 4 3 4 目录 目录 中文摘要v a b s t r a c t v i i 第1 章绪论l 1 1 课题研究背景及意义。l 1 2 数字化焊接电源的基本概念和优点2 1 3 1 4 第2 章 2 1 2 2 2 3 1 2 1 数字化的概念2 1 2 2 数字化焊接电源系统的优点3 国内外数字化焊机的发展现状。4 1 3 1国外数字化焊机4 1 3 2 国内数字化焊机j 4 本课题的主要研究内容4 逆变焊机主电路的设计和仿真7 总体设计7 2 1 1 逆变频率的确定7 2 1 2 逆变电路拓扑结构选择8 2 1 3 开关方式选择9 2 1 4 本系统的主电路设计方案9 主电路参数的设计和计算lo 2 2 1中频变压器设计。1o 2 2 2 开关元件的选择与参数设计1 2 2 2 3 输入整流滤波电路设计1 3 2 2 4 输出整流滤波设计1 4 主电路的仿真研究15 2 3 1 弧焊逆变电源主电路的计算机仿真1 6 2 3 2 仿真结果分析。1 9 2 4 本章小结2 6 第3 章逆变焊机控制电路设计2 7 3 1d s p 工作原理及最小化硬件系统2 8 3 1 1d s p 工作的基本原理与系统结构2 8 3 1 2d s p 最小化系统2 9 3 2 电压电流采样及调理电路3 2 北京交通大学硕十学位论文 3 - 3引弧电路设计3 4 3 3 1高频引弧电路设计。3 4 3 3 2高频引弧的抗干扰设计3 5 3 4 驱动电路设计3 7 3 4 1i g b t 驱动电路基本要求3 8 3 4 2 驱动电路设计3 8 3 5 保护电路设计3 9 3 6 按键及数码显示电路设计。4 1 3 7 串行通信电路。4 2 3 8 本章小结4 3 第4 章逆变焊机软件设计一4 5 4 1 控制系统软件功能分析：4 5 4 2 控制系统软件模块化设计4 5 4 2 1d s p 主程序功能及实现4 5 4 2 2t i g 焊时序控制4 6 4 2 3p i 控制子程序设计4 8 4 2 4 显示驱动程序设计5l 4 2 5 软件抗干扰设计5 2 4 3 本章小结。5 3 第5 章焊机遥控系统设计5 5 5 1 遥控系统硬件设计5 5 5 1 1 a t m e g a l 6 的u a r t 模块介绍5 5 5 1 2 通信接口设计5 7 5 1 3 液晶显示、键盘扫描及编码器设计。5 8 5 2 软件设计5 8 5 2 1设计思路。5 8 5 2 2 主程序5 9 5 2 3u a r t 通信设计5 9 5 3 章节小结6 0 第6 章系统调试分析6 l 6 1 实验要求和实验设备6 1 6 2 系统实验分析6 1 6 2 1p w m 波形检查6 1 6 2 2 驱动输出实验6 2 目录 6 2 3焊接负载实验6 3 6 3 本章小结6 6 l ；论6 7 参考文献6 9 作者简历7 3 独创性声明7 5 学位论文数据集7 7 绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 焊接是现代制造技术中的一种基本加工方法，其广泛用于矿山、冶金、机械、 石油化工、造船、航天航空、国防工业和海洋工程等领域。目前，工业发达国家 钢产量的5 0 左右是以焊接结构形式应用于生产的，在我国，比例也占到了3 0 t 1 1 。 冶金技术的发展，新材料的不断出现，旧材料的不断优化改善，使焊接工艺 成为关键技术，焊接新工艺的出现对电焊机提出了更新、更高的要求，电子器件 的大功率化，使得高性能电焊机的推广应用成为现实。1 9 8 2 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逆变焊机，其应用领域从t i g 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。8 0 年代末又出现i g b t 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、m o s f e t 、 i g b t 等为开关器件的新一代弧焊逆变器，采用高频p w m 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，新一代的逆变焊机自问世以来，受到广泛的重视，发展迅猛。随着 计算机技术和数字信号处理技术的不断发展、普及，在焊接领域，单片机、p l c 、 d s p 等数字化芯片被大量使用，数字信号处理技术与弧焊工艺相结合产生了数字 式焊机【2 1 。 焊接电源从模拟焊机发展到数字式焊机，实际上是完成了控制电路从模拟到 数字化的跨越。焊接电源控制电路的数字化使得焊接电源至少在两方面的性能得 到了提高：焊接电源的功率损耗大大减少，使得焊接电源的效率达到9 0 以上。 随着工作频率的提高，回路输出电流纹波更小，响应速度更快，因此焊机可以 获得更好的动态响应特性。目前，采用数字化逆变焊机进行高可靠性、高效率、 高速度的焊接工艺研究将成为逆变焊接技术的主要研究课题。 因此此项研究无论在科研还是在实际应用都具有重要的意义。 北京交通大学硕十学位论文 1 2 数字化焊接电源的基本概念和优点 1 2 1 数字化的概念 数字化是指：按照一定的规则，用数字表示字母或符号；把连续的物理 量用数字形式表示，即用i o 编码表示。数字信号处理相对于模拟信号处理有很大 的优越感，表现在精度高、灵活性大、易于大规模集成等方面。可用于数字信号 处理的处理器大致可分为信号处理器( d s p ) 、通用微处理器( m p o ) 、微处理器( m c u ) 三类。d s p 面向高性能、重复性、数值运算密集型的实时处理：m p u 大量用于 计算机；m c u 则适用于以控制为目的的处理过程，国内工业控制中应用比较普遍 的8 0 5 1 、8 0 1 9 6 以及m i e o c h i p 、a t m e l 单片机都属于m c u 。d s p 则是一类经过 优化适应数字信号处理的微处理器。d s p 处理器按用途分为通用性d s p 芯片和专 用性d s p 芯片。在d s p 领域，德州仪器( t i ) 公司的产品及其配套技术与开发工具 具有最强大的竞争力，其中，t m s 3 2 0 f 2 4 0 x 系列芯片也称为d s p 控制器，是t i 公司专门针对电机、逆变器、机器人、数控机床等控制设计的、为焊机的数字化 控制系统设计提供硬件保障。如果把d s p 较强的数据处理能力与m c u 较强的事 件管理能力相结合，构造一个双处理器应用系统，系统的综合处理能力则会更强， 事实上许多的数字化应用系统就是以这种方式实现的。目前，m c u 在焊接行业中 应用比较普遍，结构特点也较为大家所熟悉，而在国内焊接领域d s p 的应用刚刚 处于起步阶段。 焊接电源系统的模拟控制系统转变为数字控制系统已成为必然趋势。数字控 制系统结构由微处理器( m c u ) 、数字信号处理器( d s p ) 、或微处理器加数字信 号处理器组合构成。 由于数字信号在传输过程中不易失真，因此信号的流通和交换可靠、稳定。 信号可以通过系统总线、i o 口或特定通信协议口进行数字化传输。同时，在充分 研究和分析已有焊接电源的基础上，可以提出合理可行的功能分类标准进行数字 化电源硬件模块规划和设计，实现硬件的模块化、标准化和数字化，对模块化的 硬件运用单独的微处理器进行控制，并通过数字接口按照通信协议和数字化的控 制系统进行信息交换。 同时利用数字化焊接电源的数字化接口，实现焊接电源系统与互联网的通信， 这样一方面可以在网上控制和监控焊接过程，保证焊接质量；另一方面焊机可以 通过计算机在网上下载软件到焊接电源系统中，便于焊机升级和功能改进。由于 应用了数字化控制系统，焊接电源已不再是单纯的焊接能量提供源，还应具有数 字操作系统平台、多特性适应调整、焊接参数动态自适应调整、过程稳定质量评 2 绪论 定、保护及自我诊断提示以及远程网络监控、生产质量管理等功能。 1 2 2 数字化焊接电源系统的优点 数字化焊接电源系统由于可以实现硬件的模块化和标准化，软件的平台化， 数字化焊接电源系统具有许多优点： l 、数字化焊机实现了柔性控制和多功能集成。系统的控制策略通过软件方式 加以实现，即以软件代替硬件，系统的控制是柔性的，利于进行控制系统的优化 设计和多功能集成。对于模拟系统，系统的配置和增益由阻容网络等硬件参数所 决定，一旦确定就很难改变。而对于数字系统，这一切仅仅是改变软件而已。对 于数字化焊机来说，同一套硬件电路可以实现不同的焊接工艺控制，对于不同焊 接工艺方法和不同焊丝材料、直径可以选用不同的控制策略、控制参数，从而使 焊机在实现多功能集成的同时，每一种焊接工艺方法的工艺效果也将得到大幅度 的提高。 气 2 、具有更强的稳定性和一致性。在模拟控制系统中，信号的处理是通过电子 电路进行的；信号处理参数是通过电阻、电容参数选择来去定的。由于电阻、电 容等电子元器件参数的偏差、漂移，必然导致控制系统参数的变比，因此模拟控 制系统的稳定性差，产品的一致性难以保证。在数字控制系统中，因为信号的处 理或控制算法的实施是通过软件程序完成的，所以其稳定性好，产品的一致性也 容易得到保证。 3 、控制精度高。模拟控制的精度是由电子元器件参数值引起的误差和运算放 大器非理想性参数引起的误差所决定。此外，模拟控制往往是采用多级处理，其 误差积累噪声的逐级放大，因此模拟控制系统的总体误差较大。由于数字控制的 精度仅仅决定于模数转换的量化误差，以及系统的有限字长有关，因此数字化控 制可以获得较高的控制精度。 4 、接口兼容性好。数字化系统与其他现代数字技术为基础的系统和设备都是 相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口容 易得多。 5 、通用性强，便于升级。弧焊电源的数字化控制系统包括硬件电路系统和软 件程序系统。电源的硬件电路系统可以实现模块化和标准化；软件程序系统可以 实现平台化标准化、模块化。同一类型的焊机，功能的改进可以只通过软件设计 来实现，对现今技术更新特别快的时代，可以大大提高焊机的实用寿命和应用范 围。 由于数字化焊机有以上的优势，所以，焊机数字化的概念一经提出就受到了 3 于熔化极气体保护焊接电源系统的研究，以开发1 2 相可控硅焊接电源为主；北京工 业大学材料学院分析了数字化焊接电源的特征，提出了“全数字化控制焊接电源的 方案”，他们重点开发“m c u 十d s p ”双处理器控制系统。由单片机( m c u ) 根据不 同的送丝速度按照一定的规则计算出相应的焊接电弧电压u a 及电流参数 驯彤死) 等，同时负责系统的总体管理；驱动p w m 以可编程逻辑器件c p l d 为载 体实现；控制算法如p i 控制以及非线性接口算法等均由d s p 实现：华南理工大学提 出了基于d s p 的弧焊逆变电源数字化控制系统，并讨论了应用前景。 1 4 本课题的主要研究内容 逆变焊机的数字化控制技术为焊接设备的发展开拓了一个全新的发展空间。 但是由于焊接工艺过程的复杂性、实时性、强干扰性以及数字信号处理技术还没 4 绪论 有很好的为焊接工作者掌握，因此在焊机领域进行数字信号处理理论研究，探讨 逆变焊机的数字化控制的规律、算法、发展、完善数字化逆变焊机，是数字化控 制技术在焊接领域扩大应用的关键。 本课题研究的内容是设计一台采用软开关和d s p 控制技术，以i g b t 为开关 器件的数字式软开关逆变氩弧( t i g ) 焊机，兼有焊条电弧焊( m m a ) 功能。 本文完成以下几点设计任务( 目标) ： 1 设计以功率开关管i g b t 和中频变压器为核心的逆变式焊机主电路系统，绘 制出电路图，安装调试。 2 设计d s p t l 2 4 0 7 a 为核心的控制电路系统，绘制出电路原理图与p c b 布线 图，加工出印刷电路板，并安装调试。 3 绘制焊机的控制系统软件流程图，编写c 语言代码程序实现焊机的各个功 能。 4 实现焊机远程遥控功能，设计相应的软硬件系统。 设计的焊机基本参数如下： 输入额定电压：3 - - - , 3 8 0 v 士1 5 5 0 h z 最大空载电压： 7 5 v 最小空载电压： 1 5 v 持续负载率：6 0 额定焊接电流： 5 0 0 a 逆变频率：2 0 k h z 5 逆变焊机主电路的设计和仿真 第2 章逆变焊机主电路的设计和仿真 2 1总体设计 图2 1 逆变焊机工作原理框图 f i 9 2 1b l o c kd i a g r a mo fi n v e r t e rw e l d i n g 逆变焊接电源由主电路、驱动电路、控制电路等三部分组成。主电路承担着 转换、传递能量的任务，是焊机中最为关键的部分，设计的好坏直接影响到电焊 机控制系统的稳定性和各种输出特性的实现。主电路包括输入整流器、滤波器、 逆变器、中频变压器、输出整流器和滤波器。三相3 8 0 v 交流电源经过输入整流器 和电容滤波后变成5 4 0 v 左右的直流，然后经过全桥逆变器变成2 0 k h z 的占空比可 调的中频交流电，由于中频交流电压的幅值比较高，因此采用中频变压器降到焊 接电压，该电压再经过输出整流器和滤波电抗器滤波后变成直流电压用于焊接。 2 1 1 逆变频率的确定 选择逆变频率时应考虑： 1 、有效地减少焊接变压器的体积和重量； 2 、所采用的开关元器件的频率特性； 3 、使焊机的效率尽可能高； 4 、对焊接性能的影响； 5 、经济性。 普通弧焊电源的体积和重量主要集中在变压器和电抗器上，两者所占比例可 达8 0 以上。在变压器设计中，根据有关电磁定律，可以推出电压【，与变压器工 作频率 铁心截面积s 、铁心材料最大磁感应强度吃以及绕组匝数之间的关系 u = 4 4 4 掌厂宰木s 宰吃 ( 2 1 ) 7 北京交通人学硕士学位论文 则，有( 2 1 ) 式可得： 朋：￥( 2 2 ) 4 a 4 f b m 吃的大小与变压器铁心的磁性材料有关，当确定磁性材料以后，吃也就确定了。 当输入电压一定时，大幅度增大，n s 就会大幅度下降，相应的变压器体积和重 量也大幅度减小。工作频率从5 0 h z 增大到2 0 k h z 时，n s 就减少了4 0 0 倍，而且 铁和铜的损耗也大幅度减少。同理，工作频率大幅度提高，电抗器的体积和重量 也会大幅度减小。同时，工作频率越高，d u d t ，d i d t 等动态参数的影响也越明显。 逆变电源的电子功率开关等元件被击穿、烧穿的可能性大增。为保证焊机电源的 可靠性，不仅需要高品质、高性能的元器件，而且要设计、应用许多保护电路， 使得弧焊电源的控制电路愈加复杂。而且较高的工作频率是开关器件的开关损耗 和通态损耗都大大增加，这将大大增加散热器的体积，不利于降低焊机整体体积 和重量。 综合以上因数，结果国内外研究水平和实际应用情况，本焊机选择开关频率 为2 0 k h z 。 2 1 2 逆变电路拓扑结构选择 目前在功率变换电路中常用的逆变电路主要有单端反激式、单端正激式、半 桥式、推挽式和全桥式等几种，几种逆变电路性能的比较如表2 1 所示【2 9 】： 表2 1逆变电路的比较 推挽式全桥式半桥式单端式 功率开关管集稳态为2 e ，漏稳态为e ，二 射极间施加电感引起的尖峰极管箝位同全桥 截止期二极管 箝位v c 锄产e 压 使v c 锄觚 2 ev c e m a 】【5 ，e 输出相同功率 i c i c 2 i e2 i e 时集电极电流 功率开关管数 2 422 量 宣获得的输出 容量 大大中等中、小 单端式逆变电路的变压器为单向工作，可利用的铁心磁通变化量小，铁心利 用率低，变压器体积较大：功率传输占空比不到0 5 ，故输出功率比较小。推挽式 逆变焊机主电路的设计和仿真 所用开关器件少，输出功率大，但开关管承受压降为2 e 。半桥式所用开关管较少， 抗不平衡能力强，但输出功率小，适用于中小功率逆变器。全桥开关管承受压降 不高，输出功率大，但起所用功率开关器件较多，驱动电路复杂。由于本次设计 的逆变焊机是额定电流高达5 0 0 a 的大功率电源，故本设计中采用全桥逆变电路。 2 1 3 开关方式选择 逆变式弧焊电源的开关方式有软、硬之分。硬开关是指功率开关器件导通或 关断时处于电流和电压不为零，甚至有较大值的状态下进行的。这使得硬开关逆 变电源的开关损耗大，高频效率低。实验发现，开关过程中还存在电压过冲、振 荡等现象，这导致开关损耗加大。此外，硬开关逆变电源的开关管在关断时d f d t 、 d u t i t 很大，产生很大的关断尖峰电压，电磁干扰( e m i ) 比较严重，使得电磁兼容 ( e m c ) 设计比较困难。在“硬开关”的开关过程中，开关器件的工作条件相当恶 劣是导致开关器件损坏的重要原斟6 】。 “软开关”是与“硬开关”相对而言的。“软开关”技术实质上是使用了谐振变流技 术，也就是利用在主电路中增加储能元件，产生谐振，迫使开关器件的电流或电 压迅速降为零，使得开关器件在零电流或零电压的状态下开关。相比“硬开关”，“软 开关”工作时，开关损耗很小，减小开关应力，改善e m i ，从而焊机可靠性增加。 故本设计中采用了软开关技术。 2 1 4 本系统的主电路设计方案 逆变焊机的主电路承担着转换、传递能量的任务，是整个电源系统的基础。 主电路必须安全、可靠，器件参数的选择应该以极限工作条件为依据，并留有一 定余量，保证所选器件工作在安全区域。 本文设计的i g b t 逆变焊机输出电流为5 0 0 a ，输出电压为4 0 v ，逆变器工作 频率为2 0 k h z ，要求系统具有恒流外特性和良好的动特性，电流、电压响应要求 迅速。所设计的主电路拓扑结构图如图2 2 所示。主电路主要包括三部分： 第一部分为输入整流滤波电路。共轭电感l 1 和c 4 c 6 构成电磁干扰滤波电路， d r l 为三相不可控整流模块，c 7 、l 2 、c 1 1 、c 1 2 构成滤波电路。 第二部分为逆变电路。l v t 4 为i g b t 管，与变压器t l 组成降压逆变器。 c 1 3 - - c 1 6 为i g b t 并联电容，c 1 7 、c 1 8 为隔直电容。l 3 为旁路电感。 第三部分为输出整流滤波电路。快速整流二极管模块d 1 和平波电抗器l 4 构 成整流滤波电路。c 1 9 、c 2 0 、r 3 、r 4 、v r 2 、v r 3 构成二极管的r c d 吸收回路。 9 北京交通人学硕士学位论文 图2 2 主电路拓扑结构图 f i g2 2m a po f m a i nc i r c u i tt o p o l o g y 该主电路工作原理为：三相3 8 0 v 电压经过三相桥式整流后，输出为带纹波的 直流电压，再经过电容c l l 、c 1 2 组成的滤波电路滤波后得到5 4 0 v 平直的直流电 压。当控制电路输出相同占空比的p w m 脉冲控制i g b t ，使它们轮流导通与关断， 此时，直流电压被逆变成2 0 k h z 的交流方波电压。v t l 、v t 4 和v t 2 、v t 3 的轮 流导通和关断使中频变压器t l 的原边绕组上的电压为正负对称的方波。变压器输 出的交流方波电压经过快恢复二极管模块d 1 整流后变成方波直流电压，最后经过 滤波电感( 平波电抗器l 4 ) 滤波后输出较为平直的直流电压【6 2 】【6 3 1 。 本设计中采用f b z v s 控制方式，超前臂v 1 l 、v r 4 的驱动脉冲不变，通过 调节滞后臂v t 2 、3 的移相角口大小，逆变器输出频率为2 0 k h z 、幅值相同但 平均值不同的交流方波脉冲，经过中频变压器降压整流滤波后，输出连续的直流 电压。通过外特性控制程序，可以调节焊接电源的输出。 2 2 主电路参数的设计和计算 2 2 1中频变压器设计 变压器是逆变电路的重要组成部分，具有负载和电网的隔离、功率传输、降 压的功能，对逆变器的效率和工作的可靠性以及输出的电气性能起着重要作用。 中频变压器工作在2 0 k h z ，而且为矩形波脉冲，因此要在磁芯材料，尺寸，绕组 匝数，集肤效应等方面认真考虑。 ( 1 ) 磁芯材料 i o 二次侧的匝数： ，：1 ：旦：4 1 4 4 匝 ( 2 6 ) 。 6 7 5 ( 3 ) 集肤效应 交变电流在通过导线时，导体中的电流密度由导体表面向中心越来越小，并 呈指数规律下降，称为集肤效应。交变电流的频率越高，这种效应越明显。这就 意味着导线的有效截面积减小，导通电阻增大。集肤效应的强度可用穿透深度 来表征，其含义为：交变电流沿导线表面开始，向内所能达到的径向深度，它所 具有的横截面即是导线的有效截面。与电流交变频率 导线磁导率和电导率 丫有关 = 后 ( 2 7 ) 北京交通大学硕士学位论文 其中，国= 2 万为交变电流角频率。变压器绕组导线线径应小于2 ，如一条 导线不能满足所有电流通过，则应采用多股小线径导线并绕的方式。本设计采用 了多股导线并联方式。 2 2 2 开关元件的选择与参数设计 弧焊逆变器是逆变焊机的核心。根据逆变器所应采用的功率开关器件不同可 分为：晶闸管逆变器、场效应管逆变器、大功率晶体管逆变器和i g b t 逆变器等。 如表2 2 所示。在逆变焊接电源中，对功率半导体有如下基本要求： 1 ) 耐压值高； 2 ) 开关速度快； 3 ) 动态特性d i d t 、d u d t 耐量要高； 4 ) 耐冲击电流大，可靠工作范围大； 5 ) 热稳定性好。 表2 2电子功率器件的开关参数 s c rg t o g t rv m o si g b t 开关速度p s2 5 1 0 0。6 2 5l 50 1 - 4 ) 5o 5 1 安全工作区 大大小大大 ( s o a ) 额定电流密度 2 0 3 05 1 05 1 0 0 a * c m 2 驱动功率大 大大小小 驱动方式电流电流 电流电压电压 高压化易易易难 易 大电流化 易易易 难 易 高速化 难 难难极易 易 饱和压降低低极低向低 并联使用难难 较易 易 易 不能自行拖尾电流限 二次击穿现 无二次击擎住现象限 其他象限制了 关断制频率提高穿现象制了s o a s o a 基于以上考虑，应该选用全控器件，g t r 开关速度较低，是电流驱动方式， 驱动功率较大，还存在二次击穿问题；功率m o s f e t 有较好的高速控制性能，然 1 2 逆变焊机主电路的设计和仿真 而容量小，通态压降大，难以实现大电流；i g b t 是m o s f e t 与双极晶体管的复 合器件，它兼有m o s f e t 易驱动和功率晶体管电压、电流容量大的特点，其频率 特性介于m o s f e t 和功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，在 较高频率的大中功率应用中占据了主导地位。并且i g b t 电压驱动、开通和关断容 易，开关速度快，单个器件的载流容量大，电流密度高，开关和通态功耗小，饱 和压降低，安全工作区宽，无二次击穿现象，另外输入阻抗高，驱动电路功率小 且简单，是目前较为理想的功率开关器件，所以功率开关器件选用i g b t 。 i g b t 参数的正确选择是逆变电路能够可靠工作的关键，如果选择不好，会导 致焊机可靠性下降，安全性下降。因此，i g b t 选择的参数必须在i g b t 安全工作 区内，并留有一定安全裕量。 工频交流输入电压经过整流滤波后，考虑1 5 的网压波动，输出直流电压的 最大值为： = 4 2 1 5 = 4 2x 3 8 0 x 1 1 5 = 6 1 7 9 v ( 2 8 ) 式中，为i g b t 承受最大稳态电压，网压有效值。 选取i g b t 耐压时要在i g b t 承受的最大电压值的基础上考虑一定的安全裕 量，一般选口= 1 5 2 倍，则i g b t 耐压至少应为： = 吸= 6 1 7 9 x 1 5 = 9 2 6 9 v ( 2 9 ) i g b t 额定电压的取值应高于该电压，取1 2 0 0 v 。 中频变压器原边的电流为= 厶嚼= 5 0 0 x 4 = 7 1 a ，则单个i g b t 管上平均电流 为 i = 0 5 嘎= 0 5 x 7 1 = 3 5 5 a ( 2 1 0 ) i g b t 额定电流 l = 压x l x l 5 x 1 4 = 1 。4 1 4 x 3 5 5 x 1 5 x 1 4 = 1 0 5 a ( 2 1 1 ) 式中比s 为i g b t 额定电流计算值，j 为每只i g b t 管上平均电流，1 4 1 4 为峰 值系数，1 5 为lm i n 过载容量系数，1 4 为尼减小系数。额定电流尼根据管子电流 等级按1 5 0 a 取。 综上所述，所选i g b t 管额定电压1 2 0 0 v ，额定电流1 5 0 a 。 2 2 3 输入整流滤波电路设计 输入整流滤波电路是将交流电压变为直流电压。此外，还要求它还具有一定 电压输出的保持能力，既能防止电网的干扰侵入电源，又能防止电源产生的谐波 污染电网，亦即要具有抗干扰性。 1 3 北京交通大学硕士学位论文 l 、输入整流管 整流模块的整流管是轮流工作的，每隔整流管导通l 3 周期。则整流管的电流 效值为 ， 厶= 杀0 5 7 7 i d ( 2 1 2 ) v ) 中， l 是直流母线上的电流有效值，厶是整流管的电流有效值。 i g b t 额定电流的计算可知，中频变压器原边电流i i = 7 1 a ，所以 有效值相等的原则，并考虑取1 5 2 倍的余量折算到整流管的额定平均电流，所 凡：( 1 铅2 ) 晋：( 1 5 2 ) 0 4 5 7 1 ：3 9 1 , t ， 5 2 删( 2 1 3 ) 流管最高承受电压 = , f 2 u i * 1 1 5 = 压x 3 8 0 x 1 1 5 = 6 1 7 9 v ( 2 1 4 ) 流管承受电压值考虑2 3 倍的余量后，可取额定电压值为1 2 0 0 v 。 2 、输入滤波器 输入滤波器用于将整流后的脉动直流进行平滑滤波，对于桥式逆变电路，采 电容，选择电容首先要考虑足够耐压，其工作电压至少1 2 0 0 v d c ；其次要有足 的许用脉动系数，该系数与工作温度和工作频率有关；第三要有承受瞬时冲击 流的能力；第四，电容的大小要能满足在空载时电压脉动不超过2 。本设计供 为三相3 8 0 v 经全桥整流后电压脉动较小，最后选取4 0 , u f c b b 电容。 2 4 输出整流滤波设计 逆变焊机的输出整流常采用的形式有变压器二次绕组带有中心抽头的全波整 流电路和桥式整流电路。桥式整流电路与全波电路相比，多出一对二极管，增大 了电压损失，故输出整流电路常采用全波整流方式。 l 、输出整流管 输出整流二极管的导通与关断特性是影响主电路的工作频率主要因素之一，影 响i g b t 的瞬时集电极电流与损耗，对电源整体效率有关键的影响。由于整流二极 管工作在2 0 k h z ，不仅要有短的反向恢复时间和和小的反向恢复电流，而且反向 电流的恢复以缓慢为好，减少噪音【2 9 - 3 0 1 。因此逆变焊机中常采用快恢复二极管。 对于单相全波整流电路，硅整流二极管额定电流 2 = o 5 1 = 0 5 x 5 0 0 = 2 5 0 a ( 2 1 5 ) 式中， 厶为硅整流二极管额定电流；，为焊机额定输出电流 整流管承受最大反向电压： 1 4 逆变焊机主电路的设计和仿真 吹。：2 缒：2 x 掣：1 7 6 5 v ( 2 1 6 ) 式中，u 。是i g b t 承受的稳态电压最大值；。是输出整流二极管承受最大反压； ，l 为中频变压器变比。 为扩大电流容量，选用多个整流管并联使用，本设计选取整流管模块为