弧焊电源设计论文

1、沈阳理工大学课程设计论文目录1 绪论12 主电路的设计32.1 主电路的选择32.2 变压器的选择72.2.1 变压器的设计72.2.2 初步确定变压器的主要尺寸82.2.3 计算一、二次绕组82.2.4 确定铁芯尺寸102.2.5 铁心的最后计算112.2.6 绕组质量及铜铁质量比计算122.3 晶闸管的选择122.3.1 晶闸管的额定电压132.2.2 晶闸管的额定电流132.2.3 通态平均电压142.4 直流电抗器的选择142.4.1 设计步骤152.4.2 直流电抗器的计算163 移相触发电路及零部件173.1 对触发脉冲的要求173.2 触发电路的选择183.3 二极管的选择19附

2、录a21附录b22附录c23参考文献24251 绪论整流电路技术在工业生产上应用极广。如调压调速直流电源、电解及电镀的直流电源等。整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20 世纪70 年代以后,主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间,用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电,网与整流电路之间的电隔离(可减小电网与电路间的

3、电干扰和故障影响)。整流电路的种类有很多,有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。整流器的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对电源电压大小的要求,或者为了提高可控整流装置的功率因数,一般可在输入端加接整流变压器,把一次电压u1,变成二次电压u2。由晶闸管等组成的全控整流主电路,其输出端的负载,我们研究是电阻性负载、电阻电感负载(如直流电动机的励磁绕组,滑差电动机的电枢线圈等)。以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。为此,只要改变触发电路所提供的触发脉冲

4、送出的早晚,就能改变晶闸管在交流电压u2 一周期内导通的时间,这样负载上直流平均值就可以得到控制。晶闸管（thyristor）是晶体闸流管的简称，又被称为可控硅整流器(silicon controlled rectifiedscr)，以前简称可控硅。在电力二极管开始应用后不久，1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司开发出世界上第一支晶闸管，从此揭开了电力电子技术发展和应用的序幕。由于晶闸管容量大、耐压高、功耗小，具有良好的可控性，很适合制作弧焊电源，因此在20世纪60年代初期，便出现了以晶闸管为整流元件的弧焊电源晶闸管式弧焊整流器。它采用小功率信号改变晶闸管的导通角来

5、实现对弧焊电源外特性的控制以及焊接参数的调节。目前在各种弧焊电源中，晶闸管式弧焊整流器的应用较为广泛。一般晶闸管式弧焊整流器由主电路、维弧电路、控制电路组成。主电路由三相主变压器t、晶闸管组v和输出直流电感l组成。二极管组vd和限流电阻r构成维弧电路。控制电路由给定电路g、检测电路m、比较电路和触发电路组成。大功率晶闸管组v受控于触发电路。触发脉冲的移相可以改变晶闸管导通角的大小，晶闸管导通角大，则焊接电流（电压）也大；反之亦然。晶闸管式弧焊整流器外特性控制是借助于电流、电压反馈信号，当需要获得下降外特性时，触发脉冲的相位由给定电压和电流反馈信号经比较后得到的控制信号确定；当需要获得平外特性时

6、，触发脉冲的相位由给定电压和电压反馈信号确定；当需要获得任意外特性时，触发脉冲的相位由电压、电流反馈信号的比例确定，改变这个比例，就可以得到任意外特性。2 主电路的设计2.1 主电路的选择晶闸管式弧焊整流器主电路主要有三种：三相桥式半控电路、三相桥式全控电路以及带平衡电抗器双反星形电路。按任务要求此处选择三相桥式半控电路。三相桥式半控整流电路的负载一般分为两种：电阻性负载、电阻电感性负载。电阻性负载时，当晶闸管导通角时，输出电压、电流波形在一个周期只有三个波峰。脉动较大，甚至还会出现不连续，因此在弧焊中是不适用的。电阻电感性负载时，整流电路由三个晶闸管、和三个二极管、组成，为负载，t为变压器，

7、l为输出电抗器。令l的电感值足够大，则当为零出现间断时，负载电流的减小产生自感电势,其正负极性如图2.1所示，它可以维持电流不致中止。若l值越大，则的波形波动愈小。但l值过大常会导致晶闸管失控甚至损坏。为避免上述问题的产生，应在负载两端接上续流管。因此，当整流电压间断时，由l、和构成回路续流，即使不中止，又能使晶闸管按时关断。于是加续流管后，整流器输出的电压波形与电阻性负载的相同。图2.1 带电阻电感负载的三相桥式半控整流电路图 当晶闸管控制角=0时波形分析如图2.2所示。分别在自然换向点wt1、wt3、wt5，触发三只晶闸管，使其轮流导通。而二级管则在自然换向点wt2、wt4、wt6处自然换

8、向。例如，在wt1由ug1触发晶闸管v1，则它与阴极电位最负的两级管vd6一起导通，将线电压uab加到负载两端。过了wt2，变成vd2比vd6的阴极电位更低（即ucua，使晶闸管v1承受反向阳极电压而关断，于是由晶闸管v3替换v1与二极管vd2串联导通，负载rf两端电压是ubc。依此类推，各管的导电顺序以及rf两端电压和电流波形如图2.2所示。此时整流电路的工作情况和负载上的电压电流波形，与不可控整流电路相同，称为全导通状态，每周内有六个波峰，每只晶闸管导通角120，整流电压平均值最大，其值为2.34u2，u2是变压器二次相电压的有效值。图2.2 =0三相桥式半控整流电路电阻负载波形a) 相电

9、压 b）负载电压 c）触发电压 d）管子导通顺序当=30时，如图2.3所示，wt1时刻v1管触发导通，电源电压uab通过v1和vd6加于负载r1两端。在wt2时，共阳极组整流二极管vd2与vd6自然换向，所以在wt2之后，vd2导通，电源电压uac通过v1、vd2加于负载，一直到wt3时刻，v3管导通后使v1承受反压而关断，电路转换为v3与vd2导通。rf两端电压为ubc.依此类推从输出电压波形看每个周期有六次脉动，且脉动是不均匀的，如图2.3所示。图2.3 =30三相桥式半控整流电路电阻负载波形a) 相电压 b）负载电压 c）触发电压 d）管子导通顺序 当控制角=60时，即在滞后于自然换向点

10、60处触发晶闸管得到的负载波形如图2.4所示。其特点是，在触发晶闸管时正值二极管的自然换向点，因而晶闸管与二极管同时换向。例如，在wt1处ug1触发v1，这时正是c与b相二极管的换向点，故v1与vd2同时导通，ud=uac,直至过了120，在wt3处uac=0，v1关断，但同时ug3 触发v3，vd2与vd4换相改为由v3与vd4导通，ud=ubc.如此类推，可得到图2.4所示波形。由该图可以看出，=60是该电路整流正压、电流波形连续的临界点。若继续增大，则由于某一线电压为0时，前一晶闸管已经关断，而后一晶闸管尚未受到触发不能导通。直至下一触发电压到来时又继续接通整流电路,这随着就使ud、id

11、波形出现间断。随着的增大，只要将图2.4中的垂线部分往右移，即得到不同时的ud、id波形。可以导出负载电压平均值ud与控制角的关系如下：ud=2.34u2。式中u2是变压器二次相电压有效值。当=0即全导通时，ud=2.34u2。随着的增大，即ud减小。=180时，ud=0,即输出负载短路。角是从换向点开始算起，如图2.4所示，可见触发电压移向范围为30150，即这种整流电路从空载到短路要求触发电压移相范围为120图2.4 =60三项桥式半控整流电路电阻负载波形a) 相电压 b）负载电压 c）触发电压 d）管子导通顺序2.2 变压器的选择2.2.1 变压器的设计1、设计三相变压器的基本参数:输出

12、直流空载电压：ud0=70v。额定输出直流电流：ide=380a。额定负载持续率：fse=60。相数：m=3。整流器形式为三相桥式半控整流电路。一次线电压：ull=380v。绕组接法：y/型。冷却方式：强迫风冷。2、计算变压器容量、相电压及相电流1)直流输出功率pd pd= ud0ide10-3=70v380a10-3=26.6kw (2.1)2)直流输出长期功率pde pde= pd=26.6kw20.6kw (2.2)3)变压器输入长期功率(计算容量)pbc pbc=kbpde=1.0520.6kw21.63kw (2.3)4)变压器一次相电压u1，对于y/接法为 u1 = ull /=3

13、80v/220v (2.4)5)变压器一次长期相电流i1c i1c =1.1=1.132.8a (2.5)式中1.1考虑励磁电流影响的系数。6)变压器二次线电流i2l i2l=kiide=0.816380a310a (2.6)7)变压器二次长期线电流i2lc i2lc=i2l240a (2.7)8)变压器二次长期相电流i2c，对于y/型接法 i2c=i2lc=240=139a (2.8)9)变压器二次线电压u2l u2l=kuudo=0.7470=51.8v52v (2.9)式中 ku-直流电压换算为交流电压的系数，对于型接法，ku=0.7410)变压器二次相电压u2，对于y/型接法 u2=u

14、2l=52v (2.10)2.2.2 初步确定变压器的主要尺寸选择铁心材料及确定磁通密度bm，铁心选用d41-0.5热轧硅钢片，取bm=0.8t。计算变压器铁心的截面积sfe。铁心截面积sfe可按经验公式计算： sfe=100.7cm2 (2.11)式中 sfe-铁心截面积（cm2） pbc-长期三相总功率（kw） bm-磁通密度（t）（2030）系数-当希望省铜时，可用30；希望省铁时，可用20。2.2.3 计算一、二次绕组1)计算每伏电压匝数n0（匝/v） n0=45/bmsfe=45/0.8100.70.56匝/v (2.12)式中 bm-铁心中最大的磁通密度（t） sfe-铁心截面积（

15、cm2）2)计算一、二次绕组匝数n1、n2 n1=u1n0=2200.56=123.2匝124匝 (2.13) n2=u2n0(1+5%)=520.56(1+5%)=30.5匝31匝 (2.14)3)确定导线截面积s1、s2，取电流密度j=4a/mm2 =0.565=8.2mm2 (2.15) =0.565=34.75mm2 (2.16)式中 kz-与导线电流密度有关的计算系数0.565 s1、s2-一次和二次绕组导线的截面积（mm）表2.1 许用电流密度j 变压器容量许用电流密度 j/amm-2绝缘等级，冷却方式10100pb/va1001000pb/va110pb/kva10100pb/k

16、va100ib/kvaa级（自冷）a级（风冷）a级（油冷）53.5-3.5264-2.41.853-32434.5321.332.55.54.5b级（自冷）b级（风冷）b级（油冷）64-42.575-2.82.05.53.5-2.61.84.53.553.521.63.5365表2.2 计算系数kz的取值表载流密度2 a/mm22.5 a/mm23.2 a/mm24 a/mm24.5 a/mm2kz0.7990.7150.6520.5650.533由此查阅jb1174-74选择一次绕组导线为聚酯漆包扁铜线24.5/qzb，二次绕组导线为聚酯漆包扁铜线3.5510/qzb。一次导线有效面积 s1

17、=a1b1-0.858r12=24.5-0.8580.652=8.63 (2.17)二次导线有效面积 s2=a2b2-0.858r22=3.5510-0.8580.82=34.8 (2.18)校核电流密度 j1=i1c/ s1=32.88.63=3.8 a/mm2 (2.19) j2=i2c/ s2=13934.8=3.99a/mm2 (2.20)2.2.4 确定铁芯尺寸1、排列导线，绕组形式采用并式绕组2、考虑到导线绝缘层厚度，根据所选导线的材质与型号查表知一次侧导线绝缘层厚度2取0.360.5，2取0.37；二次侧导线绝缘层厚度2取0.430.58，2取0.52。3、并式绕组的宽度尺寸一次

18、绕组共8并，每并16匝，其径向尺寸为=（a1+2）n11.1=(1.8+0.4) 161.1=38.7239mm (2.21)二次绕组共4并，每并8匝，其径向尺寸为=（a2+2）n21.12=(3.55+0.45) 81.12=70.471mm (2.22)4、窗口宽度尺寸 b= + +10+22=39+71+10+4=124mm (2.23)5、窗口高度尺寸 h=102+( b1+2)m1+( b2+2) m2+87+34 (2.24)=102+4.878+10.524+56+12=169.4170mm6、铁心外形尺寸 sfe=1.5a2 (2.25) b=1.5a (2.26)由上述两式可

19、得b=122.9mm123mm，a=81.93mm82mm。铁心毛厚度为 =13.22cm。 (2.27)2.2.5 铁心的最后计算1、硅钢片的层数 n=b/0.5=1230.5=246 (2.28) 式中b变压器铁心净厚度（mm）2、硅钢片尺寸及数量各种硅钢片尺寸a种：（h+a）a=(170+82)82=252mm82mmb种：（a+2b）a=(82+2124)82=330mm82mmc种：（a+b）a=(82+124)82=206mm82mm各种硅钢片总片数a种：=3n=3246=738片b种：=n=246片c种：=2n=2246=492片3、铁心质量=7.6(252820.5738+33

20、0820.5246+206820.5492) =7.6(7625016+3328380+4155432) =114827.0928g115 kg2.2.6 绕组质量及铜铁质量比计算1、一次绕组铜质量线圈平均匝长 l1=2(2+a+2+ b) (2.29) =2(2+39+82+2+39+132.2) =592.4mm59.3cm铜质量 = (2.30) =38.959.3cm1248.63 =16943.3g17 kg2、二次绕组铜质量线圈平均匝长 l2=2(2+a+2+ b) (2.31) =2(2+71+82+2+71+132.2) =720.4mm=72cm铜质量 = (2.32) =3

21、8.972cm3134.8 =20738.85g21 kg3、绕组铜质量=+=17+21=38kg (2.33)4、铁铜质量比 (2.34)2.3 晶闸管的选择晶闸管是一种大功率的半导体器件，它具有体积小、质量轻、耐压高、容量大、效率高、使用维护简单和控制灵敏等优点。晶闸管的导通必须同时具备两个条件：1） 晶闸管阳极电路加正向电压。2） 晶闸管门极电路加适当的正向电压。在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，即使门极电流消失，晶闸管仍然处于导通状态。所以，晶闸管是一个可控的单向导电开关它与具有一个pn结的二极管相比，其差别在于晶闸管正向导电受门极电流的控制，与具有两个

22、pn结的晶体管相比，其差别在于晶闸管对门极电流没有放大作用。2.3.1晶闸管的额定电压额定电压是指通常断态重复峰压和反向重复风压二者之中的较小者，再下靠相近的电压等级，该等级电压便是器件的额定电压。晶闸管的额定电压必须大于其实际承受的最大电压的23倍。由式(2.9) 、(2.10)可知此处晶闸管实际承受的最大电压为52v，所以晶闸管的额定电压最少为156v，向上取整为200v，所选电压等级为2级。2.2.2 晶闸管的额定电流晶闸管的额定电流即额定通态平均电流。值是确定晶闸管电流容量的一项主要指标，它是在环境温度为40和规定的冷却条件下，稳定结温不超过额定结温时，测得的通过器件单相工频正弦半波电

23、流在一个整周期内的平均值。管芯的升温是电流流过晶闸管时产生热效应引起的，而热效应是用电流有效值来表征的因此选择晶闸管电流容量时，先要根据的定义条件换算成电流有效值，再同电路实际工作电流有效值比较确定的。与电流有效值的关系为 (2.35)而幅值为的半波正弦电流有效值为 (2.36)式（2.2）表明：晶闸管允许流过电流的有效值是其额定电流的1.57倍。则晶闸管的额定电流为 =88.8a (2.37)向上取整为90a。2.2.3 通态平均电压通态平均电压是指在规定环境温度和标准散热条件下，当器件通以额定电流、结温稳定时，晶闸管阳极和阴极间电压降的平均值（正向管压降），由于晶闸管的数值不同，共分成九个

24、级别，见表2.3。值越小，通态损耗越小，说明管子质量越好。表2.3 晶闸管按通态平均电压分组组别/v组别/v组别/va0.4d0.60.7g0.91.0b0.40.5e0.70.8h1.01.1c0.50.6f0.80.9i1.11.2由式(2.9) 、(2.10)可知=0.20.4，所以等级为a级。综上所述，所选晶闸管为kp902e。2.4 直流电抗器的选择电抗器实际上就是带铁心的线圈。当这线圈流过交流电流i时，有磁势i（为电抗器线圈匝数）在铁心中产生磁通。通常是按正弦规律变化的，在线圈上有自感电动势产生，=4.44f。在交流电路中起电抗压降作用，故=i,即=。由此可见，改变和可以改变。按调

25、节的办法不同，电抗器可分为：调节空气隙式、调节线圈式、饱和电抗器式。设计的已知条件为电感中流过的直流电流及要求的电感量。需求解电感的铁心尺寸，匝数n和气隙。线性电感的概念就是电感基本上不随电流而变化，而磁通密度却与电流保持线性关系。这时使铁心在整个磁路内不饱和，则磁导率必然很大。若b，由书查得900，也就是铁心的磁导率是空气的900倍。这样就可以认为铁心的磁导率与空气相比为无穷大，所以可以认为全部磁势都降落在气隙中。也就是说，全部磁路长度就是空气隙的长度，则 l= (2.38)式中=0.4h=1.25h。设计完毕，还应校核所设计电抗器的磁通密度b（t），即 b=1.25 (2.39)如果b，则

26、合格，否则应重新设计，加大铁心尺寸和质量。2.4.1 设计步骤经验公式 n1000 (2.40)式中 l 电感量0.810（h） n电感线圈匝数（匝）。计算气隙l0（cm） (2.41)式中 i通过电感的电流（a） n电感线圈匝数（匝） b磁通密度（t） 一般取b=0.8t。铁心截面积 sfe(cm2) (2.42)计算导线截面积scu ，计算窗口尺寸 (2.43) (2.44)式中 k窗口填充系数。k=0.20.3（考虑通风散热，取k较小者）。2.4.2 直流电抗器的计算已知额定直流电流为380a,fs=60。线圈匝数n n=1000=1000=28.3 （2.45）计算气隙l0（cm） =

27、0.62 （2.46）铁心截面积 sfe(cm2) =49.5 （2.47）计算导线截面积scu ,取j=4a/mm2，则 =27 （2.48）由此查阅jb1174-74选择绕组导线为聚酯漆包扁铜线2.810/qzb，有效面积为 2.810-0.8580.80.8=27.45 （2.49）窗口尺寸s窗 ，取k=0.2，则 =3820.5 （2.50）3 移相触发电路及零部件触发电路一般由同步电路、脉冲形成电路、脉冲移相和放大电路等组成。按触发电路使用的器件可分为单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、数字式触发电路和集成触发电路等几种。3.1 对触发脉冲的要求晶闸管门极控制电路称为触发电路。触发电

28、路是用来产生移相和触发脉冲的，为保证晶闸管可靠地工作，触发脉冲必须满足如下要求：1. 触发脉冲应有足够的功率 信号极性要求门极为正，阴极为负。晶闸管出厂时其触发参数均写在标签上。弧焊电源使用的晶闸管其触发电压一般在24v,触发电流一般在50200ma。2. 触发脉冲相位必须与加在晶闸管上的阳极电压同步 触发脉冲与主电路电源电压应有相同频率且保持一定相位关系称为同步。这样才能保证在每个周期中都以相同的相位触发，即各周期的控制角不变，从而可输出稳定的电流电压。否则负载上的电压会忽大忽小，甚至触发脉冲出现在电源电压的负半周，使主电路不能正常工作。3. 触发脉冲可以移相且能达到所要求的移相范围 为了调

29、节焊接参数和控制电源的外特性形状，需要改变晶闸管的控制角，即通过移相触发电路改变触发脉冲相位。晶闸管弧焊电源的输出电压从0v到最大值，对应的控制角的调节范围即为所要求的触发脉冲移相范围。对于三相桥式全控、带平衡电抗器双反星形和六相半波可控整流电路，触发脉冲移相范围为090。对于三相半控整流电路则要求0180。4. 触发脉冲应有一定的宽度 脉冲前沿应尽可能陡，以使晶闸管导通后阳极电流迅速上升，超过擎住电流而维持可靠导通。特别是当主电路存在大电感负载时，电流上升速度较慢，触发脉冲宽度通常要求有1ms以上宽度。对于三相全控整流电路，要求脉冲宽度大于60或采用双窄脉冲。5. 多路触发脉冲之间应有电气隔

30、离 尤其是在三相全控整流电路各路触发脉冲必须在电气上隔离。3.2 触发电路的选择自从1957年美国的ge公司发明晶闸管至今，其控制技术一直是电力电子行业探索的课题。晶闸管控制技术主要是移相触发电路的设计，20世纪60年代至70年代都采用分离元件，80年代经历了模拟数字集成时期，目前移相触发电路已完成了大规模集成电路和全数字化转变，并已逐步取代分离元件电路。集成触发电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。国内常用的有kj系列和kc系列，两者生产厂家不同，但很相似，如kc04与kj004，其引脚和性能完全相同，二者可以互换使用。本次设计为三相桥式半控整流电路，因此选择kcz3集成化三脉

31、冲触发电路。其触发组件如图所示： 图3.1 集成化触发电路图功能与特点：主要适用于三相桥式半控整流器的触发。每项输出能可靠驱动一只大功率晶闸管，具有能够应用于各种移相控制电压，同步方式简单等特点。交流同步电压：10v移相控制电压：0+8v移相范围：170输出级允许负载电流：300ma脉冲前沿：1s电源电压：+15v,-15v（5%）消耗电流：+50 ma，-10 ma允许使用环境温度：-10+703.3 二极管的选择二极管共有两根引脚，通常两根引脚沿轴向伸出。常见的二极管体积不大，与一般电阻相当。其作用是防止电路中电压电流的突变，为反向电动势提供耗电通路。电感线圈可以经过它给负载提供持续的电流，以免负载电流突变，起到平滑电流的作用。在开关电源中，就能见到一个由二极管和电阻串连起来构成的的续流电路。这个电路与变压器原边并联。当开关管关断时，续流电路可以释放掉变压器线圈中储存的能量，防止感应电压过高，击穿开关管。整流二极管vd2、 vd4 、vd6的选择整流二极管一种用于将交流电转