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1、4逆变焊机主电路的设计4。1逆变焊机的工作原理与特点逆变焊机原理框图如图4。1所示。该系统采用双闭环控制系统，图中If为反馈电流，Uf为反馈电压，19为给定电流，Ug为给定电压,UO为实际输出电压。内环为电流反馈闭环控制，反馈信号由电流霍尔传感器得到。外环为电压反馈闭环控制,反馈信号由电压霍尔传感器得到。具体控制过程后做分析.逆变焊机工作时,先将单相220V/50Hz电压整流并滤波后，变为逆变主回路所需的310V左右平滑直流电压。然后将该直流电压送入逆变主回路,经过大功率电子元件IGBT的交替逆变作用转变成为ZOK左右的中频交流电压,再经过中频降压变压器降压至适合于焊接的几十伏电压,最后经过整
2、流滤波后得到直流焊接输出。借助于控制电路及反馈回路，以及焊接回路的阻抗,可以得到焊接工艺所需的外特性和动特性。其交流变换顺序为：工频交流一直流一中频交流一降压一直流。焊机在“交流一直流一交流”阶段的电压频率发生了改变，所以逆变焊也成为变频焊机。交流和直流反复转换的目的是为了提高该电压的工作频率。我们知道,按照正弦波分析时变压器输出有如下公式60：式中，变压器的体积、重量与Ns有关，而NS与变压器的工作频率f又有直接关系。当凡一定时，若变压器工作频率从工频(SOHz)提高到20KHz，则绕组匝数与铁心截面积的乘积NS就减少到原来的l/400，而主变压器在逆变焊机中通常所占重量为1/3到2/3，因
3、此提高变压器的工作频率可以使逆变焊机的体积和重量显著的减少。同时，钢和铁的电能损耗将随所需材料的明显减少而大大降低,焊接质量也有进一步改善。由于上述原因,逆变焊机与传统的晶闸管式焊机和晶体管式焊机相比，具有众多优点：l）高效节能.逆变焊机材料的减少使焊机整体损耗大大降低,其效率可达80到95,功率因数可提高到0。9以上，空载损耗极小,只有几十瓦,这一点在能源紧张的今天尤为可贵.2）体积小，重量轻.这是逆变焊机最明显的优点,主变压器的重量仅为传统弧焊电源工频变压器的几十分之一。3)动态响应时间短，控制速度提高.该特征是逆变焊机最重要的特点。普通晶闸管焊机的控制周期为3。3ms，而逆变焊机的动态响
4、应时间达到百微妙级，和电弧焊接诸物理过程的时间常数相当，故能更精确地控制电弧焊中各种物理现象，焊接的动态控制成为可能.4）控制能力增强,显著提高工艺性能。控制能力是与控制速度、控制手段密切相关的。它直接反映了焊机适应焊接条件和焊接要求的能力。另一方面,焊机控制能力的增强主要依靠于器件速度的提高、微机的应用及现代化控制力等方法的应用。4.2常用的主电路拓扑结构目前，弧焊逆变焊机主电路所采用的拓扑主要包括全桥式、半桥式、双管正激式和推挽式四种结构.l)全桥式逆变电路全桥式电路一般用于大功率逆变电源中，采用四个功率开关组成两组开关对（S1、S4和S2、S3），两组开关管对交替闭合将输入电流电压变成高
5、频交流，加在变压器上。图4.2为全桥式逆变电路的原理图.全桥式逆变电路对开关管的耐压要求低,变压器的利用率高，易获得大功率输出。但其需要至少四个开关器件及相应的驱动电路，因此它的成本较之其它电路高。全桥式逆变电路是应用最广的，国内外许多厂家如新时代、瑞凌、日本松下、美国林肯等焊机都采用此主电路结构。全桥式逆变电路存在偏磁现象和功率开关管直通问题。偏磁现象是由于功率开关管的开关时间存在差异，将导致变压器所加正负半波的伏秒乘积不同，经过一定时间积累，会使变压器单线偏磁直至饱和,这是变压器相当于短路，由此产生很大的尖峰电流将烧毁功率开关管.通常在变压器原边串入一个无极性隔直电容以改善偏磁问题6016
6、l。2)半桥式逆变电路半桥式逆变电路的拓扑结构如图4。3所示,这种拓扑结构只需要两个开关器件，驱动电路简单.但在电流容量相同的情况下，半桥式逆变电路所输出的最大功率只有全桥式的一半，所以一般只适合于中等功率输出的场合。半桥电路也存在直臂导通的问题。3）双管正激式逆变电路双管正激式逆变电路的原理图如图4。4所示。这种电路控制简单，不存在直臂导通的问题，但开关管所承受的峰值电流和电压较高,同时其高频变压器仅工作在磁滞回线的一侧，故只适合中小功率输出。4)推挽式逆变电路图4.5为推挽式逆变电路的原理图。推挽式逆变电路只用两个开关器件就能获得较大的功率输出。一对功率管的发射极相连，两组驱动电路彼此间无
7、须绝缘，驱动电路简单。但功率管承受的反压较大，原边绕组只有一半时间工作，高频变压器利用率低,适合用于单相输入的电源中。表4.1列出了上述四种拓扑结构的主要性能参数指标。其中所列的公式都是理论计算值，实际应用时由于变压器漏感等寄生参数的存在，实际情况会与理想情况有所不同.比较半桥式和全桥式电路可知，当两者所输入、输出电压和额定功率相同时,虽然承受都是输入电压Vin,但半桥变换器中的开关元件的峰值电流为全桥式变换器的两倍，而输出电压却只有全桥式变换器的一半。因此全桥式变换器更适用于大功率的场合.4。3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
8、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IGBT逆变焊机输出电流为 160A，输出电压为27V,逆变器工作频率为20KHz，要求系统具有平硬外特性和良好的动特性,电流、电压响应要求迅速。由于全桥变换器可以提高变压器的利用率，减小开关元件的电压电流等级，传输功率大,因此在本系统主电路设计采用全桥式结构，拓扑结构图如图4.6所示。主电路主要包括三部分：第一部分，输入整流滤波电路.二极管Dl一D4组成输入整流电路(实际电路用整流模块代替)；电解电容Cl一C3和电阻Rl、咫组成滤波电路。第二部分，逆变器.VTI一VT4为功率开关管IGB
9、T管，与降压变压器T组成逆变器;RS一RS、CS一CS、DS一DS共同组成VTI一VT4的RCD吸收网络,减少IGBT开关过程电流、电压对管子的冲击。第三部分，输出整流滤波电路。快速整流二极管Dg、D10和直流电抗器Ll共同组成单相全波整流滤波输出电路；电阻R3、R4和电容Cg、 C10共同组成Dg、D10的RCD吸收网络。该主电路工作原理为:单相220V电压经过单相桥式整流后，输出为带纹波的直流电压,再经过电解电容Cl一C3组成的滤波电路滤波后得到310V平直的直流电压。当控制电路输出相同占空比的PWM脉冲控制IGBT，使它们轮流导通与关断，此时，直流电压被逆变成20K壬12的交流方波电压。
10、VTI、VT4和VTZ、VT3的轮流导通和关断使中频变压器Tl的原边绕组上的电压为正负对称的方波。变压器的次级绕组感应的交流方波电压大小采用PWM方式进行调节，即改变驱动脉冲的占空比实现。变压器输出的交流方波电压经过快恢复二极管Dg和D10整流后变成方波直流电压，最后经过滤波电感(直流电抗器Ll）滤波后输出较为平直的直流电压 6211631.此时实现了对输出电流的恒流控制。当控制电路输出不同占空比的PWM脉冲控制IGBT组VTI、VT4和VTZ、VT3的开通与关断,则逆变器输出频率为20KHz，幅值相同但平均值不同的交流方波脉冲。经过变压器降压整流滤波后，可以实现脉冲电流的输出。可见，改变控制
11、脉冲的占空比就可以调节焊机电源的输出。PWM脉冲占空比通过软件程序设计，本系统选用相同占空比的PWM脉冲控制IGBT，使焊机输出连续的直流电压。4。4主电路参数的设计计算4.4。1中频变压器的设计中频变压器主要作用是电压变换（降压）、功率传递和实现输人、输出之间的隔离。由于中频变压器工作频率高达ZOKHz,它要求磁芯材料高频损耗尽可能小，此外还要求饱和磁通密度高,随工作温度升高，饱和磁密度的降低尽量小等.对于上述要求，采用性价比较好的铁氧体材料做变压器磁芯,功率损耗明显减少。实际制作的变压器磁芯采用双E型磁芯组合而成。中频变压器一次侧为1组绕组N1,，二次侧为2组绕组N2、N3对称串联。一次电
12、压为方波电压，其幅值为电网输人电压U;经整流滤波后输出的电压，按电网峰值电压计算。式中Ul为中频变压器输入电压的幅值，取320V。二次测电压U2，参考电机的输出空载电压70V，适量取大，留有一定的调节空间取80V，所以匝数比：实际二次电压幅值：在此选用EE118型铁氧体材料磁芯2组，每组磁芯有效截面积A为 11.8cm2，磁通密度变量B为0.2T.因为开关频率设定为20KHz，周期T=50脚，考虑留有一定的“死区负载”，防止IGBT直导通。因此,要求一个周期内导通时间ton25S。式中toN。为每只IGBT在一个周期内导通的最长时间，即最大脉冲宽度；焊机输出电压70V，U2为中频变压器二次测电
13、压幅值80V。电网输入电压经过整流后，电压最大值式中1.15位电网波动系数。所以变压器一次侧匝数至少为:式中N1为中频变压器一次侧匝数，按20匝算，U1m为中频变压器输人电压最大值358V(考虑网压15%波动的峰值)，B为中频变压器时磁芯磁通密度变量0。2T，A为磁芯有效截面积 11.8cm2。二次侧的匝数9： 4。4.2逆变器的设计弧焊逆变器是数字化焊机主电路的核心。根据逆变器所选用的大功率开关器件的不同可分为:晶闸管(GTo）逆变器、晶体管（GTR）逆变器、场效应管（MOSFET)逆变器和绝缘栅双极晶体管aGBT)逆变器等。GTR的开关速度较低，对动态特性有影响，而且是电流驱动方式,驱动功
14、率较大，还存在二次击穿问题二MOSFET有较好的高速控制性能，然而容量小,难以实现大电流,主要应用于小型和轻型设备中。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件，它兼有MOSFET易驱动和功率晶体管电压、电流容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，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.而且IGBT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，开关和通态时功耗小，饱和压降低，安全工作区宽，无二次击穿现象。另外其输入阻抗高，驱动电路功率小且简单，是目前较为理想的功率开关器件，也是目前的发展方向,因此在本设计中采用I
15、GBT作为大功率开关器件。一般认为，逆变频率越高，逆变器的经济指标越高。实际上，逆变频率的选择要受到多种因素制约，例如功率开关器件、快速整流二极管本身的开关速度等。此外，频率越高，对控制线路的设计要求也越高，电路的电磁干扰越严重,功率器件开关功率损耗越大，整机效率不一定更高。因此，频率的选择应该综合考虑。本文设定开关频率为ZOKHz,开关器件选用IGBT比较合适。IGBT的设计、选择直接关系到整个焊机的安全、可靠。所以，选择的参数必须在其正向偏置安全区 (FBSoA）.计算参数时留有的富裕量较大641。1、额定电压UceP输人电网电压整流滤波后，直流输出电压最大值Ud式中为IGBT承受的稳态最
16、大电压，Ui位电网电压的有效值22ov，1。15位电网电压波动系数，a位安全裕量系数。2、关断时的峰值电压 式中认为IGBT关断时的峰值电压;a位安全裕量系数， 1.15为过电压系数,150为Ldi/dt引起的尖峰电压。为保险起见取1200V。3、额定电流Ic中频变压器一次侧电流每只IGBT上流过的平均电流I=0。5*I1=20AIGBT额定电流式中Ics为IGBT额定电流计算值,I为每只IGBT管上平均电流， 1.414为峰值系数，1。5为 1min过载容量系数，1。4为IC减小系数.额定电流IC根据管子电流等级按10OA取。综上所述，所选IGBT管额定电压1200V，额定电流looA。4.4。3输入电路的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
