关于逆变电源的设计

毕业论文课题：学校：院系：班级：指导老师：姓名：日期：逆变焊机控制电路的设计本次的的毕业设计，我的专题是逆变焊机控制电路的设计。逆变焊机的最主要组成部分是逆变弧焊电源，它的功能是把工频交流电整流，再通过功率晶体管的开关逆变成高频交流方波，然后通过变压器降压，整流二极管整流，通过焊枪和工件产生焊接电弧，包括恒压，恒流外特性。一.逆变焊机电源的简介随着现代电力电子技术的发展，各种大功率的电子开关器件的出现，为电子化和数字化弧焊电源的发展奠定了基础。逆变式弧焊电源是一种新型的，而且已经得到广泛应用的电子控制型弧焊电源。AC→DC正变DC→AC逆变逆变弧焊电源是将电流逆变技术应用于弧焊电源中。所谓逆变是相对于常见的交流电经过整流变为直流电而言的，即将直流电变为交流电的变换称为逆变。实现电流逆变的装置称为逆变器，用于弧焊电源的逆变器即为弧焊逆变器。逆变式弧焊电源出现在二十世纪六、七十年代，其优良的性能和显著的特点得到人们的重视，被视为新一代弧焊电源，甚至被称为“20kHz革命”，尤其是在最近十几年，逆变焊接电源得到了快速发展。逆变焊机电源的结构~50Hz传感器给定电路驱动电路输入整流滤波直流直流电子开关电路变压器高压中频电低压中频电（逆变电路）输出整流直流电弧负载TRC电子控制电路放大比较控制电路交流输出滤波主电路二.逆变式弧焊电源的逆变形式（1）ACDCAC即交流直流交流。这种逆变形式最终输出为交流电，交流电的频率为逆变器的逆变频率，远远高于工频。由于频率高的交流电传输的损耗较大，传输距离等受到限制，因此在实际弧焊电源中很少采用。（2）ACDCACDC即交流直流交流直流。这种逆变形式最终输出的是直流电，是目前大多数逆变式直流弧焊电源所采用的形式。（3）ACDCACDCAC即交流直流交流直流交流。这种形式有两次逆变，最终输出的是方波交流电。方波交流电的频率可以选择得较低，一般用于铝、镁及其合金材料的焊接。目前交流逆变式弧焊电源、变极性逆变式弧焊电源往往采用此种形式。三.逆变式弧焊电源的特点1．体积小、重量轻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，所占比例可达80％以上。在变压器设计中，根据有关电磁定律可以推出电压U与变压器工作频率f、铁心截面S、铁心材料的最大磁感应强度Bm以及绕组匝数N之间的关系：Bm的大小与变压器铁心的磁性材料有关，磁性材料确定后，Bm也就确定了。当输入电压U确定后，变压器的工作频率f与变压器线圈匝数N和铁心截面S的乘积成反比。当f大幅度提高时，NS就会大幅度下降，相应的变压器体积和重量也大幅度减小。由于逆变弧焊电源中的逆变频率远远高于工频，因此，其变压器的体积和重量会大大减小。而且逆变频率越高，变压器体积和重量减小得越多。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。由此可见，变压器和电抗器体积、重量的大幅度减小，将使逆变式弧焊电源本身的体积和重量大幅度减小。例如：一个额定电源为300A的逆变式弧焊电源重约35Kg，体积0.06m3；而一个相同额定电流的晶闸管弧焊整流器重约180Kg，体积0.65m3。由表7-2可以看到逆变式弧焊电源与常用传统弧焊电源体积与重量之间的比较。逆变式弧焊电源较小的重量和体积为其生产、运输、使用等提供了极大的方便，尤其适用于流动及高空作业2．高效节能逆变式弧焊电源的变压器和电抗器的体积和重量大大减小，相应的铁损(铁心磁损耗)和铜损(导线耗能)也随之减小；又因逆变频率高，通电周期小，变压器的励SfNBUm磁电流很小；逆变式弧焊电源半导体功率开关器件工作于开关状态，比工作于模拟状态的半导体功率器件的功耗小。因此，逆变式弧焊电源效率高，功率因数高，节约电能，可减少配电容量。表7-2也列出了逆变式弧焊电源与常用传统弧焊电源有关效率、功率因数等参数的比较。3．动特性好、控制灵活普通的弧焊电源工作频率为工频或其倍频，控制周期较长，回路中保持电流稳定的输出电抗器电感较大。即使是晶闸管双反星型式弧焊整流器的工作频率也仅为六倍工频，控制周期为3.3ms。而逆变式弧焊电源的工作频率很高，例如20KHz工作频率的逆变弧焊电源的控制周期可达50µs；且因工作频率高，焊接回路中起滤波作用的电感值也较小，从而使整个回路的时间常数减少，控制过程的动态响应速度加快。逆变式弧焊电源的外特性、动特性等性能主要由电子控制电路进行调节。电子控制电路的变化和调整灵活、方便，易于在一台电源上实现多种特性的输出，甚至在焊接过程中也可以根据要求切换不同的特性。4．元器件特性要求高，电路复杂逆变弧焊电源是典型的电力电子装置，是高精度电子控制电源，因此电路复杂。普通弧焊电源工作频率低，一般工作波形为正弦波，du/dt、di/dt较小。而逆变电源由于工作频率高，内部电流换向快，变化剧烈，对du/dt、di/dt等动态参数的影响十分明显。在这样严酷的工作条件下，逆变电源的电子功率开关等元器件被击穿、烧穿的可能性大大增加。为了保证逆变弧焊电源的可靠性、稳定性，不仅需要高质量、高性能的元器件，而且需要设计、应用许多保护电路。这也是逆变式弧焊电源控制电路复杂的重要因素之一。这次我选择的是逆变式交流方波弧焊电源~50Hz主电路控制电路直流弧焊电源电弧负载逆变器驱动电路方波控制电路传感检测V1V3+V2V4弧焊电源+-1.电流型控制有许多的优点：1逐个脉冲控制，动态响应快，调节性能好：因为检测的是原边电流，所以不会出现电压型控制电路中由于滤波电感的存在而导致响应速度慢的问题，因此电流型控制有输出精度高，稳定性好的优点。2具有瞬态的保护能力，能迅速对电力电子器件进行保护：因为内环逐个脉冲控制，当变压器原边电流过流时，能迅速对电力电子器件进行保护。3能防止高频变压器偏磁的发生：高频变压器发生偏磁时，励磁电流增加，容易烧毁变压器，电流型控制中采用检测原边电流的方法，能自动对称变压器的动态磁平衡。4有利于并联均流：在多个电源模块并联时可提供自动均流功能2控制电路的设计(1)ig正半周，即ig0时比较器CMP1输出高电平，S3一直关断。时钟信号CLK的上升沿将触发器RS1置1，S1、S4导通，S2关断，UAB为＋E，iL按式(1)上升M1=diL/dt=(E－U0)/L(1)当iL升至ifig时RS1翻转，S1关断、S2导通，UAB为0，iL按式(2)变化M2=diL/dt=－U0/L(2)若U00，则iL下降，至开关周期结束；而若U00，则iL继续上升，此时可能出现三种情况：①if上升率小于ig，则if相对于ig下降至开关周期结束；②if上升率略大于ig，开关周期结束时if大于ig而小于ig＋h，则下一个开关周期仍保持该状态(UAB为0）；③若if升至ig＋h，则CMP3翻转为1、将RS3清零，S4关断，负载通过D2、D3续流，UAB为－E，iL按式(3)下降至开关周期结束。if的峰值不大于ig＋hM2=diL/dt=－(E＋U0)/L(3)(2)ig负半周，即ig比较器CMP1输出低电平，S4一直关断。时钟信号CLK的上升沿将触发器RS2清0，S2、S3导通，S1关断，UAB为－E，iL按式(3)下降。当iL降至if时RS2翻转，S2关断、S1导通，UAB为0，iL按式(2)变化：若U0，则iL上升至开关周期结束；而若U00，则iL继续下降，此时也可能出现三种情况：①if下降率小于ig，则if相对于ig上升至开关周期结束；②if下降率略大于ig，开关周期结束时if小于ig而大于ig－h，则下一个开关周期仍保持该状态(UAB为0)；③若if降至ig－h，则CMP4翻转为1，RS3清零，S3关断，负载通过D1、D4续流，UAB为＋E，iL按式(1)上升至开关周期结束。|if|的峰值不大于|ig－h|，即|ig|＋h。