逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計(jì)

1、4逆變焊機(jī)主電路的設(shè)計(jì)4.1逆變焊機(jī)的工作原理與特點(diǎn)逆變焊機(jī)原理框圖如圖4.1所示。該系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖中If為反饋電流，Uf為反饋電壓，19為給定電流，Ug為給定電壓，UO為實(shí)際輸出電壓。內(nèi)環(huán)為電流反饋閉環(huán)控制，反饋信號(hào)由電流霍爾傳感器得到。外環(huán)為電壓反饋閉環(huán)控制，反饋信號(hào)由電壓霍爾傳感器得到。具體控制過(guò)程后做分析.逆變焊機(jī)工作時(shí)，先將單相220V/50Hz電壓整流并濾波后，變?yōu)槟孀冎骰芈匪璧?10V左右平滑直流電壓。然后將該直流電壓送入逆變主回路，經(jīng)過(guò)大功率電子元件IGBT的交替逆變作用轉(zhuǎn)變成為ZOK左右的中頻交流電壓，再經(jīng)過(guò)中頻降壓變壓器降壓至適合于焊接的幾十伏電壓，最后經(jīng)過(guò)整

2、流濾波后得到直流焊接輸出。借助于控制電路及反饋回路，以及焊接回路的阻抗，可以得到焊接工藝所需的外特性和動(dòng)特性。其交流變換順序?yàn)?工頻交流一直流一中頻交流一降壓一直流。焊機(jī)在“交流一直流一交流”階段的電壓頻率發(fā)生了改變，所以逆變焊也成為變頻焊機(jī)。交流和直流反復(fù)轉(zhuǎn)換的目的是為了提高該電壓的工作頻率。我們知道，按照正弦波分析時(shí)變壓器輸出有如下公式60:式中，變壓器的體積、重量與Ns有關(guān)，而NS與變壓器的工作頻率f又有直接關(guān)系。當(dāng)凡一定時(shí)，若變壓器工作頻率從工頻(SOHz)提高到20KHz，則繞組匝數(shù)與鐵心截面積的乘積NS就減少到原來(lái)的l/400，而主變壓器在逆變焊機(jī)中通常所占重量為1/3到2/3，因

3、此提高變壓器的工作頻率可以使逆變焊機(jī)的體積和重量顯著的減少。同時(shí)，鋼和鐵的電能損耗將隨所需材料的明顯減少而大大降低，焊接質(zhì)量也有進(jìn)一步改善。由于上述原因，逆變焊機(jī)與傳統(tǒng)的晶閘管式焊機(jī)和晶體管式焊機(jī)相比，具有眾多優(yōu)點(diǎn):l)高效節(jié)能。逆變焊機(jī)材料的減少使焊機(jī)整體損耗大大降低，其效率可達(dá)80%到95%，功率因數(shù)可提高到0.9以上，空載損耗極小，只有幾十瓦，這一點(diǎn)在能源緊張的今天尤為可貴。2)體積小，重量輕。這是逆變焊機(jī)最明顯的優(yōu)點(diǎn)，主變壓器的重量?jī)H為傳統(tǒng)弧焊電源工頻變壓器的幾十分之一。3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，控制速度提高。該特征是逆變焊機(jī)最重要的特點(diǎn)。普通晶閘管焊機(jī)的控制周期為3.3ms，而逆變焊機(jī)的動(dòng)

4、態(tài)響應(yīng)時(shí)間達(dá)到百微妙級(jí)，和電弧焊接諸物理過(guò)程的時(shí)間常數(shù)相當(dāng)，故能更精確地控制電弧焊中各種物理現(xiàn)象，焊接的動(dòng)態(tài)控制成為可能。4)控制能力增強(qiáng)，顯著提高工藝性能?？刂颇芰κ桥c控制速度、控制手段密切相關(guān)的。它直接反映了焊機(jī)適應(yīng)焊接條件和焊接要求的能力。另一方面，焊機(jī)控制能力的增強(qiáng)主要依靠于器件速度的提高、微機(jī)的應(yīng)用及現(xiàn)代化控制力等方法的應(yīng)用。4.2常用的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)目前，弧焊逆變焊機(jī)主電路所采用的拓?fù)渲饕ㄈ珮蚴?、半橋式、雙管正激式和推挽式四種結(jié)構(gòu)。l)全橋式逆變電路全橋式電路一般用于大功率逆變電源中，采用四個(gè)功率開(kāi)關(guān)組成兩組開(kāi)關(guān)對(duì)(S1、S4和S2、S3)，兩組開(kāi)關(guān)管對(duì)交替閉合將輸入電流電壓變

5、成高頻交流，加在變壓器上。圖4.2為全橋式逆變電路的原理圖。全橋式逆變電路對(duì)開(kāi)關(guān)管的耐壓要求低，變壓器的利用率高，易獲得大功率輸出。但其需要至少四個(gè)開(kāi)關(guān)器件及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，因此它的成本較之其它電路高。全橋式逆變電路是應(yīng)用最廣的，國(guó)內(nèi)外許多廠家如新時(shí)代、瑞凌、日本松下、美國(guó)林肯等焊機(jī)都采用此主電路結(jié)構(gòu)。全橋式逆變電路存在偏磁現(xiàn)象和功率開(kāi)關(guān)管直通問(wèn)題。偏磁現(xiàn)象是由于功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)間存在差異，將導(dǎo)致變壓器所加正負(fù)半波的伏秒乘積不同，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間積累，會(huì)使變壓器單線偏磁直至飽和，這是變壓器相當(dāng)于短路，由此產(chǎn)生很大的尖峰電流將燒毀功率開(kāi)關(guān)管。通常在變壓器原邊串入一個(gè)無(wú)極性隔直電容以改善偏磁問(wèn)題60

6、16l。2)半橋式逆變電路半橋式逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4.3所示，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。但在電流容量相同的情況下，半橋式逆變電路所輸出的最大功率只有全橋式的一半，所以一般只適合于中等功率輸出的場(chǎng)合。半橋電路也存在直臂導(dǎo)通的問(wèn)題。3)雙管正激式逆變電路雙管正激式逆變電路的原理圖如圖4.4所示。這種電路控制簡(jiǎn)單，不存在直臂導(dǎo)通的問(wèn)題，但開(kāi)關(guān)管所承受的峰值電流和電壓較高，同時(shí)其高頻變壓器僅工作在磁滯回線的一側(cè)，故只適合中小功率輸出。4)推挽式逆變電路圖4.5為推挽式逆變電路的原理圖。推挽式逆變電路只用兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件就能獲得較大的功率輸出。一對(duì)功率管的發(fā)射極相連，兩組驅(qū)動(dòng)電路彼此

7、間無(wú)須絕緣，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。但功率管承受的反壓較大，原邊繞組只有一半時(shí)間工作，高頻變壓器利用率低，適合用于單相輸入的電源中。表4.1列出了上述四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要性能參數(shù)指標(biāo)。其中所列的公式都是理論計(jì)算值，實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于變壓器漏感等寄生參數(shù)的存在，實(shí)際情況會(huì)與理想情況有所不同。比較半橋式和全橋式電路可知，當(dāng)兩者所輸入、輸出電壓和額定功率相同時(shí)，雖然承受都是輸入電壓Vin，但半橋變換器中的開(kāi)關(guān)元件的峰值電流為全橋式變換器的兩倍，而輸出電壓卻只有全橋式變換器的一半。因此全橋式變換器更適用于大功率的場(chǎng)合。4.3本系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)方案逆變焊機(jī)的主電路承擔(dān)著轉(zhuǎn)換、傳遞能量的任務(wù)，是整個(gè)電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)。主電路

8、必須安全、可靠，器件參數(shù)的選擇應(yīng)該以極限工作條件為依據(jù)，并留有一定余量，保證所選器件工作在安全區(qū)域。本文設(shè)計(jì)的IGBT逆變焊機(jī)輸出電流為 160A，輸出電壓為27V，逆變器工作頻率為20KHz，要求系統(tǒng)具有平硬外特性和良好的動(dòng)特性，電流、電壓響應(yīng)要求迅速。由于全橋變換器可以提高變壓器的利用率，減小開(kāi)關(guān)元件的電壓電流等級(jí)，傳輸功率大，因此在本系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)采用全橋式結(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖4.6所示。主電路主要包括三部分:第一部分，輸入整流濾波電路。二極管Dl一D4組成輸入整流電路(實(shí)際電路用整流模塊代替);電解電容Cl一C3和電阻Rl、咫組成濾波電路。第二部分，逆變器。VTI一VT4為功率開(kāi)關(guān)管I

9、GBT管，與降壓變壓器T組成逆變器;RS一RS、CS一CS、DS一DS共同組成VTI一VT4的RCD吸收網(wǎng)絡(luò)，減少I(mǎi)GBT開(kāi)關(guān)過(guò)程電流、電壓對(duì)管子的沖擊。第三部分，輸出整流濾波電路。快速整流二極管Dg、D10和直流電抗器Ll共同組成單相全波整流濾波輸出電路;電阻R3、R4和電容Cg、 C10共同組成Dg、D10的RCD吸收網(wǎng)絡(luò)。該主電路工作原理為:單相220V電壓經(jīng)過(guò)單相橋式整流后，輸出為帶紋波的直流電壓，再經(jīng)過(guò)電解電容Cl一C3組成的濾波電路濾波后得到310V平直的直流電壓。當(dāng)控制電路輸出相同占空比的PWM脈沖控制IGBT，使它們輪流導(dǎo)通與關(guān)斷，此時(shí)，直流電壓被逆變成20K壬12的交流方波電

10、壓。VTI、VT4和VTZ、VT3的輪流導(dǎo)通和關(guān)斷使中頻變壓器Tl的原邊繞組上的電壓為正負(fù)對(duì)稱的方波。變壓器的次級(jí)繞組感應(yīng)的交流方波電壓大小采用PWM方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，即改變驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比實(shí)現(xiàn)。變壓器輸出的交流方波電壓經(jīng)過(guò)快恢復(fù)二極管Dg和D10整流后變成方波直流電壓，最后經(jīng)過(guò)濾波電感(直流電抗器Ll)濾波后輸出較為平直的直流電壓 6211631。此時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電流的恒流控制。當(dāng)控制電路輸出不同占空比的PWM脈沖控制IGBT組VTI、VT4和VTZ、VT3的開(kāi)通與關(guān)斷，則逆變器輸出頻率為20KHz，幅值相同但平均值不同的交流方波脈沖。經(jīng)過(guò)變壓器降壓整流濾波后，可以實(shí)現(xiàn)脈沖電流的輸出?？梢?jiàn)，改變

11、控制脈沖的占空比就可以調(diào)節(jié)焊機(jī)電源的輸出。PWM脈沖占空比通過(guò)軟件程序設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)選用相同占空比的PWM脈沖控制IGBT，使焊機(jī)輸出連續(xù)的直流電壓。4.4主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算4.4.1中頻變壓器的設(shè)計(jì)中頻變壓器主要作用是電壓變換(降壓)、功率傳遞和實(shí)現(xiàn)輸人、輸出之間的隔離。由于中頻變壓器工作頻率高達(dá)ZOKHz，它要求磁芯材料高頻損耗盡可能小，此外還要求飽和磁通密度高，隨工作溫度升高，飽和磁密度的降低盡量小等。對(duì)于上述要求，采用性價(jià)比較好的鐵氧體材料做變壓器磁芯，功率損耗明顯減少。實(shí)際制作的變壓器磁芯采用雙E型磁芯組合而成。中頻變壓器一次側(cè)為1組繞組N1，二次側(cè)為2組繞組N2、N3對(duì)稱串聯(lián)。一次

12、電壓為方波電壓，其幅值為電網(wǎng)輸人電壓U;經(jīng)整流濾波后輸出的電壓，按電網(wǎng)峰值電壓計(jì)算。式中Ul為中頻變壓器輸入電壓的幅值，取320V。二次測(cè)電壓U2，參考電機(jī)的輸出空載電壓70V，適量取大，留有一定的調(diào)節(jié)空間取80V，所以匝數(shù)比:實(shí)際二次電壓幅值:在此選用EE118型鐵氧體材料磁芯2組，每組磁芯有效截面積A為 11.8cm2，磁通密度變量B為0.2T。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為20KHz，周期T=50腳，考慮留有一定的“死區(qū)負(fù)載”，防止IGBT直導(dǎo)通。因此，要求一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間ton<25S。式中toN。為每只IGBT在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的最長(zhǎng)時(shí)間，即最大脈沖寬度;焊機(jī)輸出電壓70V，U2為中頻變壓

13、器二次測(cè)電壓幅值80V。電網(wǎng)輸入電壓經(jīng)過(guò)整流后，電壓最大值式中1.15位電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)。所以變壓器一次側(cè)匝數(shù)至少為:式中N1為中頻變壓器一次側(cè)匝數(shù)，按20匝算，U1m為中頻變壓器輸人電壓最大值358V(考慮網(wǎng)壓15%波動(dòng)的峰值)，B為中頻變壓器時(shí)磁芯磁通密度變量0.2T，A為磁芯有效截面積 11.8cm2。二次側(cè)的匝數(shù)9: 4.4.2逆變器的設(shè)計(jì)弧焊逆變器是數(shù)字化焊機(jī)主電路的核心。根據(jù)逆變器所選用的大功率開(kāi)關(guān)器件的不同可分為:晶閘管(GTo)逆變器、晶體管(GTR)逆變器、場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)逆變器和絕緣柵雙極晶體管aGBT)逆變器等。GTR的開(kāi)關(guān)速度較低，對(duì)動(dòng)態(tài)特性有影響，而且是電流驅(qū)動(dòng)方

14、式，驅(qū)動(dòng)功率較大，還存在二次擊穿問(wèn)題二MOSFET有較好的高速控制性能，然而容量小，難以實(shí)現(xiàn)大電流，主要應(yīng)用于小型和輕型設(shè)備中。IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件，它兼有MOSFET易驅(qū)動(dòng)和功率晶體管電壓、電流容量大的優(yōu)點(diǎn)，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，在較高頻率的大中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。而且IGBT電壓驅(qū)動(dòng)、開(kāi)通和關(guān)斷容易，開(kāi)關(guān)速度快，單個(gè)器件的載流容量大，電流密度高，開(kāi)關(guān)和通態(tài)時(shí)功耗小，飽和壓降低，安全工作區(qū)寬，無(wú)二次擊穿現(xiàn)象。另外其輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)電路功率小且簡(jiǎn)單，是目前較為理想的功率開(kāi)關(guān)器件，也是目前的發(fā)展方向，因此在本設(shè)

15、計(jì)中采用IGBT作為大功率開(kāi)關(guān)器件。一般認(rèn)為，逆變頻率越高，逆變器的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)越高。實(shí)際上，逆變頻率的選擇要受到多種因素制約，例如功率開(kāi)關(guān)器件、快速整流二極管本身的開(kāi)關(guān)速度等。此外，頻率越高，對(duì)控制線路的設(shè)計(jì)要求也越高，電路的電磁干擾越嚴(yán)重，功率器件開(kāi)關(guān)功率損耗越大，整機(jī)效率不一定更高。因此，頻率的選擇應(yīng)該綜合考慮。本文設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率為ZOKHz，開(kāi)關(guān)器件選用IGBT比較合適。IGBT的設(shè)計(jì)、選擇直接關(guān)系到整個(gè)焊機(jī)的安全、可靠。所以，選擇的參數(shù)必須在其正向偏置安全區(qū) (FBSoA)。計(jì)算參數(shù)時(shí)留有的富裕量較大641。1、額定電壓UceP輸人電網(wǎng)電壓整流濾波后，直流輸出電壓最大值Ud式中為IGBT承

16、受的穩(wěn)態(tài)最大電壓，Ui位電網(wǎng)電壓的有效值22ov，1.15位電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，a位安全裕量系數(shù)。2、關(guān)斷時(shí)的峰值電壓 式中認(rèn)為IGBT關(guān)斷時(shí)的峰值電壓;a位安全裕量系數(shù)， 1.15為過(guò)電壓系數(shù)，150為L(zhǎng)*di/dt引起的尖峰電壓。為保險(xiǎn)起見(jiàn)取1200V。3、額定電流Ic中頻變壓器一次側(cè)電流每只IGBT上流過(guò)的平均電流I=0.5*I1=20AIGBT額定電流式中Ics為IGBT額定電流計(jì)算值，I為每只IGBT管上平均電流， 1.414為峰值系數(shù)，1.5為 1min過(guò)載容量系數(shù)，1.4為IC減小系數(shù)。額定電流IC根據(jù)管子電流等級(jí)按10OA取。綜上所述，所選IGBT管額定電壓1200V，額定電流l

17、ooA。4.4.3輸入電路的設(shè)計(jì)輸入整流濾波電路是將交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?。此外，還要求它還具有一定電壓輸出的保持能力，既能防止電網(wǎng)的干擾侵入電源，又能防止電源產(chǎn)生的諧波污染電網(wǎng)，亦即要具有抗干擾性1、輸入整流管硅管制造廠家給出的電流值是指正弦半波電流平均值。但是，流過(guò)整流管的波形不一定是正弦波形。因此，選擇整流管應(yīng)該根據(jù)電流有效值進(jìn)行選擇。正弦半波有效值 其中為廠家給出的額定電流值。管子發(fā)熱量則由公式(4.15)得，則由公式(4.14)與(4.16)得，整流管最高承受電壓留一定安全裕量，選600V/5OA的二極管4只，或相同規(guī)格的整流橋。2、輸入濾波電容單相220V(或三相380V)/50Hz

18、的交流電Vlin。經(jīng)過(guò)全橋整流后得到脈動(dòng)的直流電壓Vin，輸入濾波電容Ci。用來(lái)平滑這一直流電壓，使其脈動(dòng)減小。Ci。的選擇是比較關(guān)鍵的。Ci。如果太小，直流電壓Vin的脈動(dòng)就會(huì)比較大。為了得到所要求的輸出電壓，需要過(guò)大的占空比調(diào)節(jié)范圍和過(guò)高的控制閉環(huán)增益;同時(shí)，直流電壓Vi。的最小值Vin(min)也比較小，要求高頻變壓器的原副邊匝比變小，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管的電流增大，輸出整流二極管的反向電壓增大。Ci。如果太大，其充電電流脈沖寬度變窄，幅值增高，導(dǎo)致輸入功率因數(shù)降低，EMI增加，過(guò)高的輸入電流(有效值)使得輸入整流管和濾波電容的損耗增加;同時(shí)，電容過(guò)大，成本也會(huì)增加。一般而言，用下述經(jīng)驗(yàn)算法。線電

19、壓有效值線電壓峰值整流濾波后直流電壓的最大脈動(dòng)值: 整流濾波后直流電壓為了保證整流濾波后的直流電壓最小值Vin(min)符合要求，每個(gè)周期中Cin所提供的能量約為:每半個(gè)周期輸入濾波電容所提供的能量為因此輸入濾波電容容量為由于電容承受的電壓峰值為342v，實(shí)際中選用兩個(gè) 1500pF/4SOV的電解電容串聯(lián)使用。電解電容不是理想的電容，它本身的阻抗對(duì)電容上的電壓會(huì)產(chǎn)生影響。所以為了穩(wěn)定電解電容兩端的電壓，使每組電容上的分壓相等，分別在每組電容兩端并聯(lián)了均壓電阻Rl和R2，選擇阻值R=R=10K。，額定功率為10w。有時(shí)為了濾波除去高頻干擾，需要在濾波電容組前面并聯(lián)一個(gè)電容。一般來(lái)說(shuō)，只要該電容

20、能夠經(jīng)受電壓的沖擊即可。4.4.4輸出電路的設(shè)計(jì)單相全波整流電路有全波和全橋之分，雖然全橋整流電路利用率高，但與全波整流相比，多出一對(duì)二極管，增大了電路的電壓損失，其損失量不能忽視。因而，輸出整流電路通常采用中心抽頭全波整流方式。1、輸出整流管輸出整流二極管的導(dǎo)通與關(guān)斷特性是影響主電路的工作頻率主要因素之一，影響IGBT的瞬時(shí)集電極電流與損耗，對(duì)電源整體效率有關(guān)鍵的影響。由于工作在20Kllz，不僅具有短的反向恢復(fù)時(shí)間和和小的反向恢復(fù)電流，而且反向電流的恢復(fù)以緩慢為好，減少噪音65。常用的輸出整流二極管有摻金擴(kuò)散型、外延型、肖特基及PIN型。其中，PIN型的特點(diǎn)是正向壓降低，常溫時(shí)為0.85V

21、，正向壓降隨溫度升高反而下降，150時(shí)只有0.6V，和肖特基接近。反向時(shí)間短，不大于Zoons，反向漏電流在150及額定電壓下只有l(wèi)mA，接近普通整流二極管。綜合各方面情況及性價(jià)比，輸出整流二極管選用PIN型快恢復(fù)二極管。對(duì)于單相全波整流電路，硅整流二極管額定電流·考慮到要留出一定的安全裕量，輸出整流二極管額定電壓按300v，電流20OA選取。2、直流電抗器直流電抗器的作用有兩方面:一是用于濾波，使電流連續(xù)，特別是小電流脈動(dòng)大時(shí)，電抗器電感的選擇以最小直流電流波形連續(xù)為依據(jù);二是改善電源的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，在焊接短路過(guò)渡時(shí)，限制短路電流上升速度和短路電流峰值，以便改善電源的引弧性能和減少飛濺

22、?，F(xiàn)代逆變焊接電源中，第二功能已經(jīng)轉(zhuǎn)向主要依靠電子電抗器，直流電抗器的主要功能是濾波。因此，電抗量可以取得很小，這樣，直流電抗器體積、重量大為減小。直流電抗器的鐵芯有閉合和條形之分，本文選擇條形鐵芯，因?yàn)檫@樣在短路電流很大時(shí)，電抗器不會(huì)很快就飽和。鐵芯材料選擇普通硅鋼片，減少整臺(tái)焊機(jī)成本和提高性價(jià)比。在主電路電流未經(jīng)過(guò)電抗器濾波之前是斷續(xù)的。為了獲得連續(xù)的輸出電流，電抗器的電感量L應(yīng)滿足下述關(guān)系式165:對(duì)于逆變電源，L取值一般取晶閘管逆變器電感量的0.1一0.2倍66，所以取 0.05耐。確定繞組匝數(shù):4.5主電路的仿真研究弧焊逆變電源的分析方法大體分為解析法和數(shù)值法兩類(lèi)。解析法用解析符號(hào)表

23、達(dá)式來(lái)描述弧焊逆變電源的特性，物理概念清晰，能夠運(yùn)用自動(dòng)控制理論對(duì)弧焊逆變電源的設(shè)計(jì)起到理論指導(dǎo)作用。數(shù)值法基于仿真模型，利用計(jì)算機(jī)模擬弧焊逆變電源的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，可以對(duì)線性開(kāi)關(guān)過(guò)程進(jìn)行深入研究。4.5.1弧焊逆變電源主電路的計(jì)算機(jī)仿真對(duì)于弧焊逆變電源的仿真分析，一種比較可行的途徑是以通用電路分析軟件為平臺(tái)，建立元器件的仿真模型，在準(zhǔn)確提取實(shí)際元器件模型參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合弧焊逆變器的具體電路進(jìn)行仿真研究。弧焊逆變電源的元器件模型主要包括功率開(kāi)關(guān)器件、電磁元器件模型和控制電路模型等三類(lèi)。PspiCe、Matlab/Simulink等通用電路仿真軟件己經(jīng)給出了所有這些基本元器件的外部特性等效模型(

24、宏模型)，用戶可以根據(jù)器件手冊(cè)給訂的參數(shù)或理論計(jì)算的參數(shù)對(duì)模型參數(shù)賦值，這樣綜合而成的電路模型能夠簡(jiǎn)潔、有效的描述實(shí)際元器件和電路的特性。另外，有些芯片的宏模型和模型參數(shù)可以通過(guò)直接調(diào)用電路仿真軟件的庫(kù)文件而獲得6v一6s。目前，對(duì)弧焊系統(tǒng)的仿真研究大多是在先求解出功率變換器狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上，利用 Matlab/Simulink模塊從理論上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的仿真。然而，焊接電源系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)的非線性時(shí)變系統(tǒng)，僅僅用數(shù)學(xué)方程來(lái)加以描述是很難反映出系統(tǒng)的實(shí)際情況的，具有很大的局限性。而且，很多仿真只集中于局部電路研究，也不便于檢驗(yàn)所建仿真系統(tǒng)的整體效果。因此，在此利用 Matlab/Simulink工具對(duì)

25、本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字控制逆變焊接電源系統(tǒng)主電路進(jìn)行了仿真研究。 Matlab的功能之一是具有可視化建模和仿真功能 5imulink，支持連續(xù)、離散或者兩者混合的線性或非線性系統(tǒng)，利用Simulink作為工具，對(duì)系統(tǒng)控制的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行建模和仿真。同時(shí) Matlab的功率模塊可以用來(lái)進(jìn)行建立主電路的仿真模型。因此， Matlab/Simulink能夠滿足數(shù)字控制弧焊電源這一非線性、離散系統(tǒng)的仿真研究，可以更完整地檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能，獲得理想的仿真結(jié)果，將弧焊系統(tǒng)的仿真研究水平可提升到一個(gè)新的高度，為實(shí)現(xiàn)弧焊電源數(shù)字化控制奠定基礎(chǔ)【69。對(duì)于可視化仿真來(lái)講，要想順利完成仿真任務(wù)，除了搭建起正確的系統(tǒng)模型外，

26、還要正確設(shè)置各個(gè)仿真模塊的參數(shù)值，力爭(zhēng)系統(tǒng)模型能夠最大限度地反映實(shí)際情況。主電路仿真參數(shù)設(shè)置如下:1、輸入交流電源:因?yàn)槭?20V交流輸入。交流電源采用三相交流電源的兩相，設(shè)定三相交流電源相電壓為127V。這樣線電壓就是220V，作為輸入交流市電。2、變壓器變比:變壓器邊比設(shè)置為n=4，因?yàn)樽儔浩鞯脑边吘€圈匝數(shù)都比較少，特別是副邊只有4匝，因此它的電感幾乎可以忽略不計(jì)，且施tlab里面設(shè)定值是標(biāo)么值，故把副邊電感設(shè)定為0，原邊電感設(shè)為0.0008。工作頻率是20KHz。3、整流橋設(shè)置:把三相整流橋改成兩相，其他設(shè)置不變。4、開(kāi)關(guān)管占空比:43.6%5、IGBT設(shè)置:導(dǎo)通電阻Ron為0.lm。

27、;導(dǎo)通電感Lon為12名H;輸出濾波電感為腸二10尸H;輸出濾波電容為Cr=220博;6、輸出整流二極管參數(shù)設(shè)置(參考DSEI一2x121一06A的技術(shù)手冊(cè)):正向?qū)▔航礦f=0.9V;反向恢復(fù)時(shí)間為35ns;導(dǎo)通電阻ROn二0.oo5Q;開(kāi)關(guān)頻率為20KHz。另外，輸入整流電容設(shè)定為5000解，并且只用一個(gè)電容，設(shè)計(jì)時(shí)采用兩個(gè)并聯(lián)是考慮到實(shí)際電容參數(shù)的不一致，仿真時(shí)不用去考慮這個(gè)問(wèn)題，所以均壓電阻Rl、R2都不用參與仿真。負(fù)載端是采用一個(gè)電阻作為負(fù)載，跟實(shí)際有所差距，不過(guò)能夠達(dá)到仿真出電路工作特性的效果。4.5.2仿真結(jié)果分析根據(jù)焊接手冊(cè)，一般焊接中引弧到燃弧的過(guò)程不會(huì)超過(guò)15】。仿真中設(shè)

28、置仿真時(shí)間為0.75，電流的波形經(jīng)過(guò)0.75基本達(dá)到穩(wěn)定。仿真算法采用離散ode23bt算法，步長(zhǎng)為le一6。以下所述是電弧負(fù)載設(shè)定為0.3Q時(shí)的電路各部分仿真波形分析。導(dǎo)致IGBT被關(guān)斷時(shí)儲(chǔ)存在電感中的能量無(wú)法及時(shí)釋放70。由于本電路設(shè)計(jì)選擇硬開(kāi)關(guān)電路，所以IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中有一定的沖擊，符合理論要求。副邊電壓有鋸齒波動(dòng)是由于變壓器原邊帶有一定的電感所致。仿真波形說(shuō)明了全橋變換器工作良好，輸出濾波電路的設(shè)計(jì)合理。圖4.10變壓器原副邊電壓、電流波形 Figure4.10Currentandvoltagewaveformoftransformer如圖4.n所示為變壓器原副邊沒(méi)有電感時(shí)的

29、原副邊電壓波形圖。從圖中可得，由于沒(méi)有電感的影響，電壓的波形非常平滑，同時(shí)也說(shuō)明上述對(duì)圖5.4的分析準(zhǔn)確。本設(shè)計(jì)中的變壓器原副邊匝數(shù)比較少，若匝數(shù)比較少，線圈的電感也比較低，例如本設(shè)計(jì)的副邊只有四匝，電感完全可以設(shè)定為零?？紤]到導(dǎo)線有一定分布電感，原邊有一定量的電感存在，為了更加貼近實(shí)際，在仿真時(shí)給原邊設(shè)定了很小的一個(gè)電感值。從對(duì)輸出電壓和電流的觀察來(lái)看，該電感對(duì)整個(gè)電路幾乎沒(méi)有影響。圖4.n變壓器原副邊電壓、電流波形(電感為零) Figure4.11Currentandvoltagewaveformoftransformerwithoutinduction4)輸出整流二極管波形分析如圖4.12所示為輸出整流二極管兩端的電壓和流過(guò)二極管的電流波形。圖4.12輸出二極管的電壓、電流波形 Figure4.12Currentandvoltagewaveformofou咖tdiode從圖4.12中可以看出整流二極管的電壓和電流波形不是吻合，這是因?yàn)槎O管并不是線性元件。另外，在二極管開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程中都存在一個(gè)階躍的過(guò)程，這主要是由于輸出濾波電感存在沖擊電流所導(dǎo)致的，變壓器的電