開關(guān)電源論文開關(guān)電源在IGBT逆變焊機(jī)中的應(yīng)用

1、 .PAGE12 / NUMPAGES12本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書開關(guān)電源在IGBT逆變焊機(jī)中的應(yīng)用學(xué) 院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院專 業(yè) 機(jī)械與電子工程 學(xué)生 黃世寶 學(xué) 號 2指導(dǎo)教師 王振民提交日期2015 年 6 月 15 日摘 要 隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,功率元件從電子管、可控硅、MOSFET到IGBT等得到了廣泛應(yīng)用;再加上成熟的自動化控制技術(shù),變頻領(lǐng)域取得了日新月異的變化。作為變頻領(lǐng)域一支異軍,高頻焊機(jī)感應(yīng)電源也取得了長足發(fā)展,感應(yīng)設(shè)備的功率和頻率都在逐步提高1,2。本文闡述的高頻感應(yīng)電源基于IGBT功率元件,用于直縫焊管工藝,其大功率和高頻率值證明其在感應(yīng)電源領(lǐng)域達(dá)到了較高

2、的技術(shù)水平。另外,該電源系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化空間大,工藝適應(yīng)性強(qiáng),可用于較寬直徑圍焊管的焊接。介紹了用于中口徑直縫焊管線焊接的高頻大功率焊接電源,其采用基于IGBT功率元件的串聯(lián)諧振式感應(yīng)電源技術(shù)。從電源系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)、啟動方法、IGBT驅(qū)動、相位鎖定和功率調(diào)節(jié)方式與其控制策略等方面進(jìn)行了剖析;同時結(jié)合設(shè)備系統(tǒng)在啟動和運(yùn)行中的波形進(jìn)行了分析,并對用于負(fù)載阻抗匹配的高頻變壓器進(jìn)行了闡述。另外,為了方便設(shè)備維護(hù),系統(tǒng)采用了自動檢測與診斷技術(shù)。綜合設(shè)備現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)踐,該電源系統(tǒng)可以滿足工藝上對功率和頻率的要求。關(guān)鍵詞：IGBT，高頻焊機(jī)感應(yīng)源，參數(shù)優(yōu)化，直縫焊管線焊接目錄 TOC o 1-3 h z u HYP

3、ERLINK l _Toc422602693第一章高頻開關(guān)電源行業(yè) PAGEREF _Toc422602693 h 4HYPERLINK l _Toc4226026941.1國外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc422602694 h 4HYPERLINK l _Toc4226026951.2 存在的主要問題與發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc422602695 h 5HYPERLINK l _Toc4226026961.3應(yīng)用前景 PAGEREF _Toc422602696 h 6HYPERLINK l _Toc422602697第二章 ZX7系列IGBT逆變焊機(jī) PAGEREF _T

4、oc422602697 h 7HYPERLINK l _Toc4226026982.1開關(guān)電源的基本組成 PAGEREF _Toc422602698 h 7HYPERLINK l _Toc4226026992.2 ZX7系列IGBT逆變焊機(jī)工作原理 PAGEREF _Toc422602699 h 8HYPERLINK l _Toc4226027002.3主要性能指標(biāo) PAGEREF _Toc422602700 h 9HYPERLINK l _Toc4226027012.4特色與創(chuàng)新 PAGEREF _Toc422602701 h 10HYPERLINK l _Toc422602702第三章結(jié)束

5、語 PAGEREF _Toc422602702 h 11HYPERLINK l _Toc422602703參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc422602703 h 12第一章 高頻開關(guān)電源行業(yè)1.1國外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀自20世紀(jì)50年代，美國宇航局以小型化重量輕為目標(biāo)而為搭載火箭開發(fā)首個開關(guān)電源以來，在半個多世紀(jì)的發(fā)展中，開關(guān)電源逐步取代了傳統(tǒng)技術(shù)制造的相控穩(wěn)壓電源，并廣泛應(yīng)用于電子整機(jī)設(shè)備中。隨著集成電路的發(fā)展，開關(guān)電源逐漸向集成化方向發(fā)展，趨于小型化和模塊化。近20年來，集成開關(guān)電源沿兩個方向發(fā)展。第一個方向是對開關(guān)電源的控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。1977年國外首先研制成脈寬調(diào)制(PWM)控制器集

6、成電路，美國Motorola公司、Silicon General公司、Unitrode公司等相繼推出一系列PWM芯片。近些年來，國外研制出開關(guān)頻率達(dá)1MHz的高速PWM、PFM芯片。第二個方向是實(shí)現(xiàn)中、小功率開關(guān)電源單片集成化。1994年，美國電源集成公司(Power Integrations)在世界上率先研制成功三端隔離式PWM型單片開關(guān)電源，其屬于AC/DC電源變換器。之后相繼推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列產(chǎn)品。意-法半導(dǎo)體公司最近也開發(fā)出VIPer100、VIPer10

7、0A、VIPer100B等中、小功率單片電源系列產(chǎn)品，并得到廣泛應(yīng)用。單片開關(guān)電源具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)等特點(diǎn)，現(xiàn)己成為開發(fā)中小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源與開關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路。 與國外開關(guān)電源技術(shù)相比，國從1977年才開始進(jìn)入初步發(fā)展期，起步較晚、技術(shù)相對落后。目前國DC/DC模塊電源市場主要被國外品牌所占據(jù)，它們覆蓋了大功率模塊電源的大部分以與中小功率模塊電源一半的市場。但是，隨著國技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，進(jìn)口中小功率模塊電源正在快速被國產(chǎn)DC/DC產(chǎn)品所代替。目前市場上開關(guān)電源中功率管多采用雙極型晶體管，開關(guān)頻率可達(dá)幾十千赫；采用MOSFET的開關(guān)電

8、源轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)幾百千赫。為提高開關(guān)頻率，必須采用高速開關(guān)器件。對于兆赫以上開關(guān)頻率的電源可利用諧振電路，這種工作方式稱為諧振開關(guān)方式。它可以極提高開關(guān)速度，理論上開關(guān)損耗為零，噪聲也很小，這是提高開關(guān)電源工作頻率的一種方式。采用諧振開關(guān)方式的兆赫級變換器已經(jīng)實(shí)用化。開關(guān)電源被譽(yù)為高效能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。采用了高頻變壓器和控制集成電路的開關(guān)電源更具有效率高、輸出穩(wěn)定、可靠性高等特性，是今后電源的發(fā)展趨勢。1.2 存在的主要問題與發(fā)展趨勢1.存在的主要問題對開關(guān)電源來說，開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁騷擾是開關(guān)電源的主要騷擾源之一。開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心，主要由開

9、關(guān)管和高頻變壓器組成。它產(chǎn)生的dv/dt是具有較大輻度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖騷擾產(chǎn)生的主要原因是 1）開關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級線圈，是感性負(fù)載。在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，初級線圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關(guān)管斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰。這種電源電壓中斷會產(chǎn)生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個噪聲會傳導(dǎo)到輸入輸出端，形成傳導(dǎo)騷擾，重者有可能擊穿開關(guān)管。 2）脈沖變壓器初級線圈，開關(guān)管和

10、濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射騷擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)騷擾。2.發(fā)展趨勢1、小型化、薄型化、輕量化、高頻化開關(guān)電源的體積、重量主要是由儲能元件（磁性元件和電容）決定的，因此開關(guān)電源的小型化實(shí)質(zhì)上就是盡可能減小其中儲能元件的體積；在一定圍，開關(guān)頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感與變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，高頻化是開關(guān)電源的主要發(fā)展方向。2、高可靠性開關(guān)電源使用的元器件比連續(xù)工作電源少數(shù)十倍，因此提高了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器與排

11、風(fēng)扇等器件的壽命決定著電源的壽命。所以，要從設(shè)計(jì)方面著眼，盡可能使用較少的器件，提高集成度。這樣不但解決了電路復(fù)雜、可靠性差的問題，也增加了保護(hù)等功能，簡化了電路，提高了平均無故障時間。3、低噪聲開關(guān)電源的缺點(diǎn)之一是噪聲大。單純地追求高頻化，噪聲也會隨之增大。采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲。所以，盡可能地降低噪聲影響是開關(guān)電源的又一發(fā)展方向。4、采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制采用CAA和CDD技術(shù)設(shè)計(jì)最新變換拓?fù)浜妥罴褏?shù)，使開關(guān)電源具有最簡結(jié)構(gòu)和最佳工況。在電路中引入微機(jī)檢測和控制，可構(gòu)成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時檢測、記錄并自動報警等。開關(guān)電源的發(fā)展從來都是與半導(dǎo)體

12、器件與磁性元件等的發(fā)展休戚相關(guān)的。高頻化的實(shí)現(xiàn)，需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件。發(fā)展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，開發(fā)高頻用的低損磁性材料，改進(jìn)磁元件的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法，提高濾波電容的介電常數(shù)與降低其等效串聯(lián)電阻等，對于開關(guān)電源小型化始終產(chǎn)生著巨大的推動作用。開關(guān)電源被譽(yù)為高效能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。采用了高頻變壓器和控制集成電路的開關(guān)電源更具有效率高、輸出穩(wěn)定、可靠性高等特性，是今后電源的發(fā)展趨勢。1.3應(yīng)用前景生活里處處可以看到開關(guān)電源，照明燈的開關(guān)，工業(yè)遙控器的開關(guān)，機(jī)械設(shè)備的開關(guān)，電子產(chǎn)品的開關(guān)等等。隨著高科技的發(fā)展，

13、開關(guān)的需求也在逐步的提高，人們對開關(guān)電源的要求也在不斷提高。據(jù)相關(guān)資料顯示，我國每年開關(guān)設(shè)備的年增長率基本為百分之七到百分之十一，算起來是一個很龐大的數(shù)字了。如果僅僅把傳統(tǒng)開關(guān)的百分之三換成智能開關(guān)那么全年的總需求量要達(dá)到三萬臺，還不包括新上項(xiàng)目的需求開關(guān)。隨著電力設(shè)備的不斷創(chuàng)新，研發(fā)人員的不斷開發(fā)，開關(guān)電源行業(yè)必將擁有更加廣泛的前景。目前開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、低噪聲、低耗、高可靠、抗干擾。高頻化是開關(guān)電源發(fā)展的方向，低噪聲、低耗、高可靠、抗干擾都是開關(guān)電源的發(fā)展目標(biāo)。在如此良好的機(jī)遇下，中國的開關(guān)電源生產(chǎn)企業(yè)更應(yīng)該抓住這個的機(jī)遇，在技術(shù)創(chuàng)新的前提下，走出產(chǎn)學(xué)研同行的發(fā)展路線，為企業(yè)的高速

14、發(fā)展創(chuàng)造出一片新天地。 其中IGBT逆變焊機(jī)是開關(guān)電源的一個應(yīng)用方向。ZX7系列IGBT逆變直流弧焊電源，適用于手工電弧焊、TIG氬弧焊，廣泛用于電建、化建、冶金、軍工、航天、鍋爐、船舶、機(jī)械制造等行業(yè)，特別適用基建施工、設(shè)備維修等需頻繁移動焊接的場合。第二章 ZX7系列IGBT逆變焊機(jī)2.1開關(guān)電源的基本組成開關(guān)電源大致由主電路、開關(guān)電源控制電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成。1、主電路沖擊電流限幅：限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。輸入濾波器：其作用是過濾電網(wǎng)存在的雜波與阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電

15、，這是高頻開關(guān)電源的核心部分。輸出整流與濾波：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。圖1 主電路圖2、控制電路一方面從輸出端取樣，與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對電源進(jìn)行各種保護(hù)措施。圖2 MCU控制電路圖3、檢測電路提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。4、輔助電源實(shí)現(xiàn)電源的軟件（遠(yuǎn)程）啟動，為保護(hù)電路和控制電路（PWM等芯片）工作供電。2.2 ZX7系列IGBT逆變焊機(jī)工作原理本機(jī)采用三相交流380V電壓經(jīng)三相橋式整流、濾波后供給以新型IGBT為功率開關(guān)器件的逆變器進(jìn)行變頻（20KC

16、）處理后，由中頻變壓器降壓，再經(jīng)整流輸出可供焊接所需的電源，通過集成電路構(gòu)成的邏輯控制電路對電壓、電流信號的反饋進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)整機(jī)閉環(huán)控制，采用脈寬調(diào)制PWM為核心的控制技術(shù)，從而獲得快速脈寬調(diào)制的恒流特性和優(yōu)異的焊接工藝效果。圖3 IGBT逆變電焊機(jī)電氣工作原理圖建豐ZX7系列IGBT逆變電焊機(jī)（IGBT逆變式直流弧焊電源），采用國外最新大功率IGBT作為逆變器件和國外先進(jìn)PWM控制逆變技術(shù)，是一種新型、高效、節(jié)能的多功能直流弧焊電源，性能指標(biāo)優(yōu)于可控硅逆變焊機(jī)，更是工頻可控硅弧焊電源和直流弧焊發(fā)電機(jī)電源無法相比的，是電焊機(jī)更新?lián)Q代的新產(chǎn)品，是高質(zhì)量焊接的理想設(shè)備。其產(chǎn)品與主電路圖如下面圖示

17、。圖4 ZX7-315產(chǎn)品外觀圖圖5 ZX7系列電路原理圖2.3主要性能指標(biāo)表1 ZX7 -IGBT逆變焊機(jī)主要技術(shù)參數(shù)2.4特色與創(chuàng)新IGBT逆變焊機(jī)與其他類焊機(jī)的區(qū)別 一、與可控硅整流焊機(jī)的區(qū)別 1、可控硅整流焊機(jī)是將50HZ的交流電整流成直流電輸出，通過改變可控硅的導(dǎo)通角來改變輸出大小，輸出波形不平滑，所以焊接效果不好，引弧與其他一些控制功能差。 IGBT焊機(jī)是將交流電整流后，經(jīng)過IGBT逆變，再經(jīng)中頻變壓器降壓，經(jīng)過二次整流后輸出，輸出波形好，通過脈寬調(diào)制控制IGBT逆變器的導(dǎo)通時間改變輸出的大小。引弧與推力電流易于控制。 2、可控硅整流焊機(jī)體積大，較為笨重，不便于搬運(yùn)和移動，而IGB

18、T焊機(jī)由于逆變頻率高達(dá)20-30KHZ，所以變壓器體積小，重量輕，易于搬運(yùn)。 3、逆變焊機(jī)比整流焊機(jī)省電約30%左右。 4、IGBT逆變焊機(jī)控制與主電路較為簡單。加之時代焊機(jī)采用軟開關(guān)的逆變技術(shù)，所以可靠性高，故障點(diǎn)少，易于維修。 二、與SCR逆變焊機(jī)的區(qū)別 1、可控硅是電流型控制元件，控制較復(fù)雜，也是半控元件，一般采用調(diào)頻方式來控制；IGBT是電壓型控制元件，易于控制，一般采用脈寬調(diào)制。 2、逆變頻率不同：由于SCR的開關(guān)時間較長，所以頻率不能太高，一般在3-5KHZ左右，而IGBT器件的開關(guān)頻率較高。IGBT模塊可達(dá)30KHZ左右，IGBT單管開關(guān)頻率更高，達(dá)50KHZ以上。 3、由于頻率

19、提高，焊機(jī)的輸出特性與波形更易于控制，可以得到更好輸出特性，同時變壓器的體積也比SCR焊機(jī)小，減輕了焊機(jī)重量，更易于搬運(yùn)。 4、 逆變焊機(jī)比普通可控硅整流焊機(jī)，焊機(jī)省電30%左右。 5、由于IGBT焊機(jī)控制與主電路較SCR焊機(jī)簡單，我公司又采用軟開關(guān)逆變技術(shù)，所以產(chǎn)品可靠性高，故障點(diǎn)較少，易于維修。 ZX7系列IGBT逆變焊機(jī)產(chǎn)品特性：采用國外最新IGBT功率模塊作為逆變器件；小型輕量，操作簡便；采用PWM控制逆變技術(shù)，焊接電流穩(wěn)定；變頻設(shè)計(jì)，節(jié)能，高效；工藝特性好，焊接質(zhì)量高；遙控焊接控制；引弧易，飛濺小，燃弧穩(wěn)；遙控焊接電流調(diào)節(jié)；焊接工藝選擇（TIG/MMA）遙控電流緩降時間調(diào)第三章 結(jié)束語開關(guān)電源技術(shù)目前在國研究領(lǐng)域較為廣泛，受到電子界的重點(diǎn)關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的更新更是日新月異，因此對電力、電子產(chǎn)品的開關(guān)電