半桥式IGBT逆变焊接电源输出容量计算及变压器参数设计

半桥式IGBT逆变焊接电源输出容量计算及变压器参数 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 收稿日期:2000-10-25基金项目:国家计委“九五”重点科技攻关项目96-12-15。作者简 介:王军波1973—男河北保定人硕士在读博士主要从事机器人技术及应用、电力电子 技术研究工作。半桥式IGBT逆变焊接电源输出容量计算及变压器参数设计王军波1 孙振国1陈 强1崔 青2张 义311清华大学机械工程系北京10008421石家庄铁道学 院基础部河北石家庄05004331吉林工业大学材料科学与工程学院吉林长春130025摘 要:对半桥式IGBT逆变焊接电源输出容量的计算进行了理论分析推导出相应的数学 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式在此基础上分析了影响焊机输出容量的主要因素从而为此类型焊接电源变压 器的设计提供了必要的理论依据。最后以输出容量11kW315A的手弧焊电源变压器 参数设计为例介绍半桥式IGBT逆变焊接电源变压器的设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。关键词:IGBT半桥 逆变电源输出容量中图分类号:TG434 文献标识码:A 文章编 号:1001-2303200012-0016-04Researchesonoutputcapacitycalculatingandtransformerparametersdesigningofhalf2bridgeIGBTweldinginverterpowersourceWANGJun2bo1SUNZhen2guo1CHENQiang1CUIQing2ZHANGYi311MechanicDepartmentTsinghuaUniversityBeijing100084China21FoundamentalDivisionShijiazhuangRailwayInstituteShijiazhuang050043China31MaterialScienceandEngineeringInstituteJilinUniversityofTechnologyChangchun130025ChinaAbstract:OutputcapacityofIGBThalf2bridgeinverterpowersourcehasbeendiscussedanditsexpressionhasbeendevelopedinthispaper.Themainfactorsaffectingtheoutputcapacityhavebeenanalyzedwhichprovidingthetheoreticalreferencetodesignthetransformerforinvert2erpowersource.Theparametersdesigningfortransformerofinverterwelderhasbeenintroducedandanexampleoftransformerdesignfortheinverterwelderwith11kWoutputcapacity315Acurrentwasgiven.Keywords:IGBThalf2bridgeinverterpowersourceoutputcapacity1 引言半桥式逆变焊接电源抗负载不平衡能力强不易出现全桥电路中变压器的偏 磁现象输出功率也大于单端正激逆变电源因此在逆变焊接电源中得到了广泛的应 用。电焊机的设计一般以焊接电源的输出容量为依据根据输出容量的大小决定主电 路的主要参数。本文推导出半桥式IGBT逆变焊接电源的输出容量的数学表达式并分 析了影响其输出容量的主要因素最后根据所推出的数学模型设计了容量为 11kW315A的手弧焊电源变压器的主要参数。2 输出容量理论分析图1所示为半桥 式IGBT逆变焊接电源主电路的原理图。C1和C2为换流电容T1为脉冲变压器IGBT1 和IGBT2为功率器件VD1和VD2为续流二极管VD3和VD4为输出整流二极管L为滤 1 半桥式IGBT逆变焊接电源主波电感C为滤波电容。为讨论方便可作如下假设:图 电路原理图 1IGBT1和IGBT2为理想开关2C1、C2对称容量足够大时C1C2??61?? 研究与设计 电焊机Vol130200012:16,19?? 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co. Ltd. All rights reserved.3输入电源为恒压源E4忽略变压器 内阻电路工作在稳态。设施加于脉冲变压器一次侧绕组的电压为Up按照电磁感应定 律1加到变压器一次侧绕组的电压和绕组感应电动势相平衡所以 有:UpNp×dΦdtNp×ScdBdt×10-21式中 Np为一次侧绕组匝数B为电磁感应强度/TSc 为铁心有效截面积/m2Φ为磁通/Wbt为时间/s。设一次侧绕组上所加的矩形脉冲电压 具有如下参数:UP0……tΦ0Up……0ΦtΦTon0……TonΦtΦT22由式1得 Bt1NpSct0Updt×10-2BrΘ3式中 Br为t0时铁心中的剩余磁感应强度。而在设计变压 器时实际采用的不是磁感应强度的绝对值而是在某段时间内磁感应强度的增量。由 式3得:ΔBtBt-Br1NpSct0Updt×10-2Θ4在逆变过程的半个周期内B将达到设计磁感应 强度Bm即ΔB2Bm当tTonmax时由式4可得:Up2BmNpScTonmax×10-25考虑到脉冲变 压器铁心是否能绕得下全部绕组必须满足如下关系式:KuW?NSu6式中 Ku为铜的填充系数即铁心窗口利用系数W为变压器窗口面积/m2Su为绕组导线截面积/m2N为绕组匝数。设j为绕组导线允许的电流密度/A/m2I为流过某个线圈的电流有效值则:SuIj7由式6、式7得:KuW?NIj8设计半桥式逆变电源时为了减少二次侧整流二极管导通压降引起的损耗二次侧输出常采用中心抽头式绕组。对于此类变压器假设流过某个线圈的有效值的电流波形如图2a所示则流过二次侧中任一绕组的电流波形如图2b所示。a变压器一次侧电流波形示意图b变压器二次侧电流波形示意图图2 变压器一次侧、二次侧电流波形示意图 定义D为最大占空比D2TonmaxT由图可得流经变压器一次侧绕组的电流有效值为I′p:I′pIpD9流经变压器二次侧绕组的电流有效值为I′s:I′s1D2nIp10又?NINpI′p2NsI′s又因nNsNp所以?NINpIpD1D11由式8和式11可得:IpKuWjNpD1D×10-212设d为输出脉冲宽度占空比η为逆变焊机的效率则半桥式逆变弧焊电源的输出功率为:PdηUpIp13由式5、式12、式13可 得:Pdη2jBmWScKuD1DTonmax×10-2143 影响输出容量的主要因素3.1 变压器参 可知磁感应强度Bm、铁心截面积W和铁心窗口面积Sc数对输出容量的影响由式14 影响了逆变焊接电源的输出容量而这些参数直接决定于变压器的材料、结构尺寸和绕线形式。脉冲变压器稳态工作时的磁感应强度值Bm取??71??研究与设计 电焊机Vol130200012?? 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co. Ltd. All rights reserved.决于变压器的材料。Bm的选择要小于饱和磁感应强度Bs以免铁心饱和一般取BmBs/3。故具有较高Bs值的铁心有利于提高逆变焊接电源的输出功率。铁心的有效截面积W和铁心的窗口面积Sc取决于变压器的结构尺寸。当铁心体积一定时其有效截面积W与窗口面积Sc是相互矛盾的。故常用此二者的乘积来优化变压器的设计增大铁心体积无疑可以增加二者乘积增大逆变器的输出功率但同时也会增加逆变器的质量和体积。变压器的绕线方式决定了变压器的窗口利用系数Ku。各绕组绕制紧凑窗口利用系数Ku增大有利于提高逆变器的输出功率。312 输出脉宽占空比d对输出容量的影响由式14可知逆变焊接电源的输出功率与输出脉宽占空比成正比所以影响输出脉宽占空比的因素也就为影响逆变焊接电源输出功率的因素。脉冲变压器绕制后漏感的存在限制了绕组电流的突变。当漏感Lk大于临界值时会大大减小脉宽占空比减小逆变器的输出功率。漏感对二次侧绕组电流的影响体现在二次侧整流二极管的换流过程中。如图3所示为包含漏感的二次侧绕组换流过程工作原理图。图3 二次侧整流等效电路当上下桥臂的IGBT均截止时2路二极管共同导通续流其电流均为nI1/2。当1路IGBT再次导通时由于漏感的存在使得导通的1路二极管电流只能从nI1/2缓慢增加到nI1而另1路二极管则逐渐由nI1/2减少至0。在这段时间内VD1、VD2同时导通形成环路变压器输出电压近似为零不向负载提供能量造成了输出脉宽的损失。漏感Lk越大VD1、VD2共同导通时间则越长输出脉宽损失增大逆变器输出功率减小。因此绕制变压器时尽可能减小其漏电感能够减小对脉宽占空比的损失。同样在输出整流二极管反向恢复时间内VD1、VD2共同导通变压器输出电压为0不对负载提供能量导致输出脉冲宽度损失使逆变焊接电源输出功率减小。二极管反向恢复时间越长其脉宽损失越大对输出容量的影响越大。所以在选择二次侧整流电路时尽可能选用反向恢复时间短的快恢复二极管。313 换流电容C的?跋於杂半桥式晶闸管逆变器其输出容量的大小直接取决于换流电容的容量大小2。这是因为半桥式晶闸管逆变器是依靠换流电容产生反压迫使可控硅关断从而实现逆变过程。而对于半桥式 IGBT逆变器由于在逆变过程中换流电容C两端的电压变化较小电容C对逆变器的输出容量影响不大。因此在式14的推导过程中忽略电容C两端电压的波动。4 变压器参数设计实例按照理论分析设计了输出容量为11kW315A的手弧焊电源的变压器主要参数。变压器的设计按照如下步骤进行3:1确定铁心型号和结构参数选择性能价格比好的铁氧体材料MXO-2000作变压器铁心其饱和磁感应强度Bs014T选择工作磁感应强度Bm0115T。根据式14计算铁心的有效截面积和铁心的窗口面积的乘积ScWPD1DTonmax2dBmKujη×10-215当输出容量最大时占空比d取最大值D。取:Tonmax20×10-6sP11kWD018Bm0115TKu0175j3A/m2η018则ScW的计算值为111387×10-2m4。实际制作变压器铁心采用市售双E型铁心组合而成铁心的有效截面积为8×10-4m2窗口面积为21016×10-3m2乘积ScW为116128×10-2m4大于理论计算值符合设计要求。2计算一次侧、二次侧绕组匝数按式4计算变压器一次侧、二次侧绕组匝数Np取整后为20匝。按文献1推荐计算二次侧绕组匝数Ns:NsU0UDI0rDUpNp16 式中 U0为输出电压取焊机输出外特性拐点电压44VUD为二极管压降取017VI0r为 :Ns5匝。3选择绕组尺寸由上述计算可知变压器的变压器内阻压降取013V。计算得 变比为4。所以当焊机输出电流为315A时变压器一次侧绕组电流不会超过100A则一次侧电流有效值I′pIpD89144A17??81??研究与设计 电焊机Vol130200012?? 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co. Ltd. All rights reserved.同理计算二次侧电流有效值I′sIp1D2×4268133A18取j3A/m2分别计算Np和 Sup和Sus得:Sup2198×10-5m2Sus9112×10-5m2考虑到高频集肤效应导Ns导线截面积 线选择厚度为318×10-4m宽度为4×10-2m的扁平铜导线一次侧绕组采用两组并绕二次侧绕组取6组并绕则实际变压器一次侧和二侧绕组的截面积分别为3104×10-5m2和9112×10-5m2均大于设计计算值满足使用要求。4校核变压器窗口利用系数校核变压器的窗口利用系数可以检验变压器的结构设计和绕组的尺寸设计判断绕组能否按照设计参数安装到所设计的变压器中。由式8校核变压器的窗口利用系数KuSupNp2SusNsW017519此值和计算值相等说明设计绕组尺寸刚好能够安装到变压器铁心的窗口中。5 结论推导了半桥式IGBT逆变焊接电源输出容量的数学表达式并由此分析了主电路参数中影响输出容量的因素:1变压器决定电源的最大输出容量采用高饱和磁感应强度材料的铁心采用窗口面积和有效截面积之积高的铁心结构以及提高铁心窗口利用系数均可提高电源的最大输出容量2减小变压器漏感采用反向恢复时间短的整流二极管可减小脉冲占空比的损失有利于提高电源的最大输出容量本文的理论分析结果已在实际焊接电源的设计中得到成功的应用。参考文献1 丁道宏.电力电子技术M.北京:航空工业出版社199512 白志范等.可控硅半桥串联逆变式弧焊电源输出功率的研究A.全国焊接逆变电源学术会议论文集C1长春:198921-2513 王军波.半桥式IGBT逆变焊接电源工作过程分析及焊机的研制D.吉林:吉林工业大学硕士学位论文19981上接第8页变频率大多数在600,1200Hz之间。但目前阻焊逆变频率有提高的趋势韩国的TAESUNG公司生产出了4kHz的小功率点焊逆变器。当然纯粹追求高频率是毫无意义的如何选择逆变频率要从电源的整体设计出发提高频率应以提高的性能为设计准则。3各类的电阻焊监控方法均有其优缺点。恒流控制虽然是目前运用的比较成功的一种方法但在分流及电极磨损的情况下焊点质量变差。此外由于点焊次级电流很大采样比较困难采用LEM传感器在生产实际中难以行得通由于次级一般为脉动直流不能采用无感线圈采样。所以有些逆变点焊恒流系统采取 了从变压器一次侧采样恒流控制的精度和稳定性较差。4逆变点焊电源的发展还依赖于相关技术尤其是大功率二极管技术的支持。点焊具有输出电压低、输出电流大数千乃至数万安培的特点因此对次级整流元件的要求非常苛刻要求导通压降很低导通电流很大。现在次级整流多采用低饱和压降的肖特基二极管价格便宜可以并联使用以获得较大电流的输出。正由于次级整流功率管的输出功率的限制使开发大功率的逆变点焊电源显得困难。4 结论在一些性能要求很高的焊接场合如金属箔、线件、电子元件等的精密焊接由于产品的特殊用途对焊点的强度、飞溅控制及合格率均有极高的要求用传统的电容储能焊难以保证焊接质量的要求而精密逆变点焊电源配以微机控制可以实现电流波形的任意控制和精密控制能满足上述要求5。小功率的精密逆变点焊电源开发相对来说比较容易是今后逆变点焊机的一个发展方向。我国发展逆变点焊机的时机已成熟。技术上的研究已取得了一些进展但是逆变点焊机的产业化不仅需要完善的技术支持还需要市场的配合需要科研单位、生产厂商和使用单位3方面的合作。参考文献1 谢 坚等1电阻点焊研究进展上J1电焊机19941:1-812 张 电子技术19953:15-2113 王福生等1微义等1逆变式次级整流阻焊电源的研究J1电力 机控制悬挂式逆变次级整流点焊钳研究J1电焊机19992:3-714 谢 坚等1电阻点焊研究进展下J1电焊机19942:23-3015 王笑川等1精密点焊电源任意波形控制系统J1焊接学报19984:226-2301??91??研究与设计 电焊机Vol130200012?? 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co. 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