ZX7-400逆變電源系統(tǒng)研究 開題報(bào)告

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告題 目： ZX7-400逆變電源系統(tǒng)研究 學(xué)生姓名： 李 永 超 學(xué) 號(hào)： 080602209 專 業(yè)： 材料成型及控制工程 指導(dǎo)教師： 王 軍 2012年 3 月 30 日1 結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：ZX7400焊接電源為直流下降特性逆變焊接電源。逆變焊接電源由于其頻率的提高，具有高效節(jié)能、省材輕巧、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，電氣性能、焊接工藝性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)1，是電焊機(jī)發(fā)展方向之一。逆變焊接電源的結(jié)構(gòu)可以分為兩部分，從電網(wǎng)將電能傳遞給負(fù)載的電路稱為主電路，其余部分為控制電路2。1.1

2、 主電路逆變焊機(jī)主電路由輸入整流濾波電路、逆變電路、輸出整流濾波電路組成，其中逆變電路為關(guān)鍵電路。1.1.1 逆變電路基本形式目前逆變電路的基本形式主要有推挽式、全橋式、半橋式和單端式等3，分別具有以下特點(diǎn)1,4：（1） 推挽式 兩功率開關(guān)管輪流通斷，經(jīng)降壓整流后輸出直流電，開關(guān)管承受兩倍以上輸入電壓，對(duì)耐壓要求較高，一般只用于晶閘管式逆變器。（2） 全橋式 可選用四只IGBT，構(gòu)成的2個(gè)橋臂都有產(chǎn)生直通的可能，因此控制電路復(fù)雜。變壓器原邊繞組的電壓為E，適合大功率輸出，但極易產(chǎn)生偏磁。（3） 半橋式 抗偏磁能力強(qiáng)，但有出現(xiàn)直通的可能。因變壓器原邊繞組電壓是E/2，適合中等功率的逆變焊機(jī)。（4

3、） 單端式 不會(huì)出現(xiàn)高頻變壓器偏磁，但磁芯利用率低，不易實(shí)現(xiàn)大功率輸出。為解決該問題就需要多組并聯(lián)，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)多路輸出同步、均流、抗干擾等問題。應(yīng)用IGBT時(shí)，其主電路主要為后三種，其電路拓?fù)浜?jiǎn)圖如圖1所示。(a) 單端 （b）半橋 （c）全橋 圖1 逆變焊機(jī)主電路1.1.2 功率開關(guān)的選取目前用于逆變式手弧焊電源的功率電子器件主要分為三大類3：（1） 雙極型器件，以晶閘管（SCR）為最典型，屬半控器件，無自關(guān)功能，且開關(guān)頻率低（0.55kHz），有噪聲，主要用于工作頻率較低的弧焊逆變器。（2） 單極性器件，以場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)為最典型，屬電壓控制器件，控制方便，熱穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)

4、，開關(guān)頻率達(dá)500kHz。但其缺點(diǎn)是導(dǎo)通壓降大，單只器件容量大，即使較小容量的弧焊電源仍需多只場(chǎng)效應(yīng)管，多只器件并聯(lián)會(huì)引起動(dòng)態(tài)均流問題。（3） 混合型器件絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，它是MOSFET管與雙極性晶體管構(gòu)成的復(fù)合器件，是一種高頻率和大功率結(jié)合的器件，既保留了MOSFET管的高開關(guān)頻率、高輸入阻抗、電壓驅(qū)動(dòng)、無二次擊穿和安全工作區(qū)域較寬等優(yōu)點(diǎn)，又解決了MOSFET管高耐壓與低導(dǎo)通電阻之間的矛盾，開關(guān)頻率大(1040kHz),目前在容量較大的弧焊電源中已成為主流器件。1.1.3 逆變技術(shù)逆變技術(shù)對(duì)IGBT的參數(shù)要求并不是一成不變的，逆變技術(shù)已從硬開關(guān)技術(shù)、移相軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展到雙零軟開

5、關(guān)技術(shù)，各技術(shù)之間存在相輔相成的紐帶關(guān)系，同時(shí)具有各自的應(yīng)用電路要求特點(diǎn)，因而，對(duì)開關(guān)器件的IGBT的要求各不相同。以下為典型的逆變電路拓?fù)浼癐GBT的選擇5：（1） 硬開關(guān)電路拓?fù)?此種工作方式，IGBT對(duì)角同時(shí)開通和關(guān)斷，產(chǎn)生開關(guān)損耗，在損耗的組成中，關(guān)斷損耗所占比例更大，因此選擇快速型IGBT，尤其關(guān)斷時(shí)間較短者為佳。其電路拓?fù)淙鐖D2所示。圖2 硬開關(guān)電路拓?fù)洌?） 移相軟開關(guān)電路拓?fù)?此種工作方式，同組IGBT的開通和關(guān)斷存在一定的相位，IGBT的開關(guān)損耗較小，但導(dǎo)通損耗大，且IGBT續(xù)流二極管的工作時(shí)間長(zhǎng)，選擇低通態(tài)的IGBT而且要求續(xù)流二極管的通流能力強(qiáng)。其電路拓?fù)淙鐖D3所示。圖3

6、 移相軟開關(guān)電路拓?fù)洌?） 雙零軟開關(guān)電路拓?fù)?此種工作方式，同組的IGBT同時(shí)開通，但不同時(shí)關(guān)斷，IGBT的開關(guān)損耗非常小，在其損耗組成中，通態(tài)損耗所占比例較大，選擇低通態(tài)的IGBT為佳。其電路拓?fù)淙鐖D4所示。圖4 雙零軟開關(guān)電路拓?fù)?.2 控制電路 控制電路包括脈寬生成電路、驅(qū)動(dòng)電路、反饋電路、軟啟動(dòng)電路及各種過流、過壓、欠壓、過熱保護(hù)電路。其工作過程為工頻交流電經(jīng)整流濾波后的直流電壓為逆變主電路供電，PWM的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變電路，再通過高頻變壓器得到高頻電壓，由高頻整流濾波后，從而輸出直流電壓。而輸出反饋信號(hào)經(jīng)光電耦合器隔離反饋給脈沖調(diào)制器，通過與脈沖調(diào)制器中誤差放大器的基準(zhǔn)電壓比較，可

7、控制脈沖調(diào)制器的輸出占空比，以調(diào)節(jié)輸出電壓。與脈寬生成電路相配套的集成芯片主要有SG3525、TL494、UC3842等，這些芯片是組成控制電路的核心，當(dāng)主電路出現(xiàn)過流、過壓或溫升異常時(shí)，通過反饋電路可直接封鎖脈沖輸出端4,6。1.2.1 脈寬生成電路 SG3525是電流控制型PWM控制器,不僅具有可調(diào)整的死區(qū)時(shí)間控制控制功能，而且還具有可編式軟啟動(dòng)，脈沖控制封鎖保護(hù)等功能。通過調(diào)節(jié)SG3525第5腳上的CT的電容和第6腳RT上的電阻就可以改變輸出控制信號(hào)PWM的頻率，調(diào)節(jié)第9腳COMP的電壓可以改變輸出脈寬，這些功能可以改善開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)性能和簡(jiǎn)化控制電路的設(shè)計(jì)。SG3525由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器

8、、振蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟啟動(dòng)電路和輸出電路構(gòu)成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示7,8。其中基準(zhǔn)電壓調(diào)整器提供一個(gè)供輸出電壓進(jìn)行比較的穩(wěn)定電壓和一個(gè)內(nèi)部IC電路的電源；振蕩器為PWM比較器提供一個(gè)鋸齒波和與該鋸齒波同步的驅(qū)動(dòng)脈沖控制電路輸出的同步信號(hào)；誤差放大器使電源輸出電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較；其余的電路以正確的時(shí)序使輸出晶體管導(dǎo)通9。1.2.2 驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路 驅(qū)動(dòng)和保護(hù)IGBT有不同的方式和電路。按驅(qū)動(dòng)電路元件的組成可分為分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路和集成化驅(qū)動(dòng)電路。而集成驅(qū)動(dòng)電路由于具有更好的驅(qū)動(dòng)性能、更高的整體可靠性和體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用10

9、。IGBT是電壓控制型器件，因此只要控制IGBT的柵極電壓就可以使其開通或關(guān)斷，并且開通時(shí)維持比較低的通態(tài)壓降。柵極正電壓的變化對(duì)IGBT開通特性、負(fù)載短路能力和du/dt電流有較大的影響，而柵極負(fù)偏壓則對(duì)關(guān)斷特性的影響較大。一般來說驅(qū)動(dòng)方式有直接驅(qū)動(dòng)、隔離驅(qū)動(dòng)、集成模塊驅(qū)動(dòng)等方式11,12,13。圖5 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1） 直接驅(qū)動(dòng) 其電路拓?fù)淙鐖D6所示，這個(gè)電路的特點(diǎn)是能很好地對(duì)柵極電容充電。圖6 直接驅(qū)動(dòng)電路（2） 隔離驅(qū)動(dòng) 在驅(qū)動(dòng)電路中，主電路和控制電路之間一般采用光電耦合或脈沖變壓器來提供電氣隔離。如圖7所示是采用變壓器隔離的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)級(jí)不需要專門的直流電源,簡(jiǎn)

10、化了電源的結(jié)構(gòu),且工作頻率較高,可達(dá)100kHz,但由于漏感和集膚效應(yīng)的存在,使繞組的繞制工藝復(fù)雜,并易于出現(xiàn)振蕩。圖7 變壓器隔離的驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示是一種采用光電耦合隔離的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特點(diǎn)是體積小巧，但由于光耦合響應(yīng)速度較慢,因而具有較長(zhǎng)的延遲時(shí)間,且光電耦合器的輸出級(jí)需要隔離的輔助電源供電。圖8 光耦合隔離的驅(qū)動(dòng)電路（3） 集成模塊驅(qū)動(dòng) 如圖9為M57962L型IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊原理圖，具有抗干擾能力強(qiáng)，集成化程度高，速度快，保護(hù)功能完善，可實(shí)現(xiàn)IGBT的最優(yōu)控制。圖9 集成驅(qū)動(dòng)原理圖為保證IGBT的安全運(yùn)行，需要采取合適的過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)以及過熱保護(hù)等。IGBT的過電流保護(hù)

11、可分為過載保護(hù)和短路保護(hù)兩類，通常采取的過流保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降低柵極電壓兩種；IGBT的過電壓的產(chǎn)生主要有兩種情況，一種是施加到IGBT集電極發(fā)射極上的直流電壓過高，另一種是集電極發(fā)射極上的浪涌電壓過高，針對(duì)前者可在選取IGBT時(shí)進(jìn)行降額設(shè)計(jì)或在檢測(cè)出這一過壓時(shí)分?jǐn)郔GBT的輸入，針對(duì)后者可采用緩沖吸收電路抑制關(guān)斷時(shí)的過電壓；針對(duì)過熱，可在IGBT處加裝一溫度傳感器，檢測(cè)IGBT的殼溫，超過允許溫度時(shí)切斷IGBT的輸入以實(shí)現(xiàn)保護(hù)10,12。1.3 逆變焊機(jī)的發(fā)展方向目前逆變焊機(jī)仍然沒有發(fā)揮出最大潛能，還具有巨大的發(fā)展空間。逆變焊機(jī)的發(fā)展方向主要為高頻逆變、數(shù)字化控制、諧波抑制等14。例如可以

12、改進(jìn)逆變焊機(jī)的主電路，去掉了軟啟動(dòng)電路，使逆變開關(guān)頻率不再受電解電容的限制，從而實(shí)現(xiàn)了高頻化15；單片機(jī)、DSP和嵌入式系統(tǒng)等數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入將帶來控制方式的飛躍14；通過采用有源功率校正技術(shù)可有效抑制高次諧波電流，提高功率因數(shù)，而且對(duì)電網(wǎng)無污染，達(dá)到高效節(jié)能的效果16。參考文獻(xiàn)1 黃石生.弧焊電源及數(shù)字化控制M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20102 徐宏彤,晏麗琴,岳桂杰等.CO2逆變焊機(jī)主電路設(shè)計(jì)J.廣西輕工業(yè)，2010(2):30-313 趙文宏,汪小洪,盧小慧.ZX7系列逆變式直流弧焊電源的研制J.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002,30(4):336-3394 ?？“?優(yōu)先選用IGBT逆

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15、電焊機(jī),2009,39(2):30-3415 王春芳,王兆安,王開艷.弧焊逆變器主電路的改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證J.電力電子技術(shù),2010,44(7):51-5216 楊希炯,陳要玲,石文波.逆變焊接電源節(jié)能高效的綠色設(shè)計(jì)J.電焊機(jī),2009,39(2):18-23本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段及途徑：2.1 本課題的研究任務(wù) 逆變焊機(jī)具有輕便、節(jié)能、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，是電焊機(jī)發(fā)展的主要方向之一，而IGBT逆變焊機(jī)已成為弧焊電源發(fā)展的主流產(chǎn)品。因此，本文的研究?jī)?nèi)容如下：（1） 設(shè)計(jì)并檢測(cè)調(diào)試基于IGBT的輸入整流濾波電路、逆變電路、輸出整流濾波電路；（2） 設(shè)計(jì)并檢測(cè)調(diào)試基于SG3525的PWM控制系統(tǒng)；（3） 設(shè)計(jì)并檢測(cè)調(diào)試IGBT的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路，包括過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)等；2.2 本課題擬采用的研究手段及途徑2.2.1 整體設(shè)計(jì)思路如圖10所示為弧焊逆變電源主要組成及基本原理框圖，根據(jù)任務(wù)書及參考文獻(xiàn)等按圖10的主要組成部分逐步進(jìn)行設(shè)計(jì)（包括保護(hù)電路），最終進(jìn)行檢測(cè)調(diào)試，優(yōu)化方案，確定最終設(shè)計(jì)方案。負(fù)載輸入整流濾波輸出整流濾波變壓器逆變主電路50Hz ACIGBT驅(qū)動(dòng)電路控制電路 電壓反饋電流反饋PWM控制電路圖10 IGB