CO2逆變焊機(jī)主電路設(shè)計(jì)

1、CO2逆變焊機(jī)主電路設(shè)計(jì)2010年第2期（總第135期）徐宏彤，晏麗琴，岳桂杰，谷 莉（蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730070） 【摘要】CO2焊兩個突出的缺陷:金屬飛濺大，焊縫成形差。通過對飛濺成因的分析，解決上述問題的途徑一般有兩個，一個是通過焊接材料來改進(jìn)電弧形態(tài)和熔滴過渡形式，另一個由焊接設(shè)備和電源方面入手，利用逆變式焊接電源的優(yōu)勢，結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的成果，對電弧及熔滴過渡加以控制，從而減小飛濺。本文通過對一臺IGBT全橋逆變CO2焊接電源主電路的設(shè)計(jì)，全面介紹了逆變焊接電源的主電路的設(shè)計(jì)、計(jì)算及元件選擇應(yīng)注意的問題?！娟P(guān)鍵詞】逆變；CO2焊機(jī)；主電路設(shè)計(jì)1工作原理逆變焊接

2、電源的結(jié)構(gòu)可分為兩部分，從電網(wǎng)將電能傳遞給負(fù)載的電路稱為主電路，其余部分稱為控制電路。主電路包括三大部分，即輸入整流濾波、逆變器、輸出整流濾波。主電路的核心是逆變器。逆變器主要由功率電子開關(guān)和中頻變壓器組成。IGBT（絕緣柵雙極晶體管）是近年來發(fā)展的新一代電力電子器件，它是MOSFET管和GTR管集成在一塊芯片上的復(fù)合器件，結(jié)合了兩種管子的優(yōu)點(diǎn)，具有容量大、開關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步成為大、中容量逆變器的功率電子開關(guān)管的主流。具有開關(guān)頻率高、輸出功率大、無二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于各種開關(guān)電源、變頻器和逆變裝置。圖 IGBT全橋逆變主回路電氣原理圖上圖為IGBT全橋逆變主回路電氣原理圖。

3、主電路可分為三部分：第一部分，輸入整流濾波電路。二極管D1-D6組成輸入，C1 為高頻濾波電容；隔離電網(wǎng)與逆變電路之間的諧波干擾；電阻 R2、R3和電容器組 C2、C3組成濾波電路；R1為限流電阻，限制起動時的合閘浪涌電流；繼電器K控制限流電阻切換，啟動后閉合，把R1從主電路去除；電阻R10、R11、穩(wěn)壓管D9與電容C11組成延時電路，控制R1切換時間。第二部分，逆變器。VT1-VT4為功率開關(guān)IGBT，與中頻變壓器TF1組成逆變器；電阻R4-R7與二極管D10-D13共同組成VT1-VT4RCD吸收回路，減小IGBT開關(guān)過程電流、電壓沖擊。第三部分，輸出整流濾波電路?？焖僬鞫O管模塊D7、

4、D8和直流電抗器L1組成單相全波整流濾波輸出電路；R9、C9與R10、C10組成D7、D8的吸收回路。2IGBT的選擇IGBT的作用是通過它的周期性開和關(guān)作用，把直流電壓變換成方波電壓，它是逆變弧焊電源中的關(guān)鍵核心元件。由于它比較脆弱，對它的設(shè)計(jì)、選擇直接關(guān)系到整個焊機(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）。（）額定電壓Ucep輸入電網(wǎng)電壓整流濾波后，直流輸出電壓最大值Ud= U1.1a= 3801.11.1=650V式中Ud為IGBT承受的穩(wěn)態(tài)最大電壓；U為電網(wǎng)電壓有效值380V； a為安全系數(shù)，取1.1。關(guān)斷時的峰值電壓Uceps=（Ud1.15+150）a=（

5、6501.15+150）1.1 =987.25V式中Uceps為IGBT關(guān)斷時的峰值電壓；a為安全系數(shù)，取1.1；額定電壓Ucep向上靠，實(shí)際電壓等級值取1200V。（）額定電流Ic中頻變壓器一次側(cè)電流I1=I2N2/N1=400A2.520=50A式中I1為中頻變壓器一次側(cè)電流，按50A計(jì)算；I2為中頻變壓器二次側(cè)電流，即焊機(jī)輸出電流400A；N1，N2,為中頻變壓器一、二次側(cè)匝數(shù)。每只IGBT管上平均電流I=I10.5=500.5=25A額定電流Ic是IGBT手冊給出的在結(jié)溫25條件下的額定值。Ics= I1.51.4=74.24A式中Ics為IGBT額定電流計(jì)算值；I為每只IGBT管上平

6、均電流； 為峰值系數(shù)；額定電流Ic根據(jù)管子電流等級按150A取。綜上所述，所選IGBT管額定電壓1200V，額定電流150A。3輸入電路設(shè)計(jì)（）整流二極管的選取晶閘管制造廠家給出的電流值是指正弦半波電流平均值。但是，流過整流管的電流波形不一定是正弦半波，因此，應(yīng)根據(jù)電流有效值選擇才合理。設(shè)廠家給出的額定電流值為IN。相應(yīng)的正弦半波有效值Ib為Ib=1.57IN式中Ib為電流有效值；IN為額定電流值。另一方面，三相橋式整流電路中每個整流管導(dǎo)通1/3周期，由于電流脈動較小，可以近似平均值Id。因此，一個周期內(nèi)管子電流發(fā)熱量Q為: Q=Id2RT/3式中Q為電流通過二極管的發(fā)熱量；Id為輸入電流平均

7、值，即中頻變壓器一次電流I1；R為負(fù)載電阻；T為周期。那么，管子電流有效值Ib在一周內(nèi)的發(fā)熱量也是Q。所以Ib2RT = Id2RT/3。因而Ib0.58Id58Id=1.57IN由IGBT額定電流的計(jì)算可知，中頻變壓器一次電流I1=50A，所以額定電流值IN=0.369Id=0.369I1=0.36950A=18.5A二極管上最高承受電壓Um= Ui1.1=593V式中Um;為二極管上最高承受電壓；Ui為電網(wǎng)輸入線電壓有效值380V。考慮留有2倍以上安全裕量，選用額定值為1200V，50A二極管6只。（）濾波電容選取濾波電容最好選用等效串聯(lián)電阻低且電容量大的電解電容，由于等效串聯(lián)電阻值對輸出

8、脈動電壓值有直接影響。為了減少等效串聯(lián)電阻，用多個電容并聯(lián)，獲得所需的電容量。（）限流電阻R1的選取電容輸入式整流濾波電路在接通交流電壓時，合閘時由于電容充電，往往引起較大的浪涌電流。合閘浪涌電流會引起一系列可靠性方面的問題，必須設(shè)法加以抑制。但限流電阻的選擇要適當(dāng)，過大，主電路電壓降損失大；過小，起不到限流作用。在此選擇的限流電阻R1為,20/20W。起動后，延時一段時間后，開關(guān)K1合上，把R1從主電路中去除。4輸出電路設(shè)計(jì)（）整流二極管選擇開關(guān)整流二極管不僅應(yīng)有短的反向恢復(fù)時間和小的反向恢復(fù)電流，而且反向電流的恢復(fù)以緩慢為好。常用的有摻金擴(kuò)散型、外延型、肖特基型和PIN型。其中，PIN型的

9、特點(diǎn)是正向壓降低，常溫時0.85V，隨結(jié)溫升高，正向電壓降會更低，150時只有0.6V，和肖特基管接近；反向時間短，不大于200ns；反向漏電流在150時和額定電壓下只有1mA，接近普通整流二極管。故選用PIN型二極管。（）直流電抗器設(shè)計(jì)直流電抗器的鐵心有閉合與條形之分，在此選用條形鐵心。這樣，在短路電流很大時，不會飽和，選用普通硅鋼片作為鐵心材料。在主電路電流未經(jīng)過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：L（U2-U0）/（2I0min）ton，式中L為直流電抗器的電感量；U2為中頻變壓器二次電壓幅值67.5V；U0為電感濾波輸出電壓，即焊機(jī)輸出電壓

10、50V；ton為IGBT最大導(dǎo)通時間，18.5S；I0min為最小電流。I0min=0.5IL，式中IL為電抗器中電流，即焊機(jī)輸出電流400V；IL為IL的變化量，一般取IL的6%，所以Iomin0.50.06400A12A直流電感量L（67.5-50）/（212A）18.5S=13.85H =0.0135mH對于二極管整流電源，焊絲直徑為1.2時，L取0.080.5mH。而對于逆變電源，L取值一般取晶閘管逆變器電感量的0.10.2倍，取L=0.1mH，繞組的匝數(shù)N=4400（BmL/IL）1/3=4400（0.8T0.01mH0.01/400A）1/3=25.73匝式中N為直流電抗器的繞組匝數(shù)，取26匝；Bm為鐵心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度0.8T；L為直流電感量0.01H; IL為直流電抗器中電流400A。繞組線圈直徑dm=2.4（IL2L/Bm2）1/3=2.4（40020.01/0.82）1/3=3.257cm3.3cm電感線圈長度L0=2.3dm=7.59cm8cm電抗器的實(shí)際匝數(shù)要在調(diào)試中修正選取。5結(jié)論（）IGBT的選擇決定了焊機(jī)安全性能。應(yīng)考慮留有充分的安全裕量。（）輸入電路