中频焊接电源设计毕业.docx

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中频焊接电源设计毕业

中频焊接电源设计毕业

安徽建筑大学

毕业设计（论文）

专业电气工程及其自动化

班级10电气

（1）班

学生姓名

学号

课题60KVA智能中频焊接电源设计

指导教师朱卫国

2014年06月12日

摘要

本文分析了当今中频电阻焊电源的国内外研究现状以及未来产品的发展趋势，介绍了中频逆变电阻焊接电源的关键技术以及存在的问题，描述了中频逆变电阻焊接电源的基本原理和设计理论。

本文针对这种低压大电流焊接电源所具有的特点，完成了对中频逆变电阻焊电源的主电路的设计，并依据中频逆变电阻焊接电源的基本原理和设计理论，给出了各个器件的具体参数。

在对中频逆变电阻焊电源的主电路的设计的过程中，为了保证了系统的可靠工作，对中频电阻焊机的主电路采取了抗干扰与可靠性设计。

在完成了对中频逆变电阻焊电源的主电路的设计之后，运用了Matlab/Simulink软件对主电路建立了仿真模型，在完成仿真之后，对仿真出来的结果进行了分析与研究。

关键词：

中频焊接电源；主电路设计；电路仿真;Matlab/Simulink

Abstract

Thispaperanalysesthedevelopmenttrendofthedomesticandforeignresearchpresentsituationinthemidfrequencyresistanceweldingpowersupplyandfutureproduct,introducedthekeytechnologyofmediumfrequencyinverterresistanceweldingpowersourceandtheexistingproblems,describesthebasicprincipleanddesigntheoryofmediumfrequencyinverterresistanceweldingpowersource.

Inthispaper,thecharacteristicsofthelow-voltagehighcurrentpowersupply,completedthedesignofmaincircuitofmediumfrequencyinverterresistanceweldingpowersource,thebasicprincipleandthedesigntheoryandonthebasisofmediumfrequencyinverterresistanceweldingpowersource,giventhespecificparametersofeachdevice.Duringthedesignofmaincircuitofmediumfrequencyinverterresistanceweldingpowersourceinthe,inordertoensurethereliableoperationofthesystem,themaincircuitofintermediatefrequencyresistanceweldingmachineadoptinganti-jammingandreliabilitydesign.Aftercompletingthedesignofmaincircuitofmediumfrequencyinverterresistanceweldingpowersource,usingthesimulationmodelisbuiltonthemaincircuitoftheMatlab/Simulinksoftware,inthesimulation,thesimulationresultsareanalyzedandstudied.

Keywords:

Iftheweldingpowersource；thedesignofthemaincircuit；Circuitsimulation;Matlab/Simulink

第一章绪论

1.1引言

焊接在机械制造中是一种十分重要的加工工艺。

焊接技术在工业生产中具有极为重要的位置，其水平的高低将对整个工业水平的提高和发展起着重要的作用。

焊接设备素有“工业缝纫机”之称，是国民经济发展必不可少的重要设备。

电阻焊是工件组合后通过电极施加压力，利用电流流过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法。

电阻焊技术作为焊接学科的一个重要组成部分，随着新材料、新技术、计算机技术，电力电子技术和先进的控制技术的不断进步，电阻焊技术出现了前所未有的发展。

中频焊机是目前最为先进的阻焊焊接技术，它经过变压器的整流后，由电极输出直流电，能最大限度的提高功率因数，保证焊接质量，并能节能百分之三十（与单相交流相比）。

并且此类焊机在焊一些特殊材料，如铝，铝合金，镀锌板等，焊接效果优良。

1.2电阻焊的基本原理及中频电阻焊的优势

电阻焊又称接触焊，属压力焊范畴，是以电阻热为能源的一类焊接方法。

电阻焊是使工件处在一定电极压力作用下，利用电流通过工件时所产生的电阻热将两工件之间的接触表面熔化，从而实现连接的焊接方法。

电阻焊一般包括点焊、缝焊、凸焊和对焊等。

电阻焊原理如图1.1所示，图中a、b、c代表不同焊接电流温度曲线，其中c曲线焊接电流可满足焊接质量要求。

焊接质量的精确稳定控制可以通过对焊接电流、接触压力、焊接间的精确控制来实现。

与传统电阻焊机相比中频焊机有以下几个优势:

（1）电流效率高，工艺优势明显交流有过零转换，其间会损失一定的能量。

而直流电源持续加热，能快速得到所需要的热量，电流效率提高20%左右。

（2）焊接一致性高试验数据表明，交流的波动范围达到35%左右，而直流的波动在3%左右。

直流焊接的一致性提高了10倍。

（3）三相供电平衡，对网络的冲击小中频直流焊机为三相输入，焊接过程中三相负载平衡，可以减少对供电系统的功率要求，不对任何单独一相造成尖峰过载，满足优惠电力费率要求。

而交流焊机为单相输入，在实际接线过程中虽然按照各相基本均衡的方式接入，但是由于焊接车间焊机较多，一方面很难做到完全均衡，另一方面在实际生产时焊机电流接通随意性大，无法做到平衡，甚至出现某一相焊机全部工作或全部不工作的状态，严重影响变压器及相关焊接设备的寿命。

（4）功率因数高中频直流焊接的功率因数大于95%，无电感分量，一般的传统交流电阻焊机功率因素仅60%，因此产品焊接的能源电流成本显著减小。

图1.1电阻焊原理示意图

1.3本课题的来源、研究重点及研究意义

本课题是受企业委托的中频电阻焊机的配套电源。

课题基础是对电源基本原理的掌握以及电源工作参数和性能参数的基础上,根据课题要求完成电源的设计和仿真。

其中，中频焊接电源的主电路设计是本课题的重点。

焊接电源作为焊接的能源供给装置，其性能直接将影响到焊接质量，因此对焊接电源的研究长期以来受到人们的高度重视。

过去几十年中，由于对电焊质量要求的不断提高，电阻焊电源从最初的单相交流电源到后来的电容储能电源、三相低频电源、次级整流电源再到逆变电源，不断更新换代。

这一系列的研究使得逆变电阻焊电源具有良好的焊接工艺性、较高的动态响应速度和控制精度。

所以，采用逆变技术的次级整流中频焊电源是目前发展的重要方向。

第二章中频电源工作原理

中频焊接逆变电源整个系统主要有以下几个单元电路:

工频不可控全波整流桥、全桥IGBT逆变器、中频变压器、中频不可控全波整流电路、电流电压反馈电路、控制电路等。

2.1工频不可控整流电路原理：

整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。

整流电路的应用十分广泛，例如直流电动机，电镀，电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。

同时，整流电路是中频焊接电源重要的组成部分。

由于近年来，在AC-DC-AC变频器，不间断电源，开关电源中常采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源。

所以，本文就三相不可控整流电路原理做一下的介绍：

该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。

当没有二极管导通时，由电容向负载放电，按指数规律下降。

设二极管在距线电压过零点σ角处开始导通，并以二极管和开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为

（2-1）

相电压为（2-2）

图2.1电容滤波的三相桥式不可控整流电路

在t=0时，二极管和开始同时导通，直流侧电压等于；下一次同时导通的一对管子和，直流侧电压等于。

这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是和同时导通之前和是关断的，交流侧向直流侧的充电电流是断续的，如图1所示；另一种一直导通，交替时由导通换相至导通，是连续的。

介于二者之间的临界情况是和同时导通的阶段与和同时导通的阶段在处恰好衔接起来，恰好连续。

由前面所述“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。

假设在的时刻“速度相等”恰好发生，则有

=（2-3）

可得（2-4）

这就是临界条件。

和分别是电流断续和连续的条件。

对于一个确定的装置来讲，通常只有R是可变的，它的大小反映了负载的轻重。

因此可以说，在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是。

2.2全桥IGBT逆变器原理:

通过了解，我们知道全桥IGBT逆变器是中频电源中十分重要的一环，它是使工频转化为中频的关键环节。

下面就是对全桥逆变原理的一些介绍：

电压型全桥逆变电路的原理图如下图2.2所示，它共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。

把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180度。

图2.2全桥逆变电路原理图

全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。

下面对其电压波形作定量分析。

把幅值为的矩展开成傅里叶级数得

（2-5）

其中，基波的幅值和基波有效值分别为

（2-6）

（2-7）

前面分析的都是为正负电压各为180度的脉冲时的情况。

在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压来实现。

2.3PWM原理

脉宽调制（PWM）基本原理：

控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。

也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。

这些脉冲宽度相等，都等于∏/n，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。

如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。

可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。

根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。

在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交－直－交变频器中，整流电路采用不可控