zx7400逆变电源系统研究 材料成型及控制工程专业 大学论文.docx
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zx7400逆变电源系统研究材料成型及控制工程专业大学论文
毕业论文
学生姓名：
学号：
学院：
材料科学与工程学院
专业：
材料成型及控制工程
题目：
ZX7-400逆变电源系统研究
指导教师：
评阅教师：
2012年6月
河北科技大学毕业论文成绩评定表
姓名
学号
成绩
专业
材料成型及控制工程
题目
ZX7-400逆变电源系统研究
指导教师评语及成绩
指导教师：
年月日
评阅教师评语及成绩
评阅教师：
年月日
答辩小组评语及成绩
答辩小组组长：
年月日
答辩委员会意见
学院答辩委员会主任：
年月日
注：
该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书（论文）中。
毕业论文中文摘要
与传统焊接电源相比，逆变焊接电源具有体积小、重量轻、节能省材、可实现熔滴的精细化控制等诸多优点，是电焊机的主要发展方向之一。
通过对逆变焊接电源各部分的理论分析与计算，设计了基于IGBT的ZX7-400逆变焊接电源的主电路和控制电路。
主电路部分设计了三相桥式整流电路、电解电容滤波电路、基于IGBT的全桥逆变主电路、以非晶合金为磁芯的中频变压器、基于快恢复二极管的全波整流电路以及直流电抗器等；控制电路部分设计了基于SG3525的PWM控制电路、基于EXB840的驱动电路以及过流、过热电路等。
最后，通过对不同负载情况下的驱动波形以及相应的IGBT的管压降的检测，证明所设计焊机性能良好，符合使用要求。
关键词ZX7-400全桥逆变IGBTSG3525EXB840
毕业论文外文摘要
TitleStudyonZX7-400InverterWeldingPowerSource
Abstract
Comparedwiththetraditionalweldingpowersource,inverterweldingpowersourcewithasmallsize,lightweight,savingenergyandmaterials,melt-dropletfinecontrolandmanyotheradvantagesbecomesoneofthemaindevelopmentdirectionsoftheweldingmachine.Basedonthetheoreticalanalysisandcalculationsoftheinverterweldingpowersource,themaincircuitandcontrolcircuitofZX7-400whichisbasedonIGBTaredesigned.
Ontheonehand,thethree-phasebridgerectifiercircuit,theelectrolyticcapacitorfiltercircuit,thefull-bridgeinvertercircuitbasedonIGBT,intermediatefrequencytransformerwithanamorphousalloycore,full-waverectifiercircuitbasedonfastrecoverydiodesandaDCrectorofthemaincircuitaredesigned;ontheotherhand,thePWMcontrolcircuitbasedonSG3525,drivingcircuitbasedonEXB840,over-currentandover-heartcircuitofcontrolcircuitaredesigned.Finally,itisprovedthatthegoodperformanceofthewelderdesignedanditmeetstheuserequirementsbythedetectionofthedrivewaveformandcorrespondingtubevoltagedropoftheIGBTundervariousloadconditions.
KeyWordsZX7-400full-bridgeinverterIGBTSG3525EXB840
1绪论
1.1焊接的发展及其在现代工业中的应用
现代焊接方法的发展是以电弧焊和压力焊为起点的。
电弧作为一种气体放电的物理现象，于19世纪被人们发现。
而电弧焊真正应用于工业是在1892年发明了金属极电弧之后，特别是在20世纪30年代前后发明了薄皮焊条、厚板焊条、氩弧焊及埋弧焊以后。
如今的焊接技术是一种现代化的传统加工技术，同时已发展成为一种将材料永久性连接并使焊接接头具有给定功能的先进加工技术。
几乎所有的产品，从不足1g的微型电子元器件到几十万吨级的巨型轮船，在生产过程中都不同程度地依赖着焊接技术。
焊接技术已然渗透到了制造业的各个领域，焊接与金属切削加工、压力加工、热处理、铸造等其它方法一起构成的金属加工技术，已经成为汽车、船舶、飞机、航天、石油、化工电子等工业部门的基本生产手段，而且直接影响着产品的质量、可靠性、寿命、生产的效率、成本以及市场的反应速度等[1]。
在21世纪，焊接技术作为先进制造技术的一个重要组成部分，仍将在制造业中起着举足轻重的作用[2]。
焊接电源是实现焊接的最重要的设备，工业发达国家每生产1万吨钢就需要相应的生产20~25台电焊机。
因此，焊接电源性能的好坏、是否先进是一个国家工业发达与否的决定因素之一[3]。
1.2逆变弧焊机及发展应用现状
1.2.1逆变基本概念
把交流电转换成直流电的过程叫做整流，完成整流转换过程的电路叫做整流电路，把实现整流转换过程的设备叫做整流器。
与此相对，把直流电转换为交流电的过程叫做逆变，完成逆变转换过程的电路叫做逆变电路，而把实现逆变转换过程的设备叫做逆变器[4,5]。
1.2.2逆变的分类
现代逆变技术的种类很多，如表1.1所示为根据不同的形式，所进行的分类[6,7]。
为了满足不同的负载需求，有如下几种逆变体制[8]：
（1）AC→DC→AC
把工频交流电整流成直流电后，再逆变成为交流电，不过后者的交流频率已不是原来的工频，而是中频或高频，其输出可以通过变压器进行降压或升压提供给负载，也可
表1.1逆变技术的主要分类
分类方式
类别
逆变器输出交流频率
工频逆变、中频逆变和高频逆变
逆变器输出的相数
单相逆变、三相逆变和多相逆变
逆变器输出能量的去向
有源逆变和无源逆变
逆变主电路的形式
单端式、推挽式、半桥式和全桥式
逆变主开关器件的类型
晶闸管逆变式、晶体管逆变、场效应管式和IGBT式
输出能量的稳定的参量
电压型逆变和电流型逆变
输出电压或电流的波形
正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变
控制方式
调频式（PFW）逆变、调脉宽式（PWM）逆变和混合调节式逆变
逆变开关电路的工作方式
谐振式逆变、定频硬开关式逆变和定频软开关式逆变
以直接接入负载。
由直流电逆变回来的交流电同样可以是低频的，但它的频率或占空比可以进行比较大范围的调节，从而满足负载的需要。
（2）AC→DC→AC→DC
将上述逆变成的交流电再次整流成直流电。
此逆变体制可以用作直流驱动电机、电镀电源、稳压电源或电弧电源等。
此逆变过程并非多此一举的，总的来说，就是要同时达到两个目的：
一是变压，二是节能。
即利用逆变原理把50Hz工频交流电逆变成高频交流电再进行变压（借助高频变压器）和整流，较直接把工频交流电进行变压（借助工频变压器）和整流，要节电得多。
（3）AC→DC→AC→DC→AC
此种逆变体制主要用于提供矩形波交流电的场合，其它场合应用比较少。
1.2.3逆变焊机的优点
逆变焊机的优点如下[9]：
（1）体积小、重量轻
由于逆变焊机的逆变频率较高，变压器重量降低。
现在逆变焊机变压器铁芯材料主要采用铁氧体材料和非晶材料，小功率逆变焊机已作为工具进入家庭。
传统焊机中变压器的重量占焊机重量的80%以上，逆变焊机中变压器的重量占焊机重量的1/5~1/10。
逆变焊机的重量是同容量整流焊机的1/2~1/4。
（2）节能
表1.2逆变焊机与传统焊机参数对照表
逆变焊机的节能体现在两方面：
空载时节能和负载时节能。
空载时逆变焊机可使主电路、风扇等全部进入停止状态，空载功耗只有几瓦。
表1.2为输出电流为350A的某款IGBT逆变焊机和晶闸管整流焊机效率的对比。
焊机参数
逆变焊机
传统的晶闸管整流焊机
额定输入电压
三相AC380V/50Hz
额定输入功率/有功功率
13.7kVA/12kW
15.7kVA/14.1kW
额定输入电流/A
21
24
输出电流/A
DC60~350
DC60~350
输出电压/V
DC14~40
DC16~40
满载效率
0.916
0.78
额定负载持续率（%）
60
60
外形尺寸（长×宽×高）/㎜
636×322×584
675×436×762
重量/㎏
42
100
（3）可实现熔滴过渡的精细控制
由于逆变焊机的工作频率在20kHz以上，从而可以对熔滴过渡细分为多个阶段来进行控制。
对于CO2气体保护焊，可大幅度降低飞溅；对于脉冲熔化极惰性/活性气体保护焊（MIG/MAG）而言，可有效地控制射流过渡的稳定性，此外还能将熔滴过渡与送丝机构的运动结合起来，从而进一步控制熔滴过渡的过程。
这些都是传统整流焊机无法比拟的。
1.2.4逆变焊机的发展现状
20世纪70年代末堪称焊接电源发展史上具有突破性的时期——逆变弧焊整流器问世。
弧焊逆变整流器在构造、性能和工作原理上均颠覆了传统的焊接电源。
因为它具有节能省材，效率高，稳定性能与可靠性能高等优势，一经面世就备受全球各机械加工部门的认可，被冠以“革命性焊接电源”的美名。
我国的逆变焊机技术起源于20世纪70年代，真正得到有效的发展是在20世纪80年代。
随着对国际上焊机市场的发展状况的研究，我国的逆变焊机经历了以下三个发展时期[6]：
（1）第一个时期：
晶闸管（SCR）时期，这个时期的逆变焊机所用的逆变频率较低，一般为2~5kHz，主要以晶闸管作为开关元器件；
（2）第二个时期：
随着功率开关元器件的发展，出现了以晶体管（GTR）和场效应管（MOSFET）为主的新型功率开关器件，它们克服了晶闸管逆变频率低的缺点，把逆变频率提高到30～100kHz；
（3）第三个时期：
目前，以绝缘栅双极性晶体管（IGBT）作为开关元器件的逆变焊机已然成为了焊机市场的主导，很多科研部门、企业单位、高校等成功研制出新的焊机产品，其性能、结构、质量均已达到世界先进水平。
1.3本论文选题的意义及目的
1.3.1本论文选题的意义
焊接作为一种基本的加工方法应用非常广泛。
目前，工业发达国家的钢产量有一半以上是以焊接结构的形式应用的。
焊接与国民经济各个部门的发展，如冶金、矿山、国防工业、造船工业、机械加工工业、航空航天工业等都有着极其密切的关系。
焊接水平的高低将直接影响到一个国家工业品的质量水平、竞争力以及经济效益。
焊接在国民经济的发展中起着举足轻重的作用。
因此，对焊接电源的研究具有非常重要的意义。
长期以来，国外的焊机产品占据着我国电焊机市场的半壁江山，国产焊机由于设计水平低、制造工艺落后和可靠性差等诸多原因，在市场竞争中处于劣势。
改革开放以来，我国引进和研制了一些先进的焊接设备与技术，既提高了我国焊接设备的设计和制造水平，又使设备的品种、规格得到了丰富和发展。
虽然我国焊机行业取得了长足的进步，但是与工业发达国家相比，仍有很大差距。
要想改变这种现状，赶上国际先进水平，就必须学习并掌握先进焊机的设计与控制技术，开发出适合我国国情、价位低、质量优的国产焊机。
因此，对焊接电源的研究具有非常重要的意义。
本论文选题为“ZX7-400逆变电源系统研究”。
以“奥太ZX7系列逆变弧焊机”为例，该系列逆变弧焊机包括S（直流弧焊机）、ST（焊条电弧/氩弧焊机）、STG（焊条电弧/氩弧焊机）3种型号。
采用IGBT作为逆变器件，工作频率达20kHz，无噪声。
既能用于碳钢和低合金钢的焊接，又能用于不锈钢、高合金钢、铜、银、钼、钛等金属的焊接，是一种新型高效节能的直流弧焊机[9]。
由此可见，在能源日趋紧张，国际竞争日趋激烈的今天，研究此系列焊机显然具有现实意义和实际应用价值。
1.3.2本论文选题的目的
通过本课题的研究，应达到以下目的：
（1）运用所学的专业知识，解决实际问题的能力；
（2）掌握开展科学研究的工作步骤和基本方法；
（3）锻炼和提高学生的科技论文写作能力；
（4）锻炼和提高学生的实际动手能力；
（5）掌握逆变焊接电源设计的特点；
表1.3奥太ZX7-400逆变焊机参数规格
如表1.3所示为奥太ZX7-400逆变焊机参数规格，作为本课题的参考[9]。
项目
参数
电源电压/频率
三相380（L
10%）V/50Hz
额定输出功率/kW
14.4
额定输入电流/A
26
额定负载持续率（%）
60
输出电流调节范围/A
20~400
输出空载电压/V
72
8
满载效率（%）
89
功率因数
0.95
2ZX7-400逆变电源主电路的设计
逆变弧焊机通常由两部分组成：
（1）主电路部分，它的作用是完成电能的转换和传输，是逆变电源的主要部分；
（2）控制电路部分，它的作用是对逆变主电路进行控制，实现电源外特性输出控制、焊接工艺参数调节及其它功能，如参数预置、保护功能与显示功能等。
因为控制电路的研究是在逆变主电路的基础上进行的，所以本论文先对逆变主电路进行分析和讨论。
2.1总体设计
如图2.1所示为逆变焊机工作原理框图。
图2.1逆变焊机工作原理框图
图2.1中，主电路由输入整流滤波电路、逆变器、中频变压器、输出整流滤波电路组成，其余部分为控制电路。
三相380V交流电源通过输入整流器和电容滤波后变成540V左右的直流，然后通过全桥逆变器变成20kHz的占空比可调的中频交流电，因为中频交流电压的幅值比较高，所以采用中频变压器降到焊接电压，该电压再通过输出整流器和滤波电抗器滤波后转变成直流电压用于焊接。
2.1.1逆变频率的确定
选择逆变频率时应考虑[10]:
（1）有效地减少焊接变压器的重量和体积；
（2）所选用的开关元器件的频率特性；
（3）尽可能提高焊机效率；
（4）对焊接性能的影响；
（5）经济性。
普通弧焊电源的重量和体积主要集中在变压器和电抗器上，两者所占的比例可达80%以上。
在变压器设计中，根据有关电磁定律，可以推出电压U与变压器工作频率f、铁心截面积S、铁心材料最大磁感应强度Bm以及绕组匝数N之间的关系：
（2.1）
由此式可得：
（2.2）
Bm的大小与变压器铁心的磁性材料有关，当确定磁性材料以后，Bm也就确定了。
当输入电压一定时，大幅度增大f，NS就会大幅度下降，相应的变压器重量和体积也大幅度减小。
工作频率从50Hz增大到20kHz时，NS减少了400倍，铁和铜的损耗也将大幅度减少。
同理，工作频率大幅度提高，电抗器的重量和体积也将大幅度减小。
同时，工作频率越高，du/dt，di/dt等动态参数的影响也越明显。
逆变电源的电子功率开关等元件被击穿、烧穿的可能性越大。
为保证焊机电源的可靠性，不仅需要高品质、高性能的元器件，而且需要设计、应用许多保护电路，使得弧焊电源的控制电路非常复杂。
而且较高的工作频率是开关器件的开关损耗和通态损耗都大大增加，这将大大增加散热器的体积，不利于降低焊机整体重量和体积。
综上所述，结合常用的功率开关器件的使用频率，本论文所选开关频率为20kHz。
2.1.2逆变电路拓扑结构选择
逆变弧焊机主电路拓扑结构通常有以下几种形式：
推挽式、半桥式、全桥式以及单端正激、单端反激式等。
各种形式逆变主电路的比较，如表2.1所示[1]。
由表2.1可以看出，全桥式逆变电路的开关管数量（4个）较其它电路多一倍外，其开关管集-射极电压最小（与半桥式同），相同输出功率时集电极电流Ic最小（与推挽式同），相同集电极电流的输出功率最大（与推挽式同），能获得最大的输出容量。
对于较大容量的逆变弧焊机，应主选全桥式和推挽式电路，但后者的开关管集-射极电压是
前者的二倍以上，安全性较差。
由于本次设计的逆变焊机是额定电流高达400A的大功率电源，故本设计中采用全桥式逆变主电路。
表2.1各种形式逆变主电路比较
项目与形式
单端
半桥
全桥
并联（推挽）
开关管承受电压
Umax>2U
≤U
>2U
相同输出功率时Ic
Ic
2Ic
Ic
Ic
中频变压器施加电压
U
0.5U
U
U
高压开关管基数
1
2
4
2
输入滤波电容数量
1
2
1
1
驱动电路复杂程度
简单
中等
复杂
简单
宜于获得输出功率
小
中
大
大
如图2.2所示为全桥式逆变主电路，VI1~VI4为功率开关元器件，它们构成了全桥式逆变结构的四个桥臂，VI1、VI4为一组，VI2、VI3为一组。
在驱动电路中产生的驱动信号的激励下四个桥臂两两导通、截止。
当VI1、VI4导通时，VI2、VI3截止；当VI2、VI3导通时，VI1、VI4截止。
若当VI1、VI4未完全截止时，VI2、VI3开始导通，这一瞬间四组开关元器件同时处于导通状态，即发生直通，将会把功率开关器件击穿。
因此在设计全桥式逆变电路时要保证四组功率开关器件的型号相同，电参数一致，而且要设置死区时间，死区时间要大于开关器件关断的延迟时间。
图2.2全桥式逆变主电路
2.1.3功率开关器件的选择
如表2.2为晶闸管、晶体管、MOSFET和IGBT四种功率开关元器件各方面性能和参数的对比[6]。
通过表2.2可以看出与其它元器件相比，晶闸管开关的速度最慢，工作频率最低，
表2.2不同开关元件性能与参数对比
器件特性
晶闸管
晶体管
MOSFET
IGBT
开关速度/μs
25~100
1~5
0.1~0.5
0.5~1
安全工作区
大
小
大
大
额定电流密度
/（A/cm2）
20~30
5~10
50~100
驱动功率
大
大
小
小
驱动方式
电流
电流
电压
电压
高压化
易
易
难
易
大电流化
易
易
难
易
高速化
难
难
较易
易
饱和压降
低
较低
高
低
并联使用
难
较易
易
易
由于其频率在音频范围内，所以工作噪音是不能避免的。
晶体管与晶闸管相比，在开关速度上与逆变器工作频率上有了很大的提高，而且工作起来噪声小，其电流、电压容量大，可以应用在大容量的逆变器中。
晶体管的缺点是晶体管驱动功率较大，因此驱动电路设计起来较复杂而且要求高。
场效应管（MOSFET）开关速度很高，工作频率可提高到100kHz，以它作为开关器件的逆变电源噪声小，其驱动方式是电压型驱动，驱动功率低，驱动容易。
但场效应管获得大容量的逆变器较为困难，由于其电压、电流容量小，因此在使用时常采用多个场效应管的并联来满足大容量的要求。
IGBT实质是场效应管和晶体管的复合，近年来在逆变电源中得到广泛的应用，它同时兼备场效应管和晶体管的优点，电压、电流容量大，可应用于大容量的逆变器中，驱动电路采用电压驱动，易于驱动且驱动功率小，工作频率为10kHz~40kHz。
结合本论文所选课题“ZX7-400逆变电源系统研究”以及所选逆变频率（20kHz），本论文选用IGBT作为开关器件。
2.2主电路的设计与计算
本论文设计的电源为ZX7-400逆变电源，通过前文的对比分析，选用绝缘栅双极性晶体管（IGBT）作为功率开关元器件，逆变频率为20kHz，并采用全桥式逆变电路。
全桥式逆变主电路，是逆变焊接电源的重要组成部分，在其内部完成整流、滤波，逆变，再整流、滤波的工作。
其工作原理如下：
三相工频交流电（380V，50Hz）输入到主电路中，首先通过输入整流滤波电路，经过由二极管组成的整流器以及由滤波电容组成的滤波器的整流、滤波过程，转变为直流电。
直流电进入到全桥式逆变主电路中，该电路有四个桥臂，每个桥臂中有一组绝缘栅双极性晶体管（IGBT），为了保证绝缘栅双极性晶体管（IGBT）正常工作，每个桥臂上均并联有电容、电阻起到阻容保护作用。
逆变结束后获得中频或高频的交流电，经由变压器降压到所需电压，最后进入到输出整流滤波电路，通过整流、滤波过程转换为焊接所需要的直流电。
通过上述分析可知，逆变焊接电源主电路主要包括四个部分，即输入整流滤波电路、全桥式逆变主电路、变压器和输出整流滤波电路。
下面将对这四部分进行分析。
2.2.1中频变压器的设计与参数计算
变压器是逆变电路的重要组成部分，具有电网与负载的隔离、功率传输、降压的功能，对逆变器的效率和工作的可靠性以及输出的电气性能起着重要作用。
中频变压器工作在20kHz，而且为矩形波脉冲，因此要在磁芯材料，尺寸，绕组匝数，集肤效应等方面认真考虑。
（1）磁芯材料
表2.3焊机用非晶铁芯性能表（摘自北京安泰公司技术资料）
逆变焊接电源中常用的磁芯材料主要有硅钢片、铁氧体和非晶合金三种。
对于20kHz的弧焊电源，普通硅钢片的厚度不能超过几十微米，加工难度相当大；铁氧体的饱和磁感应强度较低（一般仅为0.4T），居里温度仅为120℃左右，而且易碎易裂。
与以上两种材料相比，非晶态磁性材料的饱和磁感应强度较高（0.6~1.5T），居里温度可达350~700℃，电阻率可达120~150μΩ•cm，为硅钢片的3倍，尤其是它的矫顽力（Hc）很小，所以其铁损小，故磁芯材料选用非晶合金。
表2.3为电焊机常用的非晶铁芯的性能表[9]。
基本参数
纳米晶铁芯
基本参数
纳米晶铁芯
饱和磁感BS/T
1.25
矫顽力Hc/（A/m）
<1.60
剩余磁感Br/T（20kHz）
<0.20
饱和磁致伸缩系数（×10-6）
<2
铁损（20kHz/0.2T）/（W/kg）
<3.4
电阻率（μΩ•cm）
80
铁损（20kHz/0.5T）/（W/kg）
<35
居里温度/℃
570
铁损（50kHz/0.3T）/（W/kg）
<40
铁芯叠片系数
>0.70
导磁率（20kHz）/（GS/Oe）
>20000
表2.4ONL-1308040参数表（摘自北京安泰公司技术资料）
根据焊机的额定输出电流400A和额定输出功率14.4kW，选用环形铁芯ONL-1308040，其参数如表2.4所示。
产品牌号
铁芯尺寸（mm）
保护盒尺寸（mm）
S
（cm2）
L
（cm）
M
（g）
P
（kW）
适用焊机电流
OD
ID
HT
OD
IT
HT
ONL-1308040
130
80
40
13
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