直流逆变式氩弧焊机的电源设计.docx

1、直流逆变式氩弧焊机的电源设计直流逆变式氩弧焊机的电源设计第42卷第1期2005年1月耍珏嚣Z鲫Vo1.42No.1January25直流逆变式氩弧焊机的电源设计赵红强,胡登高,李庆,郭蓬松(解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007)摘要:概述了直流逆变式氩弧焊机的电源设计,介绍了其中频变压器的设计计算.关键词:中频变压器;氩弧焊机;电源;设计中图分类号:TM4O2文献标识码:B文章编号:10018425(2005)010016051引言目前,国内外研究和生产的逆变式氩弧焊机大多采用晶闸管和电子三极管作为开关元件,但这些元件的采用都存在一些缺陷.性能优越的绝缘栅双级晶体管(以下简称IG

2、BT)和场效应晶体管作为逆变电源的开关元件是目前国内外研究和应用的主要方向,所以笔者采用IGBT管作为氩弧焊机的主电源开关元件,对氩弧焊机主电源进行设计,使设备更轻便,从而大大提高装备日常修理,特别是战伤修理的效率和战时保障能力.2逆变式氩弧焊电源基本组成及原理2.1逆变式氩弧焊电源基本组成及原理逆变式氩弧焊机电源的基本原理框图如图1所示.由图1可知,逆变式氩弧焊机电源是从电网吸取电能后,先整流(ACDC),再通过大功率电子开关将直流变成中频交流(DCAC),然后经中频变压器降压隔离,再整流滤波输出(ACDC).它与一般整流式氩弧焊机电源电路不同.图2所示为一般整流式氩弧焊机电源的基本原理图.

3、二者比较,主要区别在于一般氩弧焊整流器是从电网吸取电能后,先输人大功率输出整流器滤波开关管中频AC整流器滤波焊接功图1逆变式氩弧焊机电源原理框图Fig.1erinciplediagramofpowersourceofDCinverterargonarcweldingmachine电压转换及隔离整流及控制滤波图2整流式氩弧焊电源基本组成原理框图Fig.2Principlediagramofpowersourceofrectificationargonarcweldingmachine用变压器降压,再整流滤波后输出,而逆变式氩弧焊机电源是从电网吸取电能后,经ACDCACDC的过程.也就是说,逆变式

4、氩弧焊机电源电路中最大的特点是有一个逆变环节.2.2主要元器件及其作用2,2,1输入整流器用于对电网三相工频交流电进行整流,使三相交流电变为脉动直流电.可用整流模块(组件),也可用单个的硅二极管组成桥式整流器.2,2,2输入滤波器用电解电容器对三相脉动直流进行滤波,使输出电压波形近似平直.2,2-3开关管开关管周期性开与关,通过或切断电流通路将工频提高到5kHz以上其过程通常是由一组开关管的协调动作来完成的.用作这种电力电子功率开关管的可以是晶闸管,晶体管,场效应晶体管,绝缘栅双级晶体管或智能型的绝缘栅双极晶体管.2.2,4中频(或高频)变压器将高压中频电压降至负载所需的电压,并将第1期赵红强

5、,胡登高,李庆,郭蓬松:直流逆变式氩弧焊机的电源设计17焊接回路与输入回路隔离.2.2.5输出整流器将中频变压器输出的交流电桥式整流成为脉动直流电.2.2,6输出滤波器对脉动直流电进行滤波,使输出电压波形平直.一般采用电抗器L及电容滤波.电抗器除滤波外还有调整回路动态特性的作用.3基本电路参数选择3.1逆变式氩弧焊机输入整流滤波电路参数选择输入整流滤波电路的设计过程,是在选定了整流电路之后,选择合适的整流二极管及滤波电容cd,以获得符合要求的输入直流电压.,输入直流电流,fI及足够小的纹波电压.在此采用三相桥式整流器,使其输出电压具有较低的波纹和较高的输出功率.在此结合实际需要,我们选择的元件

6、明细表如表1所示.表1元件明细表Table1Listofcomponents序号代号型号规格数量备注lVDl-VD62CZ300A/30V1000V6桥式整流2CzJX101.F一1000Vl3.2功率开关管的选择根据各种功率开关的性能及优缺点,结合氩弧焊机技术参数的实际需要并遵照合理,有效,经济简便的原则,我们在此选择IGBT管作为逆变式氩弧焊机的功率开关管.根据计算并查阅有关手册,确定选用日本TOSHIBA的MG50Q2YS50型78A/1200VIGBT管.3.3逆变主电路元件选择采用IGBT作为功率开关器件,其逆变主电路可以是单端,推挽,半桥或全桥电路.其中单端电路简单,没有直通问题,

7、可靠性较高,但是输出功率低,只适用于小功率电源.而全桥式电路输出功率大,但容易产生偏磁,直通,可靠性较低,必须采取可靠性保护措施.根据需要并综合各种因素,焊机采用IGBT全桥式氩弧焊逆变器主电路.其主电路元件的参数选择如表2所示.4中频变压器设计中频变压器是逆变式氩弧焊机的重要器件.在变压器传递功率一定的条件下,由公式U=4.44f.N?.s?B可知,匝数J7v和铁心截面积.s(单位:m)的乘积NS与逆变频率单位:nz)成反比.而变压器的表2逆变主电路元件明细表Table2Listofcomponentsinmaininvertercircuit序号代号规格数量备注lVl,-vI4MG50Q2

8、YS5078A/l2O0,f42VD,VD4MURl0A/l2o0V43VDMUR10A/I200V:44RRT20n45CCDE4701,F/1200V4质量,体积又决定于NS.在其他条件不变下,若使逆变频率从20kHz进一步提高到3OkHz,则fV5就减小为原来的2/3,故变压器的质量,体积大幅度减小.磁路铁心的中频特性曲线如图3所示:其中,中频特性曲线图的横轴表示为函数表达式:U/f(单位:V/Hz);纵轴表示为函数表达式:NxSxB(单位:cm-T);纵横坐标的函数表达式为:xSxB=2252522.5225xU/f(纵坐标采用科学计数法来表示:5E6=5x10);如设Y=NxSxB,

9、=,则函数表达式为Y=2252522.5225/X.因此,逆变频率的高频化使功率变压器向小型化,紧凑化发展.20406080l00X=U/f图3铁心的磁路中频特性曲线图Fig.3Intermediatefrequencycharacteristiccurveofferromagnet4.1功率变压器的技术参数设计根据需要,预先确定氩弧焊机原始数据,即逆变频率:25kHz逆变器额定功率:12kVA直流输入电压(最大脉冲电压):540V额定工作电压(平方根电压):40V变压器磁心材料:UF110型R2KB功率铁氧体额定负载持续率:60%4.2计算一次侧电流由:叼Pr式中变压器效率,在此取叼=O.9

10、18变压.第42卷尸(变压器输出功率,VAJpl变压器输人功率则旦:旦13.3kVA0.90.9一次侧电流为:13000VA24A.540V4.3计算铁心截面及尺寸铁柱的截面积5可参考硅钢片叠片铁心计算公式,即厂西一s【=32,/手代人数据得:5,/硼cm2考虑到铁氧体铁心材料损耗比硅钢片小很多,其铁心横截面在硅钢片计算基础上可大大减小.所以可在计算结果上乘以1/2,即:s【=sf=78=39cm.4.4确定变压器的一次侧,二次侧变比由于一次侧匝数与二次侧匝数的比值愈高,则1GBT的最大导通电流越小,高频变压器的利用率愈高,输出整流二极管的耐压要求就愈低.同时,弧焊逆变器短路状态时的电流冲击也

11、愈小.所以,变压器的一,二次侧变比应设计得尽可能大些.对10kVA以上的中频变压器选择二次侧的最大导通比D,为0.85,则变压器二次侧电压可由下式计算:,f一+D+一D1式中变压器二次侧电压一满载电压输出整流二极管的通态压降回路寄生阻抗导致的压降代人数据有:一40V+1.5V+3V52.4V0.85为了在规定的输出电压范围内保证输出电压符合要求,变压器的一,二次侧变比应该按照最低直流输人电压来计算.经查表取系数为0.97,则最低直流输人电压为:.1=540x0.97x80%=419V故变压器一,二次侧变比k的计算值为:=7.99在此取变压器一,二次侧变比的实际值为k=8.4.5确定一次侧,二次

12、侧匝数由高频功率变压器的优化设计理论可知:以功耗最小为优化目标的最佳负载损耗,空载损耗比应该符合以下条件:一2K3式中空载损耗(铁损),kW负载损耗(铜损),kWK与铁心材料和温度有关的系数,一般取2.25-2.9当逆变频率为10kHz-50kHz时,由于受到实际铁心窗口使用面积的限制,导致IOkVA以上变压器的绕组的功耗比优化理论值大得多.而铁心的最高工作磁通密度得到提高就能增大空载损耗并减小负载损耗,从而保证空载损耗与负载损耗之比尽可能接近优化值.在此选择铁心的最高工作磁通密度B=0.35T,则一次侧绕组匝数.为:J一4.B式中.一次侧绕组匝数最大脉动直流输入电压,V.詹一逆变工作频率,H

13、zS有效导磁面积,nlB最高工作磁通密度,T代人数据有:NI-_4_l_x】雨540V而10_4其中,U=540V,取有效磁导面积为39cm.因变压器一,二次侧变比为8,若取.=4匝,则=0.5匝.由于二次侧有抽头,为了保证一次侧绕组和二次侧绕组匝数都为整数,故实际二次侧绕组的匝数应最少选2匝.现确定为2,则一次侧绕组的匝数Nl=2x4=8匝.4.6确定绕组导线截面及导线根数在一次侧取电流密度为:jl=3A/mm则截面积为:S1./1=24A=8mm!因变压器绕组在高频率下工作,考虑其集肤效应,在此我们取多根导线绕制绕组.根据频率在25kHz时,电流穿透约为0.42mm,故选择一次侧导线直径为

14、lmm,则单根导线截面积为0.785mm,总根数=10根,现确定用10根并绕.其第1期赵红强,胡登高,李庆,郭蓬松:直流逆变式氩弧焊机的电源设计19总的截面积为:100.785mm=7.85mm<8mm.故取总根数为ll,则其总的截面积为:11x0.785mm8.6mm,符合要求.由公式得:,2=?l=8x24A=192AV2根据实际情况取.:3.5A/mm,则s,:垒54.9mmz.一了_一3.5A/mm2一在此取1mmx30mm紫铜排双线并绕,则其总有效截面积为:lmmx30mmx2=60mm,符合要求.4.7绕法内绕组(高压)绕向相同,外绕组为一左一右,其目的是提高绕组的机械强度.

15、5运行工况及样机验证在设计完逆变式氩弧焊机的电源后,我们进行了简单的试验来验证所设计的电源是否满足先前的要求.由上面设计得一次侧绕组匝数和二次侧绕组匝数分别为8匝和2匝,在额定输入电压为380V的情况下,经过反复测试,输出电压在37V到41V问波动,而电流的可调整范围为5A300A.因此,其额定输出功率也基本上能控制在12kVA左右,符合和达到了预先确定的各项指标.同时,和一般的变压器相比,其匝数大大减少,变压器体积和质量明显下降.另外,我们对样机进行了温升试验,来检验规定状态下变压器绕组,铁心的温升,并确定变压器在工作运行状态及超铭牌负载运行状态下的热状态及其有关参数.由于变压器在不同负载情

16、况下的温升限值是不同的,因此,我们只进行了连续额定容量下的温度试验.试验采用短路法.具体的试验过程限于篇幅就不具体叙述了.首先,进行了油顶层温升试验,测量了顶层油温升.由测得的结果得油顶层温升是36.1K.由于施加的损耗是193.3kW,而实际加的是222.5kW,油顶层温升需要乘以一个因子,K=()=1.135,故油顶层温升为36.11.35=41K.测得负载损耗下油平均温度为:57.6cC则总损耗下油平均温升=(一)?K,其中为平均环境温度.代入相关测量数据得:=28.6K高压绕组的平均温度8为:(235+.)f【In一235cC.其中,尺为高压绕组在电源断开后瞬间的电阻值,使用图解外推法

17、可以求得:=1.032Q;为温升试验前高压绕组的电阻,Rw=0.883212;为绕组冷电阻,0L=35.2C:把以上各数值代入上式,可得8I|_80.7E.而高压绕组对油的温差8Ho为:0=0.-Os=8O.757.6=23.1K.故高压绕组平均温升为:A=A0.o+A23.1+28.6-51.7K.对于低压绕组,同样使用图解外推法求出电源断开瞬问电阻为:0.01435Q;低压绕组的平均温n度0L=(235+0L)cC235cc;其中,RLs为电源断开/1IF瞬间电阻值,此处取尺.=0.0l435;尺为温升试验前低压绕组的电阻,尺,=0.01253Q;0L为绕组冷电阻,0L=35.2cC.把以

18、上各数值代入上式,可得:=74.5cC.而试验低压绕组时油平均温度8为:=53.2cC.故低压绕组对油的温差为:%=吼一0ts=74.553.2=21.3K;低压绕组平均温升为:0u=AOLo+A21.3+28.6=49.9K.通过对记录的试验数据的分析和计算,我们得到高压绕组平均温升为51.7K,低压绕组平均温升为49.9K.同设计时所要求的高压绕组温升为50K,低压绕组为48K相比约大几度,但在电力变压器国家标准GB1094.21996电力变压器第2部分温升规定的电力变压器的温升限值的范围之内,基本上满足了设计要求.6结束语通过对逆变式氩弧焊机的组成和基本原理的介绍以及输入整流滤波,主电路

19、,功率变压器,输出整流滤波等环节的分析和电路参数选择与设计,整机性能基本上能较好地满足预先的技术要求,达到了有效减轻氩弧焊机特别是其变压器的体积和质量的目的,从而较为理想地解决了目前装备焊接修理工作中,因焊机体积和质量较大而导致的修理工作机动性差的突出问题.参考文献:【1】郑宜庭,黄石生.弧焊电源【M】.北京:机械工业出版社,1988.【2】殷树言,张九海.气体保护焊工艺MI.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1992.【3】刘竹,肖介光.逆变式弧焊机【M】.成都:四川科学技术出版社,1995.】李剑光,王志强,孙宝文.软开关弧焊逆变器中功率变压第42卷第1期2005年1月妻珏器7圊力Vo1.42

20、No.1Janua2005三相五柱变压器整流系统的数学模型和仿真分析刘同娟一,黄劭刚.(1.中国科学院电工研究所,北京100080,2.中国科学院研究生院,北京100039:3.南昌大学电气自动化学院,江西南昌330029)摘要:建立了三相五柱变压器的电路方程,磁路方程,给出了电路方程和磁路方程的舍戒方法,以及处理双反星形整流电路的方法,得到了三相五柱变压器整流系统的数学模型,并对该系统进行了仿真分析.关键词:三相变压器;整流系统;数学模型;仿真分析中图分类号:TM402文献标识码:B文章编号:10018425(2oo5)010020051引言随着近几年整流技术的不断发展,一次侧为星形,二次侧

21、为六脉波双反星形的三相五柱变压器整流装置,由于三相五柱变压器边柱的存在,可以产生较大的零序电抗,从而省去了平衡电抗器,因此其得到了广泛的推广和应用.然而,该整流装置在实际运行时,当正组与反组整流电路的控制角不一致而导致正组与反组的输出电流不一致时,将会在三相五柱式变压器中产生直流磁化分量,从而导致变压器性能降低,一次侧电流超过设计值及变压器发热等.虽然通过对控制电路的现场调试能够很好地解决这器的参数设ikJ.电焊机,2001,26(4):2324.【5】丁志民,齐铂金.多功能双逆变式弧焊电源的研究lJ1.电焊机,l995,20(3):2022.【6】毛二可,齐铂金.TGBT逆变式弧焊电源及其外

22、出控制研究.电焊机,l993,l8(3):3335.【7】王军波,崔苛.半桥式IGBT逆变焊接电源输出容量计算及变压器参数没计.电焊机,2000,25(2):1314.【8】保定天威保变电气股份有限公叫.变压器试验技术【M1.北京:机械工业出版社.2Ooo.【9】KimYS.AnalysisofmetaltransferingasmetalarcweldingJ.WehlingJournal,199l,70(10):3336.【10】LiuJ.Metaltransferingasmetalarewelding,dropletrateIJ.WeldingJourna1.1989.68(2):2l

23、一25.PowerSourceDesignofDCInverterArgonArcWeldingMachineZHAOHong-qiang,HUDeng-gao,LIQing,GUOPeng-song(PLAUniversityofScience&Technology,Nanjing210007,China)Abstract-ThepowersourcedesignofDCinverterargonarcweldingmachineissummaried.Thedesignandcalculationofitsintermediatefrequencytransformerareintroduced.Keywords:Intermediatefrequencytransformer;Argonarcweldingmachine;Powersource;Design收稿日期:20040ll5作者简介:赵红强(1980一),男,陕西宝鸡人,解放军理工大学程兵工程学院硕士生,从事武器装备管理与作战效能分析工作.