直流逆变式氩弧焊机的电源设计Word下载.docx
- 文档编号:18262368
- 上传时间:2022-12-14
- 格式:DOCX
- 页数:14
- 大小:23.80KB
直流逆变式氩弧焊机的电源设计Word下载.docx
《直流逆变式氩弧焊机的电源设计Word下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《直流逆变式氩弧焊机的电源设计Word下载.docx(14页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
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.2Principlediagramofpowersourceof
rectificationargonarcweldingmachine
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AC—DC—AC—DC
的过程.也就是说,逆变式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,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-VD62CZ30~0A/30V~1000V6桥式整流
2CzJX101.~F一1000Vl
3.2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/1200V
IGBT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,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,-vI4MG50Q2YS5078A/l2O0,f4
2VD,~VD4MURl0A/l2o0V4
3VDMUR10A/I200V:
4
4RRT20n4
5CCDE4701,~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:
ⅣxSxB=2252
522.5225xU/f(纵坐标采用科学计数法来表示:
5E6=5x10);
如设Y=NxSxB,=,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.
20406080l00
X=U/f
图3铁心的磁路中频特性曲线图
Fig.3Intermediatefrequencycharacteristic
curveofferromagnet
4.1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
18变压.第42卷
尸(——变压器输出功率,VA
Jpl——变压器输人功率
则
旦:
旦13.3kVA~0
.
90.9'
次侧电流为:
:
13000VA24A
.540V
4.3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+
D1
式中——变压器二次侧电压
——
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:
40V+1.5V—
+3—
V52
.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:
2
K3
式中——空载损耗(铁损),kW
负载损耗(铜损),kW
K——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Ⅳ.为:
ⅣJ一
4.~B
式中Ⅳ.——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,Hz
S——有效导磁面积,nl
B——最高工作磁通密度,T
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Ⅳ.=4匝,则
Ⅳ=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Ⅳ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
直流逆变式氩弧焊机的电源设计19
总的截面积为:
10~0.785mm=7.85mm&
lt;
8mm.故取
总根数为ll,则其总的截面积为:
11x0.785mm
8.6mm,符合要求.
由公式得:
2=?
l~=8x24A=192A
V2
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.
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5A~300A.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36.1×
1.35=
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"
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=35.2~C:
把以上各数值代入上式,可
得8I|_80.7~E.而高压绕组对油的温差△8Ho为:
△0==
0.-Os=8O.7—57.6=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)cC~235cc;
其中,RLs为电源断开
/1[IF
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=74.5—53.2=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GB1094.2—1996《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,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
妻珏器
7^圊力
Janua~2005
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)
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.
三相变压器;
整流系统;
数学模型;
仿真分析
TM402文献标识码:
1001—8425(2oo5)01—0020—05
随着近几年整流技术的不断发展,一次侧为星
形,二次侧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ik[J].电焊机,2001,26(4):
23—24.
【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):
20—22.
【6】毛二可,齐铂金.TGBT逆变式弧焊电源及其外出控制
研究….电焊机,l993,l8(3):
33—35.
【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):
13—14.
【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.Analysisofmetaltransferingasmetalarc
welding[J].WehlingJournal,199l,70(10):
33—36.
【10】LiuJ.Metaltransferingasmetalarewelding,droplet
rateIJ].WeldingJourna1.1989.68
(2):
2l一25.
PowerSourceDesignofDCInverterArgonArcWeldingMachine
ZHAOHong-qiang,HUDeng-gao,LIQing,GUOPeng-song
(PLAUniversityofScience&
amp;
Technology,Nanjing210007,China)
Abstract-ThepowersourcedesignofDCinverterargonarcweldingmachineissummaried.The
designandcalculationofitsintermediatefrequencytransformerareintroduced.
Keywords:
Intermediatefrequencytransformer;
Argonarcweldingmachine;
Powersource;
Design
收稿日期:
2004—0l—l5
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.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 直流 逆变式氩弧焊机 电源 设计