焊接電路模擬設計模板魏海峰

1、弧焊電源電路課程設計說明書設計題目題目晶閘管觸發(fā)電路的設計及仿真學 院材料科學與工程年 級2012 級專 業(yè)焊接技術與工程學生姓名魏海峰學 號12089940535指導教師楊文杰佳木斯大學目目 錄錄1 電源觸發(fā)電路課程設計目的和內容電源觸發(fā)電路課程設計目的和內容 .11.1 電源電路課程設計目的.11.2 電源電路課程設計的內容及要求.12 弧焊電源觸發(fā)電路課程設計文獻綜述弧焊電源觸發(fā)電路課程設計文獻綜述 .23 主電路形式及觸發(fā)電路設計主電路形式及觸發(fā)電路設計 .43.1 三相橋式半控電路.43.1.1 電阻性負載 .53.1.2 帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路 .63.2 晶閘管觸發(fā)電路

2、應滿足一下要求：.8(1) 觸發(fā)脈沖相位必須與加在晶閘管上的陽極電壓同步。.83.3 觸發(fā)脈沖應有足夠功率信號極性要求門極為正，陰極為負 .83.2.1 用六套觸發(fā)電路 .83.2.2 用三套觸發(fā)電路 .93.2.3 用兩套觸發(fā)電路 .93.3 無論用六套觸發(fā)電路、三套觸發(fā)電路，還是兩套觸發(fā)電路，對于前一部分的積分微分電路都是一樣的 .104 觸發(fā)電路設計及觸發(fā)電路工作原理分析觸發(fā)電路設計及觸發(fā)電路工作原理分析 .124.1 要求我們組選擇二套觸發(fā)電路，電路圖如下：.124.1.1 積分電路 rc 串聯(lián)輸入矩形脈沖電壓，在電容上輸出電壓，積分電路的條件為125 弧焊電源觸發(fā)電路的仿真檢測弧焊電

3、源觸發(fā)電路的仿真檢測 .14參參 考考 文文 獻獻 .17不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印1 1 電源觸發(fā)電路課程設計電源觸發(fā)電路課程設計目的和內容目的和內容1.1 電源電路課程設計目的電源電路課程設計目的本設計將理論教學、實踐教學與仿真實踐相結合，提高教學質量、培養(yǎng)優(yōu)秀人才,通過弧焊電源電路課程設計這一具體教學活動，首先對學生進行科學精神教育，其次是培養(yǎng)學生的嚴謹科學的態(tài)度與道德，最后是進行科學方法的訓練，以達到培養(yǎng)學生具有綜合能力的目的。1.2 電源電路課程設計的內容及要求電源電路課程設計的內容及要求1 晶閘管弧焊電源主電路形式、原理及晶閘管觸發(fā)電路

4、綜述；2 常用集成電路等電子器件的性能及使用；3 主要仿真儀器儀表的性能及使用方法；4 晶閘管觸發(fā)電路的設計及仿真；1) 電壓比較器的設計與使用；2) 三相交流同步正弦波信號正負半波的檢測與波形變換電路設計；3) 倍頻整形電路的設計；4) 鋸齒波同步信號發(fā)生電路的設計；5) 可移相的觸發(fā)尖脈沖的獲得及其整形電路設計；6) 兩套、三套或六套雙窄脈沖晶閘管觸發(fā)電路的設計；7) 兩套、三套或六套雙窄脈沖晶閘管觸發(fā)電路的仿真及測試。2 弧焊電源觸發(fā)電路課程設計文獻綜述弧焊電源觸發(fā)電路課程設計文獻綜述 弧焊逆變器具有高效、節(jié)能、體積小、質量輕、多功能、多用途等優(yōu)點，且具有良好的動、靜特性和工藝特性。因而

5、，自其問世以來，就受到了較高的重視，發(fā)展迅猛，在各種焊接法的焊接電源中得到了廣泛應用12。電子開關器件是弧焊逆變器的核心之一，對弧焊逆變器的電路設計、性能有很大影響。電子開關器件的不斷發(fā)展和完善為弧焊逆變器的更新?lián)Q代提供了保證；電子開關器件的多樣化發(fā)展為開發(fā)各種容量、特性的逆變焊機提供了豐富的選擇。性能好、可靠性高的電子開關器件可大大簡化逆變電源的電路設計，解決大功率逆變焊機的設計難點，提高逆變電源的可靠性。電子開關器件的發(fā)展水平是研究弧焊逆變器的主要考慮因素之一1.弧焊逆變器的基本工作原理弧焊逆變器主要由供電系統(tǒng)、電子功率系統(tǒng)(逆變主電路)、電子控制系統(tǒng)、給定與反饋電路、焊接電弧等組成，如圖

6、 1 所示。供電系統(tǒng)將工頻交流電變成直流電，為電子功率系統(tǒng)供電。經逆變主電路的大功率電子開關器件(晶閘管、晶體管、場效應管、igbt 等)組 vt 的交換開關作用，變成幾千至幾萬赫茲的中高頻高壓電，再經高中頻變壓器降至適合于焊接的幾十伏低電壓，并借助于電子控制系統(tǒng)的控制驅動電路和給定與反饋電路，以及焊接回路的阻抗來獲得弧焊工藝所需的外特性和動特.2. 弧焊逆變器電子開關器件應用現(xiàn)狀弧焊逆變器的應用首先依賴于電子開關器件的發(fā)展和成熟。電子器件的大功率化、性能穩(wěn)定化以及控制性能的優(yōu)化是弧焊逆變器應用焊接設備的前提和基礎。1972 年美國首先研制出一臺 300 a 晶閘管式逆變焊機。隨著電力電子技術

7、和器件的發(fā)展，大功率電子開關器件不斷出現(xiàn)，逆變焊機經歷了晶閘管晶體管場效應管igbt 四個階段。我國逆變焊機研制始于 20 世紀 80 年代，1982 年研制出第一臺場效應管式逆變焊機，1990 年研制出第一臺 igbt 逆變焊機6。21 晶閘管的應用晶閘管(thyristor)是晶體閘流管的簡稱，1957 年美國通用電氣公司開發(fā)出世界上第一只晶閘管。由于晶閘管容量大、耐壓高、功耗小，特別適合制作弧焊電源。因此在 20 世紀 60 年代初期，便出現(xiàn)了晶閘管式弧焊整流器，在 20 世紀 70 年代末期又出現(xiàn)了以晶閘管為開關元件的弧焊逆變器并主要應用于 tig 和焊條電弧焊，后來推廣到 co2、m

8、ig 等焊接方法和切割。但 20 世紀 80 年代后期，由于它的頻率偏低、控制性能欠佳、有噪聲干擾等以及新型弧焊逆變器的出現(xiàn)，應用比例逐漸減少。新型晶閘管(靜電感應晶閘管 sith、場控晶閘管 mct 等)的出現(xiàn)，將有利于它的繼續(xù)發(fā)展和應用。22 功率晶體管的應用功率晶體管(gtr)始于 20 世紀 70 年代，是一種雙極型大功率電力電子器件。作為功率開關器件，具有以下特點：(1)容量大，已達到 400a1200v、1000a400 v，甚至更大，耗散功率達到 3 kw 以上；(2)工作在開關狀態(tài)，工作狀態(tài)由基極電流控制，電流動態(tài)響應快，需要較大的電流驅動，不利于控制；(3)具有自關斷能力、開

9、關時間短、飽和壓降低和安全工作區(qū)寬等優(yōu)點。由于功率晶體管是雙極型器件，關斷過程中存在載流子復合，需一定時間來完成，限制了弧焊逆變器開關頻率的提高，逆變頻率約 20 khz。晶體管有二次擊穿現(xiàn)象、負溫度系數等問題，這也限制了晶體管式弧焊逆變器的發(fā)展。但由于 gtr 實現(xiàn)高頻化、模塊化、廉價化，它在逆變電源中仍有競爭力。23 mosfet 的應用為了克服晶體管的二次擊穿和需要較大電流驅動(電流控制型)等不足，20 世紀 70 年代末研制了功率場效應管(mosfet)。功率場效應管屬于電壓控制型器件，輸入阻抗較大，只需要控制驅動電壓和極微小的瞬間電流，就能實現(xiàn)功率場效應管的開關控制，控制性能較好。m

10、osfet 只有一種載流子，在關斷過程中不存在兩種載流子的復合，故其開關速度快，開關頻率高，可達 500 khz7，有利于實現(xiàn)逆變焊機的高頻率化。一般 mosfet 式弧焊逆變器的頻率為 4050 khz，但也有 50 khz 以上。另外，功率場效應管還具有熱穩(wěn)定性好和抗干擾能力強的優(yōu)點。24 igbt 的應用絕緣柵雙極性晶體管(igbt)出現(xiàn)于 20 世紀 80 圖 1 弧焊逆變器主要組成及基本工作原理專題綜述張士亮等：弧焊逆變器的電子開關器件應用現(xiàn)狀及趨勢 第 12 期 9年代，是目前發(fā)展最快的一種混合型電力電子器件，它既有 mosfet 的輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關速度快

11、、開關損耗小的優(yōu)點，又具有雙極型功率晶體管的電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強的優(yōu)點，在高壓、大電流、高速三方面是其他功率器件不能比擬的89，因而在逆變焊接電源領域得到了廣泛應用，是目前弧焊逆變器研究的熱點之一。其不足之處是高壓 igbt 內阻大、導通損耗大，并且過電壓、過熱、抗沖擊、抗干擾等承受力較弱，往往需要附加保護電路。3 弧焊逆變器電子開關器件應用趨勢弧焊逆變器總的發(fā)展趨勢是向著大容量、輕量化、高效率、模塊化、智能化發(fā)展，并以提高可靠性、可控性和拓寬用途為核心1。高效和高功率密度是弧焊逆變器追求的主要目標之一。高頻化和降低主要器件的功耗是實現(xiàn)這一目標的主要技術途徑。所以，作為弧焊逆

12、變器核心器件之一的功率電子開關器件，也正朝大功率、模塊化、高頻化、全控化和多功能化的方向發(fā)展。3 主電路形式及觸發(fā)電路設計主電路形式及觸發(fā)電路設計根據給定的晶閘管弧焊電源主電路形式、工作原理及給定的常用集成電路等電子器件的性能及使用要求確定晶閘管觸發(fā)電路設計方案，說明晶閘管弧焊電源主電路形式原理，觸發(fā)電路設計方案選擇。3.1 三相橋式半控電路三相橋式半控電路電阻性負載其電路如圖 5-6。圖中 t 為變壓器，整流電路由三個晶閘管 v1、v3、v5 和三個二極管 vd2、vd4、vd6 組成，rf 為負載，其中三個晶閘管構成共陰極，三個二極管構成共陽極。當晶閘管控制角 =時波形分析如。0圖 5-7

13、 所示。分別在自然換向點t1、t3、t5，觸發(fā)三只晶閘管，使其輪流導通。而二極管則在自然換向點t2、t4、t6 處自然換向。圖 5-7 0三相橋式半控整流電路電阻負載波形a) 相電壓 b) 負載電壓 c)觸發(fā)電壓d) 管子導通順序當30時，如圖 5-8 所示，t1 時刻 v1 管觸發(fā)導通，電源電壓 uab 通過 v1 和 vd6 加于負載 rf 兩端。在t2 時，共陽極組整 流二極管 vd2 與 vd6 自然換向，所以在t2 之后，vd2 導通，電源電壓 uac 通過 v1、vd2 加于負載，一直到t3 時刻，v3 管導通后使 v1 承受反壓而關斷，電路轉換為 v3 與 vd2 導通。rf兩端

14、電壓是 ubc。依此類推。從輸出電壓波形看每個周期有六次脈動，且脈動是不均勻的。當60時，即在滯后于自然換相點 60處觸發(fā)晶閘管得到的負載波形如圖 5-8 所示。其特點是，在觸發(fā)晶閘管時正值二極管的自然換相點，因而晶閘管與二極管同時換相。 3.1.1 電阻性負載電阻性負載其電路如圖 5-11 所示，六只晶閘管：v1、v3、v5 接成共陰極組，v2、v4、v6接成共陽極組?，F(xiàn)討論電阻性負載時的工作情況，先將輸出電抗器 l 短路起來。要使負載中流過電流，必需讓上述二組晶閘管中各有一個同時導通。與其它全波整流電路一樣，由于管子壓降可以忽略，負載上承受的是線電壓。工作過程中，共陽極組和共陰極組的晶閘管

15、都在不斷相換，換相時刻取決于產生觸發(fā)脈沖的相位。為了獲得一周有六個波峰的負載電壓波形，則需同時觸發(fā)兩組晶閘管。即要求同組各晶閘管的觸發(fā)電壓互差 120，二組之間互差 60。如圖 5-12 所示是，即在自然換點t16 上，由互差 60 的 ug16 按序觸發(fā)對應的晶閘管 vh16 的波形。 圖 5-12 a0三相橋式全控整流電路電阻負載波形 a) 相電壓 b) 負載電流、電壓c) 觸發(fā)電壓 d) 管子導通順序3.1.2 帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路其基本電路，如圖 5-16 所示，可接成圖 5-16a、b 形式，其工作原理及組成是一樣的。其結構由六個晶閘管，一

16、個平衡電抗器 lb 和一個主變壓器組成。主變壓器是三相的，二次有兩組繞組，各以相反極性聯(lián)成星形，故稱“雙反星形”。 帶平衡電抗器雙反星形整流電路，相當于正極性和反極性兩組三相半波整流電路的并聯(lián)。各組輸出電壓波形如圖 5-21a、b 中實線所示，是各相電壓的包絡線。任何瞬時，正、反極性組均有一支電路導通工作，故可將該電路簡化成如 5-22 所示。圖中 ua、ub 各為某瞬時同時導通的正、反極性支路的變壓器相電壓瞬時值，晶閘管的正向壓降略去不計 。平衡電抗器是維持兩組三相半波電路互不干擾各自正常工作所必需的。 圖 5-21 帶平衡電抗器雙反星形整流電路波形圖(a0時)電阻負載波形 a) 正極性組的

17、整流電壓波形圖 b) 反極性組的整流電壓波形圖 c) 負載電壓波形 d) 平衡電抗器兩端電壓波形 e) 整流元件導通順序當0時。其波形如圖 5-21d 所示，頻率為電網電壓的三倍、近似于三角波形，其幅值為相電壓幅值的 1/2 倍。 當30時，正、反極性組整流電壓 ump 和 ump 波形如圖 5-23 所示。 圖 5-24 為60時的波形，正、反極性組整流電壓 ump、unp 波形如圖 5-24a、b 所示。 圖 5-25 為 60時的波形，這時 ump、unp 都對稱于橫軸，它們的平均值皆為零。 通過以上分析可知，帶平衡電抗器雙反星形整流器在電路中要有足夠大的電感，與上述其他電路相比它具有以

18、下特點： 1）它相當于兩組三相半波整流電路并聯(lián)。它的各相電流流通時間可延長至 120，而六相半波整流電路每相電流流通時間只有 60，顯然前者的整流變壓器和整流元件的利用率較高。該電路中，同時有兩個晶閘管并聯(lián)導電，每管分擔 1/6 負載電流。而三相橋式整流電路相當于兩個三相半波整流電路的串聯(lián)，同時有二個整流元件串聯(lián)導電，每個晶閘管分擔 1/3 負載電流，后者所用晶閘管的額定電流也就要求較大。同時后者要考慮兩倍的管子壓降，因而效率較低。因而，一般地說，帶平衡電抗器的雙反星形整流電路更適合于作弧焊電源，因為弧焊電源要求大電流低電壓。 2）有六個晶閘管，觸發(fā)電路比三相橋式半控整流電路的要復雜，但比三相

19、橋式全控整流電路的簡單。3）整流電壓波形為每個周波六個波峰，其脈動程度比三相橋式半控電路的小，最低諧波為六次，要求輸出的電感量及體積都較小。 4）需用平衡電抗器，且為保證電路能正常工作，其鐵心不宜飽和。為此，應避免該鐵心被直流成分所磁化，要求其抽頭兩邊線圈的直流安匝相互抵消，即兩組整流電路的參數（主要是變壓器的匝數和漏感）應基本對稱。（5）多路觸發(fā)脈沖之間應有電氣隔離尤其是在三相全控整流電路中各路觸發(fā)脈沖必須在電氣上隔離。 晶閘管觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路晶閘管是半控型器件，它最重要的特性是正向導通的可控性，當陽極加上一定的正向電壓后，還必須在門極和陰極之間加上足夠的正向控制電壓、電流即觸發(fā)電壓、

20、電流,以及達到維持晶閘管導通的維持電流時，晶閘管才能從阻斷轉化為導通。晶閘管導通后，門極控制信號就失去了控制作用，直到電源過零時，其陽極電流小于維持電流，晶閘管才自行關斷。根據這一特性，觸發(fā)電壓、電流可以是交流、直流或短暫的脈沖電壓、電流，為減少門極損耗與觸發(fā)功率，常用脈沖電壓、電流觸發(fā)晶閘管。3.2 晶閘管觸發(fā)電路應滿足一下要求：晶閘管觸發(fā)電路應滿足一下要求： (1) 觸發(fā)脈沖相位必須與加在晶閘管上的陽極電壓同步。（2）、觸發(fā)脈沖應有足夠功率信號極性要求門極為正，陰極為負。（3） 觸發(fā)脈沖可以移相且能夠達到所要求的移相范圍為了調節(jié)焊接規(guī)范和控制電源的外特性形狀，需要改變晶閘管的控制角，即通過

21、移相觸發(fā)電路改變觸發(fā)脈沖相位。（4）觸發(fā)脈沖應有一定寬度脈沖前沿應盡可能陡，以使晶閘管導通后陽極電流迅速上升，超過擎住電流而維持可靠導通。 觸發(fā)脈沖相位必須與加在晶閘管上的陽極電壓同步。3.3 觸發(fā)脈沖應有足夠功率觸發(fā)脈沖應有足夠功率信號極性要求門極為正，陰極為負信號極性要求門極為正，陰極為負3.2.1 用六套觸發(fā)電路用六套觸發(fā)電路由于該整流電路中有六只晶閘管，每只晶閘管需要一套觸發(fā)電路，總共需要六套。各相晶閘管的觸發(fā)互不牽制，允許觸發(fā)脈沖的移相范圍大，可達 180。不過這個優(yōu)點在這種弧焊整流器中得不到發(fā)揮，因為從空載到短路只需觸發(fā)脈沖移相90即可。這種方案的缺點是觸發(fā)電路套數太多，各套電路參

22、數難以達到一致，因此難以保證三相電路平衡；同時又增加了電路產生故障的可能性。3.2.2 用三套觸發(fā)電路用三套觸發(fā)電路用三套觸發(fā)電路 該觸發(fā)電路由正、反極性兩組三相半波電路組成，見圖 5-26a。a 與a 相、b 與b 相、c 與c 相的晶閘管的陽極電壓剛好相反，完全可以共用一套觸發(fā)電路3.2.3 用兩套觸發(fā)電路用兩套觸發(fā)電路 把主電路接成圖 5-16b 的形式即共陽極接法，各晶閘管在負半周導通），則可以采用兩套觸發(fā)電路。用一套觸發(fā)電路去觸發(fā)一組三相半波可控整流電路中的晶閘管。圖 5-27 所示陰影部分是各相觸發(fā)脈沖的移相范圍。由圖可見見，各相所要求的移相范圍是互不重疊的。所以完全可以采用一套觸

23、發(fā)電路依次觸發(fā)各相晶閘管。 用兩套觸發(fā)電路 把主電路接成圖 5-16b 的形式即共陽極接法，各晶閘管在負半周導通），則可以采用兩套觸發(fā)電路。用一套觸發(fā)電路去觸發(fā)一組三相半波可控整流電路中的晶閘管。圖 5-27 所示陰影部分是各相觸發(fā)脈沖的移相范圍。由圖可 d、 一套觸發(fā)電路產生的脈沖 3.3 無論用六套觸發(fā)電路、三套觸發(fā)電路，還是兩套觸發(fā)電路，對于無論用六套觸發(fā)電路、三套觸發(fā)電路，還是兩套觸發(fā)電路，對于前一部分的積分微分電路都是一樣的前一部分的積分微分電路都是一樣的如上電路圖中，左半部分是積分電路，右半部分是微分電路，對 r1 進行計算，首先對電路進行分析，當 r、c 前面的二極管不導通時，直

24、流電源對電容進行充電，則12v=ur+uc, 由于 數值較大,充電過程進行緩慢，uc ur，于是有12vur=ir而 i=cd uc /dt所以 uc =1/r1c12dt當充電結束的瞬間，uc=10v,所以 rc=t，而 2t=1/f f=50hz c=0.47uf所以 r1=20k對 r2 進行計算，在后面的電容放電， uc持續(xù)下降，直到降到 0v，這段時間在理論上要經過無限長時間 uc才衰減為零值。但工程上一般認經過 35 時間完成，暫態(tài)結束。則有 （35）=5ms而 =r2c c=0.47uf所以 r2=10k因此，有下列仿真電路：圖 2-三套仿真電路圖 3-六套仿真電路4 觸發(fā)電路設

25、計觸發(fā)電路設計及觸發(fā)電路工作原理及觸發(fā)電路工作原理分析分析4.1 要求我們組選擇二套觸發(fā)電路，電路圖如下：要求我們組選擇二套觸發(fā)電路，電路圖如下： 4.1.14.1.1 0 0 積分電路積分電路 rcrc 串聯(lián)輸入矩形脈沖電壓，在電容上輸出電壓，積分電路的條件為串聯(lián)輸入矩形脈沖電壓，在電容上輸出電壓，積分電路的條件為1、取電容兩端電壓為輸出電壓。2、時間常數 遠大于矩形脈沖寬度 t。在電子技術中常需要將矩形脈沖信號變?yōu)殇忼X波信號，作為掃描電壓使用。當輸入矩形脈沖電壓由零跳變到 u 時，電容器開始充電，由于時間常數 很大，電容器兩端電壓 uc 在 0t 這段時間內緩慢增長，uc 還沒有達到 u，

26、矩形脈沖電壓已由 u 跳變到 0，電容器通過電阻緩慢放電，uc 逐漸下降，在輸出端得到一個近似鋸齒形波的電壓。波形如上圖中的 u4 和 u5。微分電路與積分電路條件相反，rc 串聯(lián)輸入矩形脈沖電壓，在電阻上輸出電壓，矩形脈沖電壓的幅值為 u，脈沖寬度為 t，脈沖周期為 t。 在 t=0 至 t 這段時間內，電源對電容充電；t 在下一段時間內，電容通過電阻放電。rc 微分電路必須滿足以下兩個條件：1、在電阻上輸出電壓。2、rc 充放電時間常數 遠小于矩形脈沖寬度 t。由于電容兩端電壓不能突變，且 t，則 u0ur=u,則在 t 之前，電容充電過程很短，即電容兩端電壓很快為 u，電阻兩端電壓很快下

27、降到 0；在時間 t 時刻，電容通過電阻放電，同樣，由于 很小，在下一個脈沖電壓到來之前，電容放電很快結束，輸出電壓為兩個極性相反的尖端脈沖電壓。在脈沖電路中，常應用微分電路把舉行脈沖轉變?yōu)榧饷}沖，常常作為觸發(fā)信號。波形如上圖中 u8 和 u9。5 弧焊電源觸發(fā)電路的仿真檢測弧焊電源觸發(fā)電路的仿真檢測兩套、三套或六套雙窄脈沖晶閘管觸發(fā)電路的仿真及測試(1)仿真檢測儀器的選擇(2)各點檢測結果1 點（黑）2 點（橘）3 點（黑） 4 點（橘）5 點（黑）6 點（橘）7 點（黑）8 點（橘）9 點（黑）10 點（橘）11 點輸出端晶閘管弧焊整流器具有以下主要特點：（1）、控制性能好 晶閘管可以用較小功率的觸發(fā)信號，實現(xiàn)對大功率整流器的輸出控制。與弧焊發(fā)電機、磁放大器式弧焊整流器相比，其電流電壓控制范圍大，有利于對焊接參數進行控制，保證參數穩(wěn)定。（2）、動特性好，響應速度快 它與弧焊發(fā)電機和磁放大器式弧焊整流器相比，內部電感要小得多，系統(tǒng)時間常數可達十幾毫秒，具有電磁慣性小、響應速度快的特點。其動態(tài)特性可以采用電子電抗