ZX逆變電源系統(tǒng)研究報(bào)告開題報(bào)告

1、個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文開題報(bào)題目：ZX7-400逆變電源系統(tǒng)研究學(xué)生姓名：李永超學(xué) 號：080602209專 業(yè)：材料成型及控制工程指導(dǎo)教師：王 軍2018年3月30日1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫2000字左右的個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用文獻(xiàn)綜述：ZX7400焊接電源為直流下降特性逆變焊接電源。逆變焊接電源由于其頻率的提高，具有高效節(jié)能、省材輕巧、動態(tài)響應(yīng)快，電氣 性能、焊接工藝性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn) ，是電焊機(jī)發(fā)展方向之一。逆變焊接電源的結(jié)構(gòu)可 以分為兩部分，從電網(wǎng)將電能傳遞給負(fù)載的電路稱為主電路，其余部分為控制電路2。1.1 主電路逆變焊機(jī)主電路由

2、輸入整流濾波電路、逆變電路、輸出整流濾波電路組成，其中 逆變電路為關(guān)鍵電路。1.1.1逆變電路基本形式目前逆變電路的基本形式主要有推挽式、全橋式、半橋式和單端式等3，分別具有以下特點(diǎn)1,4:（1）推挽式 兩功率開關(guān)管輪流通斷，經(jīng)降壓整流后輸出直流電，開關(guān)管承受兩 倍以上輸入電壓，對耐壓要求較高，一般只用于晶閘管式逆變器。（2）全橋式 可選用四只IGBT，構(gòu)成的2個(gè)橋臂都有產(chǎn)生直通的可能，因此控制 電路復(fù)雜。變壓器原邊繞組的電壓為E,適合大功率輸出，但極易產(chǎn)生偏磁。（3）半橋式 抗偏磁能力強(qiáng)，但有出現(xiàn)直通的可能。因變壓器原邊繞組電壓是E/2,適合中等功率的逆變焊機(jī)。（4）單端式 不會出現(xiàn)高頻變壓

3、器偏磁，但磁芯利用率低，不易實(shí)現(xiàn)大功率輸 出。為解決該問題就需要多組并聯(lián)，進(jìn)而會出現(xiàn)多路輸出同步、均流、抗干擾等問 題。應(yīng)用IGBT時(shí)，其主電路主要為后三種，其電路拓?fù)浜唸D如圖1所示個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用目前用于逆變式手弧焊電源的功率電子器件主要分為三大類：（1）雙極型器件，以晶閘管VSCR）為最典型，屬半控器件，無自關(guān)功能，且開 關(guān)頻率低為最典型，屬電壓控制器件，控制方 便，熱穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，開關(guān)頻率達(dá)500kHz。但其缺點(diǎn)是導(dǎo)通壓降大，單 只器件容量大，即使較小容量的弧焊電源仍需多只場效應(yīng)管，多只器件并聯(lián)會引起動 態(tài)均流問題。（3）混合型器件絕緣柵雙極晶體管（IGBT,它是MO

4、SFET管與雙極性晶體管構(gòu)成的復(fù)合器件，是一種高頻率和大功率結(jié)合的器件，既保留了MOSFET管的高開關(guān)頻率、高輸入阻抗、電壓驅(qū)動、無二次擊穿和安全工作區(qū)域較寬等優(yōu)點(diǎn)，又解決了MOSFET管高耐壓與低導(dǎo)通電阻之間的矛盾，開關(guān)頻率大（1040kHz,目前在容量 較大的弧焊電源中已成為主流器件。1.1.3逆變技術(shù)逆變技術(shù)對IGBT的參數(shù)要求并不是一成不變的，逆變技術(shù)已從硬開關(guān)技術(shù)、移 相軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展到雙零軟開關(guān)技術(shù)，各技術(shù)之間存在相輔相成的紐帶關(guān)系，同時(shí)具 有各自的應(yīng)用電路要求特點(diǎn)，因而，對開關(guān)器件的IGBT的要求各不相同。以下為典型的逆變電路拓?fù)浼癐GBT的選擇：（1）硬開關(guān)電路拓?fù)?此種工作方

5、式，IGBT對角同時(shí)開通和關(guān)斷，產(chǎn)生開關(guān)損 耗，在損耗的組成中，關(guān)斷損耗所占比例更大，因此選擇快速型IGBT，尤其關(guān)斷時(shí)間較短者為佳。其電路拓?fù)淙鐖D2所示。1.1.2OE功率開關(guān)的選取逆變焊個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用圖 2 硬開關(guān)電路拓?fù)?2)移相軟開關(guān)電路拓?fù)?此種工作方式，同組IGBT的開通和關(guān)斷存在一定的相 位，IGBT的開關(guān)損耗較小，但導(dǎo)通損耗大，且IGBT續(xù)流二極管的工作時(shí)間長，選 擇低通態(tài)的IGBT而且要求續(xù)流二極管的通流能力強(qiáng)。其電路拓?fù)淙鐖D3所示。圖 3 移相軟開關(guān)電路拓?fù)?3)雙零軟開關(guān)電路拓?fù)?此種工作方式，同組的IGBT同時(shí)開通，但不同時(shí)關(guān) 斷，IGBT的開關(guān)損耗非常小，

6、在其損耗組成中，通態(tài)損耗所占比例較大，選擇低通 態(tài)的IGBT為佳。其電路拓?fù)淙鐖D4所示。圖 4 雙零軟開關(guān)電路拓?fù)?.2 控制電路控制電路包括脈寬生成電路、驅(qū)動電路、反饋電路、軟啟動電路及各種過流、 過壓、欠壓、個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用過熱保護(hù)電路。其工作過程為工頻交流電經(jīng)整流濾波后的直流電壓為逆 變主電路供電，PWM的輸出信號驅(qū)動逆變電路，再通過高頻變壓器得到高頻電壓，由 高頻整流濾波后，從而輸出直流電壓。而輸出反饋信號經(jīng)光電耦合器隔離反饋給脈沖 調(diào)制器，通過與脈沖調(diào)制器中誤差放大器的基準(zhǔn)電壓比較，可控制脈沖調(diào)制器的輸出 占空比，以調(diào)節(jié)輸出電壓。與脈寬生成電路相配套的集成芯片主要有SG35

7、25、TL494、UC3842等，這些芯片是組成控制電路的核心，當(dāng)主電路出現(xiàn)過流、過壓或 溫升異常時(shí)，通過反饋電路可直接圭寸鎖脈沖輸出端4,6。1.2.1脈寬生成電路SG3525是電流控制型PWM控制器,不僅具有可調(diào)整的死區(qū)時(shí)間控制控制功能，而且還 具有可編式軟啟動，脈沖控制封鎖保護(hù)等功能。通過調(diào)節(jié)SG3525第5腳上的G的電容和第6腳Rr上的電阻就可以改變輸出控制信號PW啲頻率，調(diào)節(jié)第9腳COM的電 壓可以改變輸出脈寬，這些功能可以改善開關(guān)電源的動態(tài)性能和簡化控制電路的設(shè) 計(jì)。SG3525由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、振蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定 電路、閉鎖控制電路、軟啟動電路和輸出電路

8、構(gòu)成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示7,8。其中基準(zhǔn)電壓調(diào)整器提供一個(gè)供輸出電壓進(jìn)行比較的穩(wěn)定電壓和一個(gè)內(nèi)部IC電路的電源；振蕩器為PWM比較器提供一個(gè)鋸齒波和與該鋸齒波同步的驅(qū)動脈沖控制電路輸 出的同步信號；誤差放大器使電源輸出電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較；其余的電路以正確 的時(shí)序使輸出晶體管導(dǎo)通9個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用1.2.2驅(qū)動電路及保護(hù)電路驅(qū)動和保護(hù)IGBT有不同的方式和電路。按驅(qū)動電路元件的組成可分為分立元件組成 的驅(qū)動電路和集成化驅(qū)動電路。而集成驅(qū)動電路由于具有更好的驅(qū)動性能、更高的整 體可靠性和體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用10。IGBT是電壓控制型器件，因此只要控制IGBT的柵極電壓

9、就可以使其開通或關(guān) 斷，并且開通時(shí)維持比較低的通態(tài)壓降。柵極正電壓的變化對IGBT開通特性、負(fù)載短路能力和du/dt電流有較大的影響，而柵極負(fù)偏壓則對關(guān)斷特性的影響較大。一般 來說驅(qū)動方式有直接驅(qū)動、隔離驅(qū)動、集成模塊驅(qū)動等方式11,12,13。圖 5 SG3525 內(nèi)部結(jié)構(gòu)(1)直接驅(qū)動 其電路拓?fù)淙鐖D6所示，這個(gè)電路的特點(diǎn)是能很好地對柵極電容充電 $葉SYMI供內(nèi)部電路基唯電壓欠壓鎖定器H岌器COMP1N-iN-hSD1615掘蕩器卅T- SLW存F鎖個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用（2）隔離驅(qū)動 在驅(qū)動電路中，主電路和控制電路之間一般采用光電耦合或脈沖變壓器來提供電氣隔離。如圖7所示是采用變壓

10、器隔離的柵極驅(qū)動電路，其特點(diǎn)是驅(qū) 動級不需要專門的直流電源，簡化了電源的結(jié)構(gòu)，且工作頻率較高，可達(dá)100kHz,但由于漏感和集膚效應(yīng)的存在，使繞組的繞制工藝復(fù)雜，并易于出現(xiàn)振蕩。圖 7 變壓器隔離的驅(qū)動電路如圖8所示是一種采用光電耦合隔離的柵極驅(qū)動電路，其特點(diǎn)是體積小巧，但 由于光耦合響應(yīng)速度較慢，因而具有較長的延遲時(shí)間，且光電耦合器的輸出級需要隔 離的輔助電源供電。圖 6 直接驅(qū)動電路個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用（3）集成模塊驅(qū)動 如圖9為M57962L型IGBT專用驅(qū)動模塊原理圖，具有抗干為保證IGBT的安全運(yùn)行， 需要采取合適的過電流保護(hù)、 過電壓保護(hù)以及過熱保 護(hù)等。IGBT的過電流保護(hù)

11、可分為過載保護(hù)和短路保護(hù)兩類，通常采取的過流保護(hù)措 施有軟關(guān)斷和降低柵極電壓兩種；IGBT的過電壓的產(chǎn)生主要有兩種情況，一種是施 加到IGBT集電極一發(fā)射極上的直流電壓過高，另一種是集電極一發(fā)射極上的浪涌電 壓過高，針對前者可在選取IGBT時(shí)進(jìn)行降額設(shè)計(jì)或在檢測出這一過壓時(shí)分?jǐn)郔GBT的輸入，針對后者可采用緩沖吸收電路抑制關(guān)斷時(shí)的過電壓；針對過熱，可在IGBT處加裝一溫度傳感器，檢測IGBT的殼溫，超過允許溫度時(shí)切斷IGBT的輸入以實(shí)現(xiàn) 保護(hù)10,12。1.3 逆變焊機(jī)的發(fā)展方向目前逆變焊機(jī)仍然沒有發(fā)揮出最大潛能，還具有巨大的發(fā)展空間。逆變焊機(jī)的發(fā)展方向主要為高頻逆變、數(shù)字化控制、諧波抑制等1

12、4。例如可以改進(jìn)逆變焊機(jī)的主電 路，去掉了軟啟動電路，使逆變開關(guān)頻率不再受電解電容的限制，從而實(shí)現(xiàn)了高頻化15;單片機(jī)、DSP和嵌入式系統(tǒng)等數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入將帶來控制方式的飛 躍14;通過采用有源功率校正技術(shù)0擾能力強(qiáng),個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用可有效抑制高次諧波電流，提高功率因數(shù)，而且對 電網(wǎng)無污染，達(dá)到高效節(jié)能的效果16o參考文獻(xiàn)1黃石生.弧焊電源及數(shù)字化控制M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20182徐宏彤，晏麗琴，岳桂杰等.CO2逆變焊機(jī)主電路設(shè)計(jì)J.廣西輕工業(yè)，2018(2:30-313趙文宏,汪小洪,盧小慧.ZX7系列逆變式直流弧焊電源的研制J.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002,30(4

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15、進(jìn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證J.電力電子技術(shù),2018,44(7:51-5216楊希炯，陳要玲，石文波.逆變焊接電源節(jié)能高效的綠色設(shè)計(jì)J.電焊機(jī),2009,39(2:18-23個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用2本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段及途徑：2.1 本課題的研究任務(wù)逆變焊機(jī)具有輕便、節(jié)能、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，是電焊機(jī)發(fā)展的主要方向之一， 而IGBT逆變焊機(jī)已成為弧焊電源發(fā)展的主流產(chǎn)品。因此，本文的研究內(nèi)容如下：(1) 設(shè)計(jì)并檢測調(diào)試基于IGBT的輸入整流濾波電路、逆變電路、輸出整流濾 波電路；(2) 設(shè)計(jì)并檢測調(diào)試基于SG3525的PWM控制系統(tǒng)；(3) 設(shè)計(jì)并檢測調(diào)試IGBT的驅(qū)動及保護(hù)電路，包括過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過 流保護(hù)、過熱保護(hù)等；2.2 本課題擬采用的研究手段及途徑2.2.1整體設(shè)計(jì)思路如圖10所示為弧焊逆變電源主要組成及基本原理框圖，根據(jù)任務(wù)書及參考文獻(xiàn) 等按圖10的主要組成部分逐步進(jìn)行設(shè)計(jì)包括保護(hù)電路)，最終進(jìn)行檢測調(diào)試，優(yōu)化 方案，確定最終設(shè)計(jì)方案。圖 10 IGBT 逆變焊機(jī)主要組成及基本原理框圖222技術(shù)路線與方案由文獻(xiàn)