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1、安徽建筑大学 毕业设计（论文）安徽建筑大学毕 业 设 计 (论 文)专 业 电气工程及其自动化 班 级 10电气（1）班 学生姓名 学 号 课 题 60KVA智能中频焊接电源设计 指导教师 朱 卫 国 2014年 06 月 12 日- 37 -摘要本文分析了当今中频电阻焊电源的国内外研究现状以及未来产品的发展趋势，介绍了中频逆变电阻焊接电源的关键技术以及存在的问题，描述了中频逆变电阻焊接电源的基本原理和设计理论。本文针对这种低压大电流焊接电源所具有的特点，完成了对中频逆变电阻焊电源的主电路的设计，并依据中频逆变电阻焊接电源的基本原理和设计理论，给出了各个器件的具体参数。在对中频逆变电阻焊电源的
2、主电路的设计的过程中，为了保证了系统的可靠工作，对中频电阻焊机的主电路采取了抗干扰与可靠性设计。在完成了对中频逆变电阻焊电源的主电路的设计之后，运用了Matlab/Simulink 软件对主电路建立了仿真模型，在完成仿真之后，对仿真出来的结果进行了分析与研究。关键词：中频焊接电源；主电路设计；电路仿真 ; Matlab/SimulinkAbstractThis paper analyses the development trend of the domestic and foreign research present situation in the mid frequency resis
3、tance welding power supply and future product, introduced the key technology of medium frequency inverter resistance welding power source and the existing problems, describes the basic principle and design theory of medium frequency inverter resistance welding power source.In this paper, the charact
4、eristics of the low-voltage high current power supply, completed the design of main circuit of medium frequency inverter resistance welding power source, the basic principle and the design theory and on the basis of medium frequency inverter resistance welding power source, given the specific parame
5、ters of each device. During the design of main circuit of medium frequency inverter resistance welding power source in the, in order to ensure the reliable operation of the system, the main circuit of intermediate frequency resistance welding machine adopting anti-jamming and reliability design. Aft
6、er completing the design of main circuit of medium frequency inverter resistance welding power source, using the simulation model is built on the main circuit of the Matlab/Simulink software, in the simulation, the simulation results are analyzed and studied.Keywords: If the welding power source；the
7、 design of the main circuit；Circuit simulation; Matlab/Simulink目录目录4第一章 绪论51.1 引言51.2电阻焊的基本原理及中频电阻焊的优势51.3本课题的来源、研究重点及研究意义6第二章 中频电源工作原理72.1工频不可控整流电路原理：72.2全桥IGBT逆变器原理:92.3 PWM原理92.4 变压器的原理102.5中频大功率整流电路11第三章 60KVA 智能中频焊接电源主电路设计123.1焊机参数123.2中频焊接电源的主电路设计123.3中频焊接电源的主电路元器件的选择153.3.1输入电路元器件的选择153.3.2 I
8、GBT的选取173.3.3中频变压器设计183.3.4.输出电路元器件的选择193.3.5 主要元器件选择表20第四章 运用Matlab/Simulink对系统进行仿真214.1仿真软件简介214.2中频逆变电阻焊电源的仿真模型214.3仿真分析234.3.1整流电路的仿真分析234.3.2逆变电路的仿真分析244.3.3 500V/10V降压后的仿真分析24第五章 总结与展望275.1 全文总结275.2研究展望27参考文献28致谢29附录 科技文献翻译30第一章 绪论1.1 引言焊接在机械制造中是一种十分重要的加工工艺。焊接技术在工业生产中具有极为重要的位置，其水平的高低将对整个工业水平的
9、提高和发展起着重要的作用。焊接设备素有“工业缝纫机”之称，是国民经济发展必不可少的重要设备。电阻焊是工件组合后通过电极施加压力，利用电流流过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法。电阻焊技术作为焊接学科的一个重要组成部分，随着新材料、新技术、计算机技术，电力电子技术和先进的控制技术的不断进步，电阻焊技术出现了前所未有的发展。中频焊机是目前最为先进的阻焊焊接技术，它经过变压器的整流后，由电极输出直流电，能最大限度的提高功率因数，保证焊接质量，并能节能百分之三十（与单相交流相比）。并且此类焊机在焊一些特殊材料，如铝，铝合金，镀锌板等，焊接效果优良。1.2电阻焊的基本原理及中频电阻焊的优势
10、电阻焊又称接触焊，属压力焊范畴，是以电阻热为能源的一类焊接方法。电阻焊是使工件处在一定电极压力作用下，利用电流通过工件时所产生的电阻热将两工件之间的接触表面熔化，从而实现连接的焊接方法。电阻焊一般包括点焊、缝焊、凸焊和对焊等。电阻焊原理如图1.1所示，图中a、b、c代表不同焊接电流温度曲线，其中c曲线焊接电流可满足焊接质量要求。焊接质量的精确稳定控制可以通过对焊接电流、接触压力、焊接间的精确控制来实现。与传统电阻焊机相比中频焊机有以下几个优势:（1）电流效率高，工艺优势明显 交流有过零转换，其间会损失一定的能量。而直流电源持续加热，能快速得到所需要的热量，电流效率提高20%左右。（2）焊接一致
11、性高 试验数据表明，交流的波动范围达到35%左右，而直流的波动在3%左右。直流焊接的一致性提高了10倍。（3）三相供电平衡，对网络的冲击小 中频直流焊机为三相输入，焊接过程中三相负载平衡，可以减少对供电系统的功率要求，不对任何单独一相造成尖峰过载，满足优惠电力费率要求。而交流焊机为单相输入，在实际接线过程中虽然按照各相基本均衡的方式接入，但是由于焊接车间焊机较多，一方面很难做到完全均衡，另一方面在实际生产时焊机电流接通随意性大，无法做到平衡，甚至出现某一相焊机全部工作或全部不工作的状态，严重影响变压器及相关焊接设备的寿命。（4）功率因数高 中频直流焊接的功率因数大于95%，无电感分量，一般的传
12、统交流电阻焊机功率因素仅60%，因此产品焊接的能源电流成本显著减小。图 1.1 电阻焊原理示意图 1.3本课题的来源、研究重点及研究意义本课题是受企业委托的中频电阻焊机的配套电源。课题基础是对电源基本原理的掌握以及电源工作参数和性能参数的基础上,根据课题要求完成电源的设计和仿真。其中，中频焊接电源的主电路设计是本课题的重点。焊接电源作为焊接的能源供给装置，其性能直接将影响到焊接质量，因此对焊接电源的研究长期以来受到人们的高度重视。过去几十年中，由于对电焊质量要求的不断提高，电阻焊电源从最初的单相交流电源到后来的电容储能电源、三相低频电源、次级整流电源再到逆变电源，不断更新换代。这一系列的研究使
13、得逆变电阻焊电源具有良好的焊接工艺性、较高的动态响应速度和控制精度。所以，采用逆变技术的次级整流中频焊电源是目前发展的重要方向。第二章 中频电源工作原理中频焊接逆变电源整个系统主要有以下几个单元电路:工频不可控全波整流桥、全桥IGBT逆变器、中频变压器、中频不可控全波整流电路、电流电压反馈电路、控制电路等。2.1工频不可控整流电路原理：整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路的应用十分广泛，例如直流电动机，电镀，电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。同时，整流电路是中频焊接电源重要的组成部分。由于近年来，在AC
14、-DC-AC变频器，不间断电源，开关电源中常采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源。所以，本文就三相不可控整流电路原理做一下的介绍：该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。设二极管在距线电压过零点角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为 uab=6U2sin(t+) (2-1)相电压为 ua=6U2sin(t+-6) (2-2)图2.1电容滤波的三相桥式不可控整流电路在t=0时，二极管VD6和VD1开始同时导通，直流侧电压等于u
15、ab；下一次同时导通的一对管子VD1和VD2，直流侧电压等于uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电流id是断续的，如图1所示；另一种VD1一直导通，交替时由VD6导通换相至VD2导通，id是连续的。介于二者之间的临界情况是VD6和VD1同时导通的阶段与VD1和VD2同时导通的阶段在t+=23处恰好衔接起来，id恰好连续。由前面所述“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设在t+=23的时刻“速度相等”恰好发生，则有d6U2sin(t+)d(t)t+=23=d6U2sin23e-1RCt-23-d(t)t
16、+=23(2-3)可得 RC=3 (2-4)这就是临界条件。RC3和RC3分别是电流id断续和连续的条件。对于一个确定的装置来讲，通常只有R是可变的，它的大小反映了负载的轻重。因此可以说，在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R=3C。2.2全桥IGBT逆变器原理:通过了解，我们知道全桥IGBT逆变器是中频电源中十分重要的一环，它是使工频转化为中频的关键环节。下面就是对全桥逆变原理的一些介绍：电压型全桥逆变电路的原理图如下图2.2所示，它共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180
17、度。图2.2全桥逆变电路原理图全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。下面对其电压波形作定量分析。把幅值为Ud的矩u0展开成傅里叶级数得u0=4Udsint+13sin3t+15sin5t+（2-5）其中，基波的幅值UO1m和基波有效值UO1分别为 UO1m=4Ud=1.27Ud(2-6) UO1=22Ud=0.9Ud (2-7)前面分析的都是uo为正负电压各为180度的脉冲时的情况。在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。2.3 PWM原理脉宽调制（PWM）基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代
18、替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/n ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，
19、各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交直交变频器中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。2.4 变压器的原理变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初
20、级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。变压器是一种静止的电气设备。它是根据电磁感应的原理，将某一等级的交流电压和电流转换成同频率的另一等级电压和电流的设备。作用：变换交流电压、交换交流电流和变换阻抗。在本次电源的设计中
21、，变压器的主要任务就是使二次侧电压降低从而达到大电流的目的。其中，通过对变压器原理的了解，中频变压器和工频相比较能减少匝数。所以，能够减少体积和重量，这还是中频电源的一个优点。2.5中频大功率整流电路整流电路如同第一部分原理所示，本部分需要介绍一种元器件就是快恢复二极管，是本电路的核心元件。快恢复二极管（简称FRD）是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于PIN结型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成P
22、IN硅片。因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压（耐压值）较高。快恢复二极管的内部结构与普通二极管不同，它是在P型、N型硅材料中间增加了基区I，构成P-I-N硅片。由于基区很薄，反向恢复电荷很小，不仅大大减小了trr值，还降低了瞬态正向压降，使管子能承受很高的反向工作电压。快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百纳秒，正向压降约为0.6V，正向电流是几安培至几千安培，反向峰值电压可达几百到几千伏。目前快恢复二极管主要应用在逆变电源中做整流元件。第三章 60KVA 智能中频焊接电源主电路设计3.1焊机参数输入电压：38015，50Hz额定输出功率
23、：60KVA效率:85%变压器次级空载电压：5-10V变压器初级电流调节范围：0-120A负载持续率:20%保护功能:具有输入及输出过流保护、过热保护、输入输出过压欠压保护等功能。3.2中频焊接电源的主电路设计随着绝缘栅双极晶体管（IGBT）和数字信号处理器（DSP）的出现和发展，目前中频逆变电阻焊电源大多是采用数字信号处理器（DSP）为控制核心，采用IGBT作为逆变器的主开关装置，通过数字信号处理器实现高速数据处理，采用闭环控制系统，并使用各种先进的控制算法用来实现其实时快速的良好控制效果。输出其中，中频焊接电源的主电路由三相不可控整流桥、软启动电路、滤波电路、IGBT全桥方波逆变器、中频焊
24、接变压器、输出整流电路以及一些缓冲保护电路等组成。系统框图如下图3.1所示：输入中频大功率整流电路中频变压器全桥IGBT 逆变电 路工频不可控整流三相工频电接焊头图3.1主电路系统框图下面就是对各单元电路进行的简要说明：1.三相不可控整流桥:我们需要将三相交流电整流成约54OV的直流电。2.软启动电路:软启动电路由限流电阻R1、继电器K1、R2、C1等构成。由于采用电容滤波,电容整流滤波电路在接通交流电压时,当在合闸时由于电容充电往往会引起较大的浪涌电流。而由于是中频焊接电源,则希望获得一些纹波较小的滤波电压,一般输入的滤波电容较大。然而直接从电网取来的交流电进行整流,其电压较高。因此,合闸浪
25、涌电流比一般的整流焊接电源要高的多的多，并且电流的持续时间也长。而合闸浪涌电流的大小随开关合闸瞬间交流电压的相位以及输入滤波回路的内阻不同而异。当大的合闸浪涌电流出现时,会对与系统相连的其它设备造成影响,电容器反复经过浪涌电流的冲击,其性能也会恶化。因此,必须采取措施,即加入限流电阻构成软启动电路。系统启动时,通过R1 R2给电容C1充电,当达到继电器K1的吸合电压时,继电器触点合上,电阻R1被短接,系统进入正常工作。3.滤波电路:拟采用型滤波电路，使用两个电容一个电阻作为滤波器，另外为了使滤波效果更加明显，又加了一个较小的电容对高次谐波进行滤波。4.方波逆变器：由两个半桥IGBT模块FF40
26、0R12KE3、缓冲电路以及中频变压器组成。逆变器正常工作时,两组IGBT轮流导通,改变流经中频变压器的电流方向,把直流电变成中频正负交替的方波。5.中频变压器副边整流电路:由D5、D6两组快恢复整流管把中频交流电(1KHz)变换成低压直流电(2KHz),供给焊头,其中快恢复整流管应加入缓冲电路。6.缓冲保护电路:系统中设计了放电阻止型RCD吸收电路,其中的R采用无感电阻,C采用无感电容,D采用快恢复二极管。RCD的优点及选用RCD的原因如下：优点是既能抑制关断浪涌电压，缓冲电路的损耗又很少，常用于中大容量器件，比较高频率的应用场合，可以作为单独缓冲电路使用。选用的原因是因为主电路开关器件IG
27、BT有四种工作状态：开通、通态、关断、断态。IGBT断态时可能承受高电压但漏电流小，通态时可能承载大电流但管压降小，而开通和关断过程中IGBT可能同时承受高电压和大过流以及过大的瞬时功率。如果不采取防护措施，高电压和大电流可能使IGBT的工作点超出安全工作区而将其损坏，因此在大功率逆变器中常设置缓冲吸收电路，防止瞬时过压。过流，减小IGBT开关损耗，确保其工作在安全工作区。主电路设计图如下图3.2所示：图3.2主电路图3.3中频焊接电源的主电路元器件的选择3.3.1输入电路元器件的选择逆变焊接电源输入电路,主要功能是整流滤波,这与常规焊接电源是相同的。这儿值得提出的是防止合闸浪涌电流及抗干扰问
28、题。逆变焊接电源输入整流滤波电路常见的三相全桥整流滤波电路和单相全桥整流滤波电路,采用三相全桥式整流电路时,滤波主要采用电容;单相全桥式整流电路时,滤波主要采用电容外,有时还采用电感滤波。1.整流二极管的选取:选择整流管时,一般选择电流有效值。设厂家给出的额定电流值为IN,这是流过管子的正弦半波平均值。相应的正弦半波有效值Ib为：Ib=1.57IN （3-1）式中Ib为电流有效值;IN为额定电流值。另一方面,在一个市电周期中,Id有6个波头,流过每一个整流二极管的是其中的两个波头,即是一个周期中,每个整流管导通1/3周期,因此,一个周期内管子电流发热量Q为：Q=Id2RT3（3-2）式中Q为电
29、流通过二极管的发热量;R为负载电阻;Id为输入电流平均值,即中频变压器一次电流I1，T为周期。那么,管子电流有效值Ib,在一周内的发热量也是Q。所以： Ib2RT=Id2RT3 (3-3) Ib=13Id0.58Id(3-4) 0.58Id=1.57IN (3-5)中频变压器初级电流I1=120A, ，所以额定电流值: IN=0.367Id=0.367I1=44.04A(3-6)二极管上最高承受电压:Um=2U11.1=2380V1.1=593V (3-7)式中Um为二极管上最高承受电压;Ui为电网输入线电压有效值380V;1.1为波动系数。设计中我们考虑2倍以上安全裕量，因此采用额定值为12
30、00V，100A三相全桥整流模块一个。2.滤波电容的选取电网电压为380V，空载直流电压Ud0约为线电压峰值540V。在带负载时，电压有所下降，直流母线电压为:Ud=1.35380V=513V (3-8)市电经过三相全桥整流后形成的六个波头电容电压在带负载时是脉动的，图中T/6区间是一个完整的电容充放电周期，在T1区间内，电容放电，在T1T/6区间内，电容充电。图滤波电容滤波过程分析假定电容放电电流恒定，则： Id=CUT1 (3-9) Ud0-U=Ud0cos（T1-T6）(3-10)由9式和10式得：T1=T6-1cos-1(1-UUd0)=20ms6-1314HZcos-10.94=2.
31、2ms(3-11)式中Id为输入电流120A;U为电压变化量(U=Ud06%=5406%=32.4V) ;T1为电容放电时间; Ud0为空载直流电压540V; T为工频交流电周期20ms;为工频交流电角频率(=2f=2x3.14x50Hz=314Hz)。代入9式得：C=IdUT1=120A32.4V2.2ms1000=8148uf（3-12）电容承受的线电压峰值540V。上面的计算过程是参照文献（5）计算出来的结果，但是实际上，滤波电容主要对逆变器中频1KHZ的基波进行滤波的，所以在式11参数的选择时，是以1KHz来代替300Hz(T/6)来进行估算的，所以最后计算得到:C取3700uf。实际
32、中，采用2个4400uf，450V的电解电容和一个电阻并联为一组。至于去电源高频干扰的电容C6，根据经验可试选取C6=2.5uf或该数量级其它电容，耐压峰值选取UP=1000V3.限流电阻的选取电容输入式整流滤波电路在接通交流电压时，合闸时由于电容充电，往往引起较大的合闸浪涌电流。特别是逆变焊接电源由于希望获得纹波较小的滤波电压，一般采用较大的滤波电容，当它从电网直接取电时，产生的浪涌电流，持续时间长，会引起一系列可靠性方面的问题，必须设法加以抑制。但限流电阻的选择要适当，过大，主电路电压降损失大;过小，起不到限流作用。系统中选择的限流电阻R1为50/20W。3.3.2 IGBT的选取整个系统
33、中，IGBT是逆变点焊电源中的关键功率元件。由于它比较脆弱，对它的设计、选择直接关系到整个焊机的安全、可靠。所以，选择的参数必须在其正向偏置安全区 (FBSOA)。计算参数时留有的富裕量要大。（1）额定电压Ucep：输入电网电压整流滤波后，输出电压峰值为540V，考虑各种因素，如电网电压的不稳定，取波动系数1.1，安全系数1.1，采用下面的式子：Ud=2U380V1.11.1=650V(3-13)式中Ud为IGBT承受的稳态最大电压;U为三相整流后电压的有效值;安全系数a取1.1。关断时的峰值电压:Uceps=(Ud1.15+150)=(650V1.15+150V)1.1=987.25V (3
34、-14)式中Uceps为IGBT关断时的峰值电压; 为安全系数，取1.1;1.15为过电压系数。150为Ldidt引起的尖峰电压（单位：V）。考虑到安全原因，额定电压Ucep实际电压等级取1200V。(2)额定电流Ic中频变压器一次侧电流：I1=PU=60000540112A(3-15)取I1为120A，式中P为中频逆变电阻点焊机的功率，按60Kw计算;U为中频变压器一次侧电压，按540V计算;每只IGBT管上平均电流为：I=0.5I1=0.5120A=60A (3-16)额定电流Ic是IGBT应用手册给出的在结温25条件下的额定值为:Ics=2I1.51.4=1.14160A1.51.418
35、0A (3-17)式中Ics为IGBT额定电流计算值; I为每只IGBT管上平均电流; 1.414为峰值系数;1.5为1min过载容量系数; Ic为1.4为减小系数。额定电流Ic根据管子电流等级按400A选取。综上所述，所选IGBT管额定电压1200V，额定电流为400A。本课题选取的是英飞凌公司的IGBT半桥模块2个，型号是FF400R12KE3。3.3.3 中频变压器设计中频逆变点焊变压器在点焊逆变电源主电路中起着能量转移的作用，其工作性能关系着整个主电路的工作质量。以下详细讨论变压器的参数选取过程。中频逆变点焊变压器的设计，应从点焊次级电路结构入手。次级电参数和要求达到的次级电流有效值决
36、定了次级电压的值，另外，整流二极管的导通压降也对次级空载电压的选择有很大的影响，整流二极管的导通压降大，次级空载电压的值也应选得较大，否则将会使次级电流有效值降低。根据计算的结果并参考天津某点焊设备公司的设计经验，将变压器的空载输出电压取在77.5V较为合适。点焊逆变电源的中频变压器一般次级都是1匝，中频变压器初级电压为540V左右，由此可确定变压器的变比应定为72:1。设计时，欲使其结构紧凑、损耗小、输出脉冲上升速度快，应该选择饱和磁感应强度、电阻率及脉冲导磁率均较大且带材厚度小的材料。变压器铁芯材料的选择还和逆变频率有很大关系，本机的逆变频率确定在1 KHz，属中频范围，故可选用较薄的硅钢
37、片，厚度为0.2mm硅钢片可用于1000 Hz-2000 Hz的工作场合。由于电流较大造成了变压器的发热量也很大，使用空冷冷却效果较差，可考虑使用水冷的方法。变压器发热量是点焊电流常时间的积累效果，应以长时电流做为参考，就是将短时间流过的电流映射为长时间电流，其计算方法如下：I=IF%(3-18)其中F为负载持续率。则导线的截面积的设计公式为S=IK11（3-19）其中，为许用电流密度。根据式20可确定变压器原边与副边的截面积。对于变压器来说，有U=KfNSBm（3-21）其中，U变压器的原边电压(V);K一电压波形因数，对于正弦波，K=4.44，对于方波，K=4;Bm磁感应强度振幅值(T);
38、S铁心有效截面积(cm2)。由式21可求得变压器铁芯的截面积，进而可确定铁芯的结构。最后得到的变压器主要参数如下：次级输出77.2V，变比为72:1，次级1匝2路，原级4盘，每盘18匝，共4只18匝=72匝;原级电流密度为3.5Amm2，次级取为7 Amm2，次级内部钻孔，并通以冷却水;原级导线使用2mmX3.5mm规格的导线两匝并绕，次级设计为 32mm16mm规格;铁芯使用0.2mm的冷轧硅钢片叠制50mm，铁心窗口由 50mm125mm、 25mm125mm、25mm62.5mm三种规格的硅钢片首尾构成。3.3.4. 输出电路元器件的选择输出整流滤波电路的作用是将中频变压器二次方波电压整
39、流成单向脉动直流电压，并将其平滑成设计要求的低纹波直流电压。由于欲整流电压的频率高达1 KHz，而且是矩形波，在整流过程中将会出现一些与普通低频整流不同的、但确是十分重要的问题。输出整流滤波电路的另一个重要功能是抑制尖噪声，尤其是抑制开关整流二极管反向恢复时间内电流急剧恢复产生的尖峰噪声。参考各种资料，考虑留一定安全裕量，本系统输出整流二极管额定电压按40V，电流6000A快恢复二极管选取。3.3.5 主要元器件选择表元器件名称数量主要参数(型号)三相全桥整流模块1个1200V,100AIGBT半桥模块2个FF400R12KE3滤波电容 3个4400f，450V高频滤波电容1个 2.5f，10
40、00V整流二极管 2个40V,6000A限流电阻1个50/20W缓冲电路电容4个0.22f缓冲电路电阻 4个20第四章 运用Matlab/Simulink对系统进行仿真本章根据中频逆变电阻焊电源的工作原理，利用MATLAB/Simullink仿真软件建立了其模型,并对电源的各个环节进行了仿真和研究。4.1仿真软件简介随着计算机科学的发展，系统仿真设计也变得越来越方便。通过计算机仿真，可以使设计者能够在较短的周期内获得设计方案的可行性信息，获得设计的效果，这比利用实验手段来验证设计方案要方便得多。本文的仿真软件选择MATLAB7.1，这是目前工程领域最为流行的软件。MATLAB语言是一种广泛应用
41、于工程计算和数值分析的新型高级语言和优秀的通用仿真软件，己经成为电力系统仿真、自动控制理论、数字信号处理、图像处理等领域的常用工具软件。MATLAB中的Simulink动态仿真集成环境是以MATLAB为基础的用于动态系统建模和仿真的软件包，它是由Math Works公司开发的。Simulink的一个突出优点是用户可以在屏幕上调用现成的图形模块，并把它们适当的连接起来构成系统的模型，即所谓的可视化建模，然后对它进行仿真，并且可以随时观察仿真结果和干预仿真过程。Simulink这一名词本身就包含了建模(Link即对模块进行连接)与仿真(Simulation)这两大功能。它既适用于线性系统也适用于非
42、线性系统，既适用于连续系统也适用于离散系统和连续与离散的混合系统;既适用于定常系统也适用于时变系统。Simulink的模块库内容十分丰富，有信号源库(Source)、输出信号模块库 (51nk)、线性库(Unear)、非线性库(Nonlinear)，以及连接库(Connectors)。最重要的是它还有各种专业的学科性的工具箱，如电力系统仿真模块(Simpowersystems)、控制系统工具箱 (Controlsystem)、信号处理工具箱( Signal Processing Toolbox)等。这些工具箱都是由该领域中的专家编写，我们可以直接引用。4.2中频逆变电阻焊电源的仿真模型根据第二
43、章和第三章介绍的工作原理和电路图，在MATLAB/Simullink的环境中建立了中频逆变电阻焊电源。如图4.1所示，图4.1中频逆变电阻焊电源的仿真模型在建立仿真模型时，我们采用的是MATLAB/Simullink环境中的电力系统仿真模块(Simpowersystems)。由于该仿真工具箱的模型非常齐全，例如电源我们可以直接采用三相电源模块，整流桥我们可以直接采用整流桥模块，另外，我们也可以选用IGBT来搭建逆变桥等等。不过，由于RCD缓冲电路不包含在仿真工具箱中。所以，我们需要单独建立一个RCD模块。RCD缓冲电路模块的电路如下图4.2所示，图4.2 RCD缓冲电路图4.3仿真分析4.3.
44、1整流电路的仿真分析对于电路中的参数设置如下：电源：380V;60KVA 滤波电容 C=4400uf 电阻R=0.1；仿真出的结果如下图4.3所示：图4.3整流模块后电压波形图由上图可知，预计的整流波形与仿真出来的波形相似，符合设计要求。4.3.2 逆变电路的仿真分析 对于电路模型的设置，我们可以利用模块中产生PWM波的元件，并把给IGBT的频率设置成1000HZ。仿真结果如下图4.4所示：图4.4 逆变电路产生的电压波形 如上图所示：我们可以看到在0.005s的过程中总共有10个波头，也就是说频率已经改变成1000hz 符合我们设计成中频的要求。并且幅值也在500伏左右，符合设计要求。4.3
45、.3 500V/10V降压后的仿真分析 变压器选择了副边为2的变压器，并把变压器设置成500V/10V；下图4.5为变压后的电压波形。图4.5 500V/10V降压后电压波形由上图我们可以发现变压过后幅值稳定在10V左右；故我们可以得知设计符合要求。500V/10V降压后的二极管应设置为快速二极管，我们可以得出以下波形，如下图4.6所示。图4.6 二次整流后的电压波形通过上图,我们可以发现频率变为2000HZ符合设计预想。并通过上述这些波形我们可以得出这次主电路的设计符合预期。仿真指导生产，下图为实物图:图4.7 电源的实物图第五章 总结与展望5.1 全文总结本文分析了当今中频逆变焊机电源的国内外研究现状及未来产品的发展趋势，介绍了中频逆变焊机电源的基本原理以及存在的问题，描述了中频逆变电源的基本结构组成和设计理论。该研究成果能最大限度的提高功率因数，保证焊接质量，并且此类焊机在焊一些特殊材料，如铝，铝合金，镀锌板等，焊接