25kW逆变焊接电源主电路设计 辽 宁 工 业 大 学 电力电子技术课程设计（论文） 院（系）： 新能源学院 专业班级： 电气132 学 号： 131803051 学生姓名： 赵旭 指导教师： 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：光伏学院 教研室： 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 摘 要 随着科学技术的日益发展，人们对电路的要求也越来越高，由于在生产实际中需要大小可调的直流电源，逆变器的电路拓扑结构有推挽式、全桥式、半桥式、单端正激式、单端反激式等多种形式，对于大功率你变电源，适宜采用全桥式逆变器对于大功率你变电源，适宜采用全桥式逆变器变焊接电源因具有体积小、质量轻、节材、高效节能等突出优点得到广泛应用 在进行主电路设计时可根据主电路的输入、输出参数来确定各个期间的参数在对器件进行合理的选择以便达到设计要求，符合相应的功能本课设的研究对象是通过对一台350A全桥式IGBT逆变焊接电路主电路的设计，详细介绍了逆变焊接电源主电路的设计及计算方法。
关键字：IGBT，晶闸管，晶体管 目录 第1章 绪论 ........................................................... 1 2.1确定主电路拓扑结构 ....................................................................................................... 2 2.2串联谐振式逆变电源稳压调节方式 ............................................................................ 2 2.3 25kW逆变电源主电路的设计 ..................................................................................... 4 2.4整流部分 .............................................................................................................................. 4 第3章 器件的选择与保护 .......................................................................... 错误！未定义书签。
3.1 整流二极管 ..................................................... 6 3.1.1整流二极管模块的选择 ...................................................................................... 6 3.1.2 整流二极管的保护设计 ..................................................................................... 6 3.2滤波电容Cd选择 .............................................................................................................. 9 3.3 斩波电路参数的选择 ...................................................................................................... 9 3.4 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的选择 .................................................................... 10 3.5 IGBT 的保护设计 .............................................. 11 第4章 高频变压器的设计 .......................................................................... 错误！未定义书签。
4.1 高频变压器主要参数 .................................................................... 错误！未定义书签 4.2变压器磁芯的选择 .......................................................................... 错误！未定义书签 4.3高频变压器一次侧、二次侧绕组匝数计算........................... 错误！未定义书签5 第5章 课程设计总结 ................................................................................................................... 16 参考文献 ............................................................................................................................................ 17 附录一 总电路图 .................................................................................................................... 18 第1章 绪论 逆变焊接电源因具有体积小、质量轻、节材、高效节能等突出优点得到广泛应用，它由主电路、保护电路、控制电路3部分组成。
主电路的核心是逆变器逆变器主要由功率电子开关和中频变压器组成IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是现在常用的功率电子开关，它是MOSFET管和GTR管集成在一块芯片上的符合器件，集合了2种管子的优点，具有容量大、开关频率高等优点，已经逐步成为大、中容量逆变器的功率电子开关管的主流 逆变器的电路拓扑结构有推挽式、全桥式、半桥式、单端正激式、单端反激式等多种形式，对于大功率你变电源，适宜采用全桥式逆变器对于大功率你变电源，适宜采用全桥式逆变器该设计的逆变电源输出电流是350A，空载电压50V，频率20kHz，功率较大，故选用IGBT全桥式结构逆变主电路由于全桥式逆变主电路，功率开关器件耐电压要求可以稍低，所以为了使开关器承受同样的耐电压和电流情况下逆变器与更大的功率输出，采用全桥式逆变主电路而且全桥式逆变电流通过串联合适的隔直电容以及严格控制电路正负半波的对称性和严格的挑选功率开关管，可达到半桥式逆变电流同样的抗不平衡能力 25kW逆变焊接整流电路主电路设计内容： 1、方案的经济技术论证 2、主电路设计 3、通过计算选择整流器件的具体型号 4、若采用整流变压器，确定变压器变比及容量。
5、触发电路设计或选择 6、绘制相关电路图 1 2.1确定主电路拓扑结构 根据负载谐振形式的不同，可以将电源逆变器分为串联谐振式逆变器和并联谐振式逆变器两种逆变结构图2-1和图2-2分别给出了两种逆变器的拓扑结构 图1-1串联谐振逆变器结构 图1-2并联谐振逆变器结构 串联谐振式逆变器的输入端并接有大电容，逆变器将直流电压变换为交流电压，因此也称为电压源型逆变器；电流型逆变器的输入端串接有大电感，形成平稳的直流电流，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出，因此也称为电流型逆变器从电路原理的角度来看，两种电路是完全对偶的 综合比较串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的优缺点，从适合高频小功率应用的角度，本设计选用串联谐振逆变器电路拓扑 2.2串联谐振式逆变电源稳压调节方式 因为电网电压波动10%，所以要通过稳压调节稳定高频变压器原流I10，从而稳定高频变压器输出电压使负载正常工作串联谐振式逆变电源的调压主要方法是直流侧调压直流调压通常采用相控整流或直流斩波来改变逆变器的输入直流电压的大小 2 （1）相控整流调压 由六只晶闸管组成三相全桥可控整流电路如图1-3所示。
图1-3相控整流电路 三相全桥可控整流电路是通过控制由6只晶闸管实现的全控整流桥的开通和关断来调节直流输出电压，采用晶闸管整流电路虽原理易懂，并且可以通过调节控制角 α，从而稳定电网电压的波动 （2）直流斩波调压 逆变电源中的直流斩波调功方式的调功原理如图1-4所示： 图1-4斩波调功方式原理框图 前端是由六只二极管组成的三相不可控整流器，输出的直流电压Ud，经过电容Cl滤波后送入由开关管T、续流二极管D、滤波电感L1组成的斩波器，调节T的占空比，逆变器得到的电压就在0～Ud之间任意的电压值本设计选用不控整流加PWM软斩波器的调压方式 3 2.3 25kW逆变电源主电路的设计 2.4整流部分 4 整流滤波最低电压为： U1min?90% U1?483 V （2.4） 电源输出功率为Pd=2kW,考虑设整流器、斩波器、逆变器的效率的都为%98，以及高频变压器的效率都为90﹪，并假设电源的功率因数为0.95，设计最大整流输 5 第3章 器件的选择与保护 3.1 整流二极管 3.1.1整流二极管模块的选择 3.1.2 整流二极管的保护设计 （1）过压保护 正常工作时，二极管能承受的最大峰值UM有一定的限度。
超过此峰值电压的就算过电压在这个流装置中，任何偶然出现的过电压均不应该超过元件的不重复峰值电压UDSM ，而任何周期性出现的过电压则应小于元件的重复峰值电压URSM这两种电压都是经常发生和不可避免的因此，在变流电路中，必须采用各种有效保护措施，以抑制各种暂态过电压，保护二极管元件不收损坏 6 因为通常用于中小功率整流器操作过电压保护时，可选择3~5kA，故压敏电阻RV1～RV3选择VJY型额定电压为1000V，5kA ②二极管的过电压保护： 整流二极管的过电压保护，通常是在二极管元件两端并联RC电路，如图所示整流二极管过电压保护电路RC的选择： ?3 电容 C?(2.5~5)?10?IF(?F) 电容耐压 UC?1.5UTN(V)，电阻R一般取R=10～30?,对于整流管取下限值其功率满足： 2?6 PR?1.75fCUm?10(W) IF ——二极管额定电流（A） Ud——整流输出额定电压(V) Um ——二极管两端电压峰值 表3-1 二极管RC保护电路参数经验值 7 R=10?，PR?1.75?50?0.02?5902?10-6?0.61W，取2W。
③直流侧过电压保护 在直流情况下： U1mA?（1.8～2.2）Ud0V 式中 Ud0───整流滤波后的直流输出电压则，U1MA?(1.8～2.2)×537V=（967～1181）V，所以压敏电阻RV4取1200v，5kA （2）过电流保护 快速熔断器选用原则： 额定电压：额定电压URN不小于正常工作电压的方均根值 额定电流：额定电流IRN应按它保护的元件实际流过的电流IR（方均根值）来选择，一般可用下列各式计算 ①交流侧过电流保护采用快速熔断器 额定电压：额定电压URN不小于正常工作电压的方均根值 额定电流：额定电流IRN应按它保护的元件实际流过的电流IR（方均根值）来选择，一般可用下列各式计算 交流侧： IRN?K2?IZ?max IRN ──熔体额定电流 IZ?max──最大整流电流 K2 ──三相桥式取0.816 所以： IRN?K2?IZMAX?K2?IdM?0.816?4.5?3.67A 故交流侧快速熔断器F0～F3选择RS3额定电压750V,考虑熔体额定电流应选4A的快速 熔器。
为限制短路电流上升率和瞬时短路电流峰值，在交流输入端串三只进线电抗（L1～L3）,数值180?H，进线电抗还能阻隔中频谐波影响交流电网 ②二极管的过电流保护： IRN?K2?IZAM?3.67， 故交流侧快速熔断器FU1～FU6选择RS3额定电压750V,熔体额定电流4A的快速熔断器 ③直流侧过电流保护采用快速熔断器 IRN?IdM=4.4A， 故直流侧快速熔断器FU7～FU8选择RS3额定电压750V,熔体额定电流10A的快速熔断器 8 3.2滤波电容Cd选择 3.3 斩波电路参数的选择 9 3.4 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的选择 10 3.5 IGBT 的保护设计 11 12 所以FU9～FU12选择RS3型额定电压1000V,熔体额定电流10A的快速熔断器 第4章 高频变压器的设计 4.1 高频变压器主要参数 高频变压器输出功率PT=Pd=2000W; 原边绕组电压幅值U1=537V； 次级输出电压U20=I10V： 开关频率f=20kHz； 额定输出电流I20=18.2A； 变压器效率??0.9 4.2变压器磁芯的选择 适用于高频的磁芯材料有铁氧体磁芯，铁粉磁芯以及非晶合金。
设计时，要查找三类磁芯的基本特性以选择合适的磁芯材料，在一般情况下都可选用铁氧体材料满足设计要求然后在根据厂家提供的磁芯材料手册(一般可在磁芯厂家网站获得) 13 14 4.3高频变压器一次侧、二次侧绕组匝数计算 15 第5章 课程设计总结 本设计中，是以温度采集及检测为总目标，以AT89C51电力电子最小应用系统为总控制中心，辅助设计有温度采样电路、A/D转换单元、LED数码管静态串行显示器等在设计过程中，遇到了许多问题，如设计初始阶段目的不明，思绪混乱，经过认真思考和老师的指导，才使自己思路明确，抓住重点，不懂就问，在很短的时间内系统有序的完成温度检测是工业过程控制中一个重要参数，了解到温度检测的重要性，使自己在设计过程中，更加有兴趣和动力，在软件设计方面，遇到了一些实际问题，不过，在老师的指导和同学的帮助下都能一一解决，使自己学到了许多新的知识从本设计的资料收集和方案论证到方案设计、修改和最后的完成，得到了老师和同学的指导和帮助，才使本设计顺利完成在此表示衷心感谢！ 电力电子开发过程是一个非常严谨，复杂，科学，周密和细致，及技术性和综合性都相当高的过程，它要求你必须具备相当扎实的专业基础和理论知识，较强的实践专业操作技能。
能以细致和科学的头脑去考察、分析和解决问题同时在设计中必须要有足够的耐心，持之以恒的毅力，坚强的意志以及实是求是，一丝不苟的精神，才能开发出理想的设计出来 16 参考文献 [1]刘凤君.逆变器用整流电源.北京：机械出版社，2003，10. [2]陈国呈.新型电力电子变换技术.北京：电力出版社，2004. [3]徐德鸿.现代电力电子器件原理与应用技术.北京：机械出版社，2008，1. [4]莫正康.电力电子应用技术.北京：机械出版社，2000，5. [5]曲学基等.电力电子整流技术及应用.北京：电子工业出版社，2008，4. [6]吴冬春等.应用于软开关逆变焊接电源的中频变压器设计.机电工程技术，2007，36（10），88-90 [7]钱金川.全桥式逆变电源主电路设计.现代焊接，2010,9,14-20 [8]杨威等.电力电子技术.重庆：重庆大学出版社，2003,7. [9]陈长江.IGBT逆变式手弧焊电源主电路的设计,武汉船舶职业技术学院船舶工程系,2000,8 [10]姚高尚等.半桥逆变电路中高频变压器的设计,电源技术应用，2007，4 [11]初中原.基于IGBT的150kHz大功率感应加热电源的研究.江南：江南大学，2008 [12]王兆安主编.电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社,2003 [13]吴雷主编.电力电子技术.基于DSP大功率中频感应焊机的研究, 2003.4 [14]吕宏主编.电力电子技术.感应加热电源的PWM-PFM控制方法, 2003.1 [15]李金刚主编..电力电子技术.基于DSP感应加热电源频率跟踪控制的实现, 2003.4 17 附录一 总电路图 18。