弧焊电源设计论文.doc
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1、目录1 绪论12 主电路的设计32.1 主电路的选择32.2 变压器的选择72.2.1 变压器的设计72.2.2 初步确定变压器的主要尺寸82.2.3 计算一、二次绕组82.2.4 确定铁芯尺寸102.2.5 铁心的最后计算112.2.6 绕组质量及铜铁质量比计算122.3 晶闸管的选择122.3.1 晶闸管的额定电压132.2.2 晶闸管的额定电流132.2.3 通态平均电压142.4 直流电抗器的选择142.4.1 设计步骤152.4.2 直流电抗器的计算163 移相触发电路及零部件173.1 对触发脉冲的要求173.2 触发电路的选择183.3 二极管的选择19附录A21附录B22附录C
2、23参考文献241 绪论整流电路技术在工业生产上应用极广。如调压调速直流电源、电解及电镀的直流电源等。整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20 世纪70 年代以后,主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间,用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电,网与整流电路之间的电隔离(可减小电网与电路间的电干扰和故障影响)。整流电路
3、的种类有很多,有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。整流器的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对电源电压大小的要求,或者为了提高可控整流装置的功率因数,一般可在输入端加接整流变压器,把一次电压U1,变成二次电压U2。由晶闸管等组成的全控整流主电路,其输出端的负载,我们研究是电阻性负载、电阻电感负载(如直流电动机的励磁绕组,滑差电动机的电枢线圈等)。以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。为此,只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚,就能改变晶闸管在
4、交流电压U2 一周期内导通的时间,这样负载上直流平均值就可以得到控制。晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称,又被称为可控硅整流器(Silicon Controlled RectifiedSCR),以前简称可控硅。在电力二极管开始应用后不久,1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管,1957年美国通用电气公司开发出世界上第一支晶闸管,从此揭开了电力电子技术发展和应用的序幕。由于晶闸管容量大、耐压高、功耗小,具有良好的可控性,很适合制作弧焊电源,因此在20世纪60年代初期,便出现了以晶闸管为整流元件的弧焊电源晶闸管式弧焊整流器。它采用小功率信号改变晶闸管的导通角来实现对弧焊电源外特性的控制以
5、及焊接参数的调节。目前在各种弧焊电源中,晶闸管式弧焊整流器的应用较为广泛。一般晶闸管式弧焊整流器由主电路、维弧电路、控制电路组成。主电路由三相主变压器T、晶闸管组V和输出直流电感L组成。二极管组VD和限流电阻R构成维弧电路。控制电路由给定电路G、检测电路M、比较电路和触发电路组成。大功率晶闸管组V受控于触发电路。触发脉冲的移相可以改变晶闸管导通角的大小,晶闸管导通角大,则焊接电流(电压)也大;反之亦然。晶闸管式弧焊整流器外特性控制是借助于电流、电压反馈信号,当需要获得下降外特性时,触发脉冲的相位由给定电压和电流反馈信号经比较后得到的控制信号确定;当需要获得平外特性时,触发脉冲的相位由给定电压和
6、电压反馈信号确定;当需要获得任意外特性时,触发脉冲的相位由电压、电流反馈信号的比例确定,改变这个比例,就可以得到任意外特性。2 主电路的设计2.1 主电路的选择晶闸管式弧焊整流器主电路主要有三种:三相桥式半控电路、三相桥式全控电路以及带平衡电抗器双反星形电路。按任务要求此处选择三相桥式半控电路。三相桥式半控整流电路的负载一般分为两种:电阻性负载、电阻电感性负载。电阻性负载时,当晶闸管导通角时,输出电压、电流波形在一个周期只有三个波峰。脉动较大,甚至还会出现不连续,因此在弧焊中是不适用的。电阻电感性负载时,整流电路由三个晶闸管、和三个二极管、组成,为负载,T为变压器,L为输出电抗器。令L的电感值
7、足够大,则当为零出现间断时,负载电流的减小产生自感电势,其正负极性如图2.1所示,它可以维持电流不致中止。若L值越大,则的波形波动愈小。但L值过大常会导致晶闸管失控甚至损坏。为避免上述问题的产生,应在负载两端接上续流管。因此,当整流电压间断时,由L、和构成回路续流,即使不中止,又能使晶闸管按时关断。于是加续流管后,整流器输出的电压波形与电阻性负载的相同。图2.1 带电阻电感负载的三相桥式半控整流电路图 当晶闸管控制角=0时波形分析如图2.2所示。分别在自然换向点wt1、wt3、wt5,触发三只晶闸管,使其轮流导通。而二级管则在自然换向点wt2、wt4、wt6处自然换向。例如,在wt1由ug1触
8、发晶闸管V1,则它与阴极电位最负的两级管VD6一起导通,将线电压uab加到负载两端。过了wt2,变成VD2比VD6的阴极电位更低(即ucua,使晶闸管V1承受反向阳极电压而关断,于是由晶闸管V3替换V1与二极管VD2串联导通,负载Rf两端电压是ubc。依此类推,各管的导电顺序以及Rf两端电压和电流波形如图2.2所示。此时整流电路的工作情况和负载上的电压电流波形,与不可控整流电路相同,称为全导通状态,每周内有六个波峰,每只晶闸管导通角120,整流电压平均值最大,其值为2.34U2,U2是变压器二次相电压的有效值。图2.2 =0三相桥式半控整流电路电阻负载波形a) 相电压 b)负载电压 c)触发电
9、压 d)管子导通顺序当=30时,如图2.3所示,wt1时刻V1管触发导通,电源电压Uab通过V1和VD6加于负载R1两端。在wt2时,共阳极组整流二极管VD2与VD6自然换向,所以在wt2之后,VD2导通,电源电压Uac通过V1、VD2加于负载,一直到wt3时刻,V3管导通后使V1承受反压而关断,电路转换为V3与VD2导通。Rf两端电压为Ubc.依此类推从输出电压波形看每个周期有六次脉动,且脉动是不均匀的,如图2.3所示。图2.3 =30三相桥式半控整流电路电阻负载波形a) 相电压 b)负载电压 c)触发电压 d)管子导通顺序 当控制角=60时,即在滞后于自然换向点60处触发晶闸管得到的负载波
10、形如图2.4所示。其特点是,在触发晶闸管时正值二极管的自然换向点,因而晶闸管与二极管同时换向。例如,在wt1处Ug1触发V1,这时正是c与b相二极管的换向点,故V1与VD2同时导通,ud=uac,直至过了120,在wt3处uac=0,V1关断,但同时ug3 触发V3,VD2与VD4换相改为由V3与VD4导通,ud=ubc.如此类推,可得到图2.4所示波形。由该图可以看出,=60是该电路整流正压、电流波形连续的临界点。若继续增大,则由于某一线电压为0时,前一晶闸管已经关断,而后一晶闸管尚未受到触发不能导通。直至下一触发电压到来时又继续接通整流电路,这随着就使ud、id波形出现间断。随着的增大,只
11、要将图2.4中的垂线部分往右移,即得到不同时的ud、id波形。可以导出负载电压平均值Ud与控制角的关系如下:Ud=2.34U2。式中U2是变压器二次相电压有效值。当=0即全导通时,Ud=2.34U2。随着的增大,即Ud减小。=180时,Ud=0,即输出负载短路。角是从换向点开始算起,如图2.4所示,可见触发电压移向范围为30150,即这种整流电路从空载到短路要求触发电压移相范围为120图2.4 =60三项桥式半控整流电路电阻负载波形a) 相电压 b)负载电压 c)触发电压 d)管子导通顺序2.2 变压器的选择2.2.1 变压器的设计1、设计三相变压器的基本参数:输出直流空载电压:Ud0=70V
12、。额定输出直流电流:Ide=380A。额定负载持续率:FSe=60。相数:m=3。整流器形式为三相桥式半控整流电路。一次线电压:Ull=380V。绕组接法:Y/型。冷却方式:强迫风冷。2、计算变压器容量、相电压及相电流1)直流输出功率Pd Pd= Ud0Ide10-3=70V380A10-3=26.6kw (2.1)2)直流输出长期功率Pde Pde= Pd=26.6KW20.6KW (2.2)3)变压器输入长期功率(计算容量)PBC PBC=KBPde=1.0520.6KW21.63KW (2.3)4)变压器一次相电压U1,对于Y/接法为 U1 = Ull /=380V/220V (2.4)
13、5)变压器一次长期相电流I1c I1c =1.1=1.132.8A (2.5)式中1.1考虑励磁电流影响的系数。6)变压器二次线电流I2l I2l=KIIde=0.816380A310A (2.6)7)变压器二次长期线电流I2lc I2lc=I2l240A (2.7)8)变压器二次长期相电流I2c,对于Y/型接法 I2c=I2lc=240=139A (2.8)9)变压器二次线电压U2l U2l=KuUdo=0.7470=51.8V52V (2.9)式中 Ku-直流电压换算为交流电压的系数,对于型接法,Ku=0.7410)变压器二次相电压U2,对于Y/型接法 U2=U2l=52V (2.10)2
14、.2.2 初步确定变压器的主要尺寸选择铁心材料及确定磁通密度Bm,铁心选用D41-0.5热轧硅钢片,取Bm=0.8T。计算变压器铁心的截面积SFe。铁心截面积SFe可按经验公式计算: SFe=100.7cm2 (2.11)式中 SFe-铁心截面积(cm2) PBC-长期三相总功率(KW) Bm-磁通密度(T)(2030)系数-当希望省铜时,可用30;希望省铁时,可用20。2.2.3 计算一、二次绕组1)计算每伏电压匝数N0(匝/V) N0=45/BmSFe=45/0.8100.70.56匝/V (2.12)式中 Bm-铁心中最大的磁通密度(T) SFe-铁心截面积(cm2)2)计算一、二次绕组
15、匝数N1、N2 N1=U1N0=2200.56=123.2匝124匝 (2.13) N2=U2N0(1+5%)=520.56(1+5%)=30.5匝31匝 (2.14)3)确定导线截面积S1、S2,取电流密度j=4A/mm2 =0.565=8.2mm2 (2.15) =0.565=34.75mm2 (2.16)式中 KZ-与导线电流密度有关的计算系数0.565 S1、S2-一次和二次绕组导线的截面积(mm)表2.1 许用电流密度j 变压器容量许用电流密度 j/Amm-2绝缘等级,冷却方式10100PB/VA1001000PB/VA110PB/kVA10100PB/kVA100IB/kVAA级(
16、自冷)A级(风冷)A级(油冷)53.5-3.5264-2.41.853-32434.5321.332.55.54.5B级(自冷)B级(风冷)B级(油冷)64-42.575-2.82.05.53.5-2.61.84.53.553.521.63.5365表2.2 计算系数KZ的取值表载流密度2 A/mm22.5 A/mm23.2 A/mm24 A/mm24.5 A/mm2KZ0.7990.7150.6520.5650.533由此查阅JB1174-74选择一次绕组导线为聚酯漆包扁铜线24.5/QZB,二次绕组导线为聚酯漆包扁铜线3.5510/QZB。一次导线有效面积 S1=a1b1-0.858r12
17、=24.5-0.8580.652=8.63 (2.17)二次导线有效面积 S2=a2b2-0.858r22=3.5510-0.8580.82=34.8 (2.18)校核电流密度 J1=I1c/ S1=32.88.63=3.8 A/mm2 (2.19) J2=I2c/ S2=13934.8=3.99A/mm2 (2.20)2.2.4 确定铁芯尺寸1、排列导线,绕组形式采用并式绕组2、考虑到导线绝缘层厚度,根据所选导线的材质与型号查表知一次侧导线绝缘层厚度2取0.360.5,2取0.37;二次侧导线绝缘层厚度2取0.430.58,2取0.52。3、并式绕组的宽度尺寸一次绕组共8并,每并16匝,其径
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