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1、新型软开关埋弧焊逆变器高频功率变压器设计新型软开关埋弧焊逆变器高频功率变压器设计*华南理工大学机械工程学院(510640)李阳黄石生冯桑王振民广东工业大学(510090)李远波【摘要】在分析了采用饱和电感,充分利用功率变压器励磁电感和漏感来实现零电压开关换流的新型软开关埋弧焊逆变器特点的基础上,结合实际课题对高频功率变压器进行了结构和参数设计.实践表明,该新型结构的功率变压器可以成功的在50kVA软开关埋弧焊逆变器中应用.关键词软开关埋弧焊逆变器高频功率变压器励磁电感气隙TheDesignofHighFrequencyPowerTransformerforaNovelSoftswitching
2、SubmergedArcweldingInverterAbstractBasedontheanalysisofthecharacteristicofthenovelsoft-switchingsubmergedarcweldingin_verterbyadoptingsaturableinductorandfullyutilizingthemagneticinductanceandleakageinductanceofhighfrequencypowertransformertowidensoftswitchingrange,thestructureandparametersofhighfre
3、quencypowertransformeraredesigned.Itisapprovedthatthenovelhighfrequencypowertransformercanbeappliedon50KVAsoftswitchingsubmergedarcweldinginvertersuccessfully,Keywordssoftswitchingsubmergedarcinverter,highfrequencypowertransformer,magneticinductance,airgap中图分类号-TG445文献编识码:A高频功率变压器是弧焊逆变器中的核心器件.在我们研制成
4、功的新型软开关埋弧焊逆变器中,提出了一种采用饱和电感,充分利用功率变压器励磁电感和漏感来实现埋弧焊逆变器全范围零电压开关换流的电路拓扑,在这种新型软开关埋弧焊逆变器中高频功率变压器除了要起到变压,能量传递以及一,二次侧电气隔离的功能之外,还需要参与滞后桥臂的软开关换流过程,因此,高频功率变压器的设计至关重要.1新型埋弧焊逆变器功率变压器的特点图1给出了上述新型软开关埋弧焊逆变器的主电路原理图.在功率变压器二次侧串联的饱和电感相当于开关,当通过饱和电感的伏秒数低(电流较小)的时候就处于高阻关断状态,伏秒数超过一定值之后,电感饱和,低阻导通.这样,当滞后桥臂开关管换流时,一次侧电流降至激磁电流,整
5、流二极管的导通电流为零,输出电流全部流经续流二极管VD,饱和电感LL.都处于阻断状态,此时功率励磁电感就被启用,他与漏感是串联的.由于等效串联谐振电感很大,所以可以认为一次侧电流近似保持不变,该电流继续给滞后开关管的并联电容C.和C充,放电,从而实现滞后桥臂全范围软开关.从上面的分析可知在这种新型软开关埋弧焊逆变器中,需要利用高频功率变压器的漏感配合励磁电感来实现超前和滞后桥臂的零电压软开关,因此高频功率变压器的漏感已经转变成一个积极因素.总之,在这种新型软开关埋弧焊逆变器中功率变压器的励磁电感和励磁电流,变压器漏感的大小都是极其重要的设计参数,这些参数的设计目标和设计原则与传统的弧焊逆变器是
6、完全不同的.Jc厂ll)uIJ:_弋币卜_JtVD图1新型埋弧焊逆变器主电路原理图2高频功率变压器设计2.1高频功率变压器绕组的计算在设计变压器变压比时,需要综合考虑空载电压的大小以保证获得满意的引弧成功率以及埋弧焊逆变器在最大负载工作时对电压的要求.变压比高,功率变压器的利用率高,功率开关器件流过的电流越小,逆变器短路过程中受到的电流冲击就越小.由于新型软开关埋弧焊逆变器的功率器件工作环境得到改善,开关轨迹好,频率可以提高,系统的动态?44?新技术新工艺?热加TTg技术与装备2005年第7期响应特性好;在控制系统方面,已经设计了合理的超便可以得到次级绕组的关系式:调电流以利于引弧,这些措施为
7、空载电压的适当降+U+.,低创造了条件.dmU1设高频功率变压器一次侧绕组为N匝,次级将以上参数代入公式便可以得到变压器的绕组绕组为N匝,那么根据法拉第定律,变压器一,二匝数.需要引起注意的是,在使用式(2)和式(6)的次侧绕组计算如下:时候,条件要一致.计算时,以输入电网电压下限U一KNAB,f(1)值,输出工作电压上限值以及满载电流的条件为其中,U为变压器一次侧直流母线电压(V);准.N为变压器一次侧绕组匝数;A为变压器磁芯的在本项目中,将计算得到的绕组匝数取整之后,有效导磁面积(m2);B为变压器磁心的工作磁通综合考虑绕制工艺,磁心窗口面积以及变比的关系,密度(T);f为逆变器的逆变频率
8、(Hz);K为波形系最后确定高频功率变压器的变比为71,一次侧绕数,方波取为4.组匝数定为14匝,二次侧定为2匝.r一f9,2?2高频功率变压器的气隙设计一4ABwf在高频功率变压器的设计过程中,通常都会在在磁心材料的选用方面,由于铁氧体材料具有磁芯之间人为地增加一些气隙去磁,这样做的目的电阻率高,铁损小等特点,具有很高的性价比,从使是为了避免电源开通和关断瞬间浪涌电流以及剩磁用成本,窗口面积,导磁面积以及绕线,安装方便等的危害.在新型软开关埋弧焊逆变器工作过程中,因素综合考虑,在本文项目中我们选用了西安三联由于变压器的励磁能量要参与滞后桥臂功率器件软磁性材料厂的UF96型R2KB功率铁氧体材
9、料,饱开关换流过程,而通过改变气隙可以方便的改变励和磁通密度B为510010T,初始相对导磁率,磁电感的大小.因此,必须进行合理的气隙设计,以为2500,每副磁心有效面积A为900mm,居里得到合适的励磁能量.温度T为230.为扩大有效磁心面积和窗1:1面为保证软开关埋弧焊逆变器有较宽的软开关范积,采用了4对UF96磁心配装.在实际的设计过围,励磁电感和励磁电流的选择与设计很关键,励磁程中留有余量,将有效磁心面积取为总磁心面积的电流的选择要综合考虑开关应力,损耗以及换流过0.8.在工作磁通密度的设计方面,由于新型埋弧焊程等因素,励磁电流越大,变压器一次电流也增大,逆变器采用了硬件结构和控制方法
10、双重的抗偏磁措器件损耗与应力升高.励磁电流的幅值一般施,磁芯可以得到比较充分的应用2,因此本文项目在一次侧额定电流的5以内,从而可以得到励磁中取B为0.35T.将以上参数代入公式(2),便可电感的值E:以初步确定变压器的一次侧绕组的匝数N.U啪.T图1为新型软开关埋弧焊逆变器的功率输出电4m.路.设r为二次侧回路的内阻,包括变压器一,二式中:U1为一次侧直流输入电压的最大值,T次侧绕组的内阻,输出滤波电感的内阻以及引线内为逆变周期,c为激磁电流峰值,在本文项目中,阻,.为负载上流过的最大电流.根据能量传递的初步取为3A,即c一3A.由于励磁电感是与关系,一次侧传递到二次侧的能量除了极小部分消变
11、压器磁芯和绕组结构息息相关的结构参量,采用耗在电路传输过程外,其余的都供给负载,所以有:改变磁芯气隙长度的方法,可以方便,灵活地对励磁dU,一U+U+(3)电感量进行大范围调整.励磁电感值与磁阻的关系其中,为最大占空比,一般取为0.85;Uz为为:二次侧绕组感应电压(V);Uo为埋弧焊逆变器输出r一fR,的最大工作电压(44V);U,为整流二极管正向导通压降(v);,为流过整流二极管的正向电流(A).式中,Rm为变压器磁回路的磁阻,其值大小与由于.与,差别不大,式(3)中用.近似代替磁心环路长度,有效导磁面积以及导磁率有关,可以F,便可以得到U2的表达式:衣小u一d,R一+去.max一一gP又
12、由初二次侧变压比之间的关系:其中:le为磁芯环路平均长度;A为磁芯有效rrrr导磁面积;A为气隙有效导磁面积,忽略气隙的边一Np一缘效应,A可以近似为磁芯有效导磁面积A;为新技术新工艺?热加工工艺技术与装备2005年第7期45.气隙的导磁率,其值为47f10.H/m.综合以上几个公式,便可以得到气隙长度的计算公式:T2,lga41.(一)(1O)经过计算本项目中的高频功率变压器使用的气隙长度为0.18mm.2.3高频功率变压器的结构设计在弧焊逆变器中,为了减少变压器的漏感以降低关断电压尖峰,最通常的做法就是将绕组和磁心设计成径向厚度较小的长绕组,一,二次侧绕组紧密耦合,结构紧凑.采用这些方法,
13、对减少漏感是有利的,但是绕组裸露的有效面积减少,空气流动不畅,散热状况欠佳,在大功率特别是埋弧焊逆变器功率级情况下,绕组温升和减少漏感2个方面往往很难同时兼顾.图2新型多股线并绕绕组结构变压器图3新型编铜带绕组结构变压器由前面的分析可以知道,在新型的软开关零电压逆变器中倾向于充分利用变压器的漏感以实现较大范围的软开关,这个特点为发展新型结构的功率变压器,进而改善散热环境创造了非常有利的条件.本项目设计了如图2和图3所示的新型高频功率变压器结构.图2中每匝线圈采用高强度漆包线多股并绕构成,匝与匝之间以及一,二次侧绕组之间都有一定的空间间隔,整个变压器采用环氧树脂浸泡处理,由于变压器工作在中高频率
14、,需要充分考虑集肤效应(Skineffect)的影响,采用直径为0.9mm漆包线.为解决绕线困难的问题,对图2的结构做了改进,改进的结构见图3,用薄的高强度漆包扁铜带代替多股线,既解决了绕制问题,又解决了集肤效应问题.该结构的散热面积大大增加,风道通畅,利用冷却风扇可以容易地将产生的热量带走,对改善大功率变压器的温升和功率增大问题是积极有效的.3结语理论和实践表明,新型软开关埋弧焊逆变器高频功率变压器的结构和参数设计都是正确合理的,这种新型结构的高频功率变压器对大功率弧焊逆变器是极其有益的.目前,本项目所设计的新型高频功率变压器已成功地在50kVA大功率软开关埋弧焊逆变器中应用.参考文献1王振
15、民.新型埋弧焊逆变器及其智能焊接系统的研究J-D.博士学位论文.广州:华南理工大学,2002.2黄石生,王振民,吴祥淼等.新型大功率软开关弧焊逆变器的研究.机械工程,2001,37(9):6770.3赵家瑞.逆变焊接与切割电源M.北京:机械工业出版社,1996.*国家自然科学基金资助项目(59975030)广东省自然科学基金项目(990555)责任编辑吕德龙业业;中国会展业新秀;我国规模最大,规格最高的材料展7月在青岛举办;由青岛市人民政府与中国机械工程学会主办,中国机械工程学会,青岛市经济贸易委员会,青岛海瀚会展有限公司承办的2005中国(青岛)材料科技周定于2005年7月20日23日在青岛举办.2005中国(青岛)材料科技周的主要目的是:跟踪国际新材料技术发展方向,汇集国内外材料产业新技术,新产品,促进全国特别是山东省和青岛市制造业技术提升和产业集群形成.II-i2005中国(青岛)材料科技周期间将举办中国国际新材料应用与制造技术展览会(cMF2oo5),II欢迎各界朋友积极参与.禾禾禾芥禾禾禾禾禾卡禾禾禾禾禾禾禾禾禾禾禾乔禾禾禾禾禾禾禾禾禾禾禾禾禾禾禾禾禾禾芥节禾禾禾禾禾禾?46?新技术新工艺?热加TT艺技术与装备2005年第7期睾睾謦睾睾睾睾睾謦睾睾睾睾睾