基于逆變技術(shù)的200 A弧焊電源變壓器設(shè)計*

常云龍， 張恒洋， 孫偉強， 劉 丹， 吳 弘，2

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 河北工程大學(xué) 機械與裝備工程學(xué)院， 河北 邯鄲 056000)

隨著自動化控制技術(shù)和電子技術(shù)的飛速進步，焊接電源不斷地進行更新?lián)Q代.在焊接過程中由于具有高效節(jié)能、易于實現(xiàn)的實時控制等優(yōu)勢，焊接電源已經(jīng)成為弧焊電源的發(fā)展主流，并以高效節(jié)能、體型輕小的優(yōu)點受到了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視與用戶的高度認(rèn)可[1-2].逆變弧焊電源可將工頻交流電進行整流濾波并輸出直流電，再將直流電逆變?yōu)橹懈哳l交流電，之后以焊接變壓器為媒介，將中高頻交流電耦合到輸出整流電路，從而實現(xiàn)直流焊接功能[3-4].對于國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域而言，發(fā)展逆變式電源可以有效推進節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，因而對弧焊逆變電源的研究與改進具有重大意義.由于中頻變壓器在弧焊電源中直接和相對易損的功率開關(guān)器件相連接，同時又在相對較高的輸入電壓條件下運行，因此，中頻變壓器性能的高低將直接影響整個電源的工作性能，以及其自身的發(fā)熱和效率，甚至?xí)绊懝β书_關(guān)器件的正常運行.

目前有關(guān)逆變弧焊電源的研究較多.崔愛玲[5]對弧焊逆變電源的數(shù)字化控制技術(shù)進行了細(xì)致分析并對其進行了較深入的研究，將DSP芯片用作控制系統(tǒng)的核心部分，在熔化極及其保護焊接電源系統(tǒng)的控制中使用數(shù)字信號處理器，從而得到數(shù)字化焊接電源.路廣[6]針對MIG/MAG焊接技術(shù)，研制出數(shù)字化IGBT逆變脈沖焊接電源，并獲得了相關(guān)的實驗數(shù)據(jù).

弧焊變壓器與普通變壓器相比，因技術(shù)要求不同，二者結(jié)構(gòu)也有所不同.在滿足焊接的相關(guān)工藝要求和獲得陡降外特性的前提下，弧焊變壓器普遍有兩種形式：一種是增加變壓器本身的漏 抗；另一種是在弧焊變壓器的二次繞組中串聯(lián)電抗器[7].

1 逆變弧焊電源電路原理

圖1為逆變弧焊電源的原理圖.逆變弧焊電源主要由主電路和控制電路兩部分組成.主電路將從電網(wǎng)獲得的電能傳輸?shù)截?fù)載電路，其功能是進行交流電和直流電之間的轉(zhuǎn)換，可以有效改變變壓器的體積和弧焊電源的動態(tài)特性.控制電路的主要作用是為主電路提供開關(guān)脈沖信號，從而保證主電路的正常穩(wěn)定運行，并借助反饋系統(tǒng)對弧焊逆變器進行實時閉環(huán)控制.

圖1 逆變弧焊電源的原理圖Fig.1 Principle diagram of inverter arc welding power

逆變弧焊電源的主電路主要包括輸入整流濾波電路、逆變電路、變壓器、輸出整流濾波電路等幾個重要組成部分[8].總體逆變形式為AC→DC→AC→DC.在前端連接濾波器是為了保證輸入直流電較為平滑.逆變弧焊電源的主電路圖如圖2所示.

圖2 逆變弧焊電源的主電路圖Fig.2 Main circuit diagram of inverterarc welding power

圖3為逆變弧焊電源的電路結(jié)構(gòu)示意圖.作為弧焊逆變器核心器件，中頻變壓器在弧焊逆變電源工作過程中的主要作用是傳遞中頻矩形交替脈沖，從而完成電壓變換、功率傳遞與電氣隔離.由圖3可見，逆變弧焊電源主電路的工作原理為：經(jīng)過單相橋式整流后，將單相220 V電壓輸出為帶紋波的直流電壓，再經(jīng)由電解電容Cl和C2組成的濾波電路進行濾波后得到310 V直流電壓.

2 變壓器鐵芯選取

鐵芯和繞組是中頻變壓器兩大重要組成部分，直接影響變壓器的升壓或降壓、功率傳輸，以及輸入與輸出分隔.鐵芯材料的選取至關(guān)重要，好的鐵芯材料可以有效減小漏抗并增加飽和磁通密度.由于逆變弧焊電源主要以IGBT為主開關(guān)器件，且頻率一般介于20～30 Hz，而中頻變壓器的工作頻率一般大于20 kHz[9].如果選用薄硅鋼片作為鐵芯材料，在保證較低渦流耗損的前提下，鋼片厚度將很小，從而會增大鋼片的制作難度.目前鐵氧體、非晶與微晶態(tài)合金材料已經(jīng)成為逆變弧焊電源普遍選用的鐵芯材料，表1為不同鐵芯材料的主要電磁性能.

由于鐵氧體具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他金屬材料的電阻率，因而能夠有效減少渦流現(xiàn)象的出現(xiàn).鐵氧體高頻消耗很小，原料成本低廉，但是由于飽和磁通密度過小，為了滿足要求，變壓器的鐵芯結(jié)構(gòu)尺寸必然增加，從而導(dǎo)致耦合系數(shù)值增大.由于大尺寸鐵芯制作困難，熱穩(wěn)定性較差，且居里溫度一般處于100～180 ℃之間，而由壓鑄而成的鐵氧體不但易脆且強度較低，因此，鐵氧體鐵芯材料并不適用于高頻大功率逆變電源，而多適用于小功率逆變電源.

作為近20年迅速崛起的新型材料，非晶態(tài)合金具有能耗低、渦流阻礙力強、矯頑力小、易磁化、電阻率大、溫度系數(shù)小、磁感應(yīng)強度高等優(yōu)點.但由于在20 kHz工作頻率條件下，非晶態(tài)鐵芯的有效磁導(dǎo)率過低，從而使其發(fā)展遇到了阻礙.

微晶合金是一種鑄造合金材料，其晶粒可細(xì)化至微米級別.微晶合金由鐵、硅、硼以及少量銅、鉬、鈮等元素組成.因微晶態(tài)合金具有綜合磁性能良好的優(yōu)勢，使其成為市場上大部分軟磁材料的替代品.目前微晶合金在電力電子行業(yè)中得到普遍應(yīng)用，廣泛用于制備飽和電抗器、高頻變壓等器件的鐵芯.

圖3 逆變弧焊電源的電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of circuit structure of inverter arc welding power

材料飽和磁通密度/T25℃100℃初始磁導(dǎo)率(H·m-1)電阻率(μΩ·cm)工作頻率kHz居里溫度℃鐵氧體0.400.260.3106～1012500100～180非晶態(tài)合金1.501.351.113020415微晶態(tài)合金1.251.201.012550650

變壓器鐵芯材料應(yīng)從鐵芯的工作環(huán)境、傳輸效率、以及對能耗、體積大小、經(jīng)濟性、使用性能等方面進行全面分析與選取.由于逆變器往往在環(huán)境溫度低、工作頻率高的情況下工作，因此，鐵芯材料大多選用非晶材料和鐵氧體這兩種材料.

當(dāng)進行變壓器設(shè)計時，需要注意避免鐵芯飽和現(xiàn)象的發(fā)生，還要調(diào)控工作磁通密度，從而保證變壓器體積不至于過大.同時，由于變壓器與高壓開關(guān)器件相連接，在其運轉(zhuǎn)時可能因為鐵芯在幾個周期內(nèi)的瞬間飽和而使開關(guān)器件破損.可以通過減小起動脈沖來避免瞬間飽和現(xiàn)象的發(fā)生，較普遍的方法是選用小于有效飽和磁通密度的磁通密度，雖然這樣會導(dǎo)致變壓器體積增大，但勵磁電流的減小和鐵芯的消耗會提高變壓器的工作效率，從而對溫升的降低十分有利.目前鐵氧體鐵芯已逐漸被其他新型材料所代替.鐵氧體鐵芯雖然容易加工，電阻率偏高，但其有效飽和磁通密度較小，不便于生產(chǎn)制造，僅適用于制造中小功率的脈沖變壓器.與鐵氧體相比，非晶材料的飽和磁通密度和導(dǎo)磁率較高，且損耗較小.因此，在制作高功率和高頻率的逆變器中多采用非晶材料.本文選用微晶合金作為鐵芯材料.

3 變壓器鐵芯設(shè)計

作為重要的電力設(shè)備，變壓器的穩(wěn)定運行是電力系統(tǒng)安全運行的重要前提，變壓器在運行過程中出現(xiàn)的故障大部分是由繞組變形導(dǎo)致的[10-11].在滿足一定大小的勵磁電流(鐵芯不發(fā)生飽和現(xiàn)象)和溫升的前提下，盡可能地減小鐵芯體積和匝數(shù)，提高逆變器的性能為變壓器的主要設(shè)計原則.因此，設(shè)計弧焊電源變壓器的主要環(huán)節(jié)就在于確定微晶合金鐵芯的型號、大小，以及各個副繞組的匝數(shù)與導(dǎo)線的尺寸和類型.

變壓器鐵芯尺寸可由面積乘積法來確定，其計算公式為

P=0.005 3fSWSCΔBJ

(1)

式中：f為工作頻率；SW為鐵芯窗口面積；SC為鐵芯有效截面積；P為變壓器額定輸出功率；ΔB為磁感變化值；J為電流密度，且具體數(shù)值由發(fā)熱量、散熱環(huán)境和絕緣程度三者共同決定.

在50 kHz工作頻率下，本文取磁感變化值為0.8 T，有效飽和磁通密度為1.2 T，窗口利用系數(shù)為1/3，電流密度為3 A/mm2.由于需要預(yù)留出適當(dāng)?shù)目障兑员銤M足通風(fēng)和繞線的要求，故窗口利用系數(shù)選用1/3是合理的.已知輸出電流為200 A，經(jīng)計算負(fù)載電壓為28 V，輸出功率為5.6 kW.考慮到實際工作情況，輸出功率應(yīng)稍高于計算值，本文取其數(shù)值為7.2 kW.由式(1)可以計算得到鐵芯尺寸，即SW與SC的乘積為11.32 cm4.

表2為不同規(guī)格鐵基納米晶鐵芯的相關(guān)參數(shù).若選擇規(guī)格為ONL_704025的鐵芯，保護盒窗口內(nèi)徑尺寸d為37 mm，鐵芯有效截面積SC為2.63 cm2，則窗口面積為πd2/4=10.75 cm2.由于窗口利用系數(shù)取1/3，則鐵芯窗口面積SW=3.58 cm2，因而鐵芯尺寸SWSC=9.42 cm4>11.32 cm4，故規(guī)格為ONL_704025的產(chǎn)品不符合技術(shù)要求.若選擇規(guī)格為ONL_805025的鐵芯，保護盒窗口內(nèi)徑尺寸為44 mm，鐵芯有效截面積為2.63 cm2，則經(jīng)計算可得窗口面積為15.21 cm2，鐵芯窗口面積為5.07 cm2，因此，鐵芯尺寸為13.34 cm4且大于11.32 cm4，故ONL_805025規(guī)格的鐵芯滿足技術(shù)要求.同理可得，規(guī)格為ONL_120070025與ONL_120070030的鐵芯均滿足技術(shù)要求.

表2 不同規(guī)格鐵基納米晶鐵芯的相關(guān)參數(shù)Tab.2 Related parameters for iron based nanocrystalline cores with different specifications

4 變壓器原、副邊電壓計算

4.1 變壓器原邊電壓

理論而言，變壓器的原邊電壓幅值與整流輸出電壓值相等，而電壓通過整流濾波輸出后，可按電網(wǎng)輸入峰值電壓進行計算.中頻變壓器輸入峰值電壓表達式為

(2)

式中，U0為額定電壓.

4.2 變壓器副邊電壓

逆變手工電弧焊中電壓與電流關(guān)系為Uf=20+0.04I.由于額定電流I為200 A，則負(fù)載電壓Uf=28 V.同時考慮到整流二極管電壓和銅線的壓降情況，分別取其壓降數(shù)值為1.35和2 V，從而可以得出變壓器副邊電壓數(shù)值U2=(28+1.35)×2+2=59.7 V.

5 變壓器線圈匝數(shù)計算

5.1 原邊線圈匝數(shù)

由于中頻變壓器變換的是交流方波，通常按正弦波計算變壓器繞組的公式已不適用，故變壓器的一次側(cè)繞組匝數(shù)可由電磁感應(yīng)定律來計算，具體計算表達式為

(3)

式中，ton為脈沖寬度.

假設(shè)在50 kHz工作頻率下選用的波形占空比為0.4，則脈沖寬度ton=(1/f)×0.4=8 μs，代入式(4)可得N1=11.83匝.如果匝數(shù)值過小，會導(dǎo)致側(cè)電壓下降，為了保證變壓器的輸出功率不變，必然需要增大電流，從而導(dǎo)致線圈發(fā)熱并可能超出其原有設(shè)計范圍，因此，本文取N1為12匝.

5.2 副邊線圈匝數(shù)

由于變壓器匝數(shù)會對電壓產(chǎn)生直接影響，根據(jù)二者滿足正比例關(guān)系這個特點，可以得到二次側(cè)繞組匝數(shù)計算表達式為

(4)

經(jīng)計算可得N2計算值為2.3.由于副邊線圈匝數(shù)必為整數(shù)，否則需取相近整數(shù)，然后適當(dāng)修正N1值.本文取N2為3匝，則變壓器的變壓比n=N1/N2=4.

5.3 繞組導(dǎo)線直徑

變壓器各繞組導(dǎo)線的截面積計算表達式為

S=I/J

(5)

經(jīng)計算可得I1、I2數(shù)值分別為23.15和120.6 A.代入式(5)可知，變壓器繞組導(dǎo)線的截面積S1與S1分別為7.72和40.2 mm2.

因受到趨膚效應(yīng)作用，無法僅僅根據(jù)電流密度和有效值的方法來計算繞組導(dǎo)線線徑，而應(yīng)先求出其穿透深度，且原、副邊繞組導(dǎo)線線徑的選擇需要遵循小于二倍穿透深度的原則.根據(jù)導(dǎo)線要求的截面與由穿透深度決定的最大有效直徑的關(guān)系決定繞組方法，當(dāng)導(dǎo)線要求的截面大于最大有效直徑時，應(yīng)選用小直徑多股導(dǎo)線并繞方式.用于副邊線圈的銅帶應(yīng)寬且扁，且厚度不能超過穿透深度的兩倍，繞組根數(shù)可由流過的最大電流來確定.

鐵芯窗口利用系數(shù)的校核計算表達式為

(6)

由上式得出窗口利用系數(shù)K=0.42>1/3，因此，本文設(shè)計是合理的.

6 結(jié) 論

基于逆變技術(shù)設(shè)計了200 A中頻弧焊電源變壓器，通過討論逆變弧焊電源變壓器的結(jié)構(gòu)和工作特點，結(jié)合弧焊電源的工作原理，詳細(xì)介紹了弧焊變壓器的設(shè)計方法.通過實驗分析得到以下結(jié)論：

1) 200 A逆變弧焊電源變壓器結(jié)構(gòu)簡單可靠，運行良好，能夠穩(wěn)定輸出額定電流200 A.逆變弧焊電源變壓器既不消耗實際元器件，又不限制所需元器件的種類和數(shù)量，實驗成本較低而效率較高.

2) 在繞組導(dǎo)線線徑設(shè)計完成后，需要進行窗口效驗，從而盡可能使得兩次繞組緊密藕合，以達到減小漏磁的目的.