焊机主变压器的设计

耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 摘要院分析了弧焊逆变器主变压器的理想化模型和中的几个特殊问题遥对设计时必须考虑的磁心 选用尧绕组选材以及绕制进行了描述遥一般电路设计对磁性和绕组电流相互之间的电磁相互作 用研究较少袁而这对逆变器快速瞬态性能有重要影响遥给出了具体全桥弧焊逆变器的设计并进行 了详细分析遥 关键词院弧焊逆变器曰变压器曰设计 中图分类号院栽郧源猿源 文献标识码院粤 文章编号院员园园员原圆猿园猿穴圆园园苑雪园圆原园园源园原园源 第 猿苑卷 第 圆期 圆园园苑年 圆月 灾燥造援猿苑 晕燥援圆云藻遭援圆园园苑耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 周 晓袁许建平袁王凤岩 穴西南交通大学 电气工程学院袁四川 成都 远员园园猿员雪 粤灶葬造赠泽蚤泽 葬灶凿 凿藻泽蚤早灶 燥枣 皂葬蚤灶 贼则葬灶泽枣燥则皂藻则 燥枣 葬则糟 憎藻造凿蚤灶早 蚤灶增藻则贼藻则 在匀韵哉 载蚤葬燥袁载哉 允蚤葬灶鄄责蚤灶早袁宰粤晕郧 云藻灶早鄄赠葬灶 穴杂燥怎贼澡憎藻泽贼 允蚤葬燥贼燥灶早 哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠 耘造藻糟贼则蚤糟葬造 耘灶早蚤灶藻藻则 悦燥造造藻早藻熏 悦澡藻灶早凿怎 远员园园猿员袁悦澡蚤灶葬雪 粤遭泽贼则葬糟贼院栽澡藻 蚤凿藻葬造 葬则糟 憎藻造凿蚤灶早 蚤灶增藻则贼藻则鸳泽 皂葬蚤灶 贼则葬灶泽枣燥则皂藻则 葬灶凿 泽藻增藻则葬造 泽责藻糟蚤葬造 责则燥遭造藻皂 蚤灶 凿藻泽蚤早灶 责则燥糟藻泽泽 葬则藻 葬灶葬造赠泽蚤扎藻凿援粤灶凿 凿藻泽糟则蚤遭藻凿 贼澡藻 皂葬早灶藻贼蚤糟 糟燥则藻 泽藻造藻糟贼蚤燥灶 葬灶凿 憎蚤灶凿 造蚤灶藻 泽藻造藻糟贼蚤燥灶 葬灶凿 澡燥憎 贼燥 皂葬噪藻 蚤贼援栽燥 贼澡藻 早藻灶藻则葬造 糟蚤则糟怎蚤贼 凿藻泽蚤早灶 蚤贼 蚤泽 灶燥 灶藻藻凿 贼燥 则藻泽藻葬则糟澡 贼澡藻 蚤灶贼藻则葬糟贼蚤燥灶 燥枣 贼澡藻 贼则葬灶泽枣燥则皂藻则 皂葬早灶藻贼蚤糟 皂葬贼藻则蚤葬造 葬灶凿 糟燥蚤造 糟怎则则藻灶贼袁遭怎贼 蚤贼 蚤泽 增藻则赠 蚤皂责燥则贼葬灶贼 贼燥 贼澡藻 泽贼怎凿赠 燥枣 贼则葬灶泽蚤藻灶贼 糟澡葬则葬糟贼藻则 燥枣 蚤灶增藻则贼藻则援 粤灶凿 贼澡藻 凿藻贼葬蚤造 凿藻泽蚤早灶 燥枣 枣怎造造 遭则蚤凿早藻 枣燥则 葬则糟 憎藻造凿蚤灶早 蚤灶增藻则贼藻则 蚤泽 早蚤增藻灶 葬灶凿 蚤泽 葬灶葬造赠泽蚤扎藻凿援 运藻赠 憎燥则凿泽院葬则糟 憎藻造凿蚤灶早 蚤灶增藻则贼藻则曰贼则葬灶泽枣燥则皂藻则曰凿藻泽蚤早灶 收稿日期院圆园园远原园源原猿园 作者简介院周 晓穴员怨苑员要雪袁男袁湖北武汉人袁博士袁主要从事开 关电源和弧焊逆变器的研究工作遥 园 前言 弧焊逆变器中变压器的作用包括院输出电气隔 离曰变换电参数袁如变比不同袁可达到改变输入输出 电流和电压的功能曰大功率整流二次侧相移不同袁有 利于纹波系数减小尧传递能量尧测量电压和电流遥弧 焊逆变器中主变压器是整个机器的心脏遥 其中一尧 二次侧变比是一个涉及全局的重要参数遥一次侧匝 数与二次侧匝数的比值越高袁则 陨郧月栽的最大导通 电流越小袁高频变压器的利用率越高袁输出整流二 极管的耐压要求越低遥同时袁弧焊逆变器短路状态时 的电流冲击也越小遥因此袁变压器的一尧二次侧变比 应该设计成尽可能的大一些遥弧焊逆变器对输出电 压有两个要求院一是合适的空载电压遥为了保证引弧 成功率袁需要足够高的空载电压遥通常袁空载电压为 远园耀怨园 灾遥应该指出袁引弧成功率实际上主要取决于 短路电流上升速度袁该值越大袁则引弧成功率越高遥 而短路电流上升速度不仅与空载电压相关袁还与输 出电感值密切相关遥弧焊逆变器的逆变频率提高袁则 输出电感可减小遥因此袁弧焊电源引弧性能好时空载 电压可以适当降低袁以便提高变压器的变比遥弧焊逆 变器对输出电压的第二个要求是满载电压符合要 求的最大焊接规范遥例如软开关弧焊逆变器在满载 时二次侧导通比丢失最多袁同时袁电源寄生电阻导 致的压降也最严重遥对 员园 噪灾粤以上的软开关弧焊逆 变器的输出电压应优先考虑满载电压的要求袁同时 兼顾合适的空载电压遥 员 理想变压器 变压器是电工尧电子技术中常用的电气设备袁是 由两个耦合线圈绕在一个共同的心子上制成袁其中 一个线圈作为输入袁接入电源后形成一次侧回路袁另 一个线圈作为输出袁接入负载后形成二次侧回路遥理 想变压器忽略了铁心的变化过程袁近似认为变比为 一尧二次侧绕组匝数比袁即有院 怎员越晕员晕圆 怎圆越灶怎圆袁 穴员雪 弧焊逆变器主变压器特殊问题 分析与设计 40窑 窑 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com 耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 材料 月泽辕栽 磁导率 辕匀窑皂原员 居里点 栽悦辕益 电阻率 辕赘窑糟皂原员 矫顽力 匀悦辕粤窑皂原员 密度 辕早窑糟皂原猿 带材厚度 辕皂皂 适用频率 枣辕噪匀扎 铁损 材料 强度 温度 影响 适用 功率 价格 圆园益 员园园益 硅钢 铁氧体 非晶 微晶 坡莫合金 员援愿园 园援源园 员援缘远 员援圆缘 园援苑缘 员援缘园 园援圆远 员援猿缘 员援圆园 园援苑园 员 园园园 圆 园园园 愿 园园园 圆园 园园园 圆园 园园园 远园园 员园园耀员愿园 源缘园 远缘园 要 源园耀缘园 员园远耀员园员圆 员圆园耀员缘园 愿园耀员圆缘 缘远 猿园援园 远援园 源援园 员援圆 要 苑援缘远 要 苑援圆园 苑援圆缘 愿援苑缘 园援猿园 要 园援园猿 园援园猿 园援员缘 约员 跃员园园 圆园 缘园 约员园 高 低 低 低 中 最好 差 较好 较好 较好 小 中 中 中 小 大尧中 中尧小 中 大尧中 中尧小 低 低 中 中 中 表 员 各种磁心材料基本特性参数和物理性能 栽葬遭援员 月泽蚤糟 责葬则葬皂藻贼藻则 糟澡葬则葬糟贼藻则 葬灶凿 责澡赠泽蚤糟葬造 枣怎灶糟贼蚤燥灶 蚤员越原晕圆晕员 蚤圆越原 员 灶 蚤圆袁 穴圆雪 输入理想变压器的瞬时功率等于零袁它既不耗 能也不储能袁将能量由一次侧全部传输到二次侧输 出袁在传输过程中将电压尧电流按匝比作数值变换遥 理想变压器对电压尧电流按匝比变换作用还反映在 阻抗的变换上遥在正弦稳态的情况下袁当理想变压器 二次侧终端接入阻抗 在蕴时袁则变压器一次侧的输入 阻抗 在员员鸳为 在员员鸳越原 灶哉员原 员灶 蚤圆 越灶圆在蕴袁 穴猿雪 理想变压器假设了 猿个条件进行理想化院变压 器本身无损耗曰耦合因素 噪越员曰蕴员尧蕴圆和 酝均为无穷 大袁但保持 蕴员蕴圆姨 越灶不变袁灶为匝数比遥工程上为了近 似获得理想变压器的特性袁通常采用磁导率 很高 的磁性材料做变压器的心子袁而在保持匝数比不变 的情况下袁增加绕组的匝数袁并尽量紧密耦合袁使 噪 接近 员袁同时 蕴员尧蕴圆和酝很大遥 圆 逆变主变压器磁心的选择 磁性元件是现代弧焊逆变电源的重要组成部 分袁它对弧焊逆变电源的体积质量尧电气性能尧工作 效率以及运行可靠性都起到非常重要的作用遥虽然袁 磁性元件的精确设计非常困难袁在实际中也没有必 要遥了解磁性材料的一些基本特性袁掌握其设计的方 法尧和设计原则袁对我们开发和研制新型焊接 电源和其他电源是非常有必要的遥磁性元件是能量 存储尧电量隔离和转换的重要元件袁在电源设备中 处处能够遇到遥根据所处的位置和功能袁磁性元件主 要分为四大类院变压器尧电抗器尧互感器和磁放大 器遥由于磁性元件的磁性材料是非线性的袁其特性与 温度尧频率尧气隙关系密切袁参数测量困难袁在进行 磁性元件设计时涉及到的参数非常多袁如院电压尧电流尧 磁导率尧温度尧能量尧电感量尧漏感尧铜损尧铁损等袁单 就磁导率来说袁就有初始磁导率尧有效磁导率尧真空 磁导率等多种袁因此袁大多数情况下袁磁性元件都需 要进行自行设计遥应用广泛的磁性材料主要有院铁氧 体尧非晶态合金尧微晶合金尧坡类合金等遥表 员列出了 几种磁性材料的部分性能遥 单端变换变压器由于变压器磁心工作于磁滞 回线一侧袁所以不存在偏磁现象遥但在推挽和桥式变 换电路中袁由于变压器磁心工作于磁滞回线两侧袁在 开关器件饱和压降和开关时间不相同袁将会造成变 压器中正负半周期磁通的不对称袁从而引起偏磁现 象的产生遥桥式主电路中袁主开关的导通时间和通态 压降不可能完全一样袁变压器一次侧电压并非纯粹 交流电压袁其中还包括一部分直流分量遥由于变压器 一次侧绕组电阻较小袁这样在多个循环之后袁可能 造成磁心饱和遥因此抑制直流分量袁防止偏磁现象产 生成为研究全桥变换电路的一个重要课题遥根据电 容器隔直流通交流的特性袁最简单的办法是在一次 侧回路中串接一个电容器防止偏磁现象遥第二种方 法是采用电流瞬时控制技术袁如电流峰值控制法袁保 证先工作的开关管导通后的电流与后工作的开关 管导通后电流相等袁也可防止偏磁发生遥第三种是直 接检测直流分量袁在出现正穴负雪直流分量时袁减小对 应开关管的导通时间袁也可减小偏磁现象遥 主变压器铁心的磁化曲线和磁滞回线分别如 图 员尧图 圆所示遥在一个主开关工作周期内袁磁心的磁 状态从 遭 到 葬袁在关断时从 葬到 枣到 藻曰然后由 藻到 凿袁在关断时从 凿到 糟到 遭遥考虑磁心材料的各向异性 磁滞回线 藻凿段和 遭葬段不会完全对称遥根据铁磁材料 的磁畴理论袁这两段是形成磁畴的过程遥因此磁性材 料的各向异性也会引起偏磁遥而 葬枣藻段和 凿糟遭段是磁 畴分解的过程袁铁心本身成为激励源袁因此使变压 器有抗铁心偏磁的特性遥 猿 弧焊逆变器的特殊问题 弧焊逆变器的特殊性在于在主变压器一次侧 研究与设计 周 晓等院弧焊逆变器主变压器特殊问题分析与设计 第 圆期 41窑 窑 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com 耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 利用开关进行控制袁使变压器的工作状态受控遥比起 工频变压器袁主变压器的工作频率高了 源园园倍左右遥 根据磁性材料的磁畴理论袁磁心的技术磁化过程受 到了控制袁而磁滞时间减小了遥主变压器的设计关键 是磁心的选择和一次侧绕组的确定遥根据磁路理论袁 当变压器一次侧线圈加上恒定电压 哉时袁磁心磁通 线性增大遥电压和磁通的关系为 哉越晕 凿凿贼 袁 穴源雪 在通电时间 贼燥灶内袁磁通 的变化量为 驻 越 员晕 贼燥灶 园乙 哉凿贼袁 穴缘雪 同时袁为防止磁心出现饱和袁允许最大的磁通 变化量为 双向激磁 驻 皂越眼月皂原穴原月皂雪演窑杂越圆月皂杂袁 穴远雪 单向激磁 驻 皂越眼月皂原月则雪演窑杂越驻 月窑杂袁 穴苑雪 在 贼燥灶内令院驻 越驻 皂得 晕皂蚤灶越 哉窑贼燥灶圆月皂窑杂 袁 穴愿雪 或 晕皂蚤灶越 哉窑贼燥灶驻 月窑杂 袁 穴怨雪 式中 哉为变压器绕组电压曰晕为变压器一次绕组 匝数曰月皂为最大工作磁通密度曰杂悦为磁心有效截面 积曰贼燥灶为变压器上矩形脉冲电压持续时间遥 设计时考虑单位的一致性袁采用下式 晕皂蚤灶越 哉窑贼燥灶圆月皂窑杂悦窑员园圆袁 穴员园雪 式中 哉为电压穴单位院灾雪曰月皂为磁通密度穴单位院郧泽雪曰 杂悦为面积穴单位院糟皂圆雪曰贼燥灶为时间穴单位院滋 泽雪遥 根据以上分析袁一次绕组的匝数取决于磁心性 质和一次侧的伏秒面积遥对于确定的主变压器袁每匝 绕组的压降近似为一个常数袁其大小表现了磁心能 传送的功率遥伏秒面积的数值表现了一次绕组的技 术磁化性能遥对于电力变压器袁通常高压绕组和低压 绕组叠绕袁高压绕组绕制在外遥对于逆变主变压器袁 有叠绕和混合立绕等绕制方法袁考虑改善散热和具 体匝数袁通常二次绕组绕制在外以便于散热遥 源 具体设计分析 在进行主变具体设计时袁由于磁心和绕组导线 都有一定的规格袁存在着具体选用的问题遥磁心的选 择包括材料和具体尺寸袁而导线则选择单股截面积 和股数遥根据一般情况给出初始条件遥输入电源电压 为三相 猿愿园 灾 粤悦 缘园 匀扎曰一次绕组电压 哉员越缘源园 灾曰 电压 哉圆越远苑灾曰逆变频率 枣 越圆园 噪匀扎曰工作周期 栽越缘园滋 泽曰 最大脉冲宽度 贼燥灶越圆缘滋 泽曰额定焊接电流 陨圆越猿员缘 粤曰输 出功率 孕越员圆援远 噪宰曰额定负载持续率 远园豫遥 源援员 最大磁通密度的确定 月皂 根据铁损特性曲线袁确定最大磁通密度 月皂越园援源 栽袁 驻 月越圆月皂越园援愿 栽遥 源援圆 确定铁心尺寸 将以上数据代入面积乘积公式可得 杂宰杂悦越 孕伊员园圆园援缘猿伊枣伊驻 月伊允 越 员圆 远园园伊员园园园援缘猿伊圆园 园园园伊园援愿伊猿援缘 越 源园援怨圆 糟皂源袁 穴员员雪 式中 杂宰为变压器窗口面积曰杂悦为磁心截面积曰孕 为变压器视在功率曰枣为开关工作频率曰驻 月为工作磁 通密度曰允为电流密度遥 查产品目录数据袁可选韵晕蕴原员圆园伊苑园伊猿园的铁芯遥 此时铁心的有效截面积 杂悦越缘援圆缘 糟皂圆遥铁心护盒窗口 直径 凿越远苑 皂皂越远援苑 糟皂遥 窗口面积为 猿缘援圆缘 糟皂圆袁考虑到通风和绕线留出 相应空间袁取窗口利用系数 员辕猿袁则 杂宰越猿缘援圆缘 糟皂圆辕猿越 员员援苑缘 糟皂圆遥 图 员 磁化曲线 云蚤早援员 酝葬早灶藻贼蚤扎葬贼蚤燥灶 糟怎则增藻 图 圆 磁滞回线 云蚤早援圆 皂葬早灶藻贼蚤糟 澡赠泽贼藻则藻泽蚤泽 糟怎则增藻 研究与设计 第 猿苑卷 42窑 窑 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com 耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 实际的 杂宰杂悦值大于计算出的值袁因此这个铁心 是适用的遥 源援猿 一尧二次侧绕组匝数确定 变压器结构如图 猿所示遥将有关数据代入设计 公式袁可得 图 猿 主变压器 云蚤早援猿 酝葬蚤灶 贼则葬灶泽枣燥则皂藻则 晕员越 哉员窑贼燥灶圆月皂窑杂悦 伊员园圆越 缘源园窑圆缘圆窑源园 园园窑缘援圆缘 伊员园圆越猿圆援员源袁 穴员圆雪 取整数 员远匝遥此时袁变压器的工作磁感应强度 月皂越园援源 栽遥 变压器变比 运越 缘源园远苑 抑愿袁 穴员猿雪 则二次侧匝数 晕圆为 晕圆越晕员运 越 猿圆愿 越源匝袁 穴员源雪 实际二次电压为 哉圆越晕员运 越 缘源园愿 越远苑援缘 灾袁 穴员缘雪 源援源 导线线径计算 二次回路额定电流为 猿员缘粤袁负载持续率为 远园豫遥 由此可求出持续率为 员园园豫时的连续电流 陨圆越 远园豫员园园豫姨 窑猿员缘越圆源源 粤袁 穴员远雪 折算到变压器一次的电流为 陨员越 陨圆运 越 圆源源愿 越猿园援缘 粤袁 穴员苑雪 电流密度取 猿援缘 粤辕皂皂圆袁 则一次侧绕组导线截 面积为 杂员越 陨员允 越 猿园援缘猿援缘 越愿援苑苑 皂皂圆袁 穴员苑雪 工作频率 圆园 噪匀扎袁温度 员园园 益时袁高频电流最 大穿透深度 驻 越园援缘猿 皂皂袁导线最大直径应小于 圆驻 遥 因此可选择 渍 员援园以下漆包线遥取椎 园援缘员漆包线多 股并行绕制袁单股截面积为院 员源 仔 阅圆越 员源 窑猿援员源窑园援缘员圆越园援圆园源 皂皂圆袁 穴员怨雪 导线股数为 愿援苑园援圆园源 越源圆援愿怨袁取 源猿股遥 二次侧绕组上下各流过一半袁即 圆源源圆 越员圆圆 粤遥 二次侧绕组导线截面积为 杂圆越 陨圆允 越 员圆圆猿援缘 越猿缘 皂皂圆袁 穴圆园雪 导线股数为 员苑园股遥一尧二次侧绕组采用叠绕袁一次 侧绕组在内二次侧绕组在外袁分成两个线包袁据此 确定线长遥空载电压和负载电压的转变可以通过反 馈电路实现遥而在磁饱和焊接电源中袁由于电路不可 控袁原副边绕组必须分开绕成两个分离的线包以满 足实际工作条件遥 缘 结论 分析了逆变主变压器设计的方法曰铁心材料尧 绕组的选择尧设计袁磁性材料的均匀性和各向异性 和一尧二次侧电路的直流分量对偏磁和抗偏磁有重 要影响曰变压器绕组的绕制方法及其在铁心上的分 布对原副边绕组的耦合有直接影响曰工程设计中袁 原副边变比用匝数比代替袁而实际上变比要小于匝 数比遥 参考文献院 眼员演 邱关源援电路眼酝演援北京院高等教育出版社袁员怨怨怨援 眼圆演 徐德淦援电机学眼酝演援北京院机械工业出版社袁圆园园源援 眼猿演 宛德福援磁性物理眼酝演援北京院电子工业出版社袁员怨愿苑援 眼源演 冯慈璋援电磁场眼酝演援北京院高等教育出版社袁员怨怨远援 研究与设计 周 晓等院弧焊逆变器主变压器特殊问题分析与设计 第 圆期 国标委下达三项电焊机制修订计划 国家标准化管理委员会 圆园园远年 员员月下达了 圆园园远年第二批制修订国家标准项目计划袁其中电焊机行业有三项国家 标准制修订任务袁详细情况见下表遥 序号 标准编号 标准名称 标准性质 被修订标准号 采用的国际标准号 完成年限 员 圆园园远愿缘猿远原匝原远园源 弧焊设备 第 员园部分院电磁兼容性 穴酝耘悦雪要求 强制 要 陨耘悦远园怨苑源原员园院圆园园源 圆园园愿 圆 圆园园远愿缘猿苑原匝原远园源 电阻焊机的安全要求 强制 郧月员缘缘苑愿原员怨怨缘 要 圆园园苑 猿 圆园园远愿缘猿愿原匝原远园源 弧焊设备 第 远部分院限制负载手工 金属弧焊电源 强制 要 陨耘悦远园怨苑源原员园院圆园园猿 圆园园苑 43窑 窑 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com