逆变电焊机用电抗的设计

王 志

。。。。

　逆变电焊机对输入电抗的要求不是很高,但对输出电抗的要求很高。众所周知,电焊机的输出电流很大,且经常处于短路状态,如果输出电抗设计不合理,则逆变器的开关器件受损的可能性很大。

一、对输出电抗的基本要求

确保工作在线性区
可抗击短路的冲击
重量轻,体积小,损耗小

二、电感量的大小

输出电抗的电感量取决于能否抗击短路的冲击,能否抑制短路输出电流的上升率。
Ui - Uo = L (dI/dt)

电抗工作在线性区,则Ui - Uo = L (ΔI/Δt)

其中,Vi为电焊机的空载输出电压。ΔI取电焊机的最大输出电流。短路状态下,输出电压Uo = 0, Δt = tON, tON为最大脉宽,则有

L = Ui.tON/ΔI ,

一般而言,电感量取L值的2~5倍左右,太大也不好。

三、计算电抗的匝数

以前很多的资料总要先假设电抗的气隙lg,然后计算匝数N,再核算Bm是否OK,不行再调整气隙。
下面给出的公式不用顾及气隙lg,计算出的匝数N直接一次搞定。不用核算Bm是否OK。事先要预选一定尺寸的磁芯,凭经验测算其窗口面积要能放得下N匝线圈。

N = L.IMAX.F/(Bm.Ae)

式中,L,电感量

IMAX,电焊机最大输出电流 F,气隙边缘效应,对于大电流电抗,取值很难计算,可凭经验估算

Bm,磁芯的工作磁感应强度

Ae,磁芯的磁路面积。

四、气隙的大小

气隙的主要作用是让电抗工作在线性区,防止磁芯饱和。磁芯出现饱和后,高频变压器会出现尖叫声,易导致开关器件受损。在确定电抗线圈的匝数N后,磁芯的气隙

lg = μo.N.IMAX/Bm
式中,μo ,空气磁导率

五、电抗磁芯的选择

一般情况下,二次整流器都采用全波整流,通过电抗磁芯的交流成分的频率fs取决于逆变器的拓朴结构和工作频率fn,对于单端正反激逆变电路,fs=fn,对于其它电路,fs=2fn。而fn则由开关器件的性能决定,对于功率MOSFET器件,fn可达到50kHz以上,对于IGBT器件,fn取20~25kHz。
如果fs<50 kHz,为降低重量、体积,磁芯可选用硅钢片铁芯,Bm取1.2T左右。如果fs≥50 kHz,为降低铁损,磁芯可选用铁氧体(Bm取0.4T)或非晶合金(Bm取0.8T)。

六、输出电容

电焊机的输出与普通电源不同,它要承受大电流的冲击,但对精度等其它参数几乎无要求。输出电容的作用是用于吸收电抗的能量,不是用于滤波。另外,在氩弧焊、等离子割中,输出电容还用于旁路高频引弧电流。

当焊机焊接电流最大,突然中止焊接时,电容的大小要能限制电容两端电压ΔU的上升

C = L.IMAX2/ΔU2 ,可取ΔU ≤ 200V。

电容的耐压高于ΔU即可。