基于Multisim的逆变弧焊电源主电路仿真

第6期(总第163期)
2010年12月机械工程与自动化
M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G &　AU T O M A T IO N N o.6Dec.
文章编号:1672-6413(2010)06-0015-03
基于M ultisim 的逆变弧焊电源主电路仿真
*
潘洪雷1,张振松1,吴志生1,郭建业2
(1.太原科技大学材料学院,山西　太原　030024; 2.太原星云焊接设备有限公司,山西　太原　030024)摘要:在各种弧焊电源主电路中,逆变弧焊电源主电路的应用最为广泛,因此研究逆变弧焊电源电路的工作特性,对于保证电路的顺利设计有着重要意义。

以M ult isim 软件为仿真平台,设计了逆变弧焊电源主电路,包括三相桥式整流电路、逆变电路、单相输出整流电路,并对所设计电路进行仿真,得出输出电路波形。

关键词:逆变电路;M ultisim ;电路仿真;弧焊电源中图分类号:T G434.1∶T P 391.9 文献标识码:A
*太原市科技明星专项基金(09121013)
收稿日期:2010-03-25;修回日期:2010-06-27
作者简介:潘洪雷(1984-),男,浙江台州人,在读硕士研究生,研究方向为弧焊电源电路仿真。

0　引言
M ultisim 是美国国家仪器公司(NI )下属的Electronics Workbench Group 发布的电子电路仿真软件。

利用NI Multisim 10可以实现计算机仿真设计与虚拟试验,与传统的电子电路设计试验方法相比,其具有如下特点:设计与试验可以同步进行,可以边设计边试验,修改调试方便;可方便地对电路参数进行测试和分析;可直接打印输出试验数据、测试参数、曲线和电路原理图;试验中不消耗实际的元器件,所需元器件的种类和数量不受限制,试验成本低、速度快、
效率高;设计和试验成功的电路可以直接在产品中使
用[1]。

1　逆变弧焊电源主电路的原理
图1为逆变弧焊电源主电路的原理图。

三相380V 交流电压经全桥整流滤波后,送到IGBT 全桥式逆变开关,逆变产生的高频(25kHz)交流电压经二次绕组带有中间抽头的功率中频变压器降压,并经整流滤波后送到电弧负载。

本文将分别对三相桥式整流电路、逆变电路、单相整流电路进行设计并且仿真。

图1　逆变弧焊电源主电路的原理图
2　三相桥式整流电路设计和仿真2.1　三相桥式整流电路设计
三相桥式整流电路由一组共阴极电路和一组共阳极电路串联组成,如图2所示。

其中D 7、D 8、D 9三个整流二极管按共阴极连接,D10、D11、D12三个整流二极管则按共阳极连接。

此外,整流二极管D 7和
D 11接a 相,D 8和D 12接b 相,D 9和D 10接c 相。

电压源V 10、V11、V12的有效值电压为220V ,相位分别相差120o ,频率设置为50Hz 。

负载R 1(200 )的两端增加一个滤波电容C 1(10m F )。

三相桥式整流电路的工作原理如下: 在任何时刻都必须有两个整流管导通,而且这两个整流管一个
是共阴极组的,另一个是共阳极组的,只有它们能同时导通才能形成导电回路; 三相桥式整流电路每隔60o
有一个整流管要换流,由上一号整流管换流到下一号整流管,如由D7、D11换流到D7、D12。

相电压的交点与线电压的交点在同一角度位置上,故线电压的交点同样是自然换相点,三相桥式整流电路的整流电压在一个周期内脉动6次,脉动频率为6×50=
300Hz,比三相半波时大1倍[2]。

图2　三相桥式整流电路
2.2　三相桥式整流电路仿真输出
启动仿真,点击示波器,可以看到三相桥式整流电路负载R 1的输出电压变化曲线,输出电压波形为540V 的恒压波形。

3　逆变电路的设计和仿真3.1　逆变电路设计
IGBT 全桥逆变电路如图3所示,V9为输入直流电源,电压为514V,电压控制电压源V1～V4和脉冲电压源V 5～V 8组成IGBT 功率开关管驱动电路。

Q 1～Q 4为IGBT 功率开关管,栅极受电压控制电压源V1～V4控制,电压控制电压源V1～V4受脉冲电压源V5～V8控制。

用鼠标双击V5～V8,可以打开V5～V8的对话框,在对话框中可以修改脉冲宽度、上升时间、下降时间和脉冲电压等参数。

V5和V 8与V6和V7的相位互差180o 。

应注意的是,触发脉冲周期是40 s(对应是360o ,即2 )。

修改Pulse Width(脉冲宽度)参数,可以改变IGBT 功率开关管的导通时间。

触发角!与Delay Tim e 参数相对应,修改Delay T ime 参数即可修改触发角!。

设置V5和V8的Delay Time 参数(即触发角!)为0 s 时,应设置V6和V 7的Delay T ime 参数(即触
发角!)为20 s(20 s 对应 ),使两者之间相差180o
(
),设置Pulsed Value 参数(即触发电压)为15V 。

由函数发生器XFG 5产生逆变电路输出的交流
方波,设定该交流方波的频率为25kHz,脉冲电压为直流电压即514V,增加串联谐振电感L 2(5.06 H )、电容C 2(8 F)和电阻R 2(200m )。

图3　逆变电路
3.2　IGBT 全桥逆变电路的仿真
启动仿真,点击示波器,可以看见IGBT 全桥逆变电路负载R 4(20 )的输出电压波形,如图4所示,输出波形是电压峰值为514V 的交流方波,完成了直流到交流的变换[3]。

加了串联谐振电路后,全桥逆变电路负载R 2(200m )的输出有效值为446V 的正弦波。

图4　逆变电路负载R 4的输出电压仿真波形
4　单相整流输出电路设计和仿真4.1　单相整流输出电路设计
单相桥式整流输出电路由4个整流二极管组成电桥形式。

当单相交流电压为正半周时,引入两个二极管D1和D4,此时,将有电流由D1自上而下流入负载R 3(200 );当交流电压为负半周时,再引入两个二极管D2和D3,其连接方式应能导引电流沿同一方向由D2自上而下流入负载R 3(200 )。

上述电路连接方式实现了在交流电压的一个周期内都有一个方向的电流
流过R 3,即达到了全波整流的目的[4]。

将以上两电路组合在一起,得到如图5所示电路。

其中V13(50V)是经过变压器降压获得的等效电压,频率设置为25kHz 。

4.2　单相整流输出电路仿真
在单相交流电压的整个周期内通过负载电阻R 3
(200 )的电压波形如图6所示,输出的是70V 的恒压波形,达到了直流焊接设备的焊接空载电压低于直流
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16・　机械工程与自动化 2010年第6期　
113V 峰值的要求[5]。

图5　单相整流输出电路
5　结论
通过对焊接电源主电路的设计和仿真得出以下几点结论:
(1)380V 的三相交流电压经过整流和滤波电路输出了近似于540V 的直流电压。

(2)514V 的直流电压经过逆变和谐振电路输出了近似于有效值为446V 的单相交流电压。

(3)50V 的单相交流电压经过整流电路输出了近似于直流70V 的直流电压。

(4)在试验中不消耗实际的元器件,所需元器件的种类和数量不受限制,试验成本低、速度快、效率
高。

图6　单相整流输出电路负载电阻R 3的电压仿真波形参考文献:
[1]　黄智伟,李传奇.基于N I M ultisim 的电子电路计算机仿真设计与分析[M ].北京:电子工业出版社,2008.
[2]　周慧潮,孙晓峰.常用电子器件及典型应用[M ].北京:电
子工业出版社,2007.
[3]　黄智伟,李传奇.基于N I M ultisim 的电子电路计算机仿
真设计与分析[M ].北京:电子工业出版社,2008.[4]　王皖贞.电子技术[M ].北京:国防工业出版社,2003.
[5]　黄石生.弧焊电源及其数字化控制[M ].北京:机械工业
出版社,2006.
Simulation of Main Circuit of Inverter Welding
Power Source with Multisim
PAN Hong -lei 1,ZHANG Zhen -song 1,WU Zhi -sheng 1,GUO Jian -ye 2
(1.School of M aterials S cience and En gineering,T aiyuan U nivers ity of Science and Techn ology,T aiyuan 030024Ch ina;2.Taiyuan Nebula W elding Equipment Co.,L td.,T aiyuan 030024China)
Abstract :In var io us arc w elding pow er so ur ce cir cuits ,the inver ter w elding po wer sour ce circuit is used mo st w idely .Study on inver ter w elding po wer sour ce circuit is of g r eat sig nificance .T he paper designed a main circuit of inv ert er w elding pow er so urce w ith M ultisim simulation softw ar e,w hich ma inly included three -phase bridg e rectifier cir cuit,inver ter cir cuit and sing le-phase
output r ect ifier circuit.T he simulat ion o n desig ned cir cuit was car ried o ut to o bt ain output cir cuit wav efor m.Key words :inv ert er cir cuit;M ult isim;cir cuit simula tion;ar c welding pow er co urce
(上接第14页)
参考文献:
[1]　王金海.大型风力机复合材料叶片模具开合模翻转装置
设计[J ].玻璃钢,2006(4):7-10.[2]　孙桓,陈作模.机械原理[M ].北京:高等教育出版社,2001.
[3]　韩林山.机械优化设计[M ].郑州:黄河水利出版社,2003.[4]　哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M ].北京:高
等教育出版社,2002.
[5]　颜海银,乐韵斐.风电叶片模具变幅翻转机构运动学分析
[J ].机电一体化,2007(6):44-47.
Dynamics Analysis and Optimization Design of Reversible
Mechanism of Wind -turbine Blade Mold
WANG Zong -wei
(Inner M on golia Un iversity of T echnology,Hohh ot 010051,China)
Abstract :T he rev ersible m echanism ,w hich is used t o achive mo ld merg ing a nd emerg ing ,is an impo rt ant t echnolo gical equipment in the pr ocess o f larg e wind -tur bine blade for ming .T he tr aditio nal rev erse by cr ane has so me disadv antag es ,such as larg e vibr atio n ,
low pr oduct ion efficiency ,po or safety pr ot ect ion,etc.T o so lv e these pr oblem s,t he rev ersible mechanism by hydr aulic dr ive is designed,in the mea n time,dy namic analy sis and o pt imized design ar e car ried out.It pr ov ides a theo retical fundation fo r the design of hy dr aulic co nt ro l sy st em and elect ric co ntr o l system.
Key words :hy dr aulic r ever sible mechanism ;dynamics ;complex metho d ;o ptimized desig n
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17・　2010年第6期 机械工程与自动化　。