逆變弧焊電源中變壓器的偏磁與防護(hù)

摘要：分析了全橋式逆變弧焊電源中變壓器產(chǎn)生偏磁的原因及危害；闡述了在變壓器一次側(cè)串聯(lián)電容或設(shè)置自動(dòng)糾偏電路等防止偏磁的原理和方法。

關(guān)鍵詞：全橋式逆變電源；變壓器偏磁; 隔直電容器；糾偏

前言

　　弧焊變壓器由于容量較大，其逆變電路大多采用全橋式。在此種逆變器中，變壓器磁芯工作在雙向磁化狀態(tài)，磁芯中的磁通以原點(diǎn)為中心在一、三象限交替變化，其磁通能自動(dòng)復(fù)位。也就是說(shuō)，理想的工作狀態(tài)是變壓器的磁通關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，磁芯中的磁通維持平衡狀態(tài)。然而，由于反饋電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路以及功率主電路等諸多方面的影響，使得變壓器一次側(cè)的正負(fù)方波發(fā)生差異，從而使變壓器發(fā)生偏磁。

　　偏磁會(huì)使變壓器的功耗增大、效率降低、溫升增加，最終導(dǎo)致變壓器磁芯飽和而使功率開(kāi)關(guān)損壞，逆變失敗。 因此，在設(shè)計(jì)和使用中，必須高度重視變壓器的偏磁現(xiàn)象并采取有效的防護(hù)措施。

1 偏磁產(chǎn)生的原因

　　全橋式逆變電路見(jiàn)圖1。功率開(kāi)關(guān)管TGBT1、TGBT3和TGBT2,TGBT4在工作周期的前半部分和后半部分交替導(dǎo)通和關(guān)斷，如果它們的飽和壓降相等、導(dǎo)通時(shí)間相同，則電路的工作狀態(tài)是平衡的。換言之，磁通平衡的條件就是加在變壓器一次側(cè)正負(fù)兩個(gè)方向的伏秒面積相等，如圖，2a所示。

　　變壓器一次側(cè)的電壓U和磁芯中磁通φ的關(guān)系為

　　當(dāng)電壓U是常數(shù)時(shí)，磁通φ將隨時(shí)間的增長(zhǎng)而線(xiàn)性增大。

　　對(duì)于圖2a所示的波形，IGBT1和IGBT3導(dǎo)通時(shí)，變壓器一次側(cè)施加電壓U1磁通從最大的正值+φ線(xiàn)性下降，在1/2on1處過(guò)零點(diǎn)，在導(dǎo)通終了時(shí)達(dá)到負(fù)的最大值-φ在橋路均截止的時(shí)間里，變壓器一次側(cè)施加電壓為零!磁通變化的速率也將為零，亦即磁通將保持-φ不變，直到下半個(gè)周期開(kāi)始IGBT2和IGBT4導(dǎo)通時(shí)為止，此時(shí)變壓器一次側(cè)上施加的電壓U2與U1方向相反，磁通從-φ開(kāi)始向相反方向變化，在1/2on1處過(guò)零點(diǎn)，并在導(dǎo)通終了時(shí)達(dá)到+φ在電路平衡狀態(tài)下，變壓器一次側(cè)繞組N1上兩個(gè)半周期內(nèi)施加的伏秒數(shù)是相同的，即U1*ton1=U2*ton2磁通自然也是對(duì)稱(chēng)的。

　　由于功率開(kāi)關(guān)管飽和壓降的差異會(huì)導(dǎo)致在正負(fù)兩個(gè)半周期內(nèi)加在變壓器一次電壓不等，又由于功率開(kāi)關(guān)管存儲(chǔ)時(shí)間的不一致、控制電路輸出的脈沖寬度不一致以及反饋回路引起的不對(duì)稱(chēng)等會(huì)導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通脈寬不相等。這些都會(huì)形成正負(fù)兩個(gè)方向伏秒數(shù)不等，使功率變換電路工作在不平衡狀態(tài)。

　　在圖2b中，U1=U2，ton1>ton2由于在ton1時(shí)間里磁通變化的幅度大ton2時(shí)間里磁通變化的幅度小，磁通在一個(gè)周期終了時(shí)不能返回到起始點(diǎn)，于是在一個(gè)方向逐漸增大，其工作區(qū)域?qū)⑵蛞粋€(gè)象限，使變壓器磁芯逐步進(jìn)入飽和狀態(tài)，變壓器一次側(cè)電感量隨之減至很小，功率開(kāi)關(guān)管的集電極5漏極6電流出現(xiàn)很大的尖峰。功率開(kāi)關(guān)管的過(guò)電流使其功耗增大從而溫升增加，其結(jié)果是功率開(kāi)關(guān)管的特性更加不平衡，變壓器磁芯更為飽和、產(chǎn)生更大的尖峰電流，這種惡性循環(huán)直到功率開(kāi)關(guān)管發(fā)生熱擊穿而損壞為止。

2 偏磁的防護(hù)

　　為了避免變壓器磁芯由偏磁引起的飽和，可在變壓器的磁路中加足夠的氣隙，改善其磁導(dǎo)率的線(xiàn)性度，甚至于磁密按單向工作狀態(tài)選取。但是這些措施都影響變壓器的輸出功率的提高，也就不能體現(xiàn)橋式逆變電路變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也使變壓器的體積和質(zhì)量都增大。工程上簡(jiǎn)單而又實(shí)用的防止偏磁的方法，是在變壓器的一次側(cè)增加隔直電容器，電路如圖) 所示。利用電容器的隔直性阻斷變壓器的直流分量。

　　如圖4所示，在串聯(lián)隔直電容器之前，圖4b中表示出的正負(fù)半周伏秒數(shù)A1、A2不相等；圖4b中表示出串聯(lián)隔直電容后，由于電容器C浮動(dòng)了直流電平，使得正負(fù)半周伏秒積得到了平衡，即A1=A2。

　　串聯(lián)的隔直電容器應(yīng)選用高頻性能好的無(wú)極性薄膜電容。該電容和一次側(cè)等效電感組成一個(gè)串聯(lián)諧振回路，其諧振頻率fR可表示為

　　為避免熱損耗造成電容器性能劣化，其等效電阻應(yīng)盡量小，必要時(shí)可多個(gè)并聯(lián)。具體方法是測(cè)試電容器工作時(shí)的溫升，一般應(yīng)控制在幾度以下。采用隔直電容后，可解決變壓器的偏磁問(wèn)題，使變壓器的工作磁通密度可以像工頻50Hz變壓器那樣工作于接近飽和點(diǎn)、使橋式逆變電路中變壓器輸出功率高、利用率高的特點(diǎn)得以充分發(fā)揮。圖5為設(shè)置隔直電容前$后實(shí)測(cè)的電容電壓和電流波形。從圖5b可看到，未加隔直電容器之前變壓器一次電流明顯不平衡且有很大的尖峰；圖5b為加了隔直電容器后的電流波形，其正負(fù)半周波形基本對(duì)稱(chēng)。

　最好的防偏磁的方法是設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的自動(dòng)平衡電路，使磁通量強(qiáng)制平衡。此種電路的原理圖如圖6所示。

　　在全橋逆變電路的2個(gè)橋臂上分別使用相同的電流互感器，并比較2 個(gè)電流的大小。在工作過(guò)程中，只要檢測(cè)出電流不平衡，即動(dòng)態(tài)調(diào)整功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度，以確保變壓器的工作磁通能夠關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。這種電路較之變壓器一次側(cè)串聯(lián)隔直電容器要復(fù)雜一些，生產(chǎn)成本相應(yīng)高一些，但它糾正偏磁的功能是很強(qiáng)。

3 結(jié)論

　　全橋逆變電路的變壓器偏磁問(wèn)題，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要給予足夠的重視，不僅要從控制電路、反饋電路、驅(qū)動(dòng)電路和功率開(kāi)關(guān)器件上充分注意避免不平衡和不一致，還要根據(jù)實(shí)際需求采用不同的防偏磁技術(shù)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]黃石生，新型弧焊電源及其智能控制（第1版）[M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000。

　　[2]李?lèi)?ài)文，張承慧。現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用（第1版）[M]北京：科學(xué)出版社，2000。