基于三相整流
——逆變電路的回爐焊熱風機調速設計

楊莫寒，姚可欣

（東北林業大學，黑龍江哈爾濱，150040）

0 引言

整流電路是把交流電轉換為直流電的電路。大多數整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。逆變電路是把直流電變成交流電的電路，與整流電路相對應。無源逆變電路則是將交流側直接和負載連接的電路。另外，交流電動機調速用的變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置使用非常廣泛，其電路的核心部分都是逆變電路。

1 背景資料

對于市面上現有的熱風回流焊進行研究分析，可知熱風回流焊爐總體結構主要分為加熱區，冷卻區，爐內氣體循環裝置，廢氣排放裝置以及PCB傳送等五大主體部分。如下圖1所示

圖1 熱風回流焊結構

熱風回流爐的每一個加熱區的溫度控制都是立的閉環控制系統。溫度控制器通過負反饋控制把溫度保持在設定值。冷卻區的結構是個水循環的熱交換器，冷卻風扇把熱氣吹到循環水換熱器后，經降溫的氣體再打到PCB板上。熱交換器內的熱量經循環水帶走，循環水經降溫后再流回換熱器。

如若想得到較高且穩定的回焊爐溫度，則需通過改變電機轉速。由于電機轉速越快，風力越大，熱交換能力越強。若通過電路設計可控制輸入交流電的頻率，從而調節電機轉速維持在一定范圍來控制氣體溫度最終實現回焊爐焊接溫度的調整。

2 技術參數

2.1 電路設計技術參數

電機轉速越快，則回焊爐內風力越大，使其熱交換能力越強。若想維持爐內溫度，則需通過電路設計使電機調節轉速維持在一定范圍，并直接影響其頻率可調范圍。

根據電路的需要，輸入線電壓為交流380V。

2.1.1 對于三相橋式整流電路電路參數計算

當改變觸發角時，其額定電壓隨之改變。由于需要在恒定額定電壓運行，所以電機控制的前提為α=0°。

當帶阻感負載，且α=0°時，則該連續輸出電路的輸出電壓為

由于反電動勢E=Ce?n≈450V

分析單相支路電流時，以a相為例

2.1.2 對于三相橋式逆變電路電路參數計算

三相橋式逆變電路的輸入電壓為三相橋式整流電路的輸出電壓。

（1）相電壓的分析計算

（2）線電壓的分析計算

對三相橋式逆變電路的輸出電壓進行定量分析，把輸出線電壓uUV展成傅里葉級數

輸出線電壓有效值

基波幅值

基波有效值

（3）負載相電壓的分析計算

對三相橋式逆變電路的負載電壓進行定量分析，把輸出線電壓uUN展成傅里葉級數，整理可得

負載相電壓有效值

基波幅值

基波有效值

2.2 元器件選型及參數

晶閘管參數確定：

（1）額定電壓

由三相全控橋式整流電路的波形分析知，晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值，故橋臂得到工作電壓幅值為

鑒于實際情況，需要考慮裕量，故額定電壓為：

（2）額定電流

鑒于實際情況，需要考慮裕量，故額定電流為：

根據其導通及關斷條件以及其承壓和平均電流可確定晶閘管的可選型號為BTW42_1000。

IGBT是一種大功率的電力電子器件，導通時可以看做導線，斷開時當做開路。三大特點就是高壓、大電流、高速。正向偏置安全工作區根據最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定，反向偏置安全工作區根據最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率來決定，由于回焊爐的電壓、電流即功率消耗都不太大，則一般型號的IGBT均可滿足。即選擇IGBT型號為40N126。

快恢復二極管（簡稱FRD）是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管，主要應用于開關電源、PWM脈寬調制器、變頻器等電子電路中，本設計中選擇HER508型號的快恢復二極管

3 主電路的工作原理

3.1 整流部分電路參數計算

當該電路帶電阻負載且α≤60°時，

①陽極所接交流電壓值最大的導通，陰極所接交流電壓值最小的導通，即整流輸出電壓

根據定量分析，整流輸出電壓在一周期內脈動六次，且當電阻負載α≤60°時，整流輸出電壓連續，則其平均值為

②以a相為例分析相電流

當VT1-VT6或VT1-VT2導通，電流為正，持續120°相位；當VT3-VT2或VT5-VT6導通，電流為零；當VT3-VT4或VT5-VT4導通，電流為負，持續120°相位。則

③輸出電流

3.2 逆變部分電路參數計算

三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式是180°導電方式。同一相（即同一半橋）上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差120°，在任一瞬間有三個橋臂同時導通。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流。

（1）相電壓的關系

（2）線電壓的分析計算

對三相橋式逆變電路的輸出電壓進行定量分析，把輸出線電壓uUV展成傅里葉級數，整理可得

輸出線電壓有效值

基波幅值

基波有效值

（3）負載相電壓的分析計算

對三相橋式逆變電路的負載電壓進行定量分析，把輸出線電壓uUN展成傅里葉級數，整理可得

負載相電壓有效值

基波幅值

基波有效值

4 主電路參數及電力電子元件波形圖

為了清晰地反映三相橋式整流電路和三相橋式逆變整合總電路的輸出情況及波形圖，采用軟件仿真的方法來呈現。仿真軟件采用仿真軟件 MATLAB。經過Simulink可得仿真電路圖。仿真圖如圖2所示。

圖2 總電路仿真圖

可得輸出電壓仿真波形如下圖3所示。

圖3 總電路輸出電壓波形圖

該電路可以保證發電機處于額定電壓的情況下改變輸入的頻率，由此控制電機的轉速，回焊爐熱風風速隨電機轉速而改變，回焊爐溫度變化也可以通過逆變電路對IGBT的觸發導通時間來控制。

5 分析總結

通過對設計電路的理論分析與MATLAB仿真，我們對設計的三相可控橋式整流-逆變電路進行了系統的分析，并得到電路中各元件的參數及電路參數。改電路通過三項全控整流電路，將三相交流電變為直流電，在通過三相逆變電路將直流電轉化為三相交流電。在此過程中，通過改變逆變電路部分中IGBT的導通時間就可以改變輸出三相交流電的頻率，由于電機的轉子轉速與輸入電壓頻率成正比，因此，只要改變IGBT的導通時間，就可以平滑地完成電機轉速的調節，因此實現回流焊接中熱風機的無級調速以達到控制回流焊是焊件溫度的目的。電路在具有良好的控制性的同時，我們也對電路的經濟性進行了分析，選取了晶閘管BTW42_1000，IGBT選取40N126，電力二極管HER508，最終使得電路性能參數達到最好。