基于三相整流
——逆變電路的回爐焊熱風(fēng)機(jī)調(diào)速設(shè)計

楊莫寒，姚可欣

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱，150040）

0 引言

整流電路是把交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路。大多數(shù)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(yīng)。無源逆變電路則是將交流側(cè)直接和負(fù)載連接的電路。另外，交流電動機(jī)調(diào)速用的變頻器、不間斷電源、感應(yīng)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(xiàn)有的熱風(fēng)回流焊進(jìn)行研究分析，可知熱風(fēng)回流焊爐總體結(jié)構(gòu)主要分為加熱區(qū)，冷卻區(qū)，爐內(nèi)氣體循環(huán)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(fēng)回流焊結(jié)構(gòu)

熱風(fēng)回流爐的每一個加熱區(qū)的溫度控制都是立的閉環(huán)控制系統(tǒng)。溫度控制器通過負(fù)反饋控制把溫度保持在設(shè)定值。冷卻區(qū)的結(jié)構(gòu)是個水循環(huán)的熱交換器，冷卻風(fēng)扇把熱氣吹到循環(huán)水換熱器后，經(jīng)降溫的氣體再打到PCB板上。熱交換器內(nèi)的熱量經(jīng)循環(huán)水帶走，循環(huán)水經(jīng)降溫后再流回?fù)Q熱器。

如若想得到較高且穩(wěn)定的回焊爐溫度，則需通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，風(fēng)力越大，熱交換能力越強。若通過電路設(shè)計可控制輸入交流電的頻率，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速維持在一定范圍來控制氣體溫度最終實現(xiàn)回焊爐焊接溫度的調(diào)整。

2 技術(shù)參數(shù)

2.1 電路設(shè)計技術(shù)參數(shù)

電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，則回焊爐內(nèi)風(fēng)力越大，使其熱交換能力越強。若想維持爐內(nèi)溫度，則需通過電路設(shè)計使電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速維持在一定范圍，并直接影響其頻率可調(diào)范圍。

根據(jù)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(shù)計算

當(dāng)改變觸發(fā)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(jī)控制的前提為α=0°。

當(dāng)帶阻感負(fù)載，且α=0°時，則該連續(xù)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(shù)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(jìn)行定量分析，把輸出線電壓uUV展成傅里葉級數(shù)

輸出線電壓有效值

基波幅值

基波有效值

（3）負(fù)載相電壓的分析計算

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

負(fù)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(shù)

晶閘管參數(shù)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(jù)其導(dǎo)通及關(guān)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(dǎo)通時可以看做導(dǎo)線，斷開時當(dāng)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(qū)根據(jù)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(qū)根據(jù)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(fù)二極管（簡稱FRD）是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時間短特點的半導(dǎo)體二極管，主要應(yīng)用于開關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中，本設(shè)計中選擇HER508型號的快恢復(fù)二極管

3 主電路的工作原理

3.1 整流部分電路參數(shù)計算

當(dāng)該電路帶電阻負(fù)載且α≤60°時，

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

根據(jù)定量分析，整流輸出電壓在一周期內(nèi)脈動六次，且當(dāng)電阻負(fù)載α≤60°時，整流輸出電壓連續(xù)，則其平均值為

②以a相為例分析相電流

當(dāng)VT1-VT6或VT1-VT2導(dǎo)通，電流為正，持續(xù)120°相位；當(dāng)VT3-VT2或VT5-VT6導(dǎo)通，電流為零；當(dāng)VT3-VT4或VT5-VT4導(dǎo)通，電流為負(fù)，持續(xù)120°相位。則

③輸出電流

3.2 逆變部分電路參數(shù)計算

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

（1）相電壓的關(guān)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(jìn)行定量分析，把輸出線電壓uUV展成傅里葉級數(shù)，整理可得

輸出線電壓有效值

基波幅值

基波有效值

（3）負(fù)載相電壓的分析計算

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

負(fù)載相電壓有效值

基波幅值

基波有效值

4 主電路參數(shù)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(xiàn)。仿真軟件采用仿真軟件 MATLAB。經(jīng)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(fā)電機(jī)處于額定電壓的情況下改變輸入的頻率，由此控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，回焊爐熱風(fēng)風(fēng)速隨電機(jī)轉(zhuǎn)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(fā)導(dǎo)通時間來控制。

5 分析總結(jié)

通過對設(shè)計電路的理論分析與MATLAB仿真，我們對設(shè)計的三相可控橋式整流-逆變電路進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并得到電路中各元件的參數(shù)及電路參數(shù)。改電路通過三項全控整流電路，將三相交流電變?yōu)橹绷麟姡谕ㄟ^三相逆變電路將直流電轉(zhuǎn)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(dǎo)通時間就可以改變輸出三相交流電的頻率，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與輸入電壓頻率成正比，因此，只要改變IGBT的導(dǎo)通時間，就可以平滑地完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，因此實現(xiàn)回流焊接中熱風(fēng)機(jī)的無級調(diào)速以達(dá)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(jīng)濟(jì)性進(jìn)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(shù)達(dá)到最好。