基于三相整流——逆变电路的回炉焊热风机调速设计

杨莫寒，姚可欣

（东北林业大学，黑龙江哈尔滨，150040）

0 引言

整流电路是把交流电转换为直流电的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。逆变电路是把直流电变成交流电的电路，与整流电路相对应。无源逆变电路则是将交流侧直接和负载连接的电路。另外，交流电动机调速用的变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。

1 背景资料

对于市面上现有的热风回流焊进行研究分析，可知热风回流焊炉总体结构主要分为加热区，冷却区，炉内气体循环装置，废气排放装置以及PCB传送等五大主体部分。如下图1所示

图1 热风回流焊结构

热风回流炉的每一个加热区的温度控制都是立的闭环控制系统。温度控制器通过负反馈控制把温度保持在设定值。冷却区的结构是个水循环的热交换器，冷却风扇把热气吹到循环水换热器后，经降温的气体再打到PCB板上。热交换器内的热量经循环水带走，循环水经降温后再流回换热器。

如若想得到较高且稳定的回焊炉温度，则需通过改变电机转速。由于电机转速越快，风力越大，热交换能力越强。若通过电路设计可控制输入交流电的频率，从而调节电机转速维持在一定范围来控制气体温度最终实现回焊炉焊接温度的调整。

2 技术参数

2.1 电路设计技术参数

电机转速越快，则回焊炉内风力越大，使其热交换能力越强。若想维持炉内温度，则需通过电路设计使电机调节转速维持在一定范围，并直接影响其频率可调范围。

根据电路的需要，输入线电压为交流380V。

2.1.1 对于三相桥式整流电路电路参数计算

当改变触发角时，其额定电压随之改变。由于需要在恒定额定电压运行，所以电机控制的前提为α=0°。

当带阻感负载，且α=0°时，则该连续输出电路的输出电压为

由于反电动势E=Ce∅n≈450V

分析单相支路电流时，以a相为例

2.1.2 对于三相桥式逆变电路电路参数计算

三相桥式逆变电路的输入电压为三相桥式整流电路的输出电压。

（1）相电压的分析计算

（2）线电压的分析计算

对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析，把输出线电压uUV展成傅里叶级数

输出线电压有效值

基波幅值

基波有效值

（3）负载相电压的分析计算

对三相桥式逆变电路的负载电压进行定量分析，把输出线电压uUN展成傅里叶级数，整理可得

负载相电压有效值

基波幅值

基波有效值

2.2 元器件选型及参数

晶闸管参数确定：

（1）额定电压

由三相全控桥式整流电路的波形分析知，晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值，故桥臂得到工作电压幅值为

鉴于实际情况，需要考虑裕量，故额定电压为：

（2）额定电流

鉴于实际情况，需要考虑裕量，故额定电流为：

根据其导通及关断条件以及其承压和平均电流可确定晶闸管的可选型号为BTW42_1000。

IGBT是一种大功率的电力电子器件，导通时可以看做导线，断开时当做开路。三大特点就是高压、大电流、高速。正向偏置安全工作区根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定，反向偏置安全工作区根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率来决定，由于回焊炉的电压、电流即功率消耗都不太大，则一般型号的IGBT均可满足。即选择IGBT型号为40N126。

快恢复二极管（简称FRD）是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，本设计中选择HER508型号的快恢复二极管

3 主电路的工作原理

3.1 整流部分电路参数计算

当该电路带电阻负载且α≤60°时，

①阳极所接交流电压值最大的导通，阴极所接交流电压值最小的导通，即整流输出电压

根据定量分析，整流输出电压在一周期内脉动六次，且当电阻负载α≤60°时，整流输出电压连续，则其平均值为

②以a相为例分析相电流

当VT1-VT6或VT1-VT2导通，电流为正，持续120°相位；当VT3-VT2或VT5-VT6导通，电流为零；当VT3-VT4或VT5-VT4导通，电流为负，持续120°相位。则

③输出电流

3.2 逆变部分电路参数计算

三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式是180°导电方式。同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°，在任一瞬间有三个桥臂同时导通。每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。

（1）相电压的关系

（2）线电压的分析计算

对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析，把输出线电压uUV展成傅里叶级数，整理可得

输出线电压有效值

基波幅值

基波有效值

（3）负载相电压的分析计算

对三相桥式逆变电路的负载电压进行定量分析，把输出线电压uUN展成傅里叶级数，整理可得

负载相电压有效值

基波幅值

基波有效值

4 主电路参数及电力电子元件波形图

为了清晰地反映三相桥式整流电路和三相桥式逆变整合总电路的输出情况及波形图，采用软件仿真的方法来呈现。仿真软件采用仿真软件 MATLAB。经过Simulink可得仿真电路图。仿真图如图2所示。

图2 总电路仿真图

可得输出电压仿真波形如下图3所示。

图3 总电路输出电压波形图

该电路可以保证发电机处于额定电压的情况下改变输入的频率，由此控制电机的转速，回焊炉热风风速随电机转速而改变，回焊炉温度变化也可以通过逆变电路对IGBT的触发导通时间来控制。

5 分析总结

通过对设计电路的理论分析与MATLAB仿真，我们对设计的三相可控桥式整流-逆变电路进行了系统的分析，并得到电路中各元件的参数及电路参数。改电路通过三项全控整流电路，将三相交流电变为直流电，在通过三相逆变电路将直流电转化为三相交流电。在此过程中，通过改变逆变电路部分中IGBT的导通时间就可以改变输出三相交流电的频率，由于电机的转子转速与输入电压频率成正比，因此，只要改变IGBT的导通时间，就可以平滑地完成电机转速的调节，因此实现回流焊接中热风机的无级调速以达到控制回流焊是焊件温度的目的。电路在具有良好的控制性的同时，我们也对电路的经济性进行了分析，选取了晶闸管BTW42_1000，IGBT选取40N126，电力二极管HER508，最终使得电路性能参数达到最好。