高頻逆變式弧焊機(jī)電源的研制初探

朱建軍

（沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

前言

電路電子技術(shù)的高速發(fā)展，促進(jìn)了器件、電路及其控制技術(shù)員向著集成化、高頻化、全控話(huà)、電路弱電化、控制技術(shù)多功能化的方向發(fā)展。目前，逆變技術(shù)廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、變頻調(diào)速、不間斷電源、電化學(xué)、電焊機(jī)、電機(jī)靜止變換、電加熱設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展，極大推動(dòng)了這些領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。與傳統(tǒng)電源相比，逆變電源具有高效節(jié)能（約20%-35%），體積小、重量輕，反應(yīng)速度快等特點(diǎn)。有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化控制。

逆變式弧焊電源由于具有焊接性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、體積小、質(zhì)量輕、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為焊接電源的主要發(fā)展方向之一。

1 逆變式弧焊機(jī)電源的技術(shù)要求

弧焊電源的負(fù)載是電弧，要形成符合焊接外特性要求的電弧，弧焊電源要滿(mǎn)足有較大的短路電流和較高的空載電壓；輸出電流、電壓穩(wěn)定；輸出電流可調(diào)節(jié)；具備完善的自我保護(hù)系統(tǒng)。

2 高頻逆變式弧焊機(jī)電源的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高頻逆變式弧焊電源的輸入電壓幅值為220士15%，工作頻率f=100KHZ；開(kāi)關(guān)功率管最大占空比Dmax=0.8、最大導(dǎo)通時(shí)間TONmax=40μS。輸出電壓電流額定值:15V,315A，適合組裝在中等功率的電焊機(jī)上。

2.1 逆變式弧焊機(jī)電源的基本組成

在供電系統(tǒng)中，單相或三相交流電網(wǎng)電壓，經(jīng)整流和濾波后獲得逆變器所需的平滑的直流電壓。該直流電壓經(jīng)逆變器中的大功率開(kāi)關(guān)器件(的交替開(kāi)關(guān)作用下，變成幾千至幾萬(wàn)赫的中高頻電流，再經(jīng)過(guò)中高頻變壓器降至適合于焊接的幾十伏或十幾伏低電壓，并借助控制電路和檢測(cè)電路及焊接回路的阻抗，獲得焊接工藝所需的外特性和動(dòng)特性。

圖1 輔助電源電路圖

2.2 逆變式弧焊機(jī)電源的供電系統(tǒng)和輔助電源的的設(shè)計(jì)

逆變式弧焊機(jī)電源的供電系統(tǒng)如圖1所示，當(dāng)高頻逆變式弧焊電源啟動(dòng)后，電阻R2用來(lái)抑制開(kāi)機(jī)瞬間電容器充電產(chǎn)生的浪涌沖擊電流，然后主電路初級(jí)側(cè)的電流感應(yīng)器的二次側(cè)繞組形成的電壓經(jīng)VD24加至晶閘管VTH1的控制極，使YTH1導(dǎo)通，此時(shí)旁路限流電阻R2，這樣電源進(jìn)入正常工作。由于此時(shí)電容C11、C12、C13、C3己經(jīng)充電，VTH1導(dǎo)通時(shí)不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。晶體管VT3的作用是在輸入電源瞬時(shí)斷開(kāi)后又立即接通時(shí)抑制沖擊電流。

輸入電壓經(jīng)由變壓器T2后降低到合適的值，再經(jīng)過(guò)橋式整流，電容濾波后，通過(guò)7815、7815和7820集成穩(wěn)壓器分別構(gòu)成+15V、-15V和+20V隔離直流供電電源，分別為相關(guān)的控制電路供電，這樣可以避免控制電路相互之間的干擾。這里變壓器次級(jí)分別是18V、18V、22V。

2.3 逆變式弧焊機(jī)電源的逆變器的工作原理

全橋移相技術(shù)，保留了恒頻控制的優(yōu)點(diǎn)，有利于濾波電路的優(yōu)化，且控制簡(jiǎn)單，是軟開(kāi)關(guān)變流技術(shù)的最佳控制方式。本文采用集成電路UC3895來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器的零電壓全橋移相控制。逆變器的諧振電路由電感和電容組成，進(jìn)行串聯(lián)諧振，在高頻電路中，要求電感和電容的值要非常小。

圖2 全橋移相開(kāi)關(guān)電路原理圖

這是一種全橋拓?fù)洌环Q(chēng)為全橋移相PMPT(也即相位調(diào)制PWM)。Ui是供電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)橋式整流后提供的311 V直流電壓。S1-S4是4個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管，通過(guò)控制S1-S4輪流導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)將直流電壓逆變?yōu)楦哳l的交流電，再通過(guò)變壓器T1來(lái)將高頻的交流電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的低壓交流電，再通過(guò)次級(jí)的整流電路得到我們所需要的直流電壓。S1-S4的控制方式移相控制，是Sl和S3輪流導(dǎo)通，各導(dǎo)通180度電角;S2和S4也是這樣，但S1和S4不是同時(shí)導(dǎo)通。S1先導(dǎo)通，S4后導(dǎo)通，兩者導(dǎo)通相差a電角。其中S1和S3分別先于S4和S2導(dǎo)通，故稱(chēng)S1和S3組成的橋臂為超前橋臂，S2和SA組成的橋臂為滯后橋臂。PMPT與一般全橋PWM拓?fù)涞奈ㄒ粎^(qū)別在于二者開(kāi)關(guān)過(guò)程不同，PMPT在開(kāi)關(guān)過(guò)程中是軟開(kāi)關(guān)。PMPT技術(shù)的核心在于保證每個(gè)橋臂上的開(kāi)關(guān)元件的漏-源極間的電壓能夠在其進(jìn)入下一個(gè)導(dǎo)通周期之前降至0V，以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。

2.4 應(yīng)用UC3895設(shè)計(jì)的逆變式弧焊機(jī)電源的控制系統(tǒng)

全橋移相控制的諧振變換電路是在PWM全橋變換電路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。因?yàn)槭呛泐lPWM控制，使得輸入、輸出濾波器的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，開(kāi)關(guān)噪聲大為減小。在中大型電源的設(shè)計(jì)中被越來(lái)越多的用戶(hù)所采用。為了簡(jiǎn)化電路，提高設(shè)計(jì)的效率，本文所設(shè)計(jì)的弧焊電源也同樣采用全橋電路，使用移相控制。

2.5 IGBT開(kāi)關(guān)管及其驅(qū)動(dòng)電路

絕緣柵雙極晶體管簡(jiǎn)稱(chēng)IGBT，是由MOSFET和晶體管技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型器件，在開(kāi)關(guān)電源和要求開(kāi)關(guān)快速、低損耗的領(lǐng)域備受青睞。由于工作頻率較高，我們選用SIEMENS的BSM50GD120DLC型IGBT開(kāi)關(guān)管。由于此電路的開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)100KHZ，一般通用的IGBT集成驅(qū)動(dòng)電路頻率都不能滿(mǎn)足。因此要采用高速響應(yīng)的零部件來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng)。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)控制電路與功率電路的隔離，設(shè)計(jì)上采用光電耦合器和高速M(fèi)OSFET管組成的TTL電路組合驅(qū)動(dòng)IGBT。我們選用的是FAICHD公司出品的HCPL2630，其最高工作頻率可以達(dá)到10MHZ，它的響應(yīng)速度可以適應(yīng)目前100KHZ的電路開(kāi)關(guān)頻率。UC3895的輸出信號(hào)電壓非常小，高電平輸出時(shí)的電壓值的典型值只有250mA,低電平輸出的電壓的典型值卻也有150mV。因此其輸出信號(hào)需要放大后才能驅(qū)動(dòng)光耦。由于電路工作頻率高，設(shè)計(jì)上選用ST的LM119高速比較器。

2.6 過(guò)電流保護(hù)電路

一個(gè)可靠的弧焊電源要求有能力在短路的時(shí)候限制電流，在開(kāi)路的時(shí)候限制電壓。為了避免焊槍在工作過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的電流，設(shè)計(jì)上采用電流互感器對(duì)功率電路的電流進(jìn)行取樣檢測(cè)，根據(jù)取樣檢測(cè)的結(jié)果調(diào)整占空比來(lái)限流。

2.7 輔助引弧電路的設(shè)計(jì)

弧焊電源的負(fù)載是電弧。理想的引弧是一個(gè)開(kāi)始階段電流迅速增加直到點(diǎn)燃電弧的過(guò)程。要形成符合焊接要求的電弧，弧焊電源要滿(mǎn)足以較大的短路電流和較高的空載電壓，起弧是電流越大，空載電壓越高，越容易起弧。焊機(jī)的起弧難易度是焊機(jī)性能的主要參數(shù)之一，能否方便起弧決定了焊機(jī)性能的優(yōu)劣;起弧的難易也直接影響焊接的效果。

結(jié)束語(yǔ)

逆變電源有體積小、重量輕、噪聲低、效率高等特點(diǎn)，在國(guó)際上，IGBT逆變電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用做各種大型設(shè)備的電源，隨著電力電子器件的發(fā)展，逆變電源一定有更廣闊的發(fā)展空間。

[1]李?lèi)?ài)文，張承慧.現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用

[2]新型弧焊電源及其智能控制.機(jī)械工業(yè)出版社.

[3]齊鉑金，李玉池，辛軍.大功率全橋式IGBT逆變焊機(jī)及其控制.