IGBT在銅端環(huán)焊接領(lǐng)域的應(yīng)用

李文峰，秦根紅,2

（1.西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.三門峽中專 電子工程部，河南 三門峽 472000）

目前，國內(nèi)水泵轉(zhuǎn)子銅端環(huán)焊接主要是乙炔氧氣燒焊焊接技術(shù)，存在效率低、能耗大，焊接后存在嚴(yán)重的內(nèi)應(yīng)力和虛焊、砂眼等缺陷，制約了水泵的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

超音頻電源銅端環(huán)焊接設(shè)備主要應(yīng)用于水泵轉(zhuǎn)子銅端環(huán)焊接，在我國的發(fā)展歷程不超過5年，其主要推廣的客戶群體為水泵行業(yè)的轉(zhuǎn)子銅端環(huán)焊接，是基于超音頻感應(yīng)電加熱電源基礎(chǔ)上伴隨著IGBT等電力電子元器件逐漸成熟而發(fā)展起來的一種新型設(shè)備。

1 感應(yīng)加熱設(shè)備的基本理論

感應(yīng)加熱技術(shù)是20世紀(jì)初期開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的，感應(yīng)加熱的基本原理是利用電磁感應(yīng)原理和利用渦流在金屬體內(nèi)部直接產(chǎn)生熱量，來實現(xiàn)對物體的加熱，中間沒有了與爐體接觸的傳熱過程，所以存在熱效率高，能源利用率高、對環(huán)境污染少等優(yōu)點[1]。隨著IGBT和智能檢測技術(shù)的提高，近年來，才出現(xiàn)了超音頻電源加熱技術(shù)，逐漸成為機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域的一種重要的手段。其原理如圖1所示。

圖1 渦流加熱原理圖Fig. 1 Principle diagram of the eddy current heating

目前半導(dǎo)體固態(tài)焊接電源的頻率劃分如下：200 Hz以下為低頻，0.2～10 kHz為中頻，10～100 kHz為超音頻，100 kHz以上為高頻，它們有不同的應(yīng)用范圍，超音頻電源目前主要應(yīng)用于表面淬火。超音頻電源銅端環(huán)焊接主要原理是采用電磁感應(yīng)加熱，通過超音頻電源將工頻電流轉(zhuǎn)變?yōu)?0～100 kHz的安全低壓直流電，然后通過感應(yīng)器，將工件加熱到焊接溫度。經(jīng)過兩年多的精心研究試產(chǎn)，采用從西門子公司進(jìn)口的IGBT集成模塊，實現(xiàn)了頻率在20～90 kHz超音頻感應(yīng)加加熱設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化。團(tuán)隊仔細(xì)分析了串聯(lián)和并聯(lián)諧振的相互優(yōu)缺點，獨立研制了串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源，其輸出功率更大（20～200 kW），頻率調(diào)節(jié)范圍更寬（20～90 kHz連續(xù)可調(diào)），易于和工件相匹配，并將其應(yīng)用到電動機(jī)轉(zhuǎn)子銅端環(huán)焊接領(lǐng)域。

2 超音頻感應(yīng)電加熱銅端環(huán)焊接設(shè)備的技術(shù)問題

1) 該設(shè)備投入正常工業(yè)化生產(chǎn)，面臨以下幾個問題：① 可與工件匹配的超音頻電源的串聯(lián)IGBT諧振電路：作為焊接設(shè)備的核心工作部分，電源的性能直接決定了焊接的質(zhì)量。

圖2 超音頻電源銅端環(huán)焊接電路原理框圖Fig. 2 Principle frame diagram of super audio power copper end ring welding circuit

② 控制諧波對電網(wǎng)的影響：由于其電源的工作頻率在20～90 kHz連續(xù)可調(diào),勢必會產(chǎn)生影響電網(wǎng)安全的二次諧波，為了將影響電網(wǎng)安全的二次諧波控制到合理范圍，勢必要設(shè)計一套二次諧波抑制電路。

③ 與工件適配的紫銅感應(yīng)器的設(shè)計開發(fā)：為了更好地發(fā)揮其焊接功能，勢必要根據(jù)用戶的工件要求，設(shè)計生產(chǎn)出具有個體化特性的感應(yīng)器，方能發(fā)揮最優(yōu)的焊接功能。

④ 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)：作為大功率焊接系統(tǒng)，勢必在電源部分和感應(yīng)器部分要產(chǎn)生工作熱，工作熱必須控制到合理的范圍才能保證焊接的正常進(jìn)行，也才能保證設(shè)備和人身的安全。

2) 解決方法

① 電源諧振部分：對于超音頻電源銅端環(huán)焊接設(shè)備來說，其電源部分的性能是其工作的核心部分，我們必須設(shè)計一個可靠的、高效的電源，才能保證焊接的正常進(jìn)行。感應(yīng)加熱電源的電路結(jié)構(gòu)與工作頻率、功率無關(guān)，是由整流器、濾波器、逆變器及其控制和保護(hù)電路組成。為了提高負(fù)載電路的功率因數(shù)，通過在負(fù)載上串聯(lián)電容可以提高功率因數(shù)，電容與負(fù)載串聯(lián)就構(gòu)成了串聯(lián)諧振電路。開發(fā)出了IGBT串聯(lián)諧振電路，很好地解決了頻率和功率的矛盾，開發(fā)出超音頻電源銅端環(huán)焊接設(shè)備的電源，成功地應(yīng)用于電動機(jī)轉(zhuǎn)子銅端環(huán)焊接領(lǐng)域。為了方便用戶，配備了遠(yuǎn)控、時控、間隙控制、溫度控制等多功能接口，方便與機(jī)床和各種終端設(shè)備連接；設(shè)備上裝置有數(shù)字式電流表、輸出電流頻率表和手動頻率調(diào)整旋鈕，方便用戶使用。

② 諧波的抑制與消除：對于超音頻電源銅端環(huán)焊接設(shè)備來說，高功率因數(shù)和低諧波電源是恒量設(shè)備性能的重要指標(biāo)，如果對功率因數(shù)、諧波污染指標(biāo)沒有要求，勢必會影響到能源的利用效率和影響電網(wǎng)的安全運行。因此通過在電路的輸入端設(shè)置保護(hù)電路和諧波消除裝置，很好地解決了這一問題。

③ 感應(yīng)器的設(shè)計：感應(yīng)器對于超音頻電源銅端環(huán)焊接設(shè)備來說就相當(dāng)于最終的負(fù)載輸出器，其設(shè)計的好壞直接影響到最終的焊接效果。根據(jù)電動機(jī)轉(zhuǎn)子銅端環(huán)焊接這一特殊焊接領(lǐng)域，設(shè)計制作了紫銅管感應(yīng)器，使設(shè)備的性能更為優(yōu)越。

④ 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)：對于超音頻電源銅端環(huán)焊接設(shè)備來說，在其進(jìn)行整流工作的時候，勢必在整流電路、逆變電路和感應(yīng)器會產(chǎn)生一定的熱量，這些熱量必須以適當(dāng)?shù)姆绞脚懦?，否則會影響到設(shè)備的安全以及對人體造成傷害（比如感應(yīng)器如果溫度過高，在操作時會對人體造成燒傷）。在整流電路、逆變電路和感應(yīng)器部分設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)溫度達(dá)到一定溫度時，便會觸發(fā)冷卻水泵（或冷卻風(fēng)扇）工作電路，使冷卻水（或空氣）開始流通，通過設(shè)置在整流電路、逆變電路和感應(yīng)器的冷卻循環(huán)系統(tǒng)將多余的熱量帶走。

3 超音頻感應(yīng)電加熱銅端環(huán)焊接設(shè)備的創(chuàng)新型研究

1）串聯(lián)諧振電路的理論研究與開發(fā)目前市場主流的諧振方式是并聯(lián)諧振，并聯(lián)諧振由于采用的是諧振電容與負(fù)載并聯(lián)的方式（如圖所示3），在工作時由并聯(lián)逆變器提供的恒流源為其供電，為避免濾波電抗器上產(chǎn)生大的感應(yīng)電動勢，電流必須連續(xù)，也就是說，必須保證逆變器上、下橋臂的IGBT在換流時，是先通后斷，也即是在換流器期間所有IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)；并且并聯(lián)逆變器要求感應(yīng)器盡量靠近電源和補(bǔ)償電容，否則輸出功率和效率會大大降低。所以并聯(lián)諧振方式是不能適應(yīng)目前的工作方式[2]。

圖3 并聯(lián)諧振原理圖Fig. 3 Principle diagram of the parallel resonance

超音頻電源銅端環(huán)焊接設(shè)備采用大規(guī)模集成電路和自行設(shè)計的IGBT串聯(lián)諧振電路（其原理圖如4），其采用通過在負(fù)載上串聯(lián)電容的方式，提高功率因數(shù)，使整機(jī)具有可靠性高、功率因數(shù)高、輸出功率大等優(yōu)點。

圖4 串聯(lián)諧振原理圖Fig. 4 Principle diagram of the series resonance

2）超音頻電源銅端環(huán)焊接設(shè)備核心電路中，運用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)和鎖相環(huán)電路，對所產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行有效地處理，使波形的前后沿疊加必要的補(bǔ)償，脈沖寬度按優(yōu)選編程運行，合理有效放大整形，確保輸出的正負(fù)波形干凈純正，使輸出級的IGBT導(dǎo)通充分，關(guān)斷截止干脆，發(fā)熱量小，轉(zhuǎn)換效率高，最大輸出功率增加。在整機(jī)的抗干擾性能和各種保護(hù)功能上，設(shè)計了多種有效的保護(hù)措施，合理安排了整機(jī)結(jié)構(gòu)，使得整機(jī)連續(xù)運行不發(fā)熱，長期工作無故障，穩(wěn)定可靠，結(jié)實耐用[3]。PWM是通過改變兩斜對開關(guān)管驅(qū)動信號之間的相位差來改變輸出電壓值以達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。具有輸出功率調(diào)節(jié)范圍寬，電路始終工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，控制容易實現(xiàn)，特別適合與各種頻率的大功率控制[4]。其原理圖如5所示。

3）超音頻電源銅端環(huán)焊接設(shè)備核心電路中，將IGBT逆變電路設(shè)置在整流電路、濾波電路和驅(qū)動電路之后，選用高品質(zhì)的電器元件，保證在電路工作時負(fù)載產(chǎn)生的諧波不會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響[5]。其電路框圖如圖6所示。

圖5 PWM控制原理圖Fig. 5 Principle diagram of PWM control

圖6 超音頻電源銅端環(huán)焊接設(shè)備電路框圖Fig. 6 Circuit frame diagram of super audio power copper end ring welding equipment

由圖可以看出，超音頻電源銅端環(huán)焊接裝置，主要由電源、整流橋、濾波電路、主控電路、驅(qū)動電路、IGBT模塊、諧振變壓器和感應(yīng)加熱焊接組件組成，控制顯示電路可方便實時操作控制。三相電源從ABC經(jīng)交流接觸器CJ，接入三相整流橋電路，經(jīng)三相整流橋整流成脈動直流高壓，輸出到濾波電路。從整流橋輸入L+、L-直流高壓到濾波電路1、2，分二路進(jìn)行高效濾波，其中濾波電路1，對三相整流橋輸出的直流高壓L+、L-進(jìn)行高低頻處理，變成純直流高壓DC+、DC-，輸出到功率厚膜電路IGBT1、2；濾波電路2，對三相整流橋輸出的直流高壓L+、L-進(jìn)行高低頻處理，變成純直流高壓DC+、DC-，輸出到功率厚模電路IGBT3、4。主控電路產(chǎn)生30～90 kHz頻率的超音頻脈沖，經(jīng)鎖相環(huán)電路輸出到驅(qū)動電路1、2、3、4。驅(qū)動電路1、2對主控電路送來的超音頻脈沖，進(jìn)行整形預(yù)放大，使波形和幅度符合技術(shù)參數(shù)規(guī)定的要求，再輸出到IGBT1、2；驅(qū)動電路3、4對主控電路送來的超音頻脈沖，進(jìn)行整形和預(yù)放大，使波形和幅度符合要求，輸出到IGBT3、4。諧振變壓器原邊2個繞組L1、L2，通過諧振電容，分別接雙路IGBT。雙路IGBT組成推挽輸出電路，經(jīng)諧振變壓器耦合至次級L3，經(jīng)諧振輸出到加工終端超音頻焊接感應(yīng)加熱組件，對加工金屬銅進(jìn)行加熱焊接。

4）超音頻電源銅端環(huán)焊接設(shè)備，采用全新設(shè)計的空心管加工而成的感應(yīng)器，可以保證諧振頻率和輸出功率隨著工件的不同而自動調(diào)整，同時空心的紫銅管也可以讓冷卻水從其中通過，帶走工作時產(chǎn)生的多余熱量，保證不會對人體造成損傷。

由于高頻電流具有集膚效應(yīng)，并且頻率越高，集膚效應(yīng)越明顯，大部分電流都在導(dǎo)體的表面通過[6]。而以前的感應(yīng)器都是實心的感應(yīng)器，會造成材料的浪費，并且由于無法通過冷卻介質(zhì)，所以功率不能做的太大。感應(yīng)器做成空心管后，冷卻介質(zhì)可以從中流過帶走工作熱，功率和效率大為提高。

5）超音頻電源銅端環(huán)焊接設(shè)備，配備水壓欠壓保護(hù)電路，在水壓過低時，會啟動故障報警和自動切斷工作電路，避免了在設(shè)備工作時因水壓欠壓造成的設(shè)備損壞。其原理框圖如圖7所示：

圖7 低水壓保護(hù)原理框圖Fig. 7 Principle frame diagram of low water pressure protection

圖8 故障報警原理框圖Fig. 8 The principle frame diagram of fault alarm

6）超音頻電源銅端環(huán)焊接設(shè)備，配備了數(shù)字式振蕩顯示和交流電壓顯示面板，將過流、水溫、水壓、過壓等保護(hù)信息集中于面板統(tǒng)一顯示，具有故障自動報警及診斷功能。其原理框圖如圖8所示。

4 結(jié)束語

通過以上技術(shù)難點的解決，通過試制，于2010年8月推出了第一款樣機(jī)，經(jīng)過山西雙龍泵業(yè)有限公司等使用后，均表示滿意，說明本產(chǎn)品是一款比較優(yōu)秀的產(chǎn)品。對應(yīng)于山西雙龍泵業(yè)有限公司的試用結(jié)果顯示，對于其常用的φ104 mm轉(zhuǎn)子來說，通常乙炔氧氣燒焊焊接時間為5～8 min，成品率只有80%左右，并且存在焊接應(yīng)力大、虛焊和砂眼；采用超音頻電源感應(yīng)電加熱銅端環(huán)焊接設(shè)備后，其焊接時間縮短為60 s左右，并且成品率達(dá)到99%以上，產(chǎn)品焊接后熱應(yīng)力小，焊接質(zhì)量好，還可以隨生產(chǎn)節(jié)拍改變而調(diào)整，用戶表示滿意。后續(xù)將不斷優(yōu)化改進(jìn)，使產(chǎn)品可以推向熱處理及貴重金屬冶煉行業(yè)。

根據(jù)市場反饋和用戶的需求，下一步的目標(biāo)是推出干式設(shè)備，利用先進(jìn)可編程單芯片技術(shù)，更精準(zhǔn)地對生產(chǎn)進(jìn)行匹配，減少熱損耗，利用風(fēng)冷來解決水冷過程中易出現(xiàn)的管道堵塞、泄露和失壓等對設(shè)備造成的損害。

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