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逆变焊机主电路的设计.doc
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逆变焊机主电路的设计.doc
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4 逆变焊机主电路的设计
4.1 逆变焊机的工作原理与特点
逆变焊机原理框图如图 4.1 所示。该系统采用双闭环控制系统,图中 If 为反应电
流,Uf 为反应电压,19 为给定电流,Ug 为给定电压,UO 为实际输出电压。环为电
流反应闭环控制,反应信号由电流霍尔传感器得到。外环为电压反应闭环控制,反应
信号由电压霍尔传感器得到。具体控制过程后做分析.
逆变焊机工作时,先将单相 220V/50Hz 电压整流并滤波后,变为逆变主回路所
需的 310V 左右平滑直流电压。然后将该直流电压送入逆变主回路,经过大功率电子
元件 IGBT 的交替逆变作用转变成为 ZOK 左右的中频交流电压,再经过中频降压变压
器降压至适合于焊接的几十伏电压,最后经过整流滤波后得到直流焊接输出。借助于
控制电路及反应回路,以及焊接回路的阻抗,可以得到焊接工艺所需的外特性和动特
性。其交流变换顺序为:工频交流一直流一中频交流一降压一直流。焊机在“交流一直流
一交流〞阶段的电压频率发生了改变,所以逆变焊也成为变频焊机。
交流和直流反复转换的目的是为了提高该电压的工作频率。我们知道,按照正弦
波分析时变压器输出有如下公式[60]:
式中,
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变压器的体积、重量与 Ns 有关,而 NS 与变压器的工作频率 f 又有直接关系。当
凡一定时,假设变压器工作频率从工频(SOHz)提高到 20KHz,那么绕组匝数与铁心
截面积的乘积 NS 就减少到原来的 l/400,而主变压器在逆变焊机常所占重量为 1/3 到
2/3,因此提高变压器的工作频率可以使逆变焊机的体积和重量显著的减少。同时,钢
和铁的电能损耗将随所需材料的明显减少而大大降低,焊接质量也有进一步改善。
由于上述原因,逆变焊机与传统的晶闸管式焊机和晶体管式焊机相比,具有众多
优点:
l)高效节能。逆变焊机材料的减少使焊机整体损耗大大降低,其效率可达 80%到
95%,功率因数可提高到 0.9 以上,空载损耗极小,只有几十瓦,这一点在能源紧的
今天尤为可贵。
2)体积小,重量轻。这是逆变焊机最明显的优点,主变压器的重量仅为传统弧焊
电源工频变压器的几十分之一。
3)动态响应时间短,控制速度提高。该特征是逆变焊机最重要的特点。普通晶闸
管焊机的控制周期为 3.3ms,而逆变焊机的动态响应时间到达百微妙级,和电弧焊接
诸物理过程的时间常数相当,故能更准确地控制电弧焊中各种物理现象,焊接的动态
控制成为可能。
4)控制能力增强,显著提高工艺性能。控制能力是与控制速度、控制手段密切相
关的。它直接反映了焊机适应焊接条件和焊接要求的能力。另一方面,焊机控制能力
的增强主要依靠于器件速度的提高、微机的应用及现代化控制力等方法的应用。
4.2 常用的主电路拓扑构造
目前,弧焊逆变焊机主电路所采用的拓扑主要包括全桥式、半桥式、双管正激式
和推挽式四种构造。
l)全桥式逆变电路
全桥式电路一般用于大功率逆变电源中,采用四个功率开关组成两组开关对
(S1、S4 和 S2、S3),两组开关管对交替闭合将输入电流电压变成高频交流,加在变
压器上。图 4.2 为全桥式逆变电路的原理图。全桥式逆变电路对开关管的耐压要求低,
变压器的利用率高,易获得大功率输出。但其需要至少四个开关器件及相应的驱动电
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路,因此它的本钱较之其它电路高。全桥式逆变电路是应用最广的,国外许多厂家如
新时代、瑞凌、日本松下、美国林肯等焊机都采用此主电路构造。
全桥式逆变电路存在偏磁现象和功率开关管直通问题。偏磁现象是由于功率开关
管的开关时间存在差异,将导致变压器所加正负半波的伏秒乘积不同,经过一定时间
积累,会使变压器单线偏磁直至饱和,这是变压器相当于短路,由此产生很大的尖峰
电流将烧毁功率开关管。通常在变压器原边串入一个无极性隔直电容以改善偏磁问题
[601[6‘l。
2)半桥式逆变电路
半桥式逆变电路的拓扑构造如图 4.3 所示,这种拓扑构造只需要两个开关器件,
驱动电路简单。但在电流容量一样的情况下,半桥式逆变电路所输出的最大功率只有
全桥式的一半,所以一般只适合于中等功率输出的场合。半桥电路也存在直臂导通的
问题。
3)双管正激式逆变电路
双管正激式逆变电路的原理图如图 4.4 所示。这种电路控制简单,不存在直臂导
通的问题,但开关管所承受的峰值电流和电压较高,同时其高频变压器仅工作在磁滞
回线的一侧,故只适合中小功率输出。
4)推挽式逆变电路
图 4.5 为推挽式逆变电路的原理图。推挽式逆变电路只用两个开关器件就能获得
较大的功率输出。一对功率管的发射极相连,两组驱动电路彼此间无须绝缘,驱动电
路简单。但功率管承受的反压较大,原边绕组只有一半时间工作,高频变压器利用率
低,适合用于单相输入的电源中。
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