02-中频焊接控制器原理(侧重电路原理)

1、中频焊接控制器基本原理

中频点焊焊接控制器的主要作用就是把工频三相电源转换为稳定的中频单

相电源，电压从380V（线电压380V，相电压220V，线电压倍的相电压）提高到514V（三相桥式整流，不包含滤波，输出电压为 1.35倍的线电压，即380*1.35=514V），频率从50Hz提高到1000Hz以上，再通过焊接变压器转换和整流，变成需要的直流电流供点焊焊接使用。上述原理称为中频逆变直流，其电路原理图如下图所示：

图1 中频逆变直流电路原理图（使用Protel DXP制图）

图1的电路中实现逆变的关键元件是IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管），这种器件利用制作集成电路的方法，由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面优点。它可以承受高达数千伏的电压，并且可以控制高达数千安培的电流。

2、三相桥式整流基本原理

图2 三相桥式整流电路

首先分析整流电路，整流电路把三相交流电转变为直流电，就是由六个整流管组成的全波整流电路，三相全波整流电路如图2所示。一般三相全波桥式整流电路已经做成了集成化电路，成为一个固定电压、固定电流的三相全波整流块。它的输入端接上50Hz 、380V 线电压的三相交流电，它的输出端就会有整流后的直流输出。

为了分析整流电路的工作原理在图3中画出了三相的相电压的图（只体现三相电源各相之间的相角关系，未体现三相电频率）。作用在6个整流二极管上的电压是线电压，也就是ab a b u u u =-，bc b c u u u =-，ca c a u u u =-。这里线电压的波形相当于任意一瞬间1t 两个相电压相减。

图3 三相电压输入波形（使用Matlab 制图）

将波形图提取出来，如图4所示。图中所标注的点划线为1t 时刻示意。分析1—6号整流二极管导通的情况：对于1、2、3号二极管，有一端接在一起（E +端口），当三相交流电作用在管子的另一端时，哪个二极管能导通取决于1、2、3三个整流管所接的电压哪个电位最高。如图4所示，在1t 时刻，a 相最高，a 相导通后（即整流管1通）就把电压加到2和3整流管，这两个整流管受到了反向电压，就是E +点电压高于b 相，和c 相电压，所以2与3整流管都截止。

对于E -端，4、5、6整流管接在了一起，哪一个管子导通，取决于a ，b ，c 三相哪一相电位最低。由图4可见，在1t 瞬间c 相的电压最负，则这一瞬间c 相连接的6号二极管导通，一旦6导通就使E -的电位变为最负（二极管管压降忽略不计），整流管4与整流管5都截止。在这一时刻由于c u 为负值，所以（E +）—（E -）之间的电压就是a c u u ，其他时刻类似。

-400

-300-200-1000100200300400

图4 三相交流电的电压图

图4中，由A 点向B 点的过程中，a 相作用于E +对2、3号二极管的截止作用逐渐减弱，并在经过B 点之后由b 相代替；在B 点到C 点的过程中，c 相作用于E -对4、5号二极管的截止作用逐渐减弱，并在经过C 点后由a 相代替。如此周而复始的导通，在E +和E -之间形成了一个直流电压，这个电压就是三相整流后的电压，需要用积分的方式求取平均值。

图5 三相交流电平均整流电压分析（图片使用Photoshop 处理）

如图5所示，以闭区间56

6ππ⎡⎤⎢⎥⎣⎦

，

为例，对于a 相的1号二极管，一个周期中只在此范围内导通，即计算a 相整流电压da u 只需要在此区间进行积分。电路的负向回路分别由b 相和c 相导通。根据单一时刻d da db u u u =+可知，只需求取b 相或c 相在此区间内有效导通的时段的积分db u 或dc u ，并与da u 相加即可（积分可认为是波形在区间内与X 轴围成的面积，为正，固不再多考虑绝对值）。da u 积分结果如下：

56

615sin (cos cos ) 1.1722663

3

m da m u u u td t u π

φφφπππ

ωωππ=

=-=⎰ …………（1） 式（1）中da u 为a 相整流电压，m u φ为三相交流电电压峰值，u φ为有效值，且满足关系2m u u φφ=

。而db u 或dc u 的积分结果如下：

2

6

3331332

sin (cos cos ) 1.1762223m m db m u u u u td t u u πφφφφπππωωππππ

==-===⎰…

（2）

(1.17 1.17) 2.34220514d da db u u u u v φ=+=+=⨯= (3)

式（2）中db u 为b 相整流电压，式（3）中d u 为三相整流后的电压，约为514v 。 经过三相桥式整流以及滤波，将电源从三相正弦波形转换为单向直流波形，再通过IGBT 的开关电路，将电源从直流波形转换为方波，且将频率提升到1000Hz 以上，输出给焊钳上携带的焊接变压器，实现逆变。

3、中频焊接的优点分析

3.1电流效率高

交流焊接有过零转换，其间会损失一定的能量，而直流电源持续加热，能快速得到所需要的热量，电流效率提高20%左右。

3.2焊接核心大

直流焊接获得的焊核比交流大和宽，特别适合多层不等厚板焊接。

3.3焊接一致性高

数据表明：交流的波动范围达到35%左右，而直流的波动在3%左右。直流焊接的一致性提高了10倍。

3.4三相供电平衡：对网络的冲击小； 功率因素高：几乎达到100%； 焊接电流精确：控制精度提高了20倍； 节能：能节约20%的能量；

工作范围宽：20%-95%范围都能工作，比交流的50%-85%的范围提高了1倍以上；

此外还可以忽略交流回路的感抗问题； 3.5工频和中频比较表