逆变焊机主电路的设计

逆变器驱动电路PWM •中频输出整渝0<

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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

图4」逆变焊机工作原理框图

Fig4」Sch^ma(ic diagram of wdding inverter

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为反馈电

流，Uf为反馈电压，19为给定电流，Ug为给定电压，UO为实际输出电压。内环为电流反馈闭环控制，反馈信号由电流霍尔传感器得到。外环为电压反馈闭环控制，反馈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馈回路，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]:

(41)

U=444拿厂N*S*兔

式中,

S-/-一铁心截而积；

——磁感应强度的瑕大值；

变压器的工作频率；

■

N-——绕组匝数。

駅有（4J）式可得：

NS U(4.2)

4.44厂乞

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，若变压器工作频率从工频（SOHz）提高到20KHZ，则绕组匝数与铁心截面积

的乘积NS就减少到原来的1/400 ,而主变压器在逆变焊机中通常所占重量为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：

1）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，这一点在能源紧张的今天尤为可贵。

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达到百微妙级，和电弧焊接诸物理过程的时间常数相当，故能更精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常用的主电路拓扑结构

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结构。

1）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路，因此它的成本较之其它电路高。全桥式逆变电路是应用最广的，国内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结构。

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 ‘I。

2）半桥式逆变电路

半桥式逆变电路的拓扑结构如图 4.3所示，这种拓扑结构只需要两个开关器件，

驱动电路简单。但在电流容量相同的情况下，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。

表4.1列出了上述四种拓扑结构的主要性能参数指标。其中所列的公式都是理论 计算值，实际应用时由于变压器漏感等寄生参数的存在，实际情况会与理想情况有所 不同。比较半桥式和全桥式电路可知，当两者所输入、输出电压和额定功率相同时， 虽然承受都是输入电压 Vin ,但半桥变换器中的开关元件的峰值电流为全桥式变换器的 两倍，而输出电压却只有全桥式变换器的一半。因此全桥式变换器更适用于大功率的

圏4.2全桥送结构

T ig4.2 FvIJ-bridgc arc welding inverter

图4.3手桥式站构

Fig4.3 Half bridge arc welding inverter

图44双管正激式结构 图4*5推挽式结构

Fi 呂4*4 Double*switch forward arc welding inverter Fig45 Push-pull arc welding inverter