逆变焊机主电路的设计说明

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]:

式中，

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l/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:

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。

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‘l。

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场合。

4.3本系统的主电路设计方案

逆变焊机的主电路承担着转换、传递能量的任务，是整个电源系统的基础。主电路必须安全、可靠，器件参数的选择应该以极限工作条件为依据，并留有一定余量，保证所选器件工作在安全区域。

本文设计的IGBT逆变焊机输出电流为 160A，输出电压为27V，逆变器工作频率为20KHz，要求系统具有平硬外特性和良好的动特性，电流、电压响应要求迅速。

由于全桥变换器可以提高变压器的利用率，减小开关元件的电压电流等级，传输功率大，因此在本系统主电路设计采用全桥式结构，拓扑结构图如图4.6所示。

主电路主要包括三部分:

第一部分，输入整流滤波电路。二极管Dl一D4组成输入整流电路(实际电路用整流模块代替);电解电容Cl一C3和电阻Rl、咫组成滤波电路。

第二部分，逆变器。VTI一VT4为功率开关管IGBT管，与降压变压器T组成逆变器;RS一RS、CS一CS、DS一DS共同组成VTI一VT4的RCD吸收网络，减少IGBT开关过程电流、电压对管子的冲击。

第三部分，输出整流滤波电路。快速整流二极管Dg、D10和直流电抗器Ll共同组成单相全波整流滤波输出电路;电阻R3、R4和电容Cg、 C10共同组成Dg、D10的RCD 吸收网络。

该主电路工作原理为:单相220V电压经过单相桥式整流后，输出为带纹波的直流电压，再经过电解电容Cl一C3组成的滤波电路滤波后得到310V平直的直流电压。当控制电路输出相同占空比的PWM脉冲控制IGBT，使它们轮流导通与关断，此时，直流电压被逆变成20K壬12的交流方波电压。VTI、VT4和VTZ、VT3的轮流导通和关断使中频变压器Tl的原边绕组上的电压为正负对称的方波。变压器的次级绕组感应的交流方波电压大小采用PWM方式进行调节，即改变驱动脉冲的占空比实现。变压器输出的交流方波电压经过快恢复二极管Dg和D10整流后变成方波直流电压，最后经过滤波电感(直流电抗器Ll)滤波后输出较为平直的直流电压 [6211631。此时实现了对输出电流的恒流控制。

当控制电路输出不同占空比的PWM脉冲控制IGBT组VTI、VT4和VTZ、VT3的开通与关断，则逆变器输出频率为20KHz，幅值相同但平均值不同的交流方波脉冲。经过变压器降压整流滤波后，可以实现脉冲电流的输出。可见，改变控制脉冲的占空比就可以调节焊机电源的输出。