第六章逆變式弧焊電源簡(jiǎn)介

第6章逆變式弧焊電源簡(jiǎn)介隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種大功率的電子開(kāi)關(guān)器件的出現(xiàn)，為電子化和數(shù)字化弧焊電源的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。逆變式弧焊電源是一種新型的，而且已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的電子控制型弧焊電源。AC→DC正變DC→AC逆變逆變弧焊電源是將電流逆變技術(shù)應(yīng)用于弧焊電源中。所謂逆變是相對(duì)于常見(jiàn)的交流電經(jīng)過(guò)整流變?yōu)橹绷麟姸缘?，即將直流電變?yōu)榻涣麟姷淖儞Q稱為逆變。實(shí)現(xiàn)電流逆變的裝置稱為逆變器，用于弧焊電源的逆變器即為弧焊逆變器。逆變式弧焊電源出現(xiàn)在二十世紀(jì)六、七十年代，其優(yōu)良的性能和顯著的特點(diǎn)得到人們的重視，被視為新一代弧焊電源，甚至被稱為“20kHz革命”，尤其是在最近十幾年，逆變焊接電源得到了快速發(fā)展。6.1.1逆變弧焊電源系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

圖6-1逆變式弧焊電源電路結(jié)構(gòu)圖6.1.2逆變式弧焊電源的逆變形式（1）ACDCAC即交流直流交流。這種逆變形式最終輸出為交流電，交流電的頻率為逆變器的逆變頻率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻。由于頻率高的交流電傳輸?shù)膿p耗較大，傳輸距離等受到限制，因此在實(shí)際弧焊電源中很少采用。（2）ACDCACDC即交流直流交流直流。這種逆變形式最終輸出的是直流電，是目前大多數(shù)逆變式直流弧焊電源所采用的形式。（3）ACDCACDCAC即交流直流交流直流交流。這種形式有兩次逆變，最終輸出的是方波交流電。方波交流電的頻率可以選擇得較低，一般用于鋁、鎂及其合金材料的焊接。目前交流逆變式弧焊電源、變極性逆變式弧焊電源往往采用此種形式。6.1.3逆變式弧焊電源的分類逆變式弧焊電源的分類方法有多種，例如，按照輸出的電流種類不同分為直流逆變弧焊電源、交流逆變弧焊電源、脈沖逆變弧焊電源等；按照應(yīng)用對(duì)象不同分為焊條電弧焊逆變電源、氣體保護(hù)焊逆變電源、等離子弧焊逆變電源等。但最常見(jiàn)的分類方法還是根據(jù)電子功率開(kāi)關(guān)的類型進(jìn)行分類，因?yàn)殡娮庸β书_(kāi)關(guān)是組成逆變器的核心元件，它能夠反映逆變電源的某些特點(diǎn)。目前用于逆變弧焊電源的電子功率開(kāi)關(guān)器件主要有：晶閘管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）和絕緣門極雙極晶體管（IGBT）等。相應(yīng)地，有晶閘管式逆變弧焊電源、晶體管式逆變弧焊電源、場(chǎng)效應(yīng)管式逆變弧焊電源、IGBT式逆變弧焊電源等。6.1.4逆變式弧焊電源的特點(diǎn)與普通弧焊電源相比，逆變式弧焊電源最顯著特點(diǎn)是工作頻率高，目前常見(jiàn)的IGBT式逆變式弧焊電源的逆變頻率一般為20KHz左右。因此，逆變式弧焊電源具有許多特點(diǎn)：1．體積小、重量輕普通弧焊電源的體積和重量主要集中在變壓器和電抗器上，所占比例可達(dá)80％以上。在變壓器設(shè)計(jì)中，根據(jù)有關(guān)電磁定律可以推出電壓U與變壓器工作頻率f、鐵心截面S、鐵心材料的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm以及繞組匝數(shù)N之間的關(guān)系：Bm的大小與變壓器鐵心的磁性材料有關(guān)，磁性材料確定后，Bm也就確定了。當(dāng)輸入電壓U確定后，變壓器的工作頻率f與變壓器線圈匝數(shù)N和鐵心截面S的乘積成反比。當(dāng)f大幅度提高時(shí)，NS就會(huì)大幅度下降，相應(yīng)的變壓器體積和重量也大幅度減小。由于逆變弧焊電源中的逆變頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻，因此，其變壓器的體積和重量會(huì)大大減小。而且逆變頻率越高，變壓器體積和重量減小得越多。同理，工作頻率大幅度提高，電抗器的體積和重量也會(huì)大幅度減小。由此可見(jiàn)，變壓器和電抗器體積、重量的大幅度減小，將使逆變式弧焊電源本身的體積和重量大幅度減小。例如：一個(gè)額定電源為300A的逆變式弧焊電源重約35Kg，體積0.06m3；而一個(gè)相同額定電流的晶閘管弧焊整流器重約180Kg，體積0.65m3。由表6-2可以看到逆變式弧焊電源與常用傳統(tǒng)弧焊電源體積與重量之間的比較。逆變式弧焊電源較小的重量和體積為其生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用等提供了極大的方便，尤其適用于流動(dòng)及高空作業(yè)。2．高效節(jié)能逆變式弧焊電源的變壓器和電抗器的體積和重量大大減小，相應(yīng)的鐵損(鐵心磁損耗)和銅損(導(dǎo)線耗能)也隨之減??；又因逆變頻率高，通電周期小，變壓器的勵(lì)磁電流很小；逆變式弧焊電源半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，比工作于模擬狀態(tài)的半導(dǎo)體功率器件的功耗小。因此，逆變式弧焊電源效率高，功率因數(shù)高，節(jié)約電能，可減少配電容量。表6-2也列出了逆變式弧焊電源與常用傳統(tǒng)弧焊電源有關(guān)效率、功率因數(shù)等參數(shù)的比較。表6-2逆變式弧焊電源與傳統(tǒng)弧焊電源主要技術(shù)指標(biāo)型號(hào)規(guī)格AX6-400直流弧焊發(fā)電機(jī)ZXG-400磁放大器式硅弧焊整流器ZX5-400晶閘管式弧焊整流器ZX6-400晶閘管式弧焊逆變器ZX6-400IGBT式弧焊逆變器額定輸出電流(A)400400400400400額定負(fù)載持續(xù)率(%)6060606060輸出空載電壓(v)60~90806360~8065輸入電壓(v)33803380338033803380效率(%)53656485.690cos0.90.550.650.900.95重量(Kg)3603102206633外形尺寸(mm)長(zhǎng)寬高95059089069049095259449510005403554605503203903．動(dòng)特性好、控制靈活普通的弧焊電源工作頻率為工頻或其倍頻，控制周期較長(zhǎng)，回路中保持電流穩(wěn)定的輸出電抗器電感較大。即使是晶閘管雙反星型式弧焊整流器的工作頻率也僅為六倍工頻，控制周期為3.3ms。而逆變式弧焊電源的工作頻率很高，例如20KHz工作頻率的逆變弧焊電源的控制周期可達(dá)50μs；且因工作頻率高，焊接回路中起濾波作用的電感值也較小，從而使整個(gè)回路的時(shí)間常數(shù)減少，控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度加快。逆變式弧焊電源的外特性、動(dòng)特性等性能主要由電子控制電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。電子控制電路的變化和調(diào)整靈活、方便，易于在一臺(tái)電源上實(shí)現(xiàn)多種特性的輸出，甚至在焊接過(guò)程中也可以根據(jù)要求切換不同的特性。4．元器件特性要求高，電路復(fù)雜逆變弧焊電源是典型的電力電子裝置，是高精度電子控制電源，因此電路復(fù)雜。普通弧焊電源工作頻率低，一般工作波形為正弦波，du/dt、di/dt較小。而逆變電源由于工作頻率高，內(nèi)部電流換向快，變化劇烈，對(duì)du/dt、di/dt等動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響十分明顯。在這樣嚴(yán)酷的工作條件下，逆變電源的電子功率開(kāi)關(guān)等元器件被擊穿、燒穿的可能性大大增加。為了保證逆變弧焊電源的可靠性、穩(wěn)定性，不僅需要高質(zhì)量、高性能的元器件，而且需要設(shè)計(jì)、應(yīng)用許多保護(hù)電路。這也是逆變式弧焊電源控制電路復(fù)雜的重要因素之一。6.2.1逆變電路的基本型式主要有單端式，推挽式，半橋式以及全橋式四中逆變主電路結(jié)構(gòu)。其中全橋式電路應(yīng)用最廣泛。1．單端反激式逆變電路圖6-2單端式逆變電路a）逆變電路原理圖b）波形圖由于這種變換器在電子功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間只存儲(chǔ)能量，在關(guān)斷期間才向負(fù)載傳遞，中頻高壓器在工作過(guò)程中既是變壓器又相當(dāng)于一個(gè)儲(chǔ)能用電感，因此稱之為“電感儲(chǔ)能變換器”。2．單端正激式逆變電路圖6-3帶有祛磁繞組和二極管箝位的單端正激逆變電路a）逆變電路原理圖b）波形圖

圖6-6雙電子功率開(kāi)關(guān)單端式逆變電路更常見(jiàn)的單端式逆變電路3．推挽式逆變電路推挽式逆變電路每次IGBT導(dǎo)通，變壓器一次繞組只有一半工作，變壓器利用率較低；電子功率開(kāi)關(guān)IGBT所承受的最大電壓為2Ud，比全橋式，半橋式，甚至單端式電路中的IGBT所承受的電壓都要大，對(duì)電子功率開(kāi)關(guān)的選擇造成困難。因此這種電路適于中小功率的逆變電源，在逆變式弧焊電源中很少被采用。圖6-4推挽式逆變電路a）逆變電路原理圖b）波形圖4．半橋式逆變電路一般半橋逆變電路適于中等容量的輸出，芬蘭KEMPPI公司生產(chǎn)的MASTER350逆變弧焊電源就是采用了典型的半橋逆變電路的形式，國(guó)內(nèi)許多廠家的逆變弧焊電源也采用了半橋逆變電路的形式。圖6-5半橋式逆變電路a）逆變電路原理圖b）波形圖5．全橋式逆變電路由于輸入整流電壓Ud直接作用于變壓器上，變壓器工作在磁滯回線的正反兩側(cè)，利用率高，適用于大、中功率輸出。美國(guó)MILLER公司生產(chǎn)的XMT-300系列的逆變弧焊電源就是采用的全橋逆變電路，國(guó)內(nèi)許多廠家生產(chǎn)的逆變弧焊電源也都采用全橋逆變電路。但該逆變電路中需要四只（組）電子功率開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜，抗不平衡能力較差。圖6-6全橋式逆變電路原理圖圖6-8雙單端正激并聯(lián)逆變電路6.2.2各種逆變電路的特點(diǎn)與應(yīng)用1．單端逆變電路的特點(diǎn)與應(yīng)用單端電路的優(yōu)點(diǎn)：功率開(kāi)關(guān)器件少，電路簡(jiǎn)單；不存在開(kāi)關(guān)管的直通問(wèn)題，工作可靠性高；變壓器單向工作，反而不存在電路不平衡造成的偏磁飽和問(wèn)題。單端逆變電路的缺點(diǎn)：1）與半橋、全橋逆變電路相比，其功率開(kāi)關(guān)管承受的電壓高；2）由于變壓器是單向工作，可利用的鐵心的磁通變化量小，因此鐵心利用率低，變壓器體積大；3）功率傳輸?shù)恼伎毡刃。话悴坏?.5，所以輸出功率小。1）推挽式電路所用的功率開(kāi)關(guān)器件少，輸出功率大，但開(kāi)關(guān)管的電壓高，適用于直流輸入電壓比較低的逆變器。由于逆變弧焊電源的輸入電壓較高，功率較大，因此，該電路在逆變弧焊電源中應(yīng)用較少。2）半橋式電路所用的功率開(kāi)關(guān)器件少，開(kāi)關(guān)管的電壓不高，驅(qū)動(dòng)脈沖電路簡(jiǎn)單，抗電路不平衡能力強(qiáng)，但電路中需要兩個(gè)大電容器，而且輸出功率較小，適用于中小功率的逆變器。因此，該電路逆變弧焊電源中得到較多地應(yīng)用。為了增大輸出功率，也可以采用雙半橋逆變電路的并聯(lián)，其形式類似于雙單端正激并聯(lián)逆變電路，即輸入輸出分別并聯(lián)，美國(guó)飛馬特公司生產(chǎn)的300系列逆變弧焊電源就是采用了雙半橋逆變電路的并聯(lián)形式。3）全橋式電路中的功率開(kāi)關(guān)管的電壓不高，輸出功率大，但所用功率開(kāi)關(guān)器件較多，驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜，適用于大功率的逆變器。因此，因此，該電路在逆變弧焊電源中應(yīng)用較多。2．雙端逆變電路的特點(diǎn)與應(yīng)用型式項(xiàng)目推挽式全橋式半橋式單端式(兩IGBT，二極管箝位)IGBT集射極間最大電壓穩(wěn)態(tài)為2Ud，瞬態(tài)過(guò)程二極管箝位于2Ud穩(wěn)態(tài)為Ud，瞬態(tài)過(guò)程二極管箝位于Ud同全橋式截止期二極管箝位于Ud相同輸出功率時(shí)集電極電流IcIc2Ic2Ic中頻變壓器上施加的電壓UdUdUd/2UdIGBT數(shù)量2422濾波電容數(shù)量1121表6-3逆變電路性能比較

器件特性晶閘管(SCR)可關(guān)斷晶閘管(GTO)晶體管(GTR)場(chǎng)效應(yīng)管(VMOS)IGBT開(kāi)關(guān)速度(s)25~1006~251~50.1~0.50.5~1安全工作區(qū)(SOA)大大小大大額定電流密度(A/cm2)20~305~1050~100驅(qū)動(dòng)功率大大大小小驅(qū)動(dòng)方式電流電流電流電壓電壓高壓化易易易難易大電流化易易易難易高速化難難難極易易飽和壓降低低極低高低并聯(lián)使用難難較易易易其他不能自關(guān)斷拖尾電流限制頻率提高二次擊穿現(xiàn)象限制了SOA無(wú)二次擊穿現(xiàn)象擎住現(xiàn)象限制了SOA電子功率開(kāi)關(guān)參數(shù)比較

圖6-10死區(qū)設(shè)置示意圖相串聯(lián)的橋臂上的功率開(kāi)關(guān)管順序?qū)ㄒg隔一段時(shí)間再開(kāi)通，這段時(shí)間有一個(gè)最小值限制，這個(gè)最小時(shí)間間隔稱為死區(qū)。設(shè)置死區(qū)的目的就是為了防止相串聯(lián)的橋臂上的功率開(kāi)關(guān)管直通。設(shè)置死區(qū)時(shí)間應(yīng)大于電子功率開(kāi)關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，才能有效避免直通現(xiàn)象的產(chǎn)生。如圖6-10所示，脈沖寬度占空比最大時(shí)，兩脈沖之間的間隔即為死區(qū)。在脈沖寬度控制(PWM控制)方式中，通過(guò)限制最大脈寬，即可設(shè)置死區(qū)；在脈沖頻率控制(PFM控制)方式中，通過(guò)限制最大頻率，即可限制死區(qū)。死區(qū)設(shè)置6.2.4變壓器電網(wǎng)的隔離、功率傳輸、降壓與普通的變壓器相比，逆變式弧焊電源中的中頻變壓器工作頻率很高，一般為2~30KHz，而且為矩形波脈沖，因此在磁性材料的選擇以及工作原理等方面具有不同的特點(diǎn)。1．磁性材料目前常用的磁性材料有硅鋼片、鐵氧體、非晶態(tài)合金、微晶合金等。（1）硅鋼片硅鋼片又稱矽鋼片、電工鋼片，是用硅鋼材料軋制成的薄片。硅鋼片的最大優(yōu)點(diǎn)：一是飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高（可達(dá)1.8T以上）；二是居里溫度高；三是價(jià)格比較低。硅鋼片的缺點(diǎn)是電阻率低，高頻損耗很大。逆變頻率較低的晶閘管式逆變弧焊電源（工作頻率0.5~5kHz），其變壓器可采用單片厚度為0.2mm或0.1mm的薄硅鋼片。對(duì)于逆變頻率更高（20kHz以上）的弧焊電源，普通硅鋼片的厚度應(yīng)為幾十微米，加工難度大。（2）鐵氧體軟磁材料鐵氧體又稱鐵淦氧、磁性瓷，是鐵和其它金屬元素的復(fù)合氧化物。軟磁材料主要有鎳-鋅鐵氧體、錳-鋅鐵氧體等。與硅鋼片相比，鐵氧體的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度不高（一般僅為0.4T），居里溫度僅為120℃左右，而且力學(xué)性能脆弱，易裂易碎。但它的電阻率高（102~109cm，一般金屬為10-6~10-4·cm），是硅鋼片的106倍以上。因?yàn)樗母哳l損耗很小，所以可以用于工作頻率較高(可達(dá)幾百kHz)的變壓器磁心。（3）非晶態(tài)和微晶磁性材料非晶態(tài)磁性材料是以鐵、鈷、鎳等第一過(guò)渡族元素為基，加入其它類金屬（P、B、Si等易形成非晶的元素），經(jīng)過(guò)高溫熔化，快速冷卻（>105℃/s），再經(jīng)磁化熱處理而得到的長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序、無(wú)晶界(處于液相組織的亞穩(wěn)定態(tài))的玻璃態(tài)合金。它保留了液體的排列狀態(tài)，原子在空間的排列無(wú)秩序，不存在宏觀的磁各向異性，具有優(yōu)異的磁性能。非晶態(tài)合金經(jīng)熱處理可以變成微晶合金，磁性能有所提高。非晶態(tài)磁性材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較高（0.6~1.5T），居里溫度可達(dá)350~600℃，電阻率可達(dá)120~150μcm，為硅鋼片的3倍，尤其是它的矯頑力（Hc）很小，所以其鐵損小。非晶態(tài)及微晶磁性材料用于逆變式弧焊電源中的變壓器磁心，其工作頻率可達(dá)50kHz，一般應(yīng)用在20~50kHz范圍內(nèi)，由于這類材料目前成本還比較高，因此其應(yīng)用受到限制。目前逆變式弧焊電源應(yīng)用較多的是鐵氧體磁性材料，形狀有E形、矩形和環(huán)形。例如，ESAB的LHL315使用的是E形鐵心，LINCON的V300系列、KEMPPI的MASTER350系列使用的是矩形磁心。2．電磁定律的應(yīng)用3．集膚效應(yīng)

交變電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，表現(xiàn)為導(dǎo)體中的電流密度由導(dǎo)體的表面向中心越來(lái)越小，并呈指數(shù)規(guī)律下降。交變電流的頻率越高，集膚效應(yīng)越強(qiáng)烈。這就意味著導(dǎo)線的有效截面減小，導(dǎo)通電阻增大。集膚效應(yīng)的強(qiáng)度可用穿透深度Δ來(lái)表征，其含義是：交變電流沿導(dǎo)線表面開(kāi)始，向內(nèi)所能達(dá)到的徑向深度，它所具有的橫截面即是導(dǎo)線的有效截面。Δ與電流交變頻率f、導(dǎo)線磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率有關(guān)：

6.3輸入輸出電路6.3.1輸入整流濾波電路

6.3.2輸出整流濾波電路

性能類型反向恢復(fù)時(shí)間反向耐壓電流容量正向電壓反向漏電流摻金擴(kuò)散型大高大大較大外延型小高大較小(0.85v)較大肖特基型很小(150ns)低較大很小(0.55~0.65v)大(數(shù)十mA)PIN型小(200ns)高大小(0.6~0.85v)小(1mA左右)表6-5快恢復(fù)二極管特性比較

圖6-14電抗器濾波過(guò)程6.4時(shí)間比率控制及驅(qū)動(dòng)電路逆變式弧焊電源對(duì)能量輸出的控制是通過(guò)逆變電路中的電子功率開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電子功率開(kāi)關(guān)的通斷是由時(shí)間比率控制（timeratiocontrol，簡(jiǎn)寫為TRC）電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行控制的，也就是說(shuō)，逆變式弧焊電源采用了TRC控制。TRC控制通常有三種形式PWMPFMPWM+PFM1．PWM控制PWM（pulsewidthmodify）控制即脈沖寬度控制方式，也可以稱為“定頻率調(diào)脈寬”控制方式。此控制方式是在頻率不變的條件下，調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)逆變器的輸出能量。2．PFM控制

PFM（pulsefrequencymodify）控制，即脈沖頻率控制方式，也就是“定脈寬調(diào)頻率”控制方式。PFM控制是在脈沖寬度保持不變的條件下，通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)節(jié)逆變器的輸出。6.4.2PWM控制器PWM方式更常見(jiàn)，有多種IC芯片，如：3525、3846、3524等圖6-20SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖6.5逆變式弧焊電源的特性控制對(duì)外特性、調(diào)節(jié)特性、動(dòng)特性等特性的控制主要是在電源自然輸出特性的基礎(chǔ)上，通過(guò)時(shí)間比率的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。6.5.1電源的自然輸出特性電源自然輸出特性是指在無(wú)反饋控制的開(kāi)環(huán)條件下，電子功率開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間比率保持不變，電源輸出的特性。通常用脈沖占空比來(lái)表示，即脈沖峰值時(shí)間在整個(gè)脈沖周期中所占的比例，也就是電子功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間在開(kāi)關(guān)通斷周期中所占的比例。6.5.2外特性控制

上述兩種控制只是最基本的控制模式。若兩種方式結(jié)合，則可以獲得有一定斜率的外特性曲線，也可實(shí)施分段控制，使不同的段獲得不同的外特性，圖6-32是幾種實(shí)際的逆變式弧焊電源的外特性曲線形式，其控制原理參見(jiàn)本書的5.3節(jié)。常見(jiàn)的弧焊電源中比較放大電路原理圖6.5.3調(diào)節(jié)特性控制

對(duì)于逆變式弧焊電源來(lái)說(shuō)，利用其電子控制的靈活性，改變給定電路中的給定信號(hào)Ug，可以調(diào)節(jié)外特性曲線的位置。如果是平特性電源，給定信號(hào)Ug的變化將改變平外特性曲線的上下位置；如果是下降特性的電源，給定信號(hào)Ug的變化將改