小型全固態(tài)高頻感應式焊接機的設計

1、2001 年 9 月journal of shanghai university of engineering science sep 2001 一小型全固態(tài)高頻感應式焊接機的設計錢亦平朱昶楊進（上槪工程技術(shù)大學電了電氣工程學院上槪200065）摘要介紹的高頻感應式焊接機功率為2 kw,工作頻率超過1.2 mhz。強電部分和弱電部分那吸取和應用了近兩年國內(nèi)外最先進的理論、技術(shù)與器件（isplsi,pwm, “神 經(jīng)網(wǎng)絡”電路以及靜電擁合技術(shù)等），主機的體積僅為380 mmx220 mmx 140 mm, 重量不足3 kg。關(guān)鍵詞焊機高頻電源感應加熱神經(jīng)網(wǎng)絡電路中圖分類號tg43文獻標識碼a0引

2、 言近年來，國內(nèi)外高頻感應式焊接機的設計已經(jīng)全部使用igbt或powermos管,最高工 作頻率達到400 khz,功率100 kwb20奇頻感應焊接利用渦流加熱金屬，工作頻率越高集膚 深度也越淺,工作頻率達到1 mhz時，渦流的加熱深度僅100 pm左右，主要用于小工件的焊 接。igbt的開關(guān)頻率很難超過100 khz,功率mos管的開關(guān)頻率雖然高，而每個管子的電流 卻很有限，用并聯(lián)多個管子的方法增加輸出電流也不容易，工作頻率越高越如此。為提高高頻 輸出功率，本設計把功率合成和多管并聯(lián)兩種技術(shù)結(jié)合使用，收到比較好的效果。負載或電源的變動都會使電路失諧，耿動頻率偏離了槽路的固有諧振頻率，電流電

3、壓 的相位差令開關(guān)器件承受的壓力驟增，輸岀功率和電路效率都會下降，嚴重時常會損壞開關(guān)器 件。焊接鐵磁性物質(zhì)時，槽路頻率變化很大，談動頻率應該能迅速的跟上這些不規(guī)則變化。鎖 相技術(shù)是目前最常用的方法。本設計使用“單層神經(jīng)網(wǎng)絡”電路及時跟蹤槽路頻率的變化， 成功地解決了電路的諧振問題。這一種方法至今尚未見有報導。文獻1介紹的調(diào)整高頻輸出功率的方法是利用晶閘管控制電源電壓。實際上，控制-個周期內(nèi) 輸出的離頻周波數(shù)同樣能控制輸出的功率（pwm）,因為控制的是驅(qū)動信號，電路就能設計得十分緊湊°1電路設計1.1電路框圖收w hw：2001 -02- 19圖1為電路的原理性框圖，結(jié)合引言中的說明，

4、整個電路的作用十分清金，不再贅述。圖2是整機的控制框圖，離頻開關(guān)放大器（spa）的輸出功率受諸多因索影響，例如負載特性、電壓紋波（vrp、功率控制（pwm）及工作 控制（opr）等。圖2中虛框內(nèi)的電路是 由isplsi構(gòu)成的“神經(jīng)網(wǎng)絡”電路，其輸 出的信號即時調(diào)節(jié)壓控振蕩器（vco）的 輸出頻率，使dv/d/=o,保證了電路在 諧振狀態(tài)下工作。圖1電略腿圖1.2開關(guān)型功率放大器圖3是h型橋式電路的示意圖，開關(guān)管選用功率mos管。功率mos器件的過渡時間約 為75100 ns,還必須留岀100 ns的時間間隔避開同側(cè)直通°開關(guān)工作頻率為1 mhz時，工 作時間剩下300 ns左右。隨工

5、作頻率升高，周期縮短，開關(guān)器件的使用效率也隨著下降。圖2頻率和功率控制框圖圖3 h型橋式電路功率放大電路圖中的8個管子被單獨驅(qū)動，小阻值電阻口】廠饑均衡各個管子的電流。經(jīng)過配對的功 率管穩(wěn)態(tài)電流分布在85%115%之間。為了增加輸出電流常并聯(lián)多個管子，但是大功率場效應管并聯(lián)多了，漏極源極之間的電容 也越并越大,先導通的管子必須承受并聯(lián)電容上電荷的沖擊;并聯(lián)造成密勒效應愈加嚴重，幾 乎無法均衡管間的動態(tài)電流。圖3中的8個管子被分成兩組，每4個管子組成一個h型電 路。鐵芯變壓器有兩個作用：首先是把兩個h型電路從直流上隔開，每個管子僅承受自身結(jié) 電容的影響；然后，高頻交流磁通在變壓器里疊加，變壓器次

6、級感應到的磁通是疊加的結(jié)果。 從結(jié)構(gòu)上講,次級只有一匝，采用強迫水冷。1.3諧振槽路的設計負載連接成串聯(lián)諧振電路。按照使用要求，電感完全由用戶決定，一般是用外徑2 mm, 內(nèi)徑1.2 mm的毛細管環(huán)繞制而成。用串聯(lián)諧振法可以測凰諧振回路,初步測量結(jié)果為:諧振頻率九ci mhz;c0m）.44mf； 廠（）0.01 go可推出品質(zhì)因索q值在2040之間。電容的損耗相對較小，幾乎可以忽略（主要參數(shù)見表1）0槽路的損耗來自兩個方面，主要錢亦平等:小型全固態(tài)高頻感應式悍接機的設計 169 是感應線圈的輻射,其次是線圈的電阻。前者感應到金屬物體上會產(chǎn)生渦流，后者產(chǎn)生大最的 熱就被冷卻水帶出。機器的大部分

7、發(fā)熱器件均是通水冷卻的，余下部分的溫升很小。故而焊接機的輸出功率和效率能通過測凰冷 卻水的溫差、流最和綸入功率估算出 來。整機的輸出效率大約為83%,其 中毛細竹的熱損耗最大，單獨測駐時/yf/v電流 /a視在功率 /kvam大滔升水壓20.446(x)500300103槽路電容謠主要參數(shù)損耗占8%以上，所以髙頻逆變器的損耗不大。1.4電路的匹配h型橋式電路的諧振負載計算公式為(4ku/n)22p式中：u為直流電源電壓;p為輸出功率泌為開關(guān)系數(shù)。當u = 311 v = 1,p = 2 kw；r =39 q時，槽路的諧振阻抗遠遠低于電源的額定阻抗。如果希望匹配高頻電源與諧振阻抗, 阻抗變換比必

8、須高達3 900,相當電壓比為60以上，次極的電流大于400 ao如果用空心變壓器進行匹配，初次級間耦合極低，體積龐 大。用鐵心變壓器制作難度也很高。為此，本設計成功地采 用兩級變換，先用變比為10：1的鐵心變壓器，然后用6：1的靜 電耦合電路，實現(xiàn)了負載與電源的良好匹配，如圖4所示，其圖4高頻負載的匹配+ :co = c01 + coo；coi/co = 6o兩級的變比可以調(diào)整，根據(jù)變 壓器和電容器的工藝要求合理分配，實際上也有一定的范圍可供選擇。本設計中變壓器是不可放棄的，它另外還有一個重要作用：隔離電網(wǎng)和負載。由戴維寧定理得到圖5所示電路原理圖，電路變換阻抗和電流、電壓的作用一目了然。靜

9、電稱合比的選擇在文獻2里有詳細分 析,本設計僅介紹電路的傳輸函數(shù)和輸人函數(shù) 如下：圖5靜電匹配戴維寧等效電路scqi (sl + r)s? lcq + src()+ 1h(s)=1(1 - co2lcoo)+ jm：00 廠1 - lc。;az?oi(l - oj2lcqo) + jojcoo諧振時 a)= ojq =/iqh(so) q式中:q = 是電感的品質(zhì)因索。 r1.5控制電路的設計控制分為頻率控制，功率控制和電路保護3個方面。1.5.1功率控制電路與傳統(tǒng)的方式完全不同，本設計用pwm方式控制輸岀的髙頻周波數(shù)調(diào)節(jié)輸岀功率，調(diào)節(jié) 范圍為25%-100%,圖6是這種調(diào)節(jié)方式的示意圖。產(chǎn)生

10、pwm脈沖的電路是完全數(shù) 字化的，脈沖占寬比可以在25% 100%之間設定，脈沖寬度的調(diào)節(jié)精 度為1%/步。1.5.2頻率調(diào)節(jié)電路頻率調(diào)節(jié)分成兩部分進行：s遠離u>o時,i h(ja) |很小，電 路能自動“搜索”，直到s接近so。3 接近 so 時» i) | q字1弓(皿)2?？梢郧蟮盟脑隽浚?i h 1- q 嚴可coi5 msu)愉出功率100%(b)輸出功率50%2)輸出功率25%圖6 pwm方式控制高頻周波數(shù)輸岀圖7神經(jīng)網(wǎng)絡電路的拓撲結(jié)構(gòu)+ +2q3 人 2qa(aco)式中：7 =3 =o3()cuq根據(jù)器件的鑒別閾或者是死區(qū)”的大小，能求得頻率的控制精度。圖7

11、為控制電路函數(shù)連接網(wǎng)絡。設計采用了欄單層神經(jīng)網(wǎng)絡”電路, 第n次輸岀函數(shù)由最新的“學習”值(xq與3個“記憶”值(x!；、x：、 弋)組合決定：尸=工叱£ (i =0,1,2,3)新的“記憶”值(x*x? + x? + ,)為x7+, =+/?,r (z = 1,2,3)尸最終輸出一個符號函數(shù)：/ = sgn(r)用碩件設計的“神經(jīng)元”電路必須盡量簡潔，采用isplsi電路(在線可編程集成電路)，除加 權(quán)值wo為半可調(diào)的，其余的值均為固定值。這樣 的電路訓練快收斂好，能自動優(yōu)化對頻率的控制，但是 控制的精度不是很離。電路運行周期約為120 ms,與通 常使用的鎖相電路相比，動態(tài)性能特

12、別好。即便產(chǎn)生 嚴廉的誤操作，也能即時調(diào)整，應付自如。圖8所示的 是在電源紋波的干擾下“神經(jīng)網(wǎng)絡”電路仍能亦步亦趨 地跟蹤調(diào)節(jié)。1.5.3保護電路第3期錢亦平等:小型全固態(tài)髙頻感應式焊接機的設計 171 保護電路有兩個層次，第一層是直流電流保護電路，設定值為額定工作電流的兩倍、反應 時間為10 mso第二層是保護高頻放大器的電路，圖3的4個二極管(5,022，口|如)為取 樣兩極管，保護值設定在額定電流的1.5倍，反應時間為1 mso功放電路的設計余就很大，以上設定電流均在安全范圍以內(nèi)，目的在于防范謀操作或電網(wǎng) 超壓損壞機器。2研制成果以上設計的機器已經(jīng)試生產(chǎn)了 24臺，供用戶試用，效果十分好

13、。經(jīng)科技成果查新檢索并 由上海市教委組織專家鑒定，一致認為該項目的研制成果達到國際先進水平。本設計能順利完成并取得初步成果，除了教委早期的資助外,上海星爾達實業(yè)公司在后期 投入大量人力物力，上海工程技術(shù)大學機電廠的工人師傅和技術(shù)人員對本項目的也大力支持°參考文獻1 i iscki, b guo, a chibani, et al. new induction-heated ffot water producer steamer using voltage-fed high-ferquency load-resonant inverter. ipemc'97 hangzhou.

14、 china, 19971330 3372j enrique j dede,jose v gonzalez > v icente estevefet al. transistorized inverters for induction heating application :state-of-the-art and future trends ipemc'97 hangzhoutchina, 1997,746 7513 吳兆麟，袁俊國，于非高頻感應加熱裝置的負載匹配方法，電力電子技術(shù),1999(4)4 錢亦平.開關(guān)式高頻功率放大器的穩(wěn)態(tài)分析上海工程技術(shù)大學學報，1997,11(

15、2):11-16the design of a solid-state low-power hfinduction heating solid machineqian yiping zhu chang yang jin(college of electronic & electrical engineering, shanghai university of engineering science shanghai 200065)abstracthe design presented by this article is a solid-state induction heating equipment with the high frequency up to 1.2 mhz . to taking the advantage of matching method, both he transformer and capacitor matching ways are used coordinately. the strategies of power-control a