第六章逆變式弧焊電源簡介

第6章逆變式弧焊電源簡介隨著現代電力電子技術的發(fā)展，各種大功率的電子開關器件的出現，為電子化和數字化弧焊電源的發(fā)展奠定了基礎。逆變式弧焊電源是一種新型的，而且已經得到廣泛應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應用于弧焊電源中。所謂逆變是相對于常見的交流電經過整流變?yōu)橹绷麟姸缘模磳⒅绷麟娮優(yōu)榻涣麟姷淖儞Q稱為逆變。實現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在二十世紀六、七十年代，其優(yōu)良的性能和顯著的特點得到人們的重視，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逆變弧焊電源系統的基本結構

圖6-1逆變式弧焊電源電路結構圖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，遠遠高于工頻。由于頻率高的交流電傳輸的損耗較大，傳輸距離等受到限制，因此在實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；按照應用對象不同分為焊條電弧焊逆變電源、氣體保護焊逆變電源、等離子弧焊逆變電源等。但最常見的分類方法還是根據電子功率開關的類型進行分類，因為電子功率開關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。目前用于逆變弧焊電源的電子功率開關器件主要有：晶閘管、晶體管、場效應管（MOSFET）和絕緣門極雙極晶體管（IGBT）等。相應地，有晶閘管式逆變弧焊電源、晶體管式逆變弧焊電源、場效應管式逆變弧焊電源、IGBT式逆變弧焊電源等。6.1.4逆變式弧焊電源的特點與普通弧焊電源相比，逆變式弧焊電源最顯著特點是工作頻率高，目前常見的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：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80％以上。在變壓器設計中，根據有關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強度Bm以及繞組匝數N之間的關系：Bm的大小與變壓器鐵心的磁性材料有關，磁性材料確定后，Bm也就確定了。當輸入電壓U確定后，變壓器的工作頻率f與變壓器線圈匝數N和鐵心截面S的乘積成反比。當f大幅度提高時，NS就會大幅度下降，相應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遠高于工頻，因此，其變壓器的體積和重量會大大減小。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大幅度減小。由此可見，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：一個額定電源為300A的逆變式弧焊電源重約35Kg，體積0.06m3；而一個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、運輸、使用等提供了極大的方便，尤其適用于流動及高空作業(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，相應的鐵損(鐵心磁損耗)和銅損(導線耗能)也隨之減??；又因逆變頻率高，通電周期小，變壓器的勵磁電流很??；逆變式弧焊電源半導體功率開關器件工作于開關狀態(tài)，比工作于模擬狀態(tài)的半導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弧焊電源有關效率、功率因數等參數的比較。表6-2逆變式弧焊電源與傳統弧焊電源主要技術指標型號規(guī)格AX6-400直流弧焊發(fā)電機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)長寬高95059089069049095259449510005403554605503203903．動特性好、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，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，從而使整個回路的時間常數減少，控制過程的動態(tài)響應速度加快。逆變式弧焊電源的外特性、動特性等性能主要由電子控制電路進行調節(jié)。電子控制電路的變化和調整靈活、方便，易于在一臺電源上實現多種特性的輸出，甚至在焊接過程中也可以根據要求切換不同的特性。4．元器件特性要求高，電路復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，內部電流換向快，變化劇烈，對du/dt、di/dt等動態(tài)參數的影響十分明顯。在這樣嚴酷的工作條件下，逆變電源的電子功率開關等元器件被擊穿、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，不僅需要高質量、高性能的元器件，而且需要設計、應用許多保護電路。這也是逆變式弧焊電源控制電路復雜的重要因素之一。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構。其中全橋式電路應用最廣泛。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關導通期間只存儲能量，在關斷期間才向負載傳遞，中頻高壓器在工作過程中既是變壓器又相當于一個儲能用電感，因此稱之為“電感儲能變換器”。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雙電子功率開關單端式逆變電路更常見的單端式逆變電路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；電子功率開關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，對電子功率開關的選擇造成困難。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，國內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，利用率高，適用于大、中功率輸出。美國MILLER公司生產的XMT-300系列的逆變弧焊電源就是采用的全橋逆變電路，國內許多廠家生產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）電子功率開關，驅動電路較為復雜，抗不平衡能力較差。圖6-6全橋式逆變電路原理圖圖6-8雙單端正激并聯逆變電路6.2.2各種逆變電路的特點與應用1．單端逆變電路的特點與應用單端電路的優(yōu)點：功率開關器件少，電路簡單；不存在開關管的直通問題，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題。單端逆變電路的缺點：1）與半橋、全橋逆變電路相比，其功率開關管承受的電壓高；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）功率傳輸的占空比小，一般不到0.5，所以輸出功率小。1）推挽式電路所用的功率開關器件少，輸出功率大，但開關管的電壓高，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用較少。2）半橋式電路所用的功率開關器件少，開關管的電壓不高，驅動脈沖電路簡單，抗電路不平衡能力強，但電路中需要兩個大電容器，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用。為了增大輸出功率，也可以采用雙半橋逆變電路的并聯，其形式類似于雙單端正激并聯逆變電路，即輸入輸出分別并聯，美國飛馬特公司生產的300系列逆變弧焊電源就是采用了雙半橋逆變電路的并聯形式。3）全橋式電路中的功率開關管的電壓不高，輸出功率大，但所用功率開關器件較多，驅動電路比較復雜，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用較多。2．雙端逆變電路的特點與應用型式項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)過程二極管箝位于2Ud穩(wěn)態(tài)為Ud，瞬態(tài)過程二極管箝位于Ud同全橋式截止期二極管箝位于Ud相同輸出功率時集電極電流IcIc2Ic2Ic中頻變壓器上施加的電壓UdUdUd/2UdIGBT數量2422濾波電容數量1121表6-3逆變電路性能比較

器件特性晶閘管(SCR)可關斷晶閘管(GTO)晶體管(GTR)場效應管(VMOS)IGBT開關速度(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驅動功率大大大小小驅動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使用難難較易易易其他不能自關斷拖尾電流限制頻率提高二次擊穿現象限制了SOA無二次擊穿現象擎住現象限制了SOA電子功率開關參數比較

圖6-10死區(qū)設置示意圖相串聯的橋臂上的功率開關管順序導通要間隔一段時間再開通，這段時間有一個最小值限制，這個最小時間間隔稱為死區(qū)。設置死區(qū)的目的就是為了防止相串聯的橋臂上的功率開關管直通。設置死區(qū)時間應大于電子功率開關的關斷時間，才能有效避免直通現象的產生。如圖6-10所示，脈沖寬度占空比最大時，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，通過限制最大脈寬，即可設置死區(qū)；在脈沖頻率控制(PFM控制)方式中，通過限制最大頻率，即可限制死區(qū)。死區(qū)設置6.2.4變壓器電網的隔離、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。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：一是飽和磁感應強度高（可達1.8T以上）；二是居里溫度高；三是價格比較低。硅鋼片的缺點是電阻率低，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。對于逆變頻率更高（20kHz以上）的弧焊電源，普通硅鋼片的厚度應為幾十微米，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強度不高（一般僅為0.4T），居里溫度僅為120℃左右，而且力學性能脆弱，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。因為它的高頻損耗很小，所以可以用于工作頻率較高(可達幾百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），經過高溫熔化，快速冷卻（>105℃/s），再經磁化熱處理而得到的長程無序、短程有序、無晶界(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強度較高（0.6~1.5T），居里溫度可達350~600℃，電阻率可達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50kHz，一般應用在20~50kHz范圍內，由于這類材料目前成本還比較高，因此其應用受到限制。目前逆變式弧焊電源應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．電磁定律的應用3．集膚效應

交變電流通過導線時會產生集膚效應，表現為導體中的電流密度由導體的表面向中心越來越小，并呈指數規(guī)律下降。交變電流的頻率越高，集膚效應越強烈。這就意味著導線的有效截面減小，導通電阻增大。集膚效應的強度可用穿透深度Δ來表征，其含義是：交變電流沿導線表面開始，向內所能達到的徑向深度，它所具有的橫截面即是導線的有效截面。Δ與電流交變頻率f、導線磁導率和電導率有關：

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

性能類型反向恢復時間反向耐壓電流容量正向電壓反向漏電流摻金擴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(數十mA)PIN型小(200ns)高大小(0.6~0.85v)小(1mA左右)表6-5快恢復二極管特性比較

圖6-14電抗器濾波過程6.4時間比率控制及驅動電路逆變式弧焊電源對能量輸出的控制是通過逆變電路中的電子功率開關的通斷來實現的。電子功率開關的通斷是由時間比率控制（timeratiocontrol，簡寫為TRC）電路產生的脈沖信號進行控制的，也就是說，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“定頻率調脈寬”控制方式。此控制方式是在頻率不變的條件下，調節(jié)脈沖寬度來調節(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，通過改變脈沖頻率來調節(jié)逆變器的輸出。6.4.2PWM控制器PWM方式更常見，有多種IC芯片，如：3525、3846、3524等圖6-20SG3525的內部結構圖6.5逆變式弧焊電源的特性控制對外特性、調節(jié)特性、動特性等特性的控制主要是在電源自然輸出特性的基礎上，通過時間比率的調節(jié)來實現的。6.5.1電源的自然輸出特性電源自然輸出特性是指在無反饋控制的開環(huán)條件下，電子功率開關的通斷時間比率保持不變，電源輸出的特性。通常用脈沖占空比來表示，即脈沖峰值時間在整個脈沖周期中所占的比例，也就是電子功率開關的導通時間在開關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。若兩種方式結合，則可以獲得有一定斜率的外特性曲線，也可實施分段控制，使不同的段獲得不同的外特性，圖6-32是幾種實際的逆變式弧焊電源的外特性曲線形式，其控制原理參見本書的5.3節(jié)。常見的弧焊電源中比較放大電路原理圖6.5.3調節(jié)特性控制

對于逆變式弧焊電源來說，利用其電子控制的靈活性，改變給定電路中的給定信號Ug，可以調節(jié)外特性曲線的位置。如果是平特性電源，給定信號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Ug的變化將改