高频逆变式弧焊机电源的研制初探 逆变弧焊机

时间:2019-08-18 05:14:15 来源:QQ空间素材网 本文已影响 QQ空间素材网

  摘要:弧焊机电源是电弧焊机的重要组成部分,它是对焊接电弧供给电能的装置,它应满足电弧焊所要求的电气特性。弧焊机电源电气性能的优劣,在很大程度上决定了电弧焊机焊接过程的稳定性。没有先进的弧焊机电源,要实现先进的焊接工艺和焊接过程自动化也是难以办到的。弧焊机电源具有较大的短路电流和较高的空载电压等特点。高频逆变式弧焊机电源是近年来世界焊接电源界研究的新技术。它具有控制性能优异、动特性好、焊接工艺性优良、重量轻、效率高、功率因数高、引弧性能好、焊接速度快等优点,是当前国际上焊接电源设备发展的主流和方向。这种电源除了能够用于弧焊机外,还可以用作喷涂等需要大电流,低电压的设备的电源。
  关键词:弧焊机;电源;设计
  中图分类号:TE972+.5 文献标识码:A]
  前言
  电路电子技术的高速发展,促进了器件、电路及其控制技术员向着集成化、高频化、全控话、电路弱电化、控制技术多功能化的方向发展。目前,逆变技术广泛应用于电机驱动、变频调速、不间断电源、电化学、电焊机、电机静止变换、电加热设备等工业领域产业发展,极大推动了这些领域的产业发展。与传统电源相比,逆变电源具有高效节能(约20%-35%),体积小、重量轻,反应速度快等特点。有利于实现自动化和智能化控制。
  逆变式弧焊电源由于具有焊接性能好、动态响应快、体积小、质量轻、效率高等诸多优点而成为焊接电源的主要发展方向之一。
  1 逆变式弧焊机电源的技术要求
  弧焊电源的负载是电弧,要形成符合焊接外特性要求的电弧,弧焊电源要满足有较大的短路电流和较高的空载电压;输出电流、电压稳定;输出电流可调节;具备完善的自我保护系统。
  2 高频逆变式弧焊机电源的设计
  本文设计的高频逆变式弧焊电源的输入电压幅值为220士15%,工作频率f=100KHZ;开关功率管最大占空比Dmax =0.8、最大导通时间TONmax=40μS。输出电压电流额定值:15V,315A,适合组装在中等功率的电焊机上。
  2.1 逆变式弧焊机电源的基本组成
  在供电系统中,单相或三相交流电网电压,经整流和滤波后获得逆变器所需的平滑的直流电压。该直流电压经逆变器中的大功率开关器件(的交替开关作用下,变成几千至几万赫的中高频电流,再经过中高频变压器降至适合于焊接的几十伏或十几伏低电压,并借助控制电路和检测电路及焊接回路的阻抗,获得焊接工艺所需的外特性和动特性。
  2.2 逆变式弧焊机电源的供电系统和辅助电源的的设计
  逆变式弧焊机电源的供电系统如图1所示,当高频逆变式弧焊电源启动后,电阻R2用来抑制开机瞬间电容器充电产生的浪涌冲击电流,然后主电路初级侧的电流感应器的二次侧绕组形成的电压经VD24加至晶闸管VTH1的控制极,使YTH1导通,此时旁路限流电阻R2,这样电源进入正常工作。由于此时电容C11、 C12、 C13、C3己经充电,VTH1导通时不会产生冲击电流。晶体管VT3的作用是在输入电源瞬时断开后又立即接通时抑制冲击电流。
  输入电压经由变压器T2后降低到合适的值,再经过桥式整流,电容滤波后,通过7815、7815和7820集成稳压器分别构成+15V、-15V和+20V隔离直流供电电源,分别为相关的控制电路供电,这样可以避免控制电路相互之间的干扰。这里变压器次级分别是18V、18V、22V。
  2.3 逆变式弧焊机电源的逆变器的工作原理
  全桥移相技术,保留了恒频控制的优点,有利于滤波电路的优化,且控制简单,是软开关变流技术的最佳控制方式。本文采用集成电路UC3895来实现逆变器的零电压全桥移相控制。逆变器的谐振电路由电感和电容组成,进行串联谐振,在高频电路中,要求电感和电容的值要非常小。
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  图2 全桥移相开关电路原理图
  这是一种全桥拓扑,被称为全桥移相PMPT(也即相位调制PWM)。Ui是供电系统经过桥式整流后提供的311 V直流电压。S1-S4是4个IGBT开关管,通过控制S1-S4轮流导通和关断来将直流电压逆变为高频的交流电,再通过变压器T1来将高频的交流电压转换为相应的低压交流电,再通过次级的整流电路得到我们所需要的直流电压。S1-S4的控制方式移相控制,是Sl和S3轮流导通,各导通180度电角;S2和S4也是这样,但S1和S4不是同时导通。S1先导通,S4后导通,两者导通相差a电角。其中S1和S3分别先于S4和S2导通,故称S1和S3组成的桥臂为超前桥臂,S2和SA组成的桥臂为滞后桥臂。PMPT与一般全桥PWM拓扑的唯一区别在于二者开关过程不同,PMPT在开关过程中是软开关。PMPT技术的核心在于保证每个桥臂上的开关元件的漏-源极间的电压能够在其进入下一个导通周期之前降至0V,以实现零电压开通。
  2.4 应用UC3895设计的逆变式弧焊机电源的控制系统
  全桥移相控制的谐振变换电路是在PWM全桥变换电路的基础上发展起来的。因为是恒频PWM控制,使得输入、输出滤波器的设计大大简化,开关噪声大为减小。在中大型电源的设计中被越来越多的用户所采用。为了简化电路,提高设计的效率,本文所设计的弧焊电源也同样采用全桥电路,使用移相控制。
  2.5 IGBT开关管及其驱动电路
  绝缘栅双极晶体管简称IGBT,是由MOSFET和晶体管技术结合而成的复合型器件,在开关电源和要求开关快速、低损耗的领域备受青睐。由于工作频率较高,我们选用SIEMENS的BSM50GD120DLC型IGBT开关管。由于此电路的开关频率高达100KHZ,一般通用的IGBT集成驱动电路频率都不能满足。因此要采用高速响应的零部件来实现IGBT的驱动。同时为了实现控制电路与功率电路的隔离,设计上采用光电耦合器和高速MOSFET管组成的TTL电路组合驱动IGBT。我们选用的是FAICHD公司出品的HCPL2630,其最高工作频率可以达到10MHZ,它的响应速度可以适应目前100KHZ的电路开关频率。UC3895的输出信号电压非常小,高电平输出时的电压值的典型值只有250mA,低电平输出的电压的典型值却也有150mV。因此其输出信号需要放大后才能驱动光耦。由于电路工作频率高,设计上选用ST的LM119高速比较器。
  2.6 过电流保护电路
  一个可靠的弧焊电源要求有能力在短路的时候限制电流,在开路的时候限制电压。为了避免焊枪在工作过程中产生过大的电流,设计上采用电流互感器对功率电路的电流进行取样检测,根据取样检测的结果调整占空比来限流。
  2.7 辅助引弧电路的设计
  弧焊电源的负载是电弧。理想的引弧是一个开始阶段电流迅速增加直到点燃电弧的过程。要形成符合焊接要求的电弧,弧焊电源要满足以较大的短路电流和较高的空载电压,起弧是电流越大,空载电压越高,越容易起弧。焊机的起弧难易度是焊机性能的主要参数之一,能否方便起弧决定了焊机性能的优劣;起弧的难易也直接影响焊接的效果。
  结束语
  逆变电源有体积小、重量轻、噪声低、效率高等特点,在国际上, IGBT逆变电源已经广泛应用做各种大型设备的电源,随着电力电子器件的发展,逆变电源一定有更广阔的发展空间。
  参考文献
  [1]李爱文,张承慧.现代逆变技术及其应用
  [2]新型弧焊电源及其智能控制.机械工业出版社.
  [3]齐铂金,李玉池,辛军.大功率全桥式IGBT逆变焊机及其控制.

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