等離子(水介質(zhì))切焊機(jī)逆變電路的研制

張 凱，周漢義，丁 富，王新豫，古宏剛，王 靜

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料物理與化學(xué)系，安徽合肥 230009;2.中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司，西安 710021;3.合肥健橋醫(yī)療電子有限責(zé)任公司，安徽合肥 230088)

目前市場上的等離子切割機(jī)或焊機(jī)的等離子弧通常是使用空氣或工業(yè)氣體為介質(zhì)電離獲得的。其在使用時(shí)必須有輔助設(shè)備如空壓機(jī)或氣瓶等，這些氣體高溫電離分解后會(huì)產(chǎn)生臭氧及氮氧化物，對環(huán)境和操作人員的健康影響較大。所以在操作時(shí)需安裝排風(fēng)系統(tǒng)以及大量輔助設(shè)備，限制其便攜性。

水介質(zhì)等離子切焊機(jī)的工作原理如下:在打開電源開始工作后噴槍水箱里的水在噴槍正負(fù)極之間電解，同時(shí)電解產(chǎn)生的高溫使附近的水化形成水蒸氣，在氣壓作用下向噴嘴運(yùn)動(dòng)。噴槍里的正負(fù)極瞬間接通和斷開時(shí)噴槍的正負(fù)極之間會(huì)引弧，然后調(diào)整噴槍使正負(fù)之間處于某一個(gè)電壓和間距，使電弧處于穩(wěn)定狀態(tài)，電弧在噴嘴附近不斷地電離噴嘴處的水蒸氣產(chǎn)生等離子體，并在水蒸氣的包裹下高速從噴嘴射出形成等離子束［1］。噴射出的等離子束速度在300 m/s，溫度為8 000℃，可對非燃材料進(jìn)行切割、焊接、熔焊以及其他形式的熱處理加工［2－3］。等離子(水介質(zhì))切焊機(jī)分為主機(jī)和外設(shè)兩大部分。主機(jī)是主體結(jié)構(gòu)為大功率逆變電源，內(nèi)部分3個(gè)部分:(1)電源板。(2)控制板。(3)功率板。電源板的功能是將輸入的200 V交流電整流后輸出12 V、－12 V、5 V直流和高頻交流信號，高頻交流信號經(jīng)過控制板上的逆變電路逆變成高頻電壓。然后通過主變壓器升壓達(dá)到約350 V，最后通過功率輸出板的整流以及功率放大后加在噴槍兩極上?？刂瓢宓墓δ芗白饔檬菍Ω唠妷骸⒋箅娏鞯哪孀冞^程進(jìn)行檢測和提供電壓、電流、溫度的保護(hù)。同時(shí)，功率控制和穩(wěn)弧的作用也是在控制板上實(shí)現(xiàn)的，這將是文中討論的重點(diǎn)。

1 逆變電路的功率控制和穩(wěn)弧過程

等離子(水介質(zhì))切焊機(jī)是基于單片機(jī)控制，僅使用220 V的市電就能快捷、穩(wěn)定的產(chǎn)生等離子束。單片機(jī)輸出的控制信號范圍－5～+5 V，而噴槍兩端的電壓范圍約是80～350 V，穩(wěn)定工作的電壓約是170 V，電流為5～6 A。單片機(jī)是通過逆變電路達(dá)到弱電控制強(qiáng)電的目的［4］。等離子切焊機(jī)工作時(shí)需根據(jù)切焊不同的材料來改變功率，另外為達(dá)到所要求的切割深度或焊接牢固度也需要功率的改變和等離子弧的穩(wěn)定。在切割和焊接的過程中被切割或焊接的材料會(huì)成為負(fù)載的一部分，從而導(dǎo)致負(fù)載大小的變化，這樣就需要輸入功率不斷調(diào)整以達(dá)到穩(wěn)弧的目的。此過程由穩(wěn)弧電路檢測反饋給逆變電路，通過逆變電路完成穩(wěn)弧過程。圖1表示逆變電路的穩(wěn)弧過程。

電路的穩(wěn)弧過程首先是由PWM脈沖寬度控制芯片組成的脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生兩組波形:一種是由5腳產(chǎn)生的三角波;另一種是由10腳產(chǎn)生的方波。該脈沖寬度控制芯片的3腳稱為補(bǔ)償腳，接上由穩(wěn)弧電路反饋的－5～0 V的控制電壓Vx。三角波需要工作在特定頻率下，此頻率通過PWM芯片5腳的外接電阻和電容的大小來設(shè)定。三角波的頻率和相位不會(huì)隨Vx變化，三角波通過非門產(chǎn)生的方波的頻率同樣不會(huì)隨Vx變化。但10腳產(chǎn)生的方波通過整形后的方波的占空比是隨Vx變化的。這兩個(gè)信號經(jīng)過整形、放大后就作為控制信號接入逆變電路中［5］。便可通過改變兩組方波之間的相位關(guān)系來改變負(fù)載的功率，這種通過相位控制輸出功率的輸出方法叫做脈寬控制。脈寬控制指工作頻率不變，通過改變功率開關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間來改變占空比從而改變負(fù)載功率。在穩(wěn)弧電路提供的電壓反饋下，穩(wěn)弧電路不斷調(diào)整兩波形的相位關(guān)系從而做到負(fù)載電流不隨負(fù)載電壓和負(fù)載電阻的變化而變化［6］從而達(dá)到穩(wěn)弧的目的。逆變電路產(chǎn)生的交流電最后經(jīng)過主變壓器的功率放大后加在負(fù)載上，這樣逆變電路就完成整個(gè)負(fù)載的輸出過程。

圖1 逆變電路穩(wěn)弧過程

2 逆變電路的構(gòu)成

逆變電路開關(guān)管采用4個(gè)絕緣柵雙極晶體管構(gòu)成的推挽電路。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的開通和關(guān)斷受柵極控制，對驅(qū)動(dòng)電路有較為嚴(yán)格的要求，驅(qū)動(dòng)電路性能的優(yōu)劣是逆變電路能否可靠工作的前提［7－8］。逆變電路整形電路如圖2所示。需要注意的是，因?yàn)檎髌陂g器件都是工作在高頻下，所以器件需采用能夠高速響應(yīng)的產(chǎn)品。如果不能高速響應(yīng)就會(huì)使控制波形的變形，從而造成器件過熱容易燒毀。脈沖控制芯片產(chǎn)生的三角波經(jīng)過非門變成方波加在D觸發(fā)器的CLK端，方波通過非門仍為方波，但方波較波形整齊。而從單片機(jī)過來的主變壓器控制信號分別加到兩個(gè)D觸發(fā)器的D端，如圖2所示。D觸發(fā)器信號在CLK上升沿時(shí)變化，分別輸出兩組四只方波。脈沖控制芯片3腳的Vx是從噴槍過流保護(hù)信號放大電路即穩(wěn)弧電路，其可以通過Vx的變化改變脈沖控制芯片方波的相位，即表現(xiàn)為由兩個(gè)D觸發(fā)器產(chǎn)生兩組有相位差的方波，從而使后面控制4個(gè)兩兩串聯(lián)的IGBT的控制信號也有相位差。只有兩個(gè)方波都在高電平，即如圖3所示的兩方波重疊的陰影部分，開關(guān)管在通路的狀態(tài)時(shí)負(fù)載工作。其便可通過控制導(dǎo)通的時(shí)間來控制負(fù)載的功率以達(dá)到穩(wěn)流的目的。接下來的逆變過程如圖4所示。兩個(gè)D觸發(fā)器產(chǎn)生的4只方波經(jīng)過高速功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器的放大、濾波作用后分別加在由4個(gè)功率場效應(yīng)管組成的共源極一級電壓放大電路上，輸出電壓和輸入電壓相位反相。然后加在由驅(qū)動(dòng)變壓器組成的二級放大電路上，驅(qū)動(dòng)變壓器一方面具有放大功率的作用，另一方面又具有濾去方波尖峰的作用。接著方波在通過由4個(gè)功率場效應(yīng)管組成共源極三級放大電路，波形整形后去控制4個(gè)兩組絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。4個(gè)兩兩串聯(lián)的IGBT在同樣兩對4個(gè)控制方波的作用下導(dǎo)通和關(guān)斷，最后輸入功率加載在負(fù)載上使噴槍穩(wěn)定工作。

圖4 逆變電路的構(gòu)成

3 實(shí)驗(yàn)和結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)中利用滑動(dòng)變阻器代替負(fù)載，接上由電源板提供的電源使逆變電路的芯片正常工作，由外部大功率直流電源作為逆變對象輸入電壓，逆變電路的VPN是從IGBT兩端出來的電壓，也就是加在噴槍的上的電壓。在測試某個(gè)Vx(某特定工作功率)值下負(fù)載變化以及輸入電壓變化下逆變電路穩(wěn)流的作用。保持Vs=－2.4 V不變，讓輸入電壓V變化6個(gè)檔:10 V、20 V、30 V、40 V、50 V、60 V。并在每個(gè)檔下保持輸入電壓V不變，這時(shí)改變負(fù)載電阻R，也就是6個(gè)檔位:5.5Ω、4.4Ω、3.3Ω、2.2Ω、1.1Ω、0.55Ω。在每個(gè)檔下記錄下負(fù)載電流IR和負(fù)載輸入電壓VPN的值，如表1所示。

表1 Vs=－2.4 V時(shí)負(fù)載輸入電壓V PN變化 V

表1為設(shè)定電壓Vs=－2.4 V保持不變時(shí)，改變輸入電壓V和負(fù)載電阻R時(shí)負(fù)載輸入電壓VPN的變化，觀察變種負(fù)載輸入電壓VPN的變化得出結(jié)論:電阻變化或定輸入電壓變化都會(huì)引起負(fù)載輸入電壓VPN的變化。記錄此刻電路中變化電流的變化如表2所示。

表2 Vs=－2.4 V時(shí)負(fù)載電流IR變化 A

從表2得出結(jié)論:在不變的設(shè)定電壓和不變的輸入電壓V下，不論負(fù)載電阻或負(fù)載輸入電壓如何變化，負(fù)載電流都很穩(wěn)定，基本保持不變。并且輸入電壓越大，負(fù)載電流的這種穩(wěn)定程度越高。

測試Vs=－3.0 V時(shí)，負(fù)載輸入電壓VPN和負(fù)載電流IR的變化，如表3所列。

表3 Vs=－3.0 V時(shí)負(fù)載輸入電壓V PN變化 V

從表3看出，負(fù)載輸入電壓的變化規(guī)律和Vs=－2.4 V時(shí)基本一樣，且波動(dòng)著的，負(fù)載電阻、輸入電壓任何一個(gè)改變都會(huì)引起VPN的變化。電流變化如表4所示。

表4 Vs=－3.0 V時(shí)負(fù)載電流IR變化 A

從表4中看出，負(fù)載電流較穩(wěn)定，從而得出結(jié)論:負(fù)載電流只受設(shè)定電壓Vs的控制，不會(huì)因?yàn)檩斎腚妷汉拓?fù)載的變化而變化。

表1～表4的數(shù)據(jù)表明，本次設(shè)計(jì)的成功，效果較好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)載電流只受設(shè)定電壓Vs控制，并不受負(fù)載電阻變化和負(fù)載輸入電壓變化的影響，從而滿足功能需求，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)。

［1］孟英謙，鮑家銘，胡繩蓀.不同介質(zhì)水蒸氣等離子弧特征［J］.焊接學(xué)報(bào)，2004，25(2):5 －8.

［2］李德元，韓海玲，董曉強(qiáng).等.離子槍體噴嘴結(jié)構(gòu)和尺寸對電弧能量的影響［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(2):126－130.

［3］丁強(qiáng)，苗則層，鮑云杰，等.離子切割機(jī)引弧方式研究［J］.電焊機(jī)，2010，40(9):43 －45.

［4］楊文杰，陳雪琴.新型等離子弧切割程控電路的設(shè)計(jì)［J］.焊接，1997(12):11－13.

［4］陳潔.基于推挽式結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2009，38(4):170 －173.

［6］袁敘平.脈寬控制器開關(guān)穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)［J］.科技信息，2009(22):299－300.

［7］劉力濤.IGBT驅(qū)動(dòng)電路研究［J］.電焊機(jī)，2011，41(6):83－85.

［8］張軍，卞清.基于IGBT的逆變器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011(3):103－105.