逆變式中頻點(diǎn)焊機(jī)原理簡(jiǎn)述

尹建平

【摘要】本文所介紹的點(diǎn)焊機(jī)控制器將調(diào)壓，儲(chǔ)能，逆變和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)使其具有焊接性能良好;電流調(diào)節(jié)范圍寬;焊接中對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊;控制器成本不高等特點(diǎn)，文中重點(diǎn)介紹了逆變部分的工作原理。

【關(guān)鍵詞】調(diào)壓;儲(chǔ)能;逆變;恒流

1.前言

本文介紹了調(diào)壓儲(chǔ)能逆變式中頻點(diǎn)焊機(jī)控制器。該控制器將調(diào)壓，儲(chǔ)能，逆變和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，除了具備焊接牢固，不炸火（無(wú)飛濺）基本要求外，還有以下特點(diǎn)：對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊，無(wú)污染;控制器價(jià)格較低（不須價(jià)高的大電流肖特基整流器）;電流調(diào)節(jié)范圍寬;該控制器特別適合焊接燈絲等精細(xì)物件和在供電容量不大的非工業(yè)區(qū)使用。

2.系統(tǒng)組成焊機(jī)主要部分組成

2.1 整流濾波部份，由二極管D1-D4及電容C1組成，其功能為將220V交流變?yōu)橹绷麟妷篣1。

2.2 斬波，調(diào)壓，儲(chǔ)能部份：由IGBT（絕緣柵雙極晶體管）S1，D5，L，D6，C2及電壓反饋組成，其功能為將直流電壓U1調(diào)至所需直流電壓U2并存儲(chǔ)在電容C2中。

2.3 逆變部份，由IGBT 管SA，SB，SC，SD，變壓器T及電流反饋單元組成。其功能為將直流電壓U2變?yōu)?00HZ的恒流中頻交流電并由T輸出。

2.4 計(jì)算機(jī)控制，鍵盤(pán)，顯示，電源部份：由單片計(jì)算機(jī)及相關(guān)電路組成，為整機(jī)的控制中心。負(fù)責(zé)各種參數(shù)輸入，顯示，儲(chǔ)能電壓調(diào)節(jié)，逆變頻率，輸出電流控制，過(guò)流保護(hù)等。電源部分提供上面所需的各種電壓。

2.5 基本工作過(guò)程（見(jiàn)圖1）。計(jì)算機(jī)接收到焊接信號(hào)后，進(jìn)入電流輸出程序，將儲(chǔ)能電容C2上的電能轉(zhuǎn)換為具有恒流特性的中頻電流輸出，進(jìn)行焊接。在整個(gè)程序運(yùn)行中，只要儲(chǔ)能電容C2上的電壓低于設(shè)定電壓，斬波調(diào)壓部分就開(kāi)始工作給C2充電，達(dá)到設(shè)定電壓后，自動(dòng)停止。

3.控制器主要部分工作原理

3.1 斬波調(diào)壓，該部分的功能為將直流電壓U1調(diào)至所設(shè)定直流電壓U2并存儲(chǔ)在電容C2中。當(dāng)計(jì)算機(jī)檢測(cè)到儲(chǔ)能電壓U2低于設(shè)定直流電壓時(shí)，輸出脈沖串使S1導(dǎo)通給C2充電，達(dá)到設(shè)定電壓后，停止工作。圖中電感L用于限流。二極管D5用于在S1的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)提供續(xù)流通路。（實(shí)際應(yīng)用中，焊接電流800A，焊接時(shí)間15MS時(shí)，C2上電壓波動(dòng)為20V，充電時(shí)間小于1秒。）此環(huán)節(jié)的限流延時(shí)充電，將點(diǎn)焊時(shí)電源輸入端的數(shù)十安培脈沖大電流變成了僅幾安培的平穩(wěn)電流，減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和污染，并大大的擴(kuò)展了輸出電流的調(diào)節(jié)范圍。

3.2 逆變輸出部份，該部分的功能為將直流電壓U2變?yōu)?00HZ的恒流中頻交流電輸出。本逆變橋與標(biāo)準(zhǔn)的逆變橋的工作原理類似，但整個(gè)逆變橋的控制過(guò)程卻有較大不同。輸出電流的恒定采用PWM方式而不是標(biāo)準(zhǔn)逆變橋所采用的控制逆變橋?qū)蔷€上IGBT導(dǎo)通的時(shí)間差（移相角）的方式。在整個(gè)正半波電流輸出期間，逆變橋中只有SA一個(gè)器件重復(fù)進(jìn)行導(dǎo)通，關(guān)閉工作，橋臂另一器件SD一直導(dǎo)通。在整個(gè)負(fù)半波電流輸出期間，逆變橋中只有SC一個(gè)器件重復(fù)進(jìn)行導(dǎo)通，關(guān)閉工作，橋臂另一器件SB一直導(dǎo)通。電流輸出其間，程序以100US為周期反復(fù)對(duì)輸出電流的大小進(jìn)行檢測(cè)，比較，運(yùn)算，并將結(jié)果傳送到PWM相應(yīng)單元。當(dāng)輸出電流比設(shè)定電流大時(shí)，PWM輸出脈沖信號(hào)變窄。該信號(hào)使橋臂導(dǎo)通的時(shí)間變短（關(guān)斷時(shí)間加長(zhǎng)），從而使輸出電流幅度降低。當(dāng)輸出電流比設(shè)定電流小時(shí)，PWM輸出脈沖信號(hào)變寬。該信號(hào)使橋臂導(dǎo)通的時(shí)間變長(zhǎng)（關(guān)斷時(shí)間縮短），從而使輸出電流幅度增大。

逆變橋框圖見(jiàn)圖1，輸出電流波形見(jiàn)圖2，工作原理（控制過(guò)程）如下：

正半波電流輸出過(guò)程：

A.進(jìn)入正半波電流輸出程序，啟動(dòng)定時(shí)器1計(jì)算半個(gè)輸出周期的時(shí)間;啟動(dòng)輸出電流的檢測(cè)運(yùn)算程序，并將結(jié)果傳送到PWM相應(yīng)單元;啟動(dòng)PWM以15KHZ頻率自動(dòng)控制SA的導(dǎo)通，關(guān)閉以控制輸出電流的大小;開(kāi)通SD。

B.IGBT管SA開(kāi)通，正半波輸出電流上升的過(guò)程：PWM信號(hào)電平為1，SA開(kāi)通，圖中A點(diǎn)電壓等于U2，B點(diǎn)電壓為0V（SD已預(yù)先開(kāi)通）。電壓U2全部加在變壓器T初級(jí)兩端，T中電流迅速增大，電流從U2，SA，T，SD到地G端，電流在圖中T的方向?yàn)閺南峦希敵稣氩娏鳌?/p>

C.IGBT管SA關(guān)斷，正半波輸出電流下降過(guò)程：PWM信號(hào)0電平到來(lái)時(shí)，SA關(guān)斷，變壓器T中電流因電感作用不能中斷而繼續(xù)從下往上流動(dòng)，該電流使SA的結(jié)電容迅速充電和SB的結(jié)電容迅速放電.從而引起A點(diǎn)電壓快速下降。當(dāng)UA由0V變負(fù)時(shí)，二極管DB導(dǎo)通。輸出電流流動(dòng)回路為：從T上端，SD，G端，DB，回到T下端.此電流由儲(chǔ)存在T的電感中的磁能提供，呈下降狀態(tài)。由于負(fù)載不變，此電流下降的幅度僅取決于SA關(guān)斷的時(shí)間長(zhǎng)短，即PWM脈沖信號(hào)中 0電平的寬度。

當(dāng)PWM脈沖信號(hào)的1電平再次到來(lái)時(shí)，程序回到上面的B過(guò)程。如此循環(huán)，直到整個(gè)正半波輸出電流結(jié)束。

D.輸出正電流反向過(guò)程：定時(shí)器1時(shí)間到，IGBT管SA關(guān)斷。變壓器T中電流因電感作用不能中斷而繼續(xù)在T中從下往上流動(dòng)，該電流使SA的結(jié)電容迅速充電和SB的結(jié)電容迅速放電。從而引起A點(diǎn)電壓快速下降。當(dāng)UA由0V變負(fù)時(shí)，二極管DB導(dǎo)通。并給SB的0壓導(dǎo)通（ZVS）創(chuàng)造了條件，SA關(guān)斷并延時(shí)一死區(qū)時(shí)間后，開(kāi)通SB（由于DB導(dǎo)通，SB的開(kāi)通為ZVS）。此時(shí)輸出電流流動(dòng)回路為：從T上端，SD，G端，DB，回到T下端。再延時(shí)一死區(qū)時(shí)間后，關(guān)斷SD，變壓器T中電流因不能中斷而繼續(xù)在T中從下往上流動(dòng)。該電流使SD的結(jié)電容迅速充電和SC的結(jié)電容迅速放電.從而引起B(yǎng)點(diǎn)電壓快速上升，當(dāng)UB高于U2時(shí)，二極管DC導(dǎo)通。并給SC的ZVS創(chuàng)造了條件。此時(shí)輸出電流流動(dòng)回路為：從T上端，DC，U2端，G端，DB端，回到T下端。此階段也是變壓器T中所儲(chǔ)存能量回饋電源的過(guò)程。由于負(fù)載不變，電流開(kāi)始勻速下降.在關(guān)斷SD一段時(shí)間（死區(qū)時(shí)間）后，使SC ZVS開(kāi)通，此時(shí)輸出電流減小到0并反向后迅速增大。輸出電流流動(dòng)回路為：從U2端，SC，T上端，T下端，SB，到G端。

負(fù)半波電流輸出過(guò)程：

E.進(jìn)入負(fù)半波電流輸出程序，啟動(dòng)定時(shí)器1計(jì)算半個(gè)輸出周期的時(shí)間;啟動(dòng)輸出電流的檢測(cè)運(yùn)算程序，并將結(jié)果傳送到PWM相應(yīng)單元;啟動(dòng)PWM以15KHZ頻率自動(dòng)控制SC的導(dǎo)通，關(guān)閉以控制輸出電流的大小。

F.IGBT管SC，SB開(kāi)通，負(fù)半波輸出電流上升過(guò)程： PWM信號(hào)電平為1， SC開(kāi)通。圖中

B點(diǎn)電壓等于U2，A點(diǎn)電壓為0V.電壓U2全部加在變壓器T初級(jí)兩端，T中電流迅速增大， 電流從U2，SC，T，SB回到地G端，電流在圖中T的方向?yàn)閺纳贤拢敵鲐?fù)半波電流。

G.IGBT管SC關(guān)斷， 負(fù)半波輸出電流下降過(guò)程： PWM信號(hào)0電平到來(lái)時(shí)，SC關(guān)斷，變壓器T中電流因電感作用不能中斷而繼續(xù)從上往下流動(dòng)，該電流使SC的結(jié)電容迅速充電和SD的結(jié)電容迅速放電，從而引起B(yǎng)點(diǎn)電壓快速下降。當(dāng)UB由0V變負(fù)時(shí)，二極管DD導(dǎo)通。輸出電流流動(dòng)回路為：T下端，SB，G，DD，T上端.此電流由儲(chǔ)存在T的電感中的磁能提供，呈下降狀態(tài)。同樣此電流下降的幅度也僅取決于SC關(guān)斷的時(shí)間長(zhǎng)短，即PWM脈沖信號(hào)中 0電平的寬度。

當(dāng)PWM脈沖信號(hào)的1電平再次到來(lái)時(shí)，程序回到上面的F過(guò)程。如此循環(huán)，直到整個(gè)負(fù)半波輸出電流結(jié)束.

H.輸出負(fù)電流反向過(guò)程：定時(shí)器1時(shí)間到，IGBT管SC關(guān)斷。變壓器T中電流因電感作用不能中斷而繼續(xù)在T中從上往下流動(dòng)，該電流使SC的結(jié)電容迅速充電和SD的結(jié)電容迅速放電.從而引起B(yǎng)點(diǎn)電壓快速下降。當(dāng)UB由0V變負(fù)時(shí)，二極管DD導(dǎo)通。并給SD的0壓導(dǎo)通（ZVS）創(chuàng)造了條件.SC關(guān)斷并延時(shí)一死區(qū)時(shí)間后，ZVS開(kāi)通SD。此時(shí)輸出電流流動(dòng)回路為：從T下端，SB，G端，DD，回到T上端。再延時(shí)一死區(qū)時(shí)間后，關(guān)斷SB，變壓器T中電流因電感作用不能中斷而繼續(xù)在T中從上往下流動(dòng)。該電流使SB的結(jié)電容迅速充電和SA的結(jié)電容迅速放電。從而引起A點(diǎn)電壓快速上升，當(dāng)UA高于U2時(shí)，二極管DA導(dǎo)通。并給SA的ZVS創(chuàng)造了條件。此時(shí)輸出電流流動(dòng)回路為：從T下端，DA，U2端，G端，DD端，回到T上端。此電流由儲(chǔ)存在T的電感中的磁能提供。此階段也是變壓器T中儲(chǔ)存能量回饋電源的過(guò)程。由于負(fù)載不變，電流開(kāi)始勻速下降.在關(guān)斷SB一段時(shí)間（死區(qū)時(shí)間）后，使SA 開(kāi)通（ZVS開(kāi)通），此時(shí)輸出電流減小到0并反向后迅速增大。輸出電流流動(dòng)回路為：從U2端，SA，T下端，T上端，SD，到G端。

若輸出時(shí)間未到，程序回到上面的A過(guò)程繼續(xù)循環(huán)，直至輸出完成。

3.3 電流控制軟件，為提高焊接質(zhì)量和消除焊接時(shí)的炸火，在每個(gè)焊接周期前加了電流緩升時(shí)間（即在開(kāi)始焊接前的一段時(shí)間里使電流從0上升到設(shè)定值），此階段的控制由軟件完成。

圖2 輸出電流波形

4.結(jié)論

4.1 本控制器將調(diào)壓，儲(chǔ)能，逆變和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)。使控制器具有了某些實(shí)用的新的特點(diǎn)。文中給出了控制器框圖，介紹了主要部份的基本功能，動(dòng)作原理和輸出電流的波形。重點(diǎn)介紹了逆變部分的工作原理。

4.2 逆變部分中15KHZ的恒流控制，500HZ的中頻電流輸出使本控制器焊接良好而成本又低（與直流焊機(jī)相比，去掉了高價(jià)的大電流肖特基整流器）。

4.3 逆變部分的電流控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，使每個(gè)焊接周期前的電流緩升得以實(shí)現(xiàn)，從而提高了焊接質(zhì)量和大大減少炸火現(xiàn)象。

4.4 調(diào)壓儲(chǔ)能部分使焊接時(shí)對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊，無(wú)污染，也大大減小了電網(wǎng)干擾對(duì)控制器的影響，還使電流調(diào)節(jié)范圍加大，使得控制器特別實(shí)用于電網(wǎng)容量不大的地方。

參考文獻(xiàn)

[1]劉勝利.現(xiàn)代高頻開(kāi)關(guān)電源實(shí)用新技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006.