三相交流1 140 V/660 V 自適應(yīng)直流逆變弧焊機(jī)的原理分析

史永輝，祝大焦，劉懷蓮

（棗礦集團(tuán)供電工程處，山東 棗莊 277000）

1 1 140 V/660 V 電焊機(jī)原理分析

1.1 電焊機(jī)工作原理

目前，在1140 V 電壓電源上還沒(méi)有正式的逆變焊接電源產(chǎn)品，針對(duì)使用該電源的用戶，研發(fā)設(shè)計(jì)專用電壓等級(jí)的逆變焊接電源，滿足用戶在1 140 V 電壓的情況能夠進(jìn)行焊接工作，減少了用戶增加1 140/380 V變壓器及增設(shè)380 V 供電線路的困擾。

該機(jī)具有良好的電氣性能，如恒流輸出，使輸出電弧平穩(wěn)；動(dòng)態(tài)反應(yīng)快、對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)具有自動(dòng)補(bǔ)償作用；精確的無(wú)級(jí)電流預(yù)設(shè)定，數(shù)顯表顯示；焊機(jī)設(shè)有推力、弧長(zhǎng)、熱起弧、焊條防粘等功能。

逆變焊機(jī)的原理是將三相380 V 電源進(jìn)行整流濾波形成平穩(wěn)的直流，經(jīng)過(guò)IGBT 逆變形成高頻的電源，再經(jīng)過(guò)中頻變壓器降壓升流，最后整流形成直流供焊接。在逆變環(huán)節(jié)采用PWM 控制IGBT 的通斷而進(jìn)行電流調(diào)節(jié)[1]。

逆變焊機(jī)各模塊構(gòu)成如圖1 所示。

本焊機(jī)具有如下特點(diǎn)：

（1）采用了串聯(lián)降壓的方式重新構(gòu)建整流橋堆；

（2）結(jié)合IGBT 的分壓特點(diǎn)，及1140 V 的電壓等級(jí)采用串聯(lián)分壓的方式構(gòu)成逆變器件；

（3）濾波回路由原來(lái)的電解電容濾波改為無(wú)極性電容的濾波方式，提高了功率因數(shù)；

（4）驅(qū)動(dòng)方式由原來(lái)的驅(qū)動(dòng)板直接驅(qū)動(dòng)改為負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)。

圖1 電焊機(jī)各模塊構(gòu)成圖

2 逆變焊機(jī)中常用的主電路結(jié)構(gòu)形式分析

2.1 單端正激式電路

許多小功率逆變焊機(jī)主電路采用單端正激電路，電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 單端正激電路

此電路的特點(diǎn)是電路中僅有一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，電路簡(jiǎn)單，功率開(kāi)關(guān)器件不會(huì)發(fā)生直通現(xiàn)象，易于保護(hù)，但功率變壓器工作于一個(gè)象限中，利用率較低，功率容量不易做大，鉗位繞組的漏抗會(huì)在功率開(kāi)關(guān)器件上引起較高的電壓尖峰[2]。

圖3 橋式逆變電路

2.2 橋式電路

橋式逆變電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

橋式逆變電路由4個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件和變壓器組成，每個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件中的電流相比半橋式電路都減少一半，可以做成較大功率的逆變焊接電源，輸出400 A以上的焊接電源基本上采用了這種電路結(jié)構(gòu)。

3 電焊機(jī)控制分析

逆變電焊機(jī)是隨著電力電子技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，總的控制方式采用了脈沖寬度調(diào)節(jié)PWM 技術(shù)，控制逆變后波形的占空比，從而改變輸出電流大小的控制。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管基極或MOS 管柵極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS 管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。

PWM 控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)[3]。

對(duì)于控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性保護(hù)是電焊機(jī)可靠工作的必要保證。該保護(hù)具有反應(yīng)快，在保護(hù)動(dòng)作后，電焊機(jī)即可停止工作。

3.1 電流調(diào)節(jié)原理分析

該弧焊機(jī)，有開(kāi)始的調(diào)節(jié)電流電壓給定Ug，推力電流給定Ut，電壓反饋信號(hào)U0，構(gòu)成電流的初始調(diào)節(jié)信號(hào)Ua。其相加的數(shù)學(xué)模型為Ua=K1Ug+K2Ut+K3U0。其中的參數(shù)K1、K2、K3由電路參數(shù)決定。當(dāng)合成的信號(hào)經(jīng)過(guò)PI 放大延遲后換相后，生成信號(hào)Ug1，與反饋的電流信號(hào)(經(jīng)過(guò)分流器轉(zhuǎn)換為的電壓信號(hào))Ui相加后，再經(jīng)過(guò)PI 延遲生成PWM 的輸入信號(hào)U2。其相加的數(shù)學(xué)模型為U2=k4Ug1+k5Ui。其中的參數(shù)k4、k5電路參數(shù)決定。

3.2 電流顯示電路原理分析

取得電流調(diào)節(jié)電壓給定Ug1，調(diào)節(jié)最小電流給定電壓Ux，最大電流調(diào)節(jié)給定電壓Ud，構(gòu)成電流顯示信號(hào)U3。其相加的數(shù)學(xué)模型為U3=k6Ug1+k7Ux。其中的參數(shù)k6、k7由電路參數(shù)決定。當(dāng)合成的信號(hào)經(jīng)過(guò)PI 放大延遲后換相后，生成信號(hào)Ug2，與最大電流調(diào)節(jié)信號(hào)相加后，再經(jīng)過(guò)PI 延遲生成電流表顯示的輸入信號(hào)U4。其相加的數(shù)學(xué)模型為U4=k8Ug2+k9Ud。其中的參數(shù)k8、k9電路參數(shù)決定。

3.3 電壓反饋回路原理分析

電壓反饋回路是直接從電焊機(jī)的輸出端取電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波，電阻分壓，穩(wěn)壓后，輸入由二個(gè)運(yùn)放比較器構(gòu)成的比較電路，每個(gè)比較器都有各自的參考電壓。推力軟開(kāi)關(guān)控制，當(dāng)反饋的電壓信號(hào)大于5.9 V時(shí)，此電路輸出低電平，將軟開(kāi)關(guān)關(guān)斷。防粘回路控制，當(dāng)反饋信號(hào)小于3.54 V 時(shí)，將電流給定信號(hào)拉低。

3.4 驅(qū)動(dòng)電路原理分析

電焊機(jī)的驅(qū)動(dòng)板采用單端正激電路加電路轉(zhuǎn)換的工作方式，用PWM 兩個(gè)通道的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET），產(chǎn)生兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)隔離變壓器后傳給下級(jí)變換電路，隔離變壓器變比為1:1:1。由于PWM 的兩個(gè)通道的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相差4 μs，又由于每個(gè)隔離變的二個(gè)二次線圈都是相同繞指方向，因此只是時(shí)間上相差4 μs。

4 結(jié)論

本文介紹了一種在1 140 V/660 V 電壓電源逆變焊機(jī)的原理，該焊機(jī)適應(yīng)于煤礦專用電壓等級(jí)。從1 140 V/660 V 電焊機(jī)的整體機(jī)構(gòu)入手，通過(guò)介紹電焊機(jī)主電路工作形式、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路的工作原理，對(duì)該電壓等級(jí)下的電焊機(jī)原理進(jìn)行了分析，能夠解決電焊機(jī)電壓與煤礦電壓等級(jí)不一致的問(wèn)題，為工業(yè)生產(chǎn)做出貢獻(xiàn)。