《弧焊电源及其数字化控制 教学课件 ppt 作者 黄石生 第6章 弧焊逆变器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《弧焊电源及其数字化控制 教学课件 ppt 作者 黄石生 第6章 弧焊逆变器（152页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第6章 弧焊逆变器,6.1 弧焊逆变器概述 6.2 晶闸管式弧焊逆变器 6.3 晶体管式弧焊逆变器 6.4 场效应管式弧焊逆变器 6.5 IGBT式弧焊逆变器 6.6 软开关型弧焊逆变器,内宾提要,主要介绍弧焊逆变器基本组成、基本原理、逆变主电路及其控制驱动、反馈电路、外特性、调节特性，以及动态特性的获得基本方法、特点、分类和应用。晶闸管式、晶体管式、场效应管式、IGBT式弧焊逆变器，在结构、工作原理上的共性和个性，并以愈来愈多应用的硬、软开关型IGBT式弧焊逆变器为重点，同时还介绍这类弧焊电源获得多功能用途的方法，以及如何通过多种外特性的切换来获得脉冲电流和多种脉冲波形、多参数的变换及矩形波
2、交流等的技术原理。,6.1 弧焊逆变器概述,弧焊逆变器的定义：直流（DC）与交流（AC）之间的变换称为逆变，实现这种变换的装置就称为逆变器，为焊接电弧提供电能，并具有弧焊工艺所要求电气性能的逆变器，被称为弧焊逆变器。 弧焊逆变器的特殊性：焊接的供电对象是特殊的电弧负载，特别是熔化极短路过渡的电弧焊，逆变器要承受剧烈变动着的动负载，工作情况十分复杂 。,6.1.1 弧焊逆变器的主要组成及其作用,主要组成：供电系统；电子功率系统；电子控制系统；给定与反馈电路；焊接电弧等 。 弧焊逆变器的基本组成框图 ：,图6-1 弧焊逆变器主要组成和基本原理框图,6.1.1 弧焊逆变器的主要组成及其作用,由图可见
3、，弧焊逆变器的主要组成及其作用下： 逆变主电路 由供电系统、电子功率系统和焊接电弧组成 。 电子控制系统 对电子功率系统(逆变主电路)提供足够大的、按电弧所需变化规律的开关脉冲信号，驱动逆变主电路的工作 。 反馈与给定系统 它由检测电路(M)、给定电路（G）、比较和放大电路（N）等组成。与电子控制系统一起，实现对弧焊逆变器的闭环控制，并使它获得所需的外特性和动特性。,6.1.2 弧焊逆变器的基本原理,弧焊逆变器的基本原理可以概括于如图6-1所示的框图。 在供电系统中，单相（或三相）50Hz或60Hz的交流网路电压单相220V（或三相380V），经输入整流器（URl）整流和滤波器（LC1）滤波之
4、后，获得逆变主电路所需的平滑直流电压单相整流约310V（或三相整流约为520V）。该直流电压在电子功率系统中经逆变主电路的大功率开关电子器件(晶闸管、晶体管、场效应管或IGBT)组Q的交替开关作用，变成几千至二十万赫兹的中频高压电，再经高(中)频变压器（T）降至适合于焊接的几十伏低电压，并借助于电子控制系统的控制驱动电路和给定与反馈电路(M、G、N等组成)，以及焊接回路的阻抗，获得弧焊工艺所需的外特性和动特性。如果需要采用直流电进行焊接，还需经输出整流器UR2整流和经电抗器L2、电容器C2的滤波，把高(中)频交流变换成为直流输出。,6.1.2 弧焊逆变器的基本原理,弧焊逆变器的变流过程可以简单
5、叙述为： 工频交流（AC） 直流（DC） 高、中频交流（AC） 降压 交流（AC） 并再次变成直流（DC） 弧焊逆变器中可采用三种逆变体制 ： 1) ACDCAC 2) ACDCACDC 3) ACDCACDCAC (矩形波交流),6.1.3 弧焊逆变器的输出电气特性,为了满足弧焊工艺的要求，弧焊逆变器输出电气特性(性能)，必须具有相应的适应性。电气特性主要包括外特性、调节性能和动特性。,6.1.3.1 弧焊逆变器的外特性,弧焊逆变器是利用电子控制系统和电流电压反馈对电子功率系统(逆变器)进行闭环控制，来获得不同外特性曲线形状的。 根据弧焊逆变器的基本原理框图(图6-1)，就可以用框图和方程式
6、来描绘弧焊逆变器闭环控制系统，如图6-2所示。,图6-2 弧焊逆变器闭环控制系统示意图,6.1.3.1 弧焊逆变器的外特性,该闭环控制系统的平衡关系建立如下：图中有电弧电压（ ）负反馈，输出电压经电压采样环节(常用电位器分压)得到与其成正比的反馈量m 。还有电弧电流（ ）负反馈，输出电流经电流采样环节(常用分流器或霍尔元件)得到与其成正比的反馈量n 。m 和n 又分别经过比较放大环节与电弧电压给定量（ ）、电弧电流给定量（ ）比较及放大，于是各自输出K1( m )和K2( n )。最后，经综合、放大得到控制电压（ ），再输入控制驱动电路，以驱动电子功率系统(逆变器)运行。,6.1.3.1 弧焊
7、逆变器的外特性,恒压、恒流及缓降特性的获得： 1恒压特性 2恒流特性 3缓降特性 4恒流加外拖特性,图6-3 弧焊逆变器的外特性 1恒压特性 2恒流特性 3缓降特性 4恒流加外拖特性,6.1.3. 2 弧焊逆变器的调节性能,由弧焊逆变器外特性曲线形成原理可知，对于恒压特性来说给定电压值的大小，决定了输出端电弧电压的大小。也就是说大，也大：反之亦然。如Ugu1 Ugu2 ，外特性曲线由1上移到曲线2，如图6-4a所示，稳定工作点由A1移至A2点。对于恒流特性来说，给定电流的电压值的大小决定了输出焊接电流的大小。也就是说Ugi大，也大，反之亦然。如Ugi1Ugi2，外特性曲线由1右移至曲线2，如图
8、6-4b所示，稳定工作点相应由AI移至A2点。,6.1.3. 2 弧焊逆变器的调节性能,通常，弧焊逆变器不同的类型，采用不同的调节体制来实现对外特性控制和工艺参数的调节。以满足弧焊工艺的不同需求。我们将在不同类型的弧焊逆变器的工作原理中逐一介绍。,图6-4 弧焊逆变器规范调节示意图 a)恒压特性 b)恒流特性,6.1.3. 3 弧焊逆变器的动特性,弧焊逆变器用于有熔滴短路过渡的弧焊工艺时，必须对它的动特性提出严格的要求，而影响MAGCO2焊短路过渡的主要参数是短路电流上升率 ，其大小与焊接回路的时间常数T(TL ，L为焊接回路的等效电感, 为电弧电阻)有着直接的关系。 是随焊接电流大小而变化，
9、不能任意改变；而L可以通过在焊接回路中串入电抗器来改变的。另外，也可通过改变闭环系统的时间常数来改变 。,6.1.3. 3 弧焊逆变器的动特性,在弧焊逆变器中通常是采用如下两个方式改善和控制它的动特性： （1）在焊接回路中串入电抗器 通常，电抗器不仅为了改善动特性而设，而且也有滤波作用。 （2）设计电子电抗器弧焊逆变器 即可以用电子电路来替代带铁心的电抗器，控制 ，这也是其控制性能优越性的又一体现。,6.1.3.4 外特性、调节特性和输出脉冲的控制方式,通常，弧焊逆变器采用三种调节控制方式来实现对外特性控制、调节特性（工艺参数调节）和形成输出脉冲波形。 （1）定脉宽调频率 脉冲电压宽度不变，通
10、过改变逆变器的开关频率来形成外特性曲线形状、调节特性（调节工艺参数大小）和输出脉冲波形。 （2）定频率调脉宽 脉冲电压频率不变，通过改变逆变器开关脉冲的脉宽比(占空比)来形成外特性曲线形状、调节特性（调节工艺参数大小）和输出脉冲波形。 （3）混合调节 是把定脉宽调频率和定频率调脉宽两种体制结合起来调节。,6.1.4 弧焊逆变器主电路基本形式,弧焊逆变器主电路由供电系统、电子功率系统和焊接电弧等组成，如图6-1所示。它工作于中频以上，其负载是焊接电弧，常处于“空载一短路一负载”的频繁变化之中，而且承受高电压，工作条件严酷。其供电系统属一般的电力整流滤波电路，除对它的可靠性和在电子功率系统的逆变启
11、动过程有限流要求外，没有特别要求。而承担功率换流的电子功率系统（简称逆变主电路）的正确设计和制作是整机可靠工作和性能好坏的关键中之关键，必须根据弧焊方法、容量大小、直流输入电压和工作频率等来选择和设计逆变主电路形式和结构。,6.1.4 弧焊逆变器主电路基本形式,几种常用的逆变主电路基本形式，如图6-6所示 。,图6-6 逆变主电路常用的基本形式 a）单端通向式 b）半桥式 c）全桥式 d）并联式,6.1.4 弧焊逆变器主电路基本形式,单端通向逆变主电路 如图6-6a所示，功率开关管(以电子开关符号示意) V1、V2 同时按中频周期性通断，从而把输入的直流电逆变成断续的中频电，经中频变压器T降压
12、、快速二极管VD1整流、电感滤波，向电弧输出直流电。两个开关管同时承受输入电压，对耐压要求较低，适用于中小功率的逆变器。,6.1.4 弧焊逆变器主电路基本形式,半桥式逆变主电路 如图6-6b所示，输入的直流电压被两组电解电容器、平分，串联的两个功率开关管V1、V2 轮流通断，形成矩形波交流电。经T降压，VD1、VD2的全波整流，输出直流电。VD1、VD2必须选用承受双倍输出电压幅值的快速二极管。V1、V2只承受 ，对管子的耐压要求较低。,6.1.4 弧焊逆变器主电路基本形式,全桥式逆变主电路 如图6-6c所示，由对边桥臂的两对功率开关管V1、V4和V2、V3按中频周期性轮流通断，其余工作情况与
13、半桥式相同。功率开关管亦只承受，适合于中大功率的焊接需求。 并联式逆变主电路 如图6-6d所示 ，这种主电路也称为推挽式逆变主电路。功率开关管V1和V2按中频周期性轮流通断，经T降压，VD1、VD2全波整流，输出直流电。开关管承受两倍以上，对耐压要求很高。一般只用于晶闸管式逆变器。,6.1.5 弧焊逆变器控制、驱动电路,弧焊逆变器的电子控制系统，实际上包括电子控制电路与驱动电路。它们是实现弧焊逆变器电气性能的另一重要组成部分。因而，有必要深入了解对它的功能要求和如何更好实现这些要求。,6.1.5.1 电子控制电路的基本功能要求,电子控制电路的作用在于，向弧焊逆变器驱动电路提供一对前后沿陡峭、相
14、位差180、对称和宽度可变或相位可移动的矩形脉冲列(除晶闸管逆变器之外)。有的逆变器，如半桥式、全桥式等，要求脉冲列彼此绝缘。对于单端逆变主电路而言只要一组脉冲。通过成对脉冲电压的有和无、脉冲的窄和宽、脉冲宽度的变化量或改变脉冲频率或相位，基本脉宽和最小脉宽以及从最小脉宽增大到额定脉宽的速度，从最小脉冲频率到额定脉冲频率等的关系来实现设计目标。,6.1.5.1 电子控制电路的基本功能要求,更具体地说，控制电路必须具备如下的基本功能： 1）驱动电路提供前后沿陡峭、相位差180、对称的脉冲列。根据逆变器类型不同和调节体制的不同，要求脉冲宽度可变，或频率可调。 2）有足够的电路增益，在输入电网电压和
15、负载电流允许的变化范围内使弧焊逆变器输出电压、电流达到规定的精度。 3）获得规定的输出电压、电流调节范围。 4）实现输入、输出电压的软启动。 5）应能输出弧焊工艺所要求的电气性能(外特性、调节特性、动特性和波形)。 6）负载功率(含电弧电压和电流)超过额定值时，应能自动限制输出功率或切断主电路供电电源。,6.1.5.1 电子控制电路的基本功能要求,7）一般场合下都要求控制电路能实现输出和反馈输入之间的电隔离、绝缘。 8）按设计的次序接通和关断主电路电源、控制电路电源。 9）在机器人焊接、半自动与自动焊接时，操作者远离弧焊逆变器，需使用遥控盒来操作逆变器的工作。 10）设置有与外围设备有联系的强
16、、弱电接口。 11）其他功能： a.对于桥式或推挽式逆变主电路，要求控制电路能在两个半工作周期出现不对称时具有能自动加以平衡的功能。 b.温度监视(大功率开关管、高频变压器等关键部件的温度监视)。 c.对限流、过载、缺相等状态的警告和指示等，必要时也应给予考虑。,6.1.5.2 驱动电路的基本功能要求,由控制电路提供的脉冲控制信号一定要具有足够大的功率，而且由于开关管的类型、型号、容量不同，对驱动脉冲信号的功率大小要求也不同。逆变主电路型式不同，对驱动脉冲信号还有不同的隔离要求，例如全桥式、半桥式逆变主电路中位于高和低电位的开关管，其驱动脉冲信号必须进行可靠的隔离。,6.1.5.2 驱动电路的基本功能要求,晶闸管类和晶体管类逆变器的驱动电路有着不同的特点和要求。 对晶闸管类逆变器驱动电路的要求 1）触发脉冲信号应有足够的功率(电压和电流)。 2）触发脉冲信号应有足
