（机械电子工程专业论文）等离子喷焊设备移相式逆变电源的研制.pdf

山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文基于等离子弧喷焊技术的诸多特点，如等离子弧温度高、焊层冲淡率低以及焊 接材料范围广等优点，结合先进的逆变技术与新型的开关器件绝缘栅型双极晶体管 ( i g b t ) ，采用最新的移相式p w m 软开关控制思想，研制出了用于等离子喷焊设备的移相 式逆变电源。 逆变技术发展至今，由于其可靠的动、静态性和节能性，正在逐步取代传统的电源， 并逐渐向高频率、大功率方向发展。本文在第章论述了逆变技术的基本工作原理及分 类，回顾了逆变技术用于等离子喷焊设备的国内外发展现状，指出了高频化、高容量化 与智能化是其今后的发展趋势。针对目前喷焊逆变电源存在的主功率管开关应力大、整 机损耗大、可靠性低以及对电网造成的污染等缺点，本文提出了用移相式软开关控制技 术来解决这些问题，并在第二章对软开关技术的发展过程作了简单回顾，指出移相控制软 ，f 关技术是目前软开关技术发展的趋势，并详细介绍了两种移相控制的软开关电路拓扑： 零电压( z v s ) 、零电压零电流( z v z c s ) ，重点对本文采用的控制方案移相控制零电压 零电流全桥变换器( f bz v z c sp w m ) 的工作原理、微观变换过程进行了系统的理论分析。 本文在第三章设计了逆变器的主电路结构，分析了i g b t 的特性及其开关过程，详细 介绍了主电路各参数的设计计算，并对等离子喷焊设备不可缺少的辅助电路高频引 弧电路作了详实的分析和设计。作为逆变器的核心，控制电路的正确设计至关重要，在 第四章首先介绍了移相控制芯片( u c 3 8 7 5 ) 的工作原理，并对其外围电路进行设计，然 后对主功率器件i g b t 的驱动电路以及各种保护电路进行了设计。试验结果表明，该弧焊 逆变器具有良好的静态特性和动态特性，具有高效节能、重量轻、体积小、噪音小等特 点，是一种有发展前景的焊接电源。 关键词：等离子弧，逆变电源，绝缘栅双极晶体管，移相，软开关，驱动电路，保 护电路 山东科技犬学硕l 学位论文 摘要 a b s t r a c t t h isp r o j e c tb a s e do nag r e a td e a l o fc h a r a c t e r i s t i c so fp l a s m aa f ts p r a y w e l d i n gt e c h n o l o g y ，f o re x a m p l e ，t h eh i g ht e m p e r a t u r eo fp l a s m aa r c ，t h el o w d i l u ti n gr a t eo fw e l d i n gl a y e ra n dt h ew i d e l yr a n g eo fw e l d i n gm a t e r i a le t c ， c o n n e c t st h ea d v a n c e di n v e r t e rt e c h n o l o g yw i t ht h en e wp o w e rd e v i c e i g b r ， a d o p lst h el a t e s tp h a s es h i f t i n go fp i ns o f ts w i t c hc o n t r o li d e a ，f i h a l l y ，h a v e d e v e o p e dt h i sp h a s es h if t i n gt y p e o fi n v e r t e rp o w e rs y s t e mw o r k i n go np l a s m a a r cs p r a yw e l d i n ge q u i p m e n t b e c a u s eo fi t sr e l l a b i l i t yo fd y n a m i ca n ds t a r i cc h a r a c t e r i s t i ca n d e n e r g y c o n s e r v a t i o n ，i n v e r t e rt e c h n o l o g yi ss u p e r s e d i n gt h et r a d i t i o n a lp o w e r s t e pb ys t e p a n di td e v e l o p st h ed i r e c t i o n so fh i g hf r e q u e n c ya n dh i g h p o w e r g r a d u a i y t h ef i r s tc h a p t e re x p o u n d st h eb a s i sp r i n c i p ea n dc l a s s i f i c a t i o no f t h ei n v e r t e rt e c h n o l o g y ，a n dr e v i e w st h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lc u r r e n t d e v e l o p m e n ts i t u a t i o n ，p o i n t s o u t h i g hf r e q u e n c y ，h i g hc a p a c it y a n d i n t e l l i g e n t i z e d i st h e i rd e v e l o p m e n tt r e n d si nt h ef u t u r e w h i l es o m e d i s a d v a n t a g e sa r ee x i s t e di na c t u a ls p r a yw e l d i n gi n v e r t e rp o w e rs y s t e m ，f o r e x a m p l c ，t h eh e a v ys t r e s so nm a i np o w e rs w i t c h ，b i gl o s sa n dl o wd e p e n d a b i l i t y e t c r ot h e s eq u e s t i o n s ，t h i st e x th a sp r o p o s e ds o l v i n gt h e s ep r o b l e m sb yt h e s o f ts w i t c hc o n t r o lt e c h n o l o g yo fp h a s es h i f t i n g t h e nc h a p t e rt w or e v i e w s h r ie f yt h ee v o l u t i o no ft h et e c h n 0 1 0 9 yo ft h es o f ts w i t c h ，p o i n t so u tt h a tit i st h et e c h n o l o g yo fp h a s es h i f t i n gc o n t r o ls o f ts w i t c ht h a ti st h et e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n tt r e n do ft h es o f t s w i t c ha tp r e s e n t a n dt w ok i n d so ft o p o l o g i c a l s o l 。ts w i t c hc i r c u i ta b o u tp h a s es h i f t i n ga n dc o n t r o l l i n ga r ei n t r o d u c e di nd e t a i l w h oa r ez e r ov o lt a g e ( z v s ) a n dz e r ov o l t a g ez e r oe l e c t r i cc u r r e n t ( z v z c s ) t h e c o n t r o ls c h e m et h i st e x tu s e di sf bz v z c sp i n ，a n dh a sb e e nc a r r i e do ns y s t e m a t i c t h e o r ya n a l y s i st o i t so p e r a t i o np r i n c i p l e ，m i c r o c o s m i cv a r y i n gc o u r s ei n e m p h a s e s 山东科授大学硕士学位论文 摘要 1 h em a i nc i r e u its t r u c t u r eo fi n v e r t e ri sd e s i g n e di nc h a p t e rt h r e e i t a n a l v s e st h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h es w i t e hc o u r s eo fi g b t ，i n t r o d u c e s t h e c a l o u l a t i o nd e s i g n i n go fe v e r yp a r a m e t e ro ft h em a i nc i r c u i ti nd e t a i l ，m a k e s af u a n da c c u r a t ea n a l y s i so nh i g hf r e q u e n c ya r cc i r c u i t ，w h i c h i sa n i n d is p e n s a b l ea u x i l i a r yc i r c u i t a st h ec o r eo fi n v e r t e r ，t h ec o n t r o lc i r c u i t c o r r e c td e s i g n i n gi sv e r ye s s e n t i a a tf i r s ti nc h a p t e rf o u r ，i tr e c o m m e n d st h e o p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ec h i p ( u c 3 8 7 5 ) a n dd e s i g n si t sp e r i p h e r a lc i r c u i t 1 h e n d e s j g n sd r i v ec i r e u i ta n dv a r i o u sk i n d so fp r o t e c t i o nc i r c u i to ft h em a i np o w e r d e v i c e 一一i g b t t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a t t h i sa r c w e l d i n gi n v e r le r p o s s e s s i n gw i t hg o o ds t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a e t e r i s t i c ，e n e r g y e f f i c i e n t ，l i g h t s m a l l ，1 0 wn o is e se t c ，i tisak i n do fw e l d i n gp o w e rw i t hd e v e i o p m e n tp r o s p e c t k e yw o r d s d r i v ec i r c u i t p l a s m aa r c ，i n v e r t e rp o w e r ，i g b t ，p h a s es h i f t i n g ，s o f ts w i t c h p r o t e c t i o nc i r c u i t 山乐科技，：学硕士学位论文 绪论 l 绪论 1 1 引言 等离子喷焊是应用氩气等离子弧作为热源，采用自熔性合金粉末作填充金属的一种 熔敷合金的新技术，是表面硬化或材料保护的新方法。由于它具有熔敷率高、对母材 稀释率低、喷焊层质量和工艺稳定性较好、合金粉末制备简单且使用材料范围广以及容 易实现机械化和自动化操作等优点“。，自2 0 世纪6 0 年代出现以来始终受到关注并开拓 了许多新的应用领域。特别是电力电子技术的发展，新型焊接电源的出现，微机控制系 统的应用，推动了等离子喷焊设备和技术的进一步发展。目前国外已有自动化程度很高 的成套产品问世，而国内仍多采用硅整流电源供电，但它存在体积大、耗材多、效率低 和可控性差的局限性。喷焊过程控制多为接触器继电器控制，可靠性差，工艺稍有改动， 必须重新改变硬件接线，检查维修也较困难。 近年来电力电子技术和计算机技术的发展，为等离子喷焊设备小型化和自动化提供 了可能。逆变电源和计算机控制系统应用于等离子喷焊也是必然趋势。i g b t 作为新型功 率器件，综合了g t r 和m o s f e t 的优点，已有i g b t 逆变电源用于焊接、切割及喷涂，但 未见到有用于等离子喷焊的相关报道。而逆变电源的核心就是高频化，它使得电路中的 电感、电容元件以及变压器的体积和重量大为减小，电路的可靠运行增强，从而使电源 没备小型化、低成本和高可靠性。但是高频化也使得器件的开关损耗大大增加，严重时 使得设备不能正常运行，由此提出了软开关技术。 软开关技术是近年来电力电子学领域中的一个热点，对软开关理论的深入研究以及 软开关技术的广泛应用，使电力电子变换嚣设计出现了革命性变化，也为弧焊逆变器的 向前发展提供了保证，赢接推动了焊接设备的不断更新换代。软开关技术的应用使弧焊 逆变器可以具有更高的效率自身损耗大大降低；更高的功率密度自身体积质量 大大减小；具有更高的可靠性，并有效的减小了电磁污染( e m i ) 和射频干扰( r f i ) ，为发 展新型绿色弧焊电源提供了有效的方式和方法。 根据国内外等离子喷焊设备的发展现状，本文对采用i g b t 逆变电源，并阻先进的移 相式软开关z v z c sp w m 控制方式为核心的等离子喷焊系统进行了研究，力图在整个喷焊 1 东 ? 技大学硕。学位论文 绪论 系统成本不增加的条件下，使整。仁设备的重量和体积大大减小，为等离子喷焊进一步地 。泛应用创造条件。 1 2 等离子喷焊技术 】_ 2 1 等离子弧的形成及其特点 等离子弧，即使用机械或电的压缩以造成收缩的等离子柱，并能把高度集中的热量 传递到小的表面面积的电弧。该电弧可产生于电极与工件间( 转移型弧) 或电极与枪体 i ：的喷嘴间( 非转移型弧) 。按接电的方法不同，等离子弧有如下三种形式”“： 非转移型弧。水冷铜喷嘴接正，钨棒接负，工件不带电。等离子弧建立在钨棒与 铜喷嘴之涮，高温、高速的等离子焰流从喷口射出。见图1 1 ( a ) 。 转移型弧。工件接正，钨棒接负，喷嘴不接电，它仅起对弧进行压缩的作用。等 离子弧建立在钨棒与工件之间。它对工件的加热能力较非转移型弧为高。见图1 1 ( b ) 。 联合型弧。喷嘴、工件均接正，钨棒接负。上述两类型等离子弧同时存在，称联 台型等离子弧。在一般情况下，联合型弧中的非转移弧是作为辅助热源的，转移弧为主。 见图1 】c c ) 。也有使喷嘴与工件之间产生电弧的特殊联合型弧，并可使用交流电接于喷 嘴与工件之间。 ( a )( b ) 图1 1 等离子弧的形式 ( c ) ( a )非转移型孤( b )转移型弧( c )联合型弧 f i g 1 1 f o r mo f t h ep l a s m aa r c ( a ) u n a m b u l a n ta r c( b ) a m b u l a n ta r g( c ) c o m b i n e da r c 些堡竺垫查兰婴：! 兰丝笙苎 一 塑堡 ( 】) 等离子弧的热特性 对于一个热源，头等重要的是它的热特性，包括等离子弧的温度、热功率和热效率。 等离子弧的温度。等离子最引人注目的特点就是温度非常高。典型的等离子弧温 度为卜2 万度。1 9 5 1 年在电弧物理研究中对一个漩涡水流稳定电弧的温度测定，当1 5 0 0 a 的电弧穿过孔径为2 5 m m 的水冷孔道时，测得其温度为5 2 0 0 0 k ，通常认为这是电弧的最 高温度。而熔化的金属极电弧( 例如手弧焊电弧) 温度都不高，一般平均只有5 0 0 0 6 0 0 0 k 。 等离子弧温度高于任何已知材料的熔化温度，甚至高于蒸发温度。对大多数等离子喷焊， 最适合的温度范围大致1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 k 。这样高的温度，用传统方法是难以达到的。等离 子弧的参数可在很大范围内改变，其温度也会在很大范围内变化。但对比等离子弧和其 它弧的温度分布可发现，等离子弧在整个弧拄中都有很高的温度。 等离子弧的热功率。电弧的热功率就是单位时间内电能转变成热能的量，也就是 耗电率。把电弧看作电阻，电弧的热功率为： q = 0 2 4 u ( 卡秒) ( 1 + 1 ) 式中，0 2 4 是电能转变为热能的系数( 卡瓦秒) ；i 是电弧电流( 安) ；u 是电弧电压 ( 伏) 。当等离子弧的热功率与普通焊接电弧电流相同时，它通常有较高的电压，因而具 有较大的热功率。等离子弧的热功率可通过很多规范参数控制调整。除改变电流外，它 的喷嘴直径、长度、气体流量、气体介质成分以及喷嘴几何形状、电极与喷嘴及工件间 相对位覆等都是可调节的工艺参数。 等离子弧的热效率。电能在等离子枪中转变成了热能，但这些热能并没有全部用 于加热工件。在转移弧中，工件得到了6 0 的热能，在非转移弧及联合型弧中工件得到 的热量比例分别为2 5 着u3 5 - 4 0 ，此即等离子弧的热效率。 e o = o 2 4 u ，玎( 卡秒) ( 1 2 ) 式中，n 为等离子弧的热效率。 看上去，等离子弧的热效率要比开放电弧豹热效率低( 金属极开放电弧焊时热效率 约为7 0 8 5 ) ，但是等离子弧的热量很集中，它可以迅速地把工件的加热部位加热到高 温。即加到工件上的那部分热量利用率很高。开放的电弧加到工件上的热量则有相当一 部分散发到工件温度较低的部位上去，热能的利用率低于等离子弧。 等离子弧焰流速度。等离子弧的另一个非常引人注目的特点是通常等离子焰流以 极高的速度从等离子枪的喷嘴喷出。在喷嘴附近，有时这个速度可以接近音速。在一些 场合，喷射速度可以超过音速。等离子弧中，不断送入的工作气体在喷嘴孑l 道中被加热 3 兰查兰：茎查兰竺主兰竺堡三兰堕笙 到很高的温度，体积剧烈膨胀，因而焰流目喷嘴喷出时速度很高( 热力加速) ，流量很大， 具有很大的冲力。焰流速度高，冲击力大的等离子弧称为“刚性弧”：焰流速度小，冲击 力小的弧称为“柔性弧”。通过改变工作气体流量、喷嘴直径可获得“刚性弧”或“柔性 弧”。 等离子弧的电特性。等离子弧的电特性即其伏一安特性，是等离子弧处于稳定工作 状态时，其电压与电流之间的关系。这个关系又称为等离子弧的静特性。普通的焊接电 弧通常具有下降的伏一安特性。即弧长一定时，随电流的增大，而其电压降低。这个变化 趋势与电阻上的电压电流间关系相反。这是由于在电弧中随着电流的增加，弧柱直径也 增加，同时温度也有所提高，结果电弧的电阻减小了，使得电压下降。当电流非常大时， 由于磁收敛效应使弧柱直径的增加受到限制，出现平的或上升的伏一安特性。在等离子弧 。，由于喷嘴限制了弧柱尺寸的增加，造成了其伏一安特性与自由弧的差别。这类差别主 要表现在两方面：一方面，等离子弧通常具有较高的电压；另一方面，等离子弧比较窖 易形成平的和上升的伏一安特性。等离子弧的具体的铰一安特性形状与工作气体的种类 与流量、喷嘴尺寸、电极间距离等因素有关。 等离子弧燃烧的稳定性。在等离子枪串，工作气体沿切线方向送入，气流在管道 m 形成漩涡。漩涡的中心压力最低，弧柱总是力图处于这个压力最低的区域，因而等离 予弧具有较强的方向性且能稳定燃烧。等离子弧还可以在非常小的电流下稳定燃烧( 1 h 以下电流仍能稳定燃烧) ，而普通的钨极氩弧焊在电流低于t 0 a 对，弧柱就漂移，偏离轴 线，不能稳定燃烧。 i 2 2 气稳等离子喷焊原理及特点 气稳等离子喷焊是用气体产生等离子体并稳定等离子弧的等离子喷焊。喷焊原理如 图1 2 所示，由等离子焊枪( 等离子弧发生器) 产生等离子射流( 电弧焰流) ，焊枪的电 极( 阴极) 和喷嘴( 阳极) ，分别接直流电源的负、正极，向焊枪供给工作气体( a ，、n ， 等) ，通过高频火花引燃电弧。电弧将气体加热到很高的温度，使气体电离，在热收缩效 f 五自磁收缩效应和机械压缩效应的作用下，电弧被压缩，产生非转移型等离子弧。高 温等离子气体从喷嘴喷出后，体积迅速膨胀，形成高温高速等离子射流。送粉气流推动 粉末进入等离子射流后，被迅速加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，形成 飞向基材的喷焊粒子束，陆续撞击到经过预处理的基材表面，形成焊层”。 4 。【j 东科技大学硕士学位论文 冷却水 图l _ 2 等离子喷焊原理图 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f p l a s m aa r cs p r a yw e l d i n g 1 2 3 等离子喷焊设备研制的意义 等离子喷焊与其它弧焊方法相比，有以下特点： 喷焊材料范围广，尤其能喷焊难熔材料，以及一些特殊工艺材料。 焊层结合强度高，气孔率低。 惰性气体等离子射流有保护气氛，氢的射流有还原气氛，避免或减少了喷焊粒子 的氧化。 可以较精细的控制工艺参数，制备精细焊层。 由于以上特点，等离子喷焊主要用于制备质量要求较高的耐腐蚀、耐磨、隔热、绝 缘、耐高温和特殊功能焊层，已在航空航天、石油化工、机械制造、钢铁冶金、交通运 输、轻纺、能源、电子和高新技术等领域里应用。 所有这些最终是由等离子设备决定的，它的大功率、高度的稳定性、精确的可控性 与智能化水平，是产生高质量、优良性能焊层的关键。因此，进行等离子设备的研制对 现代焊接工艺水平的发展有着重要的意义。 山彖科 ：j 、学硕 学位论文 1 3 逆变技术 1 3 】逆变技术概述 逆变技术，就是将直流变换成交流的技术，可称之为d c a c 变换。它是利用电力半 导体器件的开关特性，对电能进行控制和转换的一种技术。作为电力电子技术中的一部 分，逆变技术对国民经济的发展起着重要的作用，它的应用范围十分广泛，渗透到各个 瓤域，概括来浇，在以下几个方面得到应用”1 ： 通用逆变器。 各种特殊用途逆变电源。如：整流焊机逆变电源，激光电源，电镀电源等。 交流电机的变频调速。 非工频交流负载。如：感应加热，长波通讯，臭氧发生器等。 列用逆变技术对电能进行变换的设备通常称之为逆变器。逆变器基本上分为单相和 多相两人类，单相逆变器适用于小，中功率。多相逆变器适用于中，大功率，这两大类 义可按f 面特点进行归类： 按输入电源的特点： 电压型( v f i ) ：输入电源为恒压源 电流型( c f i ) ：输入电源为恒流源 谐振环型：谐振交流环和谐振直流环 按电路结构特点： 半桥型 全桥型 推挽式 其它形式 按器件的换流特点： 换流型：互补形式、辅助形式、串联逆变和并联逆变等 自撅流型：采用自关断器件的均属此类 按负载特点： 非谐振式 谐振式 谐振式 生奎型垫查堂堡主兰垒堡苎 堡堡 按输出波形特点： 正弦波 非正弦波 当今，逆变技术的应用已经进入了比较灵活自如地改变频率的阶段，其基本电路的 逆变频率已从早期的几十赫几千赫提高到几十千赫几百千赫，甚至达到兆赫级，而 高压，大电流，高频三者兼备的场控器件的开发成功，将推动着逆变技术向着高容量化 与高频化的方向发展。 1 3 2 逆变的基本工作原理 逆变的基本思想是利用电力电子器件的开关特性，人为地控制其导通与关断的时间， 并采取相应地控制策略，从而获得交流输出。如前所述，根据不同的分类角度，逆变方 式多种多样，从而逆变电路的拓扑结构也复杂多变。以下介绍一种简单的典型的单相桥 式逆变电路以说明逆变的基本原理，单相桥式逆变电路的主电路拓扑结构如图1 3 所示。 图1 3 单相桥式逆变主电路 f i g 1 3s i n g l ep h r i s eb r i d g e di n v e r t e dm a i nc i r c u i t 图1 4 前t 2 时间内电流流向 f i g 1 4 c u r r e n tf l o wd i r e c t i o ni nt h et b r i n e rt 2 控制v 1 、v 2 、v 3 和v 4 的导通与关断时间，便可以在负载上获得交流输出。我们假设负 载为纯阻性负载，工作过程如下：在一个周期r 内，前t 2 时间内，控制v l 和v 4 导通， v 2 和v 3 关断，则电路中电流的流向如图1 4 所示。在后t 2 时间内，控制v 2 和v 3 导 通而v 1 和v 4 截止，则电路中电流的流向如图1 5 所示。电路在一个周期内的工作波形 如图1 6 所示。我们注意到，负载上的电流方向在前t 2 时间与后t 2 的时间内恰恰相 反，这样便将直流逆变为交流。由此可见，逆变就是利用电力电子器件的开关特性，通 山末科技大学硕士学位论文 过控制其导通与关断来获得交流的。 图1 5 后t 2 时间内电流流向 f i g 15 c u r r e n tf l o wd i r e c t i o ni nt h eb a c kt 2 u l 磊习t ，：下厂 。 t r 网厂。 与詈目。 一詈甘e 7 l ：_ 盯r _ j l 图1 6 单相半桥逆变电路一周期内的工作波形 f i g 1 6w o r k i n gw a v e f o r mo ft h es i n g l ep h a s e b r i d g e di n v e r t e dc i r c u i t 1 3 3 逆变式焊接电源相关技术发展 逆变式弧焊电源的发展与电子技术的发展密切相关”。，主要体现在功率开关管、电 路拓扑结构和控制方式上。另外磁性材料的发展也为逆变式弧焊电源的开发提供了有利 条件。为充分利用功率开关器件和集成电路，进一步提高和稳定弧焊逆变式电源的整机 容量和性能，促使人们对弧焊逆变式电源所用的开关器件、电路结构、磁性材料进行精 心选择和更加深入的研究，从而把弧焊逆变技术推向更高的水平。 ( 1 ) 逆变式焊接电源中应用的元器件 逆变器所用元器件主要包括电力半导体器件、磁性元件和容性元件。电力半导体器 件包括功率开关管和整流二极管等；磁性元件有电抗器、变压器等；容性元件主要有保 护电容、谐振电容等。由于逆变主电路工作在高电压和不断“通断”交变的复杂状态下， 且频率较高，因此，关键的逆变元件的选取就愈发显得重要。 在逆变焊接电源的研究过程中，功率电子开关器件的发展起了非常重要的作用，可 以说这是逆变设备中最基本、也是最重要的一环。其性能的优劣直接关系到焊机运行的 可靠性。逆变用的功率开关器件，其发展大致经历了以下几个阶段：7 0 年代开始使用的 开关器件是晶闸管( s c r ) ，8 0 年代初用双极晶体管( b 盯) 和场效应管( m o s f e t ) ，8 0 年代末，由于绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 优越的性能和容量的大幅度提高，已被成功应 用于弧焊电源中。在新型的功率开关器件中静电感应晶体管( s i t ) ，静电感应晶闸管( s i t ) 生查! ! 壁查堂堡主兰竺丝三兰 笙笙 和场控晶闸管( m c t ) 是很有前途的功率开关器件。 对用于弧焊电源的逆变器功率开关器件一般来说有如下要求： 要能耐高压，电流等级大。器件的串、并联并不能给设计和制造带来麻烦： 器件的饱和电压要小，漏电流要小。这可提高逆变器的效率，减少发热量； 允许结温高，可减少散热器尺寸； 开关速度高，可减少整个系统的尺寸和重量。 总之，功率开关器件是逆变器的核心器件，对逆变电源的电路设计、性能有很大的 影响。功率开关器件的不断发展和完善为逆变器的更新换代提供了保证；功率器件的多 样化发展为开发各种容量、特性的逆变焊机提供了丰富的选择。性能好、可靠性高的开 j ；) 乏器件将大大地简化逆变电源的电路设计，解决目前大功率逆变焊机的设计难点，提高 逆变电源的可靠性。从器件的发展趋势来看，晶闸管与晶体管式焊接逆变器将退出市场， 并完全被i g b t 所替代；高频和中、小容量的n o s f e t 逆变电源还具有一定的市场：i g b t 已成为焊接逆变器发展的主流器件。当前，功率开关器件正朝着高压大容量化、集成化、 全控化、高频化和多功能化的方向发展。 ( 2 ) 磁性材料的发展状况 焊接逆变器中使用的磁性器件有许多特点。激磁电流可能是非正弦的，磁化不一+ 定 对称。在某些电路中需加去磁措施。在高频下运行的磁性器件材料、结构、模型设计、 工艺、损耗、发热等多方面的问题，尚需探索研究。在焊接逆变器中，尤其在大功率焊 接逆变器中工作的高频变压器，其漏感、损耗及电路工作时磁化的不对称等，对变压器 的要求很高，加上体积小、结构紧凑，变压器的滠升将是一个很犬的问题。此外，高频 变压器还是个很大的干扰源，其工作状态影响到开关管乃至控制电路的工作状况。磁性 材料的选择要考虑逆变电源的工作频率，结构设计和成本，必须根据具体的情况作出合 理的选择。铁氧体的价格相对较低，制造工艺也较为成熟，是焊接逆变器中应用最广泛 的一种磁性材料。但其饱和磁通密度低，温度特性不好，居里温度低且易碎，制造大规 格的磁芯有一定困难，不适于超高频、超大功率的逆变器。非晶和微晶合金的价格较高， 丽u 型磁芯的磁感应强度大大降低，环形磁芯绕制线圈比较困难，在国内弧焊逆变器中 的应用还较少。在大功率逆变电源的饱和电感、磁缓冲器( 也称尖峰抑制器) 和电流互 感器等体积较小、要求高的场合，从设计和经济的角度考虑，可采用非晶或微晶纳米软 磁材料。非晶材料和微晶纳米材料其电阻率高、温度系数小、矫顽力小、损耗小，是高 j 顷变压器的理想材料。随着非晶和微晶合金性能的提高、成本的下降，它们将会在逆变 9 。c 东；i 技大学砸士学位论文 绪论 ，：焊接电源中得到更加广泛的应用。“。 ( 3 ) 弧焊逆变电源的主回路 弧焊电源逆变器的主回路形式主要有推挽、全桥、半桥、单端这几种形式，这些拓 ：、结构各有优缺点。 单端电路所用的开关功率管数量少，控制电路简单，不存在直臂导通问题，但其所 承受峰值电流和电压较高，同时其高频变压器仅工作在磁滞回线的一侧，故只适合中小 j0 率输出。 推挽电路只用两个高压开关就能获得较大功率输出，两组驱动电路彼此问无须绝缘， 驱动电路简单，但高压开关管承受的反压较大，原边绕组只有一半工作时间高频变压 器利用率低，适合用于单相输入的电源中。 半桥电路也只有两个开关管，驱动线路简单，抗不平衡能力强，但加在高频变压器 的电压值只有输入电源电压的一半，欲得到和全桥，推挽式电路相同的输出功率，高压 ，r 关管必须流过两倍的电流，而且它必需两个输入电容，流过与电路工作频率相同的充 放电电流一般只宜获得中等功率的输出。 全桥电路将输入电压直接加在高频变压器上，对高压开关管耐压要求低，变压器利 ：j 率高，易获得大功率输出。但其需要四只功率开关管，相应驱动电路复杂。 主电路结构的确定需根据输出功率、功率开关器件、变压器磁芯材料、结构以及控 制方式而定。如e s a b 公司的m o s f e t 逆变焊机基本单元为p w m 型单端逆变器，扩充容量 时，采用多个单元并联的积木结构。芬兰k e m m p p i 公司在m a s t e r 3 5 0 0 焊机中则选用i g b t 半桥结构，而f ：j 本、美国的几家公司大都采用全桥结构。 ( 4 ) 逆变器控制技术的发展 早期的逆变电源，大都是5 k h z 以下的s c r 逆变，其控制方法采用定脉宽调频率( p f m ) 万式。p f m 调制方式给变压器和输出电抗器的设计带来困难，由于不同输出电流是靠调 节脉冲频率来实现，为保证小电流连续输出电抗器时间常数要根据频率的下限值确定， 所以其体积、重量都比较大，随着全控型逆变电路的应用，控制方法大多采用定频调宽 p w m ) 方式。该方式通过调节脉宽，即占空比来调节输出能量。同时也为输出电抗器设 计带来方便。p w m 调制以往大都通过分立元件来实现，现在己有诸如t l 4 9 4 、s g 3 5 2 5 等 毫? 用芯片，以及用8 0 5 1 单片机和微机实现。 在早期的控制电路研究中，多以分离元件构成，完成程序控制和p w m 调节，但它们 的抗干扰性能和控制的灵活性远远不能满足要求。随着专用p w m 集成模块的出现，使得 1 0 山东科技久学硕士学位论文 绪沧 p 删的控制更稳定、更可靠：目前商品化的专用模块( 如：k 5 7 2 1 5 b l 、e x b 3 5 6 、e x b 3 5 7 、 e x b 3 5 8 、) , 1 8 1 5 0 0 6 0 、e x b 8 4 0 e x b 8 4 1 、t d a 4 7 0 0 、t l 4 9 4 ) ，除具有p 1 1 m 控制功能外，还有 过流、过压和软启动等功能。而u c 3 8 7 5 芯片除具有上述功能外，还有电流p i n 的功能， 用它来实现弧焊逆变电源的电流型控制，可以弥补电压型控制的不足。这些专用集成模 块的出现和应用，使得逆变弧焊电源的控制稳定性和可靠性得到提高，逆变器的保护措 施更完善。 ( 5 ) 计算机仿真技术 根据实际电路( 或系统) 建立模型，通过对模型的计算机分析、研究和实验，以达 到研制和开发实际电路( 或系统) 的目的，这一过程称为计算机仿真。由于计算机仿真 的商效、高精度、高经济性和高可靠性。因此倍受人们重视，近2 0 年来，已广泛地应用 于电力电子电路( 或系统) 的分析中，成为开展这方面研究必不可少的重要工具。计算 机仿真的优点是： 能提供整个计算机域内所有有关变量完整详尽的数据； 不用进行系统实验； 可预测某特定工艺的变化过程和最终结果，使人们对过程变化规律有深人的了解； 在测量方法有困难情况下是唯一的研究方法。 在电力电子电路的设计中，计算机仿真主要用于验证设计方案、预测系统的性能， 发现新产品的潜在问题和解决问题的方法等。电路的计算机仿真技术主要解决如何建立 电路方程( 即建立仿真数学模型) 和如何求解电路方程。逆变式焊接电源为非线性的时 变系统，要准确地分析其稳态和动态性能往往是非常困难的，建立精确数学模型一直是 电力电子学领域的一个难题。通常只有假设一定的条件下，而忽略一些次要因素，才能 得到在一定范围内适用的数学模型，为分析和设计电路提供帮助。 计算机仿真技术被引入到焊接电源领域以后，发展速度很快，对焊接设备主电路结 构的设计、参数的优化等起了很大的作用。大大降低了设计成本，缩短了设计周期，提 高了产品的可靠性，显示出旺盛的生命力。但是，不可否认，由于焊接电源本身的特殊 矬，当前与计算机仿真技术的结合还存在下述问题： 焊接电源系统是一个强电和弱电相结合的强非线性系统，其中电和磁的相互作用 非常复杂，不易理解。对于这样一个系统很难找到一个数学方程来加以描述，因此不容 易用传递函数从整体上对其加以仿真。 元器件模型的精度对最终仿真结果影响很大，因此，建立精确的元件模型至关重 1 l 兰! ：! ：! 丝查堂塑! 堂垡堡苎 望堡 要。丽在焊接电源电路中包括大量的非线性大功率开关元件和电磁器件，对于大功率元 俘和电磁元件，其建模与参数提取一直是难点，有待于进一步完善。 焊接电源是焊机的一个关键部分，但若想开发一台高性能、高可靠性的焊机，其 它辅助部分如驱动电路以及保护电路部分也是不可忽视的，而现在的仿真研究很少把它 舭看作一个整体加以进行。因此，这方面有待加强。 焊机的种类多种多样，有弧焊机、电阻焊机、激光焊机、等离子焊机等，其焊接 源的主电路部分也各不相同。这样就带来了具体设计电源时的电路选择问题。 随着计算机仿真技术的广泛应用，出项了各种各样的仿真软件，如v i r g i n i a 电力 电子中心开发的面向系统的开关变换器仿真软件c o s m i r 、m i c r o s i m 公司的通用电路仿真 程序p s p i c e 、a n a l g y 公司的s a b e r 软件和电力系统瞬态分析软件e m t p ，用于功率变换 器和电力传动的仿真软件a t p 及专门用于电力电子闭环系统分析的仿真软件p e c a n 等 等。1 9 8 0 年，美国的c l e v em o l e r 博士研制的m a t l a b 语言对后来的控制系统理论以及 训算机辅助设计技术起到了巨大的推动作用，近年来随着m a t l a b 语言的不断丰富与完 善，对国际控制界产生了巨大的影响。目前，该语言己经成为国际控制界最重要和最流 行的语言。m a t l a b 语言使用起来非常方便，而且功能强大，它除了传统的交互式编程之 外，还提供了丰富可靠的矩阵运算，图形绘制，数据处理，图像处理和方便的w i n d o w s 编程等便利工具“。 1 3 4 逆变技术用于焊接设备的发展与现状 逆变技术应用于金属加热早在6 0 年代就己开始，1 9 7 2 年美国海运管理部门主持开 发出了3 0 0 a 逆变式弧焊电源，用于造船及修理，到1 9 7 5 年c y c l o m a t i c 公司( p o w c o n ) 推出了一台多用途的逆变式弧焊电源的样机，1 9 7 8 年芬兰的k e m p p i 公司研制了 h i 。a t c 2 5 0 逆变焊机，7 0 年代末期瑞典e s a b 公司也试制出逆变焊机。但在当时，因逆变 式弧焊电源需要的功率电子开关器件的性能及可靠性尚不成熟，尤其价格昂贵，无法使 逆雯式弧焊电源商品化。1 9 8 1 年逆变焊机首次在国际焊接与切割展览会上展出，它的出 现是弧焊电源的一次革命性进步，受到世界上许多发达国家电焊机行业的高度重视，并 相避进行了试制生产。由于没有传统的工频变压器，使得逆变焊机的功率因数、效率、 焊凄适应性大大提高，大量的电子元件和集成电路的应用完全打破了焊接电源以铁磁线 圈为主体的焊接变压器的传统概念，成为大功率电子化产品，开始迈入高技术范畴，己 披公认为是更新换代的“革命性电源”。从8 0 年代初至今，在短短的十多年内，随着材 1 2 生至型垫：堂里圭堂焦丝苎 堕鲨 料科学和电力电子技术的迅速发展，新型功率开关器件和i c 集成电路的不断涌现，为大 容量弧焊逆变电源的制造和在不同焊接工艺上的推广、应用提供了可靠的保证。逆变焊 机设备的数量、品种、质量、性能以及自动化程度连年提高，从开始出现到成为许多工 业发达国家的主导弧焊电源产品，发展速度惊人。许多世界著名焊机制造公司批量向市 场推出各种类型的新产品，基本完成了全系列式逆变焊机商品化，逆变频率高达l o o k h z ， 使电源体积更精巧，使性能更稳定，工作更可靠，己成为近几届埃森国际焊接展览会的 主要展品。日本的o t c 、s a n r e x 公司从1 9 8 3 年开始推广逆变焊机，目前己广泛应用于 手弧焊、t i g 、m a g 以及电阻焊等各种焊接领域，占所有孤焊机总数的5 0 以上。美国 从8 0 年代初开始将其在世界上领先的高速电子开关应用于逆交式焊接电源上，制成重量 轻、体积小的弧焊和等离子切割电源。近年来又有了更新的发展，以微机、a i 相结合的 多功能、智能化逆变焊机不断推出，并期望逆变焊机在其焊机市场占支配地位。欧洲各 国的许多厂家，诸如法国s a f 公司、德国梅萨、意大利派奇、芬兰肯比、瑞典的e s a b 都致力于研究和改进逆变式焊机，西欧各国大约以1 8 的高速度增产这种设备，并且预 计最近几年将其成本降到过去通用焊接电源的水准上。 我国在八十年代初也开始了逆变焊机的研究工作，1 9 8 2 年成焊所推出z x 7 - - 2 5 0 可 控硅逆变式焊机，八十年代末研制出2 0 0 a 等级的m o s f e t 逆变式弧焊电源，同时，北航 和清华大学相继开发出i g b t 或m o s f e t 逆变电源”。九十年代末期，由于等离子弧自身 具有的许多优点，因此把逆变技术和等离子弧相结合研制等离子弧喷焊设备成为当时的 热点，许多大学、公司、科研单位和生产厂家都对这种新型的弧焊电源进行了研制和开 发，但到目前，等离子喷焊在我国仍处于研发阶段，真正形成批量生产的喷焊设备还很 少，而且大多处于小功率阶段，与国外相比还存在较大差距。 1 4 课题研究的主要意义和内容 与普通工频等离子喷焊机相比，逆变式等离子喷焊机具有焊接变压器体积小、质量 轻、动态响应速度快、控制精度高、焊接电流脉动小、功率因数高等优点。在我国，由 f 对逆变式等离子喷焊机研制起步较晚，虽然对逆变技术有一定程度的研究，也开发了 一些逆变焊机，但把逆变技术应用于等离子喷焊机中由于在可靠性上存在一些问题，应 羽还有一定局限性，且现在的硬开关逆变式等离子喷焊机大多具有如下缺点： l l 东科技大学硕士学位论文 绪论 。d 器件的开关损耗及开关应力大，电路的寄生电感和功率器件的寄生电容在高频时 产生严重电压尖峰和浪涌电流。 逆变式喷焊电源工作过程中会产生大量的谐波和电磁干扰，因而要考虑电源的 酬( ：设计，最根本的办法是采用软开关技术，需要进一步研究。 变压器的漏感、布线电感与器件寄生电容容易产生谐振，对电路造成冲击，降低 电路的可靠性和稳定性。 开关管及缓冲电路的损耗比较大，