（核技术及应用专业论文）逆变式等离子焊接电源研究.pdf

摘要 焊接是一种重要的制造工艺技术，也是核工业设备制造中广泛使用的种工 艺方法。等离子逆变焊接电源是弧焊技术领域研究的重要方向之一，研究开发高 性能焊接电源对保证核设施和核装置的安全性和可靠性具有十分重要的作用。本 文通过分析现有等离子焊接电源的优缺点，提出了一种新的逆变式等离子焊接电 源方案。 文中对所提出的电源的主电路、控制电路、驱动电路和保护电路进行了研究 和设计。在主电路拓扑设计中，整流电路采用了串联降压电阻的方法来抑制起弧 时的电压脉冲；逆变电路采用了双并联开关组方案，以迸一步提高电源工作的可 靠性。控制电路采用电压电流双闭环控制方式，提出了模糊一锁相环复合控制方 案以改善电源外特性。对电源的主要元器件进行了详尽的参数设计计算。文中讨 论了电路各环节的数学模型，建立了电源系统结构图。在此基础上利用m a t l a b 对所设计的电源进行了仿真分析，对实验样机进行了波形测试，仿真和实验结果 表明：所设计的等离子逆变电源达到了设计要求，有一定的实用价值和应用前景。 关键词：等离子逆变电源；i g b t ；p w m ；模糊一锁相环复合控制：仿真 a b s t r a c t w e l d i n gi sak i n do fi m p o r t a n tm a n u f a c t u r et e c h n o l o g ya n da l s oa t e c h n o l o g i c a lp r o c e s sw i d e l ya p p l i e d i nn u c l e a ri n d u s t r y e q u i p m e n t m a n u f a c t u r e s i n c ep l a s m ai n v e r t e dw e l d i n gp o w e rs u p p l yi sa k e yv e n d a m o n gt h ej o i n t i n gf i e l dr e s e a r c h e s ，t oi n v e s t i g a t et h eh i g h p e r f o r m a n c e w e l d i n gp o w e rs u p p l yi ss i g n i f i c a n tt oe n s u r es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo f n u c l e a rp l a n t s t h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e san e wa p p r o a c ho fp l a s m a i n v e r t e dw e l d i n gp o w e rs u p p l yb ya n a l y z i n gr e l a t i v em e r i t so ft r a d i t i o n p l a s m ai n v e r t e dw e l d i n gp o w e rs u p p l y d e s i g n i n go f t h ep o w e rc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ，d r i v i n gc i r c u i ta n d p r o t e c tc i r c u i ti sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r f o rt h ed e s i g no ft h ep o w e r c i r c u i tf r a m e ，t h ei n s e r i e sr e s i s t a n c ep l a ni sa p p l i e di nc o m m u t a t ec i r c u i t t or e s t r a i nt h ev o l t a g ep u l s ec a u s e db yr i s i n ga r c ；w h i l et h e p a r a l l e l c o n n e c t i o n s w i t c hi s a d o p t e di n i n v e r t e dc i r c u i tt o g u a r a n t e e t h e r e l i a b i l i t yo ft h ep o w e ra tw o r k i nt h er e s e a r c h ，t h ec u r r e n ta n dv o l t a g e c l o s e dl o o pm o d ei si n t r o d u c e di nc o n t r o lc i r c u i td e s i g n t h ed i s s e r t a t i o n o f f e r sap l a no ff i a z z y - p h a s el o c k e dl o o pc o n t r o lt oa m e l i o r a t et h ee x t r a c h a r a c t e r i s t i ca n dm a k e sal a r g ed e s i g nc a l c u l a t i o no fp a r a m e t e ri nm a i n p o w e ra p p a r a t u s t h em a t h e m a t i c sm o d e lo fe a c ht a c h e s c i r c u i ti s d i s c u s s e da n dab l o c kd i a g r a mo ft h ep o w e rs u p p l yi sw o r k e do u td u r i n g t h e i n v e s t i g a t i o n o n t h eb a s i s o ft h e a b o v er e s e a r c h e s ，a m a t l a b s i m u l i n ka n a l y s i si st a k e nw h i c ht a k e st h ed e s i g n e dp o w e r s u p p l ya st h eo b j e c t ；a n dt h ep r o t o t y p em a c h i n e i st e s t e di nt h ew a v ef o r m e x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e dp l a s m ai n v e r t e dw e l d i n g p o w e rs u p p l yh a sm e tt h ee x p e c t e dd e s i g nr e q u i r e m e n ta n di so fp r a c t i c a l v a l u ew i t hab r o a df u t u r ei na p p l i c a t i o n w e n j i - l i ( n u c l e u st e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yy a o g e n g t a n g k e y w o r d s ：i n v e r t e dp l a s m aw e l d i n gp o w e rs u p p l y i g b tp w m f u z 巧呻a s el o c k e dl o o pc o n t r o l s i m u l i n k 舢性声明俩镝 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，论文中不包含他人已经 发表的或撰写过的研究成果，也不包含获得南华大学及其它单位 的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所 做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：套继爻 日期：加哆 年s 月夕刀日 关于学位论文使用授权说明 本人同意南华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和节约：学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印或其他手段保留学 位论文；学校可以按照国家规定或湖南省有关规定送交学位论 文。 作者签名：霄萨导师签名：淘捅硬日期：小，r 年厂月夕。日 第一章绪论 1 1 课题的研究背景与意义d 嘲n 1 1 1 问题的提出及研究意义 核能技术是当今世界高科技发展的必然结果，核电作为一种安全、经济、清洁的 能源在世界各国取得了巨大的进展。近年来，由于我国煤炭资源短缺，现有的发电量 远远不能满足经济迅速发展的需要，因此在今后段时期，我国要大力发展核电。焊 接是一种重要的制造工艺技术，在核工业设备制造、安装和维修过程中也起着十分重 要的作用。在各种核设施与核装置中，中空容器类、管线类和阀门类的零件多，在它 们的制造和连接中，广泛使用焊接法。例如在核电站的管道系统中，阀门与管道一般 采用焊接连接。焊接质量的好坏，直接关系到核设施与核装置的安全性，仍以核电站 为例，如果不锈钢水池，核岛、反应堆压力容器、核反应堆管道的构件焊接处有虚焊、 焊缝或焊接不均匀，就可能发生泄漏，可能造成放射性污染。 核工业设备的制造安装除了具有普通机械工艺特征外，还要考虑其抗辐照性，抗 腐蚀性和高温性能等特殊性。因此，核工业设备使用的材料大多是高强度合金，镍基 高温合金，钛合金等特殊材料。等离子电弧是一种经过压缩的电弧，电弧能量密度大、 温度高、能量集中，适合于高熔点金属焊接。因此等离子弧焊是核工业设备制造的重 要的工艺加工方法。 在各种弧焊接机中，弧焊电源是其重要的组成部分。弧焊电源性能的优劣，直接 影响焊接过程的稳定性，从而影响焊接质量。目前市场上的焊接电源还存在可靠性不 高、返修率较高的问题，还常发生功率器件损坏等故障。另一方面，传统的逆变焊接 电源，几乎都采用定型的短路起弧方式，采用这种起弧方式，在起弧瞬间由于短路而 使起弧电压存在一个电压脉冲，这个电压脉冲对焊接电源的逆变开关造成一定的损 害，也会引起一定的合闸浪涌电流，因此，这也是一个有待解决的问题。随着焊接的 不断发展，对焊接质量的要求也不断提高，促使人们不断研究新的焊接方法，开发新 型焊接电源。等离子逆变焊接电源因其具有的突出特点，近年来e t 益受到人们的重视， 已成为逆变电源研究的一个重要方向。在我国等离子逆变电源的发展也十分迅速，但 是，国内等离子逆变电源与世界工业发达国家比较，尚有较大差距。我国等离子焊接 电源和等离子焊接机的研究制造，与迅速发展的国民经济的需要仍不相适应。等离子 逆变电源的质量、性能、可靠性和自动化程度，还远远不能满足核工业、航天工业及 其它领域的应用要求，因此研究高性能的新型等离子逆变电源，有积极的实际意义和 广阔的应用前景。 1 1 2 项目背景 本课题研究内容是南华大学校立科研项目的一部分，是导师研究课题的一部分。 1 2 国内外研究现状及发展趋势1 1 啪m 3 1 1 钔4 8 1 4 9 m 1 1 等离子焊接电源的发展是随着电力电子技术的发展而发展的，电力电子技术的每 一次发展都带来焊接电源的一次飞跃。 等离子焊接技术是6 0 年代后期发展起来的，前民主德国的门斯菲尔德公司率先研 制出p a 系列的空气等离子焊接机，1 9 7 2 年美国海运科研开发公司研制出了一台3 0 0 a 晶闸管逆变焊接电源，1 9 7 5 年p o w c o n 公司又推出一台多用途晶闸管逆变弧焊接样机。 但当时由于逆交器的功率电子开关器件的性能和可靠性尚不成熟，且价格较高，无法 使其商品化。1 9 8 0 年代以来，小型空气等离子弧焊接机发展迅速，特别是3 0 a 5 0 0 a 的空气等离子焊接机几乎遍地开花，大有取代氧气乙炔焰焊接的趋势。这主要是因为 这类焊接机使用方便、投资少，效率高，能适应不同性质的金属和不同厚度工件的焊 接，安全节能，因而深受用户的欢迎。据统计，仅日本在1 9 8 6 年的小型空气等离子弧 焊接机生产总量就达到了2 万台，规格型号达数十种，生产厂家或公司达数十家。与 此同时，欧美各国也有许多厂家，例如美国的林肯、米勒、宝国、海宝，德国的梅萨 格里斯还牧、们斯菲尔德，英国的林德，芬兰的卡比，瑞典的一洒，法国的沙富和奥 地利的弗洛里斯等公司都生产各种小型的空气等离子焊接机。 我国在1 9 8 0 年代初期开始研制逆变焊接电源。自1 9 8 4 年在九江展出国产第一台小 型的空气等离子焊接机以来，发展也很迅速。现在全国有数十家工厂在生产这种焊接 机，例如哈尔滨工业大学、天津大学、清华大学等高等院校及核工业部第六研究所、 中科院等离子物理研究所、成都佳灵电气公司、天津中环电器厂、深圳凯利等离子焊 接有限公司等单位都先后研制出多种类型的逆变等离子焊接电源。但是我国生产的逆 变等离子焊接电源与国外发达国家产品比较，还有较大的差距。在焊接行业中，由于 2 缺乏等离子焊接理论研究与生产实践相转换的机制，因此新产品开发速度不快，新技 术运用不广，制约了等离子焊接技术的进一步发展和推广运用。 总之，随着工艺要求的提高，对焊接电源提出了体积小，效率高，输出电流大、 性能稳定等要求。逆变电源采用先进的功率电子器件和中高频逆变技术，比传统的工 频整流电源的材料减少8 0 9 0 ，节能2 0 3 0 ，动态反应速度提高2 3 个数量级。 所以，这种“明天的电源”正在以极高的速度变成今天的电源，并且随着功率开关元 器件、微电子技术和控制技术的发展，人们不断研究开发出新的技术和新产品，使得 逆变电源向着高频化、轻量化、模块化、智能化和大容量化方向发展。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题研制一种新型的等离子逆变焊接电源，并制作一台输出功率为3 0 k w ，工作 频率为2 0 k h z 的逆变焊接电源实验样机。具体的工作内容如下： 1 整流滤波电路和逆变电路拓扑结构研究； 2 元器件的选择及其参数的确定； 3 逆变器控制电路驱动电路和保护电路设计： 4 对所研制逆变电源进行仿真研究和实验测试； 5 对实验数据与结果，进行比较分析。 3 第二章逆变式等离子焊接电源相关技术的发展 逆变电源的发展归根结底离不开电力电子技术的发展，离不开控制技术的发展， 离不开所用材料的发展。电力电子技术、控制技术、材料学科的发展决定了逆变焊接 电源的发展。 2 1 材料学科的发展m 泓1 软磁材料目前的发展速度是惊人的，将这些新材料用于逆变焊接设备中，会使逆 变焊接电源更加轻巧，更为高效节能。由于功率开关器件性能的改善，其开通关断损 耗大为下降。因此，降低输出变压器的能耗已经成为提高焊接电源效率的另一主要因 素。增大输出变压器功率的关键是磁性材料的选择与结构的确定。根据结构紧凑，损 耗小、输出脉冲上升速度快的特点，选择饱和磁感应强度b 。和电阻率均较大、带材厚 度小的磁性材料，同时，采用尺寸小绝缘强度高的材料作为铁芯和线圈间的绝缘介质， 可以进一步的减小变压器的体积，提高能量的传输效率。 目前，在逆变焊接电源中，一般采用铁氧体作为磁性材料。铁氧体的电阻率高， 高频损耗小，但它的饱和磁感应强度b 。太低，使得变压器的铁芯结构较大，影响耦合 系数的提高。非晶体材料的特性是，在其结构中，位错的迁移性很低，没有晶体界限， 无各向异性。易磁化，磁感应强度高，电阻率大，对涡流阻力大，矫顽力小，能耗低。 缺点是以“u ”形结构获得的磁感应强度大大降低，而采用环形结构绕制线圈比较困 难，影响生产率的提高，其尺寸也不够大。要满足大容量的逆变器的要求，还有待进 一步加以研究。 2 2 控制技术的发展 在逆变电源中，控制系统对整机性能的优劣起到十分重要的作用。对某一具体的 电源来说，究竟采取何种控制形式，应视焊接工艺的复杂程度和所用的开关器件的速 度来确定。随着对焊接质量和自动化程度要求的提高，实现逆变电源的智能化控制将 成为必然的发展趋势，现代控制技术的最新进展也为实现这一目标提供了手段。专家 系统、模糊控制和神经网络技术将会渗透到焊接逆变电源的控制中。 2 3 功率开关器件的发展 逆变焊接电源中的关键器件是功率开关。逆变功率开关器件的迅速发展为逆变焊 接电源的发展创造了条件。当前功率开关器件正朝着高压大容量化、集成化、全控化、 高频化及多功能化方向发展。目前逆变式空气等离子焊接电源中，逆变器采用的功率 开关器件有晶闸管、功率场效应管和绝缘栅门极晶体管。在逆变焊接电源中，逆变功 率开关管的选择直接决定着逆变器的工作性能和效率，对逆变器的安全、可靠工作起 着举足轻重的作用，因此功率开关的选择对逆变焊接电源十分重要。 2 3 1 电力二极管 在2 0 世纪5 0 年代，研制出了电力二极管，当时也被称为半导体整流器。虽然 是不可控器件，但结构和原理简单，价格低廉，工作可靠。所以，直到现在电力二 极管仍然大量应用在许多电气设备当中，特别是快恢复二极管和肖特基二极管，仍 分别应用在中、高频整流和逆变以及低压高频整流场合。 2 3 2 晶闸管 在电力二极管开始得到应用不久，1 9 5 6 年美国贝尔实验室开发出晶闸管，由于 其开通时间可以控制，而且各方面的性能较电力二极管均有较明显的提高，因而得到 大力发展。在1 9 8 0 年代初期发展起来的晶闸管逆变式空气等离子焊接电源是最早的 逆变焊接电源。尽管晶闸管属于半可控器件，开关速度也不高，但这种管子最早应用 于逆变器，技术较成熟，特别是晶闸管耐高压，容量大，抗干扰能力强，因此晶闸管 仍然在不断开发和生产。 晶闸管逆变开关的特性决定了逆变工作频率比较低，不利于电源效率的提高和体 积的减小。这是由于晶闸管的开关速度主要受关断时间的约束，通常为几微秒甚至十 多微秒，而它的逆变工作频率只有数千赫兹。晶闸管做逆变开关的优点是，驱动功率 低，控制电路比较简单，采用较窄的脉冲就可以触发导通。 晶闸管控制性能不够理想，一旦触发导通后，只要有足够的维持电流就会一直导 通下去。这对于逆变器工作来讲是一个很大的缺点，即关断困难。如果关断不可靠， 将会造成直流电源短路而损坏晶闸管，致使逆变失败。目前，在实际应用的产品中， 晶闸管式逆变开关电源比较少见。 2 3 3 电力晶体管 电力晶体管是在晶闸管的基础上发展起来的，它具有自关断能力，开关时间短， 饱和压降低，安全工作区宽。近年来由于实现了高频化、模块化和廉价化，因此被广 泛应用到交流电机调速和不停电电源等电力变流装置中，并且在中小型功率应用方面 取代了传统的晶闸管。在逆变等离子焊接电源发展过程中，由晶闸管发展到晶体管， 也是逆变焊接电源的一次大的发展。由于晶体管的控制性能好，具有自关断能力，而 且饱和压降低，加上技术上也比较成熟，使得晶体管逆变电源目前仍然占有一定的市 场，至今晶体管逆变电源仍在不断生产，特别在日本所占比例较大。近年来，晶体管 正向大功率、模块化发展，价格也越来越低，因此仍有一定的竞争力。但是由于晶体 管主要工作在开关状态，开通与关断过程所产生的开关损耗在总损耗中占的比重较 大。尤其在较高的频率下工作时更加显得突出，所以在对损耗要求比较高的中高频电 源中，一般不用晶体管做逆变开关。 2 3 4 功率场效应管 功率场效应管属单极型器件，是电压控制电流型器件。功率场效应管做逆变主开 关的优点是开关速度快、高频性能好、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、 无二次击穿、安全工作区宽和跨导线性度高，在各类小功率电路中得到广泛的应用。 但是，它的不足之处在于，触发脉冲要求要有足够快的上升和下降速度，脉冲前后沿 要求陡峭。由于输入阻抗较大，因此，在静电较强的场合，难以泄放电荷，容易引起 静电击穿。对于带电的功率m o s f e t ，当它与周围物体的集合发生相对位移时，器件 与外界组成的电容数值就会发生变化，使器件的电压升高，造成器件损坏。在电场中， 由于静电感应，将产生感应电场，当器件处于强电场中时，会发生栅极绝缘体击穿现 象。不过，场效应晶体管逆变式焊接电源在市场上的占有率还是比较高的，并且人们 通过改进电路的拓扑结构或增加一定的保护措施，来进一步改善场效应晶体管逆变式 焊接电源的性能。 2 3 5l g b t i g b t 是8 0 年代中期发展起来的一种新型复合器件，目前的电流和电压等级已经 达到了1 8 0 0 a 3 5 0 0 v 。 1 、i g b t 的基本结构和工作原理 6 i g b t 的基本结构如图2 1 所示，工作原理如图2 2 所示。 图2 1i g b t 的基本结构 图2 2i g b t 的工作原理 f i g2 1b a s i cs t r u c t u r eo f i g b t f i 9 2 2o p e r a t i n g p r i n c i p l eo fi g b t i g b t 是三端器件，具有栅极g 、集电极c 和发射极e 。 i g b t 相当于一个由m o s f e t 驱动的厚基区p n p 晶体管。它的简化等效电路如图2 2 所示，它是一种场控器件，它的开通和关断由栅极和发射极间电压决定。当栅极电压 c k 大于开启电压时，m o s f e t 导通，当栅极间不加电压或电压反向时，则关断。由于 i g b t 多了一层p + 注入区，这样使得i g b t 导通时由p + 注入区向基区发射少子，从而 对漂移区电导率进行调制，使得有很强的流通能力。由于电导调制效应的作用，使得 调制电阻r n 减小。 2 、静态特性与参数 i g b t 的静态特性包括转移特性和输出特性。 1 ) 转移特性 i g b t 的静态转移特性描述集电极电流与栅极电压u 。之间的关系，在开启电 压附近二者呈非线性关系，而在这以外基本呈线性关系，当栅极电压小于开启电压时， i g b t 处于关断状态，大于开启电压时i g b t 开始导通，由此可知栅极电压u 。是决定 能否实现导通的最低栅极电压。 2 ) 输出特性 i g b t 的输出特性也称伏安特性。它描述以栅极电压为控制变量，集电极电流 与栅极电压u 。之间的关系。 7 3 、动态特性与参数 1 ) 开关特性 i g b t 的动态开关特性也称开关特性，包括开通和关断两个部分。开通过程是从 正向阻断状态转换到正向导通的过程，关断过程是从正向导通状态转向阻断状态的过 程。 2 ) 开关损耗 i g b t 开通过程和关断过程中的瞬时功耗分别称为开通损耗和关断损耗。由于 i g b t 的工作频率较高，开关损耗占器件总损耗的比例较大，在实际应用中应尽量减 少开通和关断损耗。 由上面可知，i g b t 综合了m o s f e t 和g t r 的优点，采用i g b t 逆变技术研制的空 气等离子焊接电源，焊接机体积小、外特性理想、焊接电流稳定。它的开关时间一般 是0 5 11 ts ，常用的逆变频率为2 0 5 0 k h z 。 4 、栅极驱动电路 i g b t 实际应用中的一个重要的问题是栅极驱动电路的设计合理与否。i g b t 的静态 和动态特性与栅极驱动条件密切相关。栅极的正偏电压、负偏电压和栅极电阻的大小， 通态电压、开关时间、开关损耗、承受的短路能力以及其他参数对i g b t 的静态和动 态特性都有不同程度的影响。 由于有众多优点，i g b t 现在是逆变开关功率器件的首选，所以在所设计的逆变式 焊接电源中采用i g b t 做逆变开关器件。 8 第三章逆变式等离子弧焊接电源工作原理和主要参数 3 1 等离子弧焊接装置简介 等离子弧焊接装置主要由空气压缩机、焊接电源、手锯等部分组成如图3 1 所示 图3 1 等离子弧焊接装置 f i g 3 1t h ew e l d i n gd e v i c eo fp l a s m aa r c 焊接电源( 包含电气控制线路) ； 喷枪； 气路和水路； 空气压缩枫。 其中，焊接电源是等离子弧焊接装置的核心。 3 2 逆变电源工作原理 逆变焊接电源从电网吸取电能，工频交流电压经二极管整流桥整流和电容滤波后 输出平滑直流，然后经过逆变开关进行逆变，输出中频电压，再经降压变压器降压， 整流= 极管整流和电容滤波，输出平稳的直流电压作为焊接电压。 3 3 等离子焊接对电源的要求 空气等离子焊接一般都采用直流电源，它对电源有以下几方面的重要要求。 3 3 1 外特性要求衄埘 电源外特性描述电源输出两端的电压和负载电流间的关系。等离子弧的静特性在 小电流时为下降特性，在一般常用电流范围内为水平特性，在大电流时为上升特性， 这说明等离子弧是一个非线性负载。在等离子弧中，由于电流、喷嘴直径和气体流量 的大小不同，其静态特性可以是下降的，也可以是水平的或上升的。 9 对呈现水平状静特性的等离子电弧而言，平硬的电源外特性曲线和电弧的外特性 曲线要么全部重合，要么没有交点。具有这种外特性的电源，要么引不起电弧，要么 造成电流过大，将电源烧毁。对于具有上升或下降静特性的等离子电弧来说，平硬的 电源外特性曲线和电弧静特性曲线虽有一个交点，但这只是一个理论上的点，在实际 使用过程中仍满足不了工艺上的要求，下面对此进行分析。 首先，分析具有下降特性的等离子电弧。如图3 2 所示，具有下降特性电弧的外 特性曲线与平硬的电源外特性曲线虽可以相交一点( 图3 2 中a 点) ，电源端电压与 电弧电压在这一点的工作电流值也能平衡，但是如果电流值稍一偏离工作电流，。时， 系统的稳定状态即告破坏。例如电流值略增加一点，如图3 2 所示，电流由，。增至，j ， 此时电源端电压大于电弧电压，“供”大于“求”，电流势必将进一步增大，使得电源 电压更加大于电弧电压，电流仍继续增大。直到电源熔断器烧断为止。反之，如电流 略减少，由，。减至：。由图3 2 也可以看出，此时电源的端电压小于电弧电压，电 流将进一步减少，电流越小，电源端的端电压与电弧电压值差越大，促使电流继续减 少，最后导致电弧熄灭。所以具有平硬外特性的电源，对下降静特性的电弧是不适应 用的。 u u o i a “i ai a 1 图3 2 下降特性电弧的工作情况 l 电源外特性2 电弧静特性 u u 0 圈3 3 上升特性电弧的工作情况 l 电源外特性2 电弧静特性 f i g3 2t h ew o r k i n gs t a t e so fp o w e rf i g3 3t h ew o r k i n gs t a t e so fp o w e r a r cw i t hd r o p p i n gc h a r a c t e r i s t i ca r cw i t hr a i s i n gc h a r a c t e r i s t i c 具有上升静特性的等离子电弧选用具有平硬外特性电源，虽然能满足电弧燃烧的 条件，即电源外特性曲线与电弧静特性曲线不仅有一个交点，而且当电流偏离工作点 时，还能恢复原工作点。如图3 3 所示，电弧在a 点稳定地燃烧，由于某种原因电流 自i 。增至j ，此时，电源的端电压低于电弧电压，因此电流必然自动减少，直至恢 复到原来，。，使系统重新获得平衡。反之，当电流由i a 减至，j 时，电源端电压大于 电弧电压，电流就必然增大，直至恢复到工作点为止。 由上面的分析可知，对具有上升静特性的电弧可以采用具有平硬外特性的电源。 但是根据工艺分析可知，在进行等离子电弧焊接时等离子电弧阳极斑点将沿喷嘴的 孔道上下频繁的变化。由此，等离子电弧要求电源具有一个陡降的外特性。目前，等 离子电弧所采用的电源，绝大多数均为具有陡降特性的直流电源。 3 3 2 输出空载电压的规定 空载电压主要与引弧性和稳弧性有关，从引弧容易、电弧燃烧稳定的要求出发， 希望空载电压越高越好，但空载电压过高，会增加电源的体积和重量，不经济，而且 还会危及人生安全，因此通常要求逆变焊接电源空载电压小于i o o v 。 3 。3 。3 对稳态短路电流的要求 当电弧引燃时，经常会发生短路现象，如果稳态短路电流过大，会增加熔化金属 的飞溅，因此必须对电弧引燃过程加以控制。 3 3 4 对控制系统的要求 逆变式等离子弧焊电源在结构上和其它逆变式焊接弧电源相似，但是等离子弧要 求电源具有陡降的外特性，因此要通过对电源工作过程的控制来保证电源的外特性符 合要求。等离子焊接加工的过程中，由于焊接加工参数裕度小，增加了焊接过程控制 的难度，而采用等离子弧焊接过程一般表现为复杂的非线性特征，采用常规控制方法 如p i d 控制，控制效果不理想。因此寻找新的控制方法，是保证等离子焊接质量的重 要条件。 3 4 逆变电源的特点 逆变焊接电源一出现，就被称为“明天的焊接电源”，是更新换代的焊接电源， 这主要是由于它有以下特点： 3 4 1 体积小、重量轻、节省材料 一般的焊接电源，特别是一般的弧焊电源，其体积和重量的8 0 都取决于变压器 和电抗器，这些变压器和电抗器的工作频率是5 0 h z 。而逆变焊接电源中虽然也有一 个变压器和电抗器，但是它的工作频率为3 5 0 k h z ，由于铁芯截面积和绕组匝数的 乘积与工作频率成反比，即： s x n = 彰( 2 1 ) j 式( 2 一1 ) 中，k 一常数，s 铁芯截面积，n 绕组匝数。 因此，逆变开关频率越高，则中频变压器的体积就越小，重量就越轻，这样就减少了 材料，降低了成本。 3 4 2 高效节能 逆变焊接电源由于工作频率提高，使得中频变压器和电抗器的体积、重量大大减 小，所用材料随之大大减少，相应的它们的铜损、铁损也随之大大减小。从电网整流 得到的高压，在同样输出功率条件下，控制功耗也小，逆变器转换时的励磁电流也很 小。因此逆变焊接的功率因数高，能节约大量的电能及减小配电装置的容量。 3 4 3 适应性强 传统的焊接电源中，工作频率受电网的制约，一般是5 0 h z ，在整流焊接机中，其 控制周期最短为3 3 m s 。逆变焊接电源中。控制周期为几十微秒。这就使得电源有很 好的动态性能，可以进行高速控制。已有资料表明，逆变焊接电源的引弧一次成功率 达到9 0 7 6 ，而般的电源仅仅是7 0 左右。在电弧焊接这一物理过程中，引弧、电极 熔化、金属过渡等变化现象都是高速的物理过程，焊接速度快，相应的焊接变形就小。 由于逆变电源具有上述突出的优点，在等离子焊接机中得到越来越广泛的应用。 3 5 现有逆变电源技术方案及性能比较 3 5 1 现有电源技术方案嘲融黜3 逆变式等离子焊接电源，它的主电路结构主要有单端式逆变电路、推挽式逆变电 路、全桥逆变电路、半桥逆变电路等形式。功率开关主要有晶闸管、晶体管、功率场 效应管和i g b t 等。 3 5 2 各种逆变电路的比较 不同方式的逆变电路，在输入相同电压时，它们的输出功率、中频变压器电压、 所用开关数目的区别如表3 1 所示。其中，e 为输入电压。 表3 1 各种逆变电路的比较 t a b 3 1c o m p a r i s o no f8 叫ek i n d so fi n v e r t e dc i r c u i t 型式 项目 推挽式 全桥式半桥式单端式 稳态为2 e稳态为e稳态为e稳态为e 集射极间施加的电压 v 。 2 ev 。ev 。，ev 4 。= e 相同功率输出时集电极电流 i ci c2 1 c2 i r 相同集电极电流时的输出功率 p p o 1 2p o1 2p o 中频变压器上施加的电压 ee 1 2e e 功率开关管数量 2422 输入滤波电容数量 ll1l 第四章逆变式等离子焊接电源整机设计 4 1 逆变式焊接电源电路总体结构3 帅 等离子焊接电源和其它逆变焊接电源一样，其基本原理框图如图4 1 所示。 图4 1 基本原理框图 f i g4 1t h ep r i n c i p l eb l o c kd i a g r a m 由图4 1 可知，逆变式焊接电源从电网吸取电能后，工频交流电压经整流和电容 滤波后输出平滑直流，送到利用脉宽调制控制的i g b t 逆变开关进行逆变，输出中频 电压，再经降压、整流和滤波后，输出平稳的直流电压。电源中各单元的功能如下述。 输入整流器：用于工频交流电的整流，采用普通的整流器，可用整流模块组件， 也可用单个的硅二极管组成桥式整流器。 输入滤波器：由电解电容器组成，用于滤波，一般采用普通滤波器。 逆变器：通过它的周期性开与关，把直流电分割成断续的直流，通常是由组开 关管的协调工作来完成的，这种电力电子开关管可以是晶闸管、晶体管、场效应晶体 管、绝缘栅双极晶体管。它的开关速度比较快，容量也比较大，这不是普通的晶闸管 和普通的晶体管所能代替的。 中频变压器：将高压降至负载所需要的电压，并起隔离的作用，将焊接回路与输 入回路隔离，由于频率高，不能采用普通的工频变压器。 输出整流器：一般等离子焊接要求直流供电，利用它再次将交流电整流成直流电， 由于频率高，必须采用快恢复二极管。 输出滤波器；为了获得连续平稳的直流电供等离子焊接用，一般在输出端采用输 出电抗器及电容器滤波。 4 2 输入整流滤波电路的设计 输入整流器工作在电网侧，其频率为5 0 h z ，可按照常用的弧焊整流器的设计原 则来设计，但要防止合闸浪涌电流及抗干扰问题。逆变焊接电源输入整流滤波电路常 用的有三相全波整流滤波电路和单相全波整流滤波电路。采用三相全波整流电路时， 主要采用电容滤波。单相全波整流电路时，除了采用电容滤波外，还采用电感滤波。 电源输入电压来自电网电压，在合闸起弧瞬间，存在一个电压尖峰脉冲。采用电 容滤波方式，由于电容充电，往往引起较大的浪涌电流。对于逆变焊接电源，我们力 求希望获得纹波较小的滤波电压，一般输入滤波电容较大，因此，合闸浪涌电流比一 般的整流式焊接电源的电流要高得多。合闸浪涌电流的大小随开关合闸瞬间交流电压 的相位以及输入滤波电路的电阻的不同而异。当输出功率超过2 0 k w 时，合闸电流接 近i o o a ，并随输出功率的增大迅速的增大，持续时间大约为1 2 秒左右。这样大的 浪涌电流会引起电源开关节点的溶解，或使输入熔断器熔断。在浪涌电流出现时所产 生的干扰也会给其他相邻的用电设备带来影响。就电容和整流器本身丽言，多次、反 复地经受大电流冲击，性能将会逐渐劣化。总之，合闸起弧会引起一系列可靠性方面 的问题，必须加以解决。 本设计中所采用的限制合闸脉冲的方法，是在输入回路中串入电阻r ，如图4 2 所示。 图4 2 接入电阻r 的短接回路 f i g4 2s h o r t i n gc i r c u i tw i t hr e s i s t a n c er 图4 2 中 r 一降压电阻 k - - 继电器 s 一接触器 r v 一压敏电阻 其抑制起弧时的电压脉冲的原理如下。 加入电阻r 后的合闸电流，。为； i p - 黑( 4 - 1 ) 而 式( 4 一1 ) 中，如一整流桥内阻。 在电阻r 上的电压降u 。： u 月= ，p r ：丽r “v 互v ( 4 - 2 ) 输出开关的瞬间电压【，。： u 0 = 压y 一譬罂：i r sx ,29(4-3) 尺。+ 胄r 。+ 天 只要降压电阻r 比较大，合闸瞬间的输出开关电压就会降下来。在合闸的那一瞬间， 由于降压电阻的存在，使得逆变开关受到电压脉冲的影响大大减小。这样就从原理上 降低了合闸脉冲电压造成逆变开关的损坏。根据实验，一般的合闸电压脉冲的峰值可 达三倍的正常额定电压，根据这一点我们就可以确定降压电阻的大小。但是，r 的阻 值不能太大，也就是它有一个上限，由起弧电压所要求的电压最小值决定。 显然，降压电阻只是在合闸瞬间才需要，一旦控制电路起动，逆变电路工作、主 回路向负载提供功率时，降压电阻r 将消耗功率，况且r 本身的阻值很大，所以r 上产生的功率消耗将会无法忍受，而且完全没有必要。因此在主回路向负载提供功率 前将电阻r 短接。短接电阻r 的方法用接触器经过简单的延时电路控制来实现，如图 4 2 所示，合闸时电容c 1 通过降压电阻充电，当电容c l 上的电压达到一定值时，继电 器k 动作，接通接触器s 的线圈，使接触器s 动作触点闭合，短接降压电阻r ，逆变 器回路接着起动。 4 2 1 输入整流电路 在交一直一交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大都采用不可控整流 电容滤波，提供直流电源供后级的逆变器等使用。本焊接电源采用电容滤波单相桥式 不可控整流电路。 4 2 2 输入滤波电路 逆变焊接电源不仅能将电网上的噪音传递给焊接电源，同时，它本身产生的噪音 亦可影响电网。逆变电源工作在开关状态，其产生的噪声如谐波电流比常规整流器电 源要大得多，所以必须采取一定的滤波措施，减小或消除这些噪音影响。 逆变焊接电源采用单相全波整流电路时，除了采用电容滤波外，还采用电感滤波， 但是滤波电感在功率开关导通过程中，容易使逆变器的中频变压器上的电压升高，产 生震荡和尖峰电压，因此所研制电源整流电路只采用电容滤波。 4 3 逆变电路的设计 逆变焊接电源电路主要有以下基本型式2 1 嘲h 4 1 ： 4 3 1 推挽式逆变电路 推挽式逆变电路如图4 3 所示： 图4 3 推挽式逆变电路 f i g4 3p u s h - p u l li n v e r t i n gc i r c u i t 功率开关管由基极驱动电路以脉冲方式激励而交替通断，输入的直流电压被转换 成中频方波交流电压。电路中的中频变压器上直接麓加输入的电源电压，因而只用两 个功率开关管便能获得较大的功率输出，而且，一对晶体管的发射极相连，两组基极 驱动电路彼此间就无需绝缘，这样驱动电路和过流保护电路可以简化，这是该电路的 优点。 1 7 但是在开关的暂态过程中，由于中频变压器二次侧二极管反向恢复时间所造成的 短路，以及为了抑制集电极电压尖峰而设置的r c 吸收电路的作用，当高压开关管开 通瞬间，集电极电流将会产生尖峰。关断瞬间，由于高频变压器漏感储能的作用，在 集电极稳态截止电压上会形成电压尖峰，该尖峰电压有可能使高压开关管承受两倍输 入电压以上的电压。此外，一次绕组只有一半时间工作，中频变压器的利用率也低。 因此在目前的逆变焊接电源中，很少采用这种型式逆变电路。 4 3 2 全桥逆变电路 全桥逆变电路如图4 4 所示。 曲z 甚1 摇i 掣印 广 。； ! 。co l ，i 瑚 盎 吖 ：i 。i i - il 燮 1 谲 i，i 。l 一 簿臻i 辩：； 一，k ? 。 j 心击jr _ r， i v l 圈4 4 全桥逆变电路 f i g4 4f u l lb r i d g ei n v e r t i n gc i r c u i t 图4 4 中功率开关管阿l ，v t 2 ，v t 3 和f t 4 组成逆变桥的四臂，中频变压器t 连接在它们中间，相对桥臂上的一对晶体管阿1 、v t 4 和v t 2 、v t 3 由驱动电路以脉 冲的方式激励而交替通断，将直流输入电压变换成中频方波交流电压，其工作过程与 推挽式逆变电路一样。全桥式逆变电路功率开关管所承受的最高电压为输入电压，暂 态过程中的尖峰电压亦被箝位，比起推挽式逆变电路来要低一半还多，同时箝位二极 管将漏感储能回馈给输入电源。但是。电路使用了4 个功率开关管，需要4 组彼此绝 缘的基极驱动电路，不仅电路复杂，元器件多，而且驱动功率也成倍增加。 4 3 3 半桥逆变电路 半桥式逆变电路如图4 5 所示，半桥逆变电路结构和全桥电路结构相似，只是其 中功率开关管只有两个，另外两个由两个电容取代。一个功率管导通时，另一个功率 管截止，而截止功率管上承受的电压大致和输入电源电压相等，功率管由导通转为截 1 8 止的关断过程中，漏感引起的尖峰电压亦被二极管箝位，因此，功率开关管上承受的 最高电压亦不超过电源电压，使用的功率管的数目只有全桥式的一半，驱动功率也小。 半桥式逆变电路由于其电路简单，抗不平衡能力强而得到广泛应用。 i ! l ；i ； t 。 惮蓼辩 f ， 二： ! 越f l ；二。 ， 一隅1 ：| i 碑 了”1 。 、 l e= 自。i 瓣，。， t ! 圭士z ：一赫 尹产? 蠡：l 卜1 ； l 。“d l ? t ； l 丰孵，i 一 l 卜 ；一 一r 甲一h 。；i0 0 = - f l ： 图4 5 半桥逆变电路 f i g4 5h a l fb r i d g ei n v e r t i n gc i r c u i t 不过，图4 5 所示的半桥式逆变电源还是没有解决当工件正在焊接时开关发生损 坏的问题，倘若手边又没有其它备用的电焊机，就使得工作不能正常地迸行下去。因 此，本设计采用了双并联开关的逆变电路方案，其原理如图4 6 所示： 萋 | i !；r 嘣lj ；- 熟 了v 芑 r 他， 斗7 t _曼蛹 。i 荔 鼍” 一n “卜 争 ： c i 笔1r 三 _ | 1 ， 隧剿 + h 号 姆毳一j j 拳e 一铲啬 “中- c = ? 嚣 。l l 材 i 譬廿 门 ! l 图4 6 半桥双并联开关电路主电路图 f i g4 6h a l fb r i d g et w op a r a l l e lc o n n e c t i o ns w i t c h i n gc i r c u i t 该电路的工作原理如下：正常时a 组开关工作，当a 组开关发生故障不能进行工 作时，将接触开关打向b 组开关，让b 组开关工作，使焊接工作不会中断。该方案虽 然要多用组开关，但是对于核电站等重要设备维修的场合，可以加快工作进度，减 少设备故障造成的损失。 1 9 从图4 - 6 可知，附1 ，v t 2 为两个功率开关管，既两