第7章逆變式弧焊電源隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種大功率的電子開關(guān)器件的出現(xiàn)，為電子化和數(shù)字化弧焊電源的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。逆變式弧焊電源是一種新型的，而且已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的電子控制型弧焊電源。AC→DC正變DC→AC逆變逆變弧焊電源是將電流逆變技術(shù)應(yīng)用于弧焊電源中。所謂逆變是相對于常見的交流電經(jīng)過整流變?yōu)橹绷麟姸缘?，即將直流電變?yōu)榻涣麟姷淖儞Q稱為逆變。實(shí)現(xiàn)電流逆變的裝置稱為逆變器，用于弧焊電源的逆變器即為弧焊逆變器。逆變式弧焊電源出現(xiàn)在二十世紀(jì)六、七十年代，其優(yōu)良的性能和顯著的特點(diǎn)得到人們的重視，被視為新一代弧焊電源，甚至被稱為“20kHz革命”，尤其是在最近十幾年，逆變焊接電源得到了快速發(fā)展。本章重點(diǎn)：逆變式弧焊電源的基本原理、特點(diǎn)1編輯ppt7.1逆變式弧焊電源的結(jié)構(gòu)、分類和特點(diǎn)7.1.1逆變式弧焊電源系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

圖7-1逆變式弧焊電源電路結(jié)構(gòu)圖（1）功率系統(tǒng)：輸入電路、逆變電路、輸出電路，也稱為主電路；（2）電子控制系統(tǒng)：電壓和電流給定電路、電壓和電流反饋電路、比較放大電路、時(shí)間比率TRC電子控制電路、驅(qū)動脈沖功率放大電路。2編輯ppt7.1.2逆變式弧焊電源的逆變形式（1）ACDCAC

即交流直流交流。這種逆變形式最終輸出為交流電，交流電的頻率為逆變器的逆變頻率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻。由于頻率高的交流電傳輸?shù)膿p耗較大，傳輸距離等受到限制，因此在實(shí)際弧焊電源中很少采用。（2）ACDCACDC

即交流直流交流直流。這種逆變形式最終輸出的是直流電，是目前大多數(shù)逆變式直流弧焊電源所采用的形式。（3）ACDCACDCAC

即交流直流交流直流交流。這種形式有兩次逆變，最終輸出的是方波交流電。方波交流電的頻率可以選擇得較低，一般用于鋁、鎂及其合金材料的焊接。目前交流逆變式弧焊電源、變極性逆變式弧焊電源往往采用此種形式。3編輯ppt7.1.3逆變式弧焊電源的分類

逆變式弧焊電源的分類方法有多種，例如，按照輸出的電流種類不同分為直流逆變弧焊電源、交流逆變弧焊電源、脈沖逆變弧焊電源等；按照應(yīng)用對象不同分為焊條電弧焊逆變電源、氣體保護(hù)焊逆變電源、等離子弧焊逆變電源等。但最常見的分類方法還是根據(jù)電子功率開關(guān)的類型進(jìn)行分類，因?yàn)殡娮庸β书_關(guān)是組成逆變器的核心元件，它能夠反映逆變電源的某些特點(diǎn)。目前用于逆變弧焊電源的電子功率開關(guān)器件主要有：晶閘管、晶體管、場效應(yīng)管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。相應(yīng)地，有晶閘管式逆變弧焊電源、晶體管式逆變弧焊電源、場效應(yīng)管式逆變弧焊電源、IGBT式逆變弧焊電源等。4編輯ppt

器件特性晶閘管(SCR)可關(guān)斷晶閘管(GTO)晶體管(GTR)場效應(yīng)管(VMOS)IGBT開關(guān)速度(s)25~1006~251~50.1~0.50.5~1安全工作區(qū)(SOA)大大小大大額定電流密度(A/cm2)20~305~1050~100驅(qū)動功率大大大小小驅(qū)動方式電流電流電流電壓電壓高壓化易易易難易大電流化易易易難易高速化難難難極易易飽和壓降低低極低高低并聯(lián)使用難難較易易易其他不能自關(guān)斷拖尾電流限制頻率提高二次擊穿現(xiàn)象限制了SOA無二次擊穿現(xiàn)象擎住現(xiàn)象限制了SOA表7-1電子功率器件的開關(guān)參數(shù)比較

5編輯ppt7.1.4逆變式弧焊電源的特點(diǎn)與普通弧焊電源相比，逆變式弧焊電源最顯著特點(diǎn)是工作頻率高，目前常見的IGBT式逆變式弧焊電源的逆變頻率一般為20KHz左右。因此，逆變式弧焊電源具有許多特點(diǎn)：1．體積小、重量輕普通弧焊電源的體積和重量主要集中在變壓器和電抗器上，所占比例可達(dá)80％以上。在變壓器設(shè)計(jì)中，根據(jù)有關(guān)電磁定律可以推出電壓U與變壓器工作頻率f、鐵心截面S、鐵心材料的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm以及繞組匝數(shù)N之間的關(guān)系：6編輯pptBm的大小與變壓器鐵心的磁性材料有關(guān)，磁性材料確定后，Bm也就確定了。當(dāng)輸入電壓U確定后，變壓器的工作頻率f與變壓器線圈匝數(shù)N和鐵心截面S的乘積成反比。當(dāng)f大幅度提高時(shí)，NS就會大幅度下降，相應(yīng)的變壓器體積和重量也大幅度減小。由于逆變弧焊電源中的逆變頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻，因此，其變壓器的體積和重量會大大減小。而且逆變頻率越高，變壓器體積和重量減小得越多。同理，工作頻率大幅度提高，電抗器的體積和重量也會大幅度減小。由此可見，變壓器和電抗器體積、重量的大幅度減小，將使逆變式弧焊電源本身的體積和重量大幅度減小。例如：一個(gè)額定電源為300A的逆變式弧焊電源重約35Kg，體積0.06m3；而一個(gè)相同額定電流的晶閘管弧焊整流器重約180Kg，體積0.65m3。由表7-2可以看到逆變式弧焊電源與常用傳統(tǒng)弧焊電源體積與重量之間的比較。逆變式弧焊電源較小的重量和體積為其生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用等提供了極大的方便，尤其適用于流動及高空作業(yè)。7編輯ppt2．高效節(jié)能逆變式弧焊電源的變壓器和電抗器的體積和重量大大減小，相應(yīng)的鐵損(鐵心磁損耗)和銅損(導(dǎo)線耗能)也隨之減?。挥忠蚰孀冾l率高，通電周期小，變壓器的勵磁電流很?。荒孀兪交『鸽娫窗雽?dǎo)體功率開關(guān)器件工作于開關(guān)狀態(tài)，比工作于模擬狀態(tài)的半導(dǎo)體功率器件的功耗小。因此，逆變式弧焊電源效率高，功率因數(shù)高，節(jié)約電能，可減少配電容量。表7-2也列出了逆變式弧焊電源與常用傳統(tǒng)弧焊電源有關(guān)效率、功率因數(shù)等參數(shù)的比較。表7-2逆變式弧焊電源與傳統(tǒng)弧焊電源主要技術(shù)指標(biāo)型號規(guī)格AX7-400直流弧焊發(fā)電機(jī)ZXG-400磁放大器式硅弧焊整流器ZX5-400晶閘管式弧焊整流器ZX7-400晶閘管式弧焊逆變器ZX7-400IGBT式弧焊逆變器額定輸出電流(A)400400400400400額定負(fù)載持續(xù)率(%)6060606060輸出空載電壓(v)60~90806370~8075輸入電壓(v)33803380338033803380效率(%)53757485.790cos0.90.550.750.900.95重量(Kg)3703102206633外形尺寸(mm)長寬高95059089069049095259449510005403554705503203908編輯ppt3．動特性好、控制靈活普通的弧焊電源工作頻率為工頻或其倍頻，控制周期較長，回路中保持電流穩(wěn)定的輸出電抗器電感較大。即使是晶閘管雙反星型式弧焊整流器的工作頻率也僅為六倍工頻，控制周期為3.3ms。而逆變式弧焊電源的工作頻率很高，例如20KHz工作頻率的逆變弧焊電源的控制周期可達(dá)50μs；且因工作頻率高，焊接回路中起濾波作用的電感值也較小，從而使整個(gè)回路的時(shí)間常數(shù)減少，控制過程的動態(tài)響應(yīng)速度加快。逆變式弧焊電源的外特性、動特性等性能主要由電子控制電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。電子控制電路的變化和調(diào)整靈活、方便，易于在一臺電源上實(shí)現(xiàn)多種特性的輸出，甚至在焊接過程中也可以根據(jù)要求切換不同的特性。9編輯ppt4．元器件特性要求高，電路復(fù)雜逆變弧焊電源是典型的電力電子裝置，是高精度電子控制電源，因此電路復(fù)雜。普通弧焊電源工作頻率低，一般工作波形為正弦波，du/dt、di/dt較小。而逆變電源由于工作頻率高，內(nèi)部電流換向快，變化劇烈，對du/dt、di/dt等動態(tài)參數(shù)的影響十分明顯。在這樣嚴(yán)酷的工作條件下，逆變電源的電子功率開關(guān)等元器件被擊穿、燒穿的可能性大大增加。為了保證逆變弧焊電源的可靠性、穩(wěn)定性，不僅需要高質(zhì)量、高性能的元器件，而且需要設(shè)計(jì)、應(yīng)用許多保護(hù)電路。這也是逆變式弧焊電源控制電路復(fù)雜的重要因素之一。10編輯ppt7.2逆變電路7.2.1逆變電路的基本型式

主要有單端式、推挽式、半橋式以及全橋式四中逆變主電路結(jié)構(gòu)。其中全橋式電路應(yīng)用最廣泛。1．單端反激式逆變電路圖7-2單端式逆變電a）逆變電路原理圖b）波形圖由于這種變換器在電子功率開關(guān)導(dǎo)通期間只存儲能量，在關(guān)斷期間才向負(fù)載傳遞，中頻高壓器在工作過程中既是變壓器又相當(dāng)于一個(gè)儲能用電感，因此稱之為“電感儲能變換器”。其能量傳遞受變壓器限制，不適合應(yīng)用于弧焊電源。ab11編輯ppt12編輯ppt2．帶有去磁繞組和二極管鉗位電路的單端正激式逆變電路圖7-3帶有去磁繞組和二極管箝位的單端正激逆變電路a）逆變電路原理圖b）波形圖ab13編輯ppt14編輯ppt3．推挽式逆變電路推挽式逆變電路每次IGBT導(dǎo)通，變壓器一次繞組只有一半工作，變壓器利用率較低；電子功率開關(guān)IGBT所承受的最大電壓為2Ud，比全橋式，半橋式，甚至單端式電路中的IGBT所承受的電壓都要大，對電子功率開關(guān)的選擇造成困難。因此這種電路適于中小功率的逆變電源，在逆變式弧焊電源中很少被采用。圖7-4推挽式逆變電路a）逆變電路原理圖b）波形圖ab15編輯ppt16編輯ppt4．半橋式逆變電路一般半橋逆變電路適于中等容量的輸出，芬蘭KEMPPI公司生產(chǎn)的MASTER350逆變弧焊電源就是采用了典型的半橋逆變電路的形式，國內(nèi)許多廠家的逆變弧焊電源也采用了半橋逆變電路的形式。圖7-5半橋式逆變電路a）逆變電路原理圖b）波形圖ab17編輯ppt18編輯ppt5．全橋式逆變電路由于輸入整流電壓Ud直接作用于變壓器上，變壓器工作在磁滯回線的正反兩側(cè)，利用率高，適用于大、中功率輸出。美國MILLER公司生產(chǎn)的XMT-300系列的逆變弧焊電源就是采用的全橋逆變電路，國內(nèi)許多廠家生產(chǎn)的逆變弧焊電源也都采用全橋逆變電路。但該逆變電路中需要四只（組）電子功率開關(guān)，驅(qū)動電路較為復(fù)雜，抗不平衡能力較差。圖7-6全橋式逆變電路原理圖19編輯ppt20編輯ppt7.2.2各種逆變電路的特點(diǎn)與應(yīng)用1．單端逆變電路的特點(diǎn)與應(yīng)用單端電路的優(yōu)點(diǎn)：功率開關(guān)器件少，電路簡單；不存在開關(guān)管的直通問題，工作可靠性高；變壓器單向工作，不存在電路不平衡造成的偏磁飽和問題。單端逆變電路的缺點(diǎn)：1）與半橋、全橋逆變電路相比，其功率開關(guān)管承受的電壓高；2）由于變壓器是單向工作，可利用的鐵心的磁通變化量小，因此鐵心利用率低，變壓器體積大；3）功率傳輸?shù)恼伎毡刃。话悴坏?.5，所以輸出功率小。21編輯ppt

圖7-7雙電子功率開關(guān)單端式逆變電路

更常見的單端式逆變電路（1）雙管鉗位單端正激逆變電路由于VT1、VT2斷開時(shí)通過雙管鉗位，將功率開關(guān)管端電壓限制在直流電源電壓，是目前弧焊電源中廣泛使用的單端式逆變電路之一。22編輯ppt23編輯ppt圖7-8雙單端正激并聯(lián)逆變電路（2）雙單端正激并聯(lián)逆變電路采用兩套單端正激逆變器，其輸入輸出分別并聯(lián)，可以得到與全橋電路一樣的轉(zhuǎn)換功率。適用于較大焊接電流的逆變電源。24編輯ppt圖7-9復(fù)合隔離的雙單端正激并聯(lián)逆變電路（3）復(fù)合隔離的雙單端正激并聯(lián)逆變電路25編輯ppt26編輯ppt1）推挽式電路所用的功率開關(guān)器件少，輸出功率大，但開關(guān)管的電壓高，適用于直流輸入電壓比較低的逆變器。由于逆變弧焊電源的輸入電壓較高，功率較大，因此，該電路在逆變弧焊電源中應(yīng)用較少。2）半橋式電路所用的功率開關(guān)器件少，開關(guān)管的電壓不高，驅(qū)動脈沖電路簡單，抗電路不平衡能力強(qiáng)，但電路中需要兩個(gè)大電容器，而且輸出功率較小，適用于中小功率的逆變器。因此，該電路逆變弧焊電源中得到較多地應(yīng)用。為了增大輸出功率，也可以采用雙半橋逆變電路的并聯(lián)，其形式類似于雙單端正激并聯(lián)逆變電路，即輸入輸出分別并聯(lián)，美國飛馬特公司生產(chǎn)的300系列逆變弧焊電源就是采用了雙半橋逆變電路的并聯(lián)形式。3）全橋式電路中的功率開關(guān)管的電壓不高，輸出功率大，但所用功率開關(guān)器件較多，驅(qū)動電路比較復(fù)雜，適用于大功率的逆變器。因此，因此，該電路在逆變弧焊電源中應(yīng)用較多。2．雙端逆變電路的特點(diǎn)與應(yīng)用27編輯ppt

型式項(xiàng)目推挽式全橋式半橋式單端式(兩IGBT，二極管箝位)IGBT集射極間最大電壓穩(wěn)態(tài)為2Ud，瞬態(tài)過程二極管箝位于2Ud穩(wěn)態(tài)為Ud，瞬態(tài)過程二極管箝位于Ud同全橋式截止期二極管箝位于Ud相同輸出功率時(shí)集電極電流IcIc2Ic2Ic中頻變壓器上施加的電壓UdUdUd/2UdIGBT數(shù)量2422濾波電容數(shù)量1121表7-3逆變電路性能比較

28編輯ppt圖7-10死區(qū)設(shè)置示意圖

相串聯(lián)的橋臂上的功率開關(guān)管順序?qū)ㄒg隔一段時(shí)間再開通，這段時(shí)間有一個(gè)最小值限制，這個(gè)最小時(shí)間間隔稱為死區(qū)。設(shè)置死區(qū)的目的就是為了防止相串聯(lián)的橋臂上的功率開關(guān)管直通。設(shè)置死區(qū)時(shí)間應(yīng)大于電子功率開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，才能有效避免直通現(xiàn)象的產(chǎn)生。如圖7-10所示，脈沖寬度占空比最大時(shí)，兩脈沖之間的間隔即為死區(qū)。在脈沖寬度控制(PWM控制)方式中，通過限制最大脈寬，即可設(shè)置死區(qū)；在脈沖頻率控制(PFM控制)方式中，通過限制最大頻率，即可限制死區(qū)。解決措施：在功率開關(guān)管的通斷控制中設(shè)置死區(qū)。7.2.3雙端逆變電路的直通及不平衡問題1.雙端逆變電路的直通問題與解決措施逆變電路的直通：當(dāng)由于某種原因使功率開關(guān)管VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于逆變的直流電源短路，產(chǎn)生極大的電流，大大超過功率開關(guān)管允許通過的電流值，造成開關(guān)管等電子器件的過流損壞，使逆變失敗的現(xiàn)象，如圖7-6a所示。29編輯ppt2.雙端逆變電路的不平衡問題（略）直流偏磁解決辦法：1、提高器件的一致性；2、提高控制脈沖的對稱性；3、在一次側(cè)加隔直電容；4、隨時(shí)監(jiān)控一次側(cè)電流，防止過流。30編輯ppt變壓器的功能：具有負(fù)載與電網(wǎng)的隔離、功率傳輸、降壓的功能。與普通的變壓器相比，逆變式弧焊電源中的中頻變壓器工作頻率很高，一般為2~30KHz，而且為矩形波脈沖，因此在磁性材料的選擇以及工作原理等方面具有不同的特點(diǎn)。1．磁性材料目前常用的磁性材料有硅鋼片、鐵氧體、非晶態(tài)合金、微晶合金等。（1）硅鋼片硅鋼片又稱矽鋼片、電工鋼片，是用硅鋼材料軋制成的薄片。硅鋼片的最大優(yōu)點(diǎn)：一是飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高（可達(dá)1.8T以上）；二是居里溫度高；三是價(jià)格比較低。硅鋼片的缺點(diǎn)是電阻率低，高頻損耗很大。逆變頻率較低的晶閘管式逆變弧焊電源（工作頻率0.5~5kHz），其變壓器可采用單片厚度為0.2mm或0.1mm的薄硅鋼片。對于逆變頻率更高（20kHz以上）的弧焊電源，普通硅鋼片的厚度應(yīng)為幾十微米，加工難度大。（2）鐵氧體軟磁材料鐵氧體又稱鐵淦氧、磁性瓷，是鐵和其它金屬元素的復(fù)合氧化物。軟磁材料主要有鎳-鋅鐵氧體、錳-鋅鐵氧體等。與硅鋼片相比，鐵氧體的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度不高（一般僅為0.4T），居里溫度僅為120℃左右，而且力學(xué)性能脆弱，易裂易碎。但它的電阻率高（102~109cm，一般金屬為10-6~10-4·cm），是硅鋼片的106倍以上。因?yàn)樗母哳l損耗很小，所以可以用于工作頻率較高(可達(dá)幾百kHz)的變壓器磁心。7.2.4變壓器31編輯ppt（3）非晶態(tài)和微晶磁性材料非晶態(tài)磁性材料是以鐵、鈷、鎳等第一過渡族元素為基，加入其它類金屬（P、B、Si等易形成非晶的元素），經(jīng)過高溫熔化，快速冷卻（>105℃/s），再經(jīng)磁化熱處理而得到的長程無序、短程有序、無晶界(處于液相組織的亞穩(wěn)定態(tài))的玻璃態(tài)合金。它保留了液體的排列狀態(tài)，原子在空間的排列無秩序，不存在宏觀的磁各向異性，具有優(yōu)異的磁性能。非晶態(tài)合金經(jīng)熱處理可以變成微晶合金，磁性能有所提高。非晶態(tài)磁性材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較高（0.6~1.5T），居里溫度可達(dá)350~700℃，電阻率可達(dá)120~150μcm，為硅鋼片的3倍，尤其是它的矯頑力（Hc）很小，所以其鐵損小。非晶態(tài)及微晶磁性材料用于逆變式弧焊電源中的變壓器磁心，其工作頻率可達(dá)50kHz，一般應(yīng)用在20~50kHz范圍內(nèi)，由于這類材料目前成本還比較高，因此其應(yīng)用受到限制。目前逆變式弧焊電源應(yīng)用較多的是鐵氧體磁性材料，形狀有E形、矩形和環(huán)形。例如，ESAB的LHL315使用的是E形鐵心，LINCON的V300系列、KEMPPI的MASTER350系列使用的是矩形磁心。32編輯ppt2．電磁定律的應(yīng)用（略）3．集膚效應(yīng)

交變電流通過導(dǎo)線時(shí)會產(chǎn)生集膚效應(yīng)，表現(xiàn)為導(dǎo)體中的電流密度由導(dǎo)體的表面向中心越來越小，并呈指數(shù)規(guī)律下降。交變電流的頻率越高，集膚效應(yīng)越強(qiáng)烈。這就意味著導(dǎo)線的有效截面減小，導(dǎo)通電阻增大。變壓器繞組的線徑或厚度應(yīng)小于2Δ。集膚效應(yīng)的強(qiáng)度可用穿透深度Δ來表征，其含義是：交變電流沿導(dǎo)線表面開始，向內(nèi)所能達(dá)到的徑向深度，它所具有的橫截面即是導(dǎo)線的有效截面。Δ與電流交變頻率f、導(dǎo)線磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率有關(guān)：

33編輯ppt7.3輸入輸出電路7.3.1輸入整流濾波電路

圖7-12逆變式弧焊電源的輸入電路EMI電磁干擾濾波器（輸入端串入EMI濾波器、壓敏電阻抑制電壓尖峰。）、整流電路（模塊耐壓值應(yīng)到1200V）、輸入濾波器（C1、C2大容量的電解電容濾波、限流電阻R限制大容量電容在合閘瞬間產(chǎn)生很大的充電電流，即浪涌電流）。34編輯ppt7.3.2輸出整流濾波電路

圖7-14電抗器濾波過程a）全波整流b）單端式逆變整流a）b）逆變式弧焊電源中采用反向恢復(fù)速度快的二極管，即快恢復(fù)二極管：D1、D2為快恢復(fù)二極管，當(dāng)其承受反向電壓時(shí)PN結(jié)快速恢復(fù)反向阻斷能力。1.輸出整流電路35編輯ppt

性能類型反向恢復(fù)時(shí)間反向耐壓電流容量正向電壓反向漏電流摻金擴(kuò)散型大高大大較大外延型小高大較小(0.85v)較大肖特基型很小(150ns)低較大很小(0.55~0.65v)大(數(shù)十mA)PIN型小(200ns)高大小(0.6~0.85v)小(1mA左右)表7-5快恢復(fù)二極管特性比較

36編輯ppt圖7-14電抗器濾波過程輸出濾波器（輸出電抗器L）對脈動直流電進(jìn)行平滑濾波，以保證最小焊接電流連續(xù)，滿足直流電弧焊接的要求。2.輸出濾波器37編輯ppt38編輯ppt7.4時(shí)間比率控制及驅(qū)動電路7.4.1時(shí)間比率控制逆變式弧焊電源對能量輸出的控制是通過逆變電路中的電子功率開關(guān)的通斷來實(shí)現(xiàn)的。電子功率開關(guān)的通斷是由時(shí)間比率控制（timeratiocontrol，簡寫為TRC）電路產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行控制的，也就是說，逆變式弧焊電源采用了TRC控制。TRC控制通常有三種形式PWMPFMPWM+PFM1．PWM控制PWM（pulsewidthmodify）控制即脈沖寬度控制方式，也可以稱為“定頻率調(diào)脈寬”控制方式。此控制方式是在頻率不變的條件下，調(diào)節(jié)脈沖寬度來調(diào)節(jié)逆變器的輸出能量。圖7-15PWM控制方式示意圖39編輯ppt2．PFM控制PFM（pulsefrequencymodify）控制，即脈沖頻率控制方式，也就是“定脈寬調(diào)頻率”控制方式。PFM控制是在脈沖寬度保持不變的條件下，通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)逆變器的輸出。7.4.2PWM控制器PWM方式更常見，有多種IC芯片，如：3525、3846、3524等。圖7-17PFM控制方式示意圖40編輯ppt圖7-20SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖41編輯ppt對外特性、調(diào)節(jié)特性、動特性等特性的控制主要是在電源自然輸出特性的基礎(chǔ)上，通過電子電路對脈沖輸出的時(shí)間比率的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的。7.5.1電源的自然輸出特性電源自然輸出特性是指在無反饋控制的開環(huán)條件下，電子功率開關(guān)的通斷時(shí)間比率保持不變，電源輸出的特性。電子功率開關(guān)的通斷時(shí)間比率通常用脈沖占空比來表示，即脈沖峰值時(shí)間在整個(gè)脈沖周期中所占的比例，也就是電子功率開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間在開關(guān)通斷周期中所占的比例。自然輸出特性是逆變式弧焊電源的本質(zhì)特性，取決于電源內(nèi)部的阻抗和制作水平。7.5逆變式弧焊電源的特性控制圖7-30電源的自然輸出特性曲線Ⅰ區(qū)：工作過程不穩(wěn)定，應(yīng)避免在這一區(qū)域使用。Ⅱ區(qū)：焊接過程的電流、電壓值都處在該區(qū)域。42編輯ppt7.5.2外特性控制

逆變電源的外特性：是在有反饋控制、系統(tǒng)閉環(huán)條件下，利用TRC的PWM或PFM控制得到的電源穩(wěn)態(tài)輸出特性。其外特性形狀是由電壓、電流反饋控制方式和電子控制電路的控制狀態(tài)所決定的，因此，其控制靈活，可以得到多種形式的外特性。

外特性控制原理：恒流特性控制—采用電流反饋控制的PWM或PFM調(diào)節(jié)，如圖7-31a；恒壓（平）特性控制—采用電壓反饋控制的PWM或PFM調(diào)節(jié)，如圖7-31b。1．外特性控制原理圖7-31電源的外特性控制a）恒流外特性控制b）恒壓外特性控制a）b）Ⅰ、Ⅱ：電弧靜特性曲線；1、2：電源自然輸出特性43編輯pptⅠ、Ⅱ：電弧靜特性曲線；1、2：電源自然輸出特性圖7-31電源的外特性控制a）恒流外特性控制b）恒壓外特性控制a）b）44編輯pptⅠ、Ⅱ：電弧靜特性曲線；1、2：電源自然輸出特性圖7-31電源的外特性控制a）恒流外特性控制b）恒壓外特性控制a）b）45編輯ppt上述兩種控制只是最基本的控制模式。若兩種方式結(jié)合，則可以獲得有一定斜率的外特性曲線，也可實(shí)施分段控制，使不同的段獲得不同的外特性，圖7-32是幾種實(shí)際的逆變式弧焊電源的外特性曲線形式，其控制原理參見本書的5.3節(jié)。46編輯ppt控制電路：傳感檢測、反饋控制、TRC電路、驅(qū)動電路等。檢測電路：電流、電壓信號檢測，通過信號處理轉(zhuǎn)換為控制電路所需的電壓信號。反饋控制：負(fù)反饋控制，得到所需的輸出特性，保證輸出電壓、電流穩(wěn)定。反饋控制原理：將檢測電路所得的電流、電壓反饋信號與給定信號相比較得到偏差信號，經(jīng)放大處理后，作為PWM控制器的輸入信號，用于調(diào)節(jié)逆變式弧焊電源的電壓、電流輸出大小?？刂圃砣鐖D7-33所示。2．控制電路47編輯ppt常見的弧焊電源中比較放大電路原理圖圖7-34比較放大電路原理圖圖7-34a所示是一種由運(yùn)算放大器構(gòu)成的比例加法器，將比較電路和放大電路綜合起來，其輸出為：48編輯ppt反饋信號Uf與給定信號Ug符號相反，反饋信號與給定信號首先進(jìn)行“減”運(yùn)算，然后對其差值進(jìn)行比例放大。放大比例取決于電阻R3與R1、R2的比值。電路中的電容起到減小振蕩的作用。假設(shè)是Uf電流信號，Uk為PWM控制器的輸入信號，如果Uf為正值，Ug為負(fù)值，最終的Uk輸出為正值。其反饋調(diào)節(jié)過程如下：若焊接電流If↑→↑Uf（Ug不變）→Uk↓→PWM控制器輸出脈沖寬度↓→主電路脈沖占空比↓→If↓，從而保證輸出電流不變；若焊接電流If↓→↓Uf（Ug不變）→Uk↑→PWM控制器輸出脈沖寬度↑→主電路脈沖占空比↑→If↑，從而保證輸出電流不變。圖7-34比較放大電路原理圖49編輯ppt實(shí)際上，這是一個(gè)恒流外特性的控制過程。電路中Ug的大小決定了最終輸出電流的大小，也就是確定了外特性曲線族中的某一條外特性。信號比例放大系數(shù)越大，反饋控制電路對控制信號的變化越敏感，Uf和Ug只要稍有變化，就會變化很大。當(dāng)需要很大的比例放大時(shí)，可選擇圖7-34b中的比較器電路，輸入輸出之間的關(guān)系為：Uk=A(Ug-Uf)。

式中，反饋信號Uf和給定信號Ug均是正信號，A為比較器的放大倍數(shù)，數(shù)值可達(dá)106以上。在此條件下，基本上可以認(rèn)為Uf=Ug，即弧焊電源輸出電流由Ug唯一確定，精度很高，誤差極小。相對地，圖7-34a所示的電路如果放大倍數(shù)不夠大，會使Uf和Ug之間有一定誤差，控制輸出電流的精度稍低。

但片面地追求精度，提高放大倍數(shù)，易引起系統(tǒng)振蕩，實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)要求進(jìn)行選擇。圖7-34比較放大電路原理圖50編輯ppt圖7-35是恒流特性控制電路的原理圖。給定信號Ug為一負(fù)電壓信號，電流檢測信號Ui為一負(fù)電壓信號。Ui通過運(yùn)放N2構(gòu)成的反相放大器進(jìn)行信號放大和反相，變?yōu)橐徽妷盒盘?。該信號與給定信號Ug通過由N1構(gòu)成的反向加法器進(jìn)行信號的比較，得到其偏差信號并對其進(jìn)行放大。放大的偏差信號就是逆變式弧焊電源PWM控制器SG3525的輸入控制信號，該信號決定了SG3525的輸出脈沖信號的占空比。

電路中N3為比較器，用來進(jìn)行過電流保護(hù)控制。當(dāng)電流反饋信號Ui經(jīng)過放大處理后大于RP2確定的電流門限值時(shí)，比較器N3反轉(zhuǎn)，輸出高電平信號到SG3525的10腳，使SG3525無輸出脈沖，逆變式弧焊電源無輸出，從而實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)。

圖7-34a中的運(yùn)算放大器也可以直接利用PWM控制器本身的誤差放大器，將反饋信號與給定信號直接連至PWM控制集成電路芯片。51編輯ppt7.5.3調(diào)節(jié)特性控制

調(diào)節(jié)特性：是指電源外特性曲線族的調(diào)節(jié)方法和范圍。

對于逆變式弧焊電源來說，利用其電子控制的靈活性，改變給定電路中的給定信號Ug，可以調(diào)節(jié)外特性曲線的位置。

如果是平特性電源，給定信號Ug的變化將改變平外特性曲線的上下位置。

如果是下降特性的電源，給定信號Ug的變化將改變下降外特性曲線的左右位置。

直流逆變弧焊電源中，大多是利用穩(wěn)壓直流電源與電阻分壓電路獲得Ug；利用電位器來調(diào)節(jié)的Ug大小。52編輯ppt

在恒流特性的逆變式弧焊電源中，Ug的大小決定了輸出電流的大小；Ug變化，則電源輸出電流也發(fā)生變化。在焊接過程中，如果Ug以脈沖形式變化，則輸出電流也將是脈沖電流。Ug的脈沖變化頻率不得超過PWM頻率即逆變頻率，Ug的脈沖變化對輸出電流的影響必須通過頻率更高的PWM環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，即所謂的“在高頻基礎(chǔ)上的低頻調(diào)制”，其波形如圖7-36所示。在脈沖逆變弧焊電源中，其脈沖電流一般為高頻脈沖加低頻調(diào)制的形式產(chǎn)生的。低頻脈沖的范圍一般為0.1～500Hz。

使Ug能夠產(chǎn)生脈沖變化的電路可利用555芯片構(gòu)成脈沖發(fā)生電路或其它脈沖電路。脈沖方波信號發(fā)生電路可參見5.4.2節(jié)點(diǎn)內(nèi)容。圖7-36高頻基礎(chǔ)上的低頻調(diào)制波形53編輯ppt7.5.4動特性控制

對弧焊電源動特性的要求：對外部變化能夠快速做出響應(yīng)。逆變式弧焊電源的動特性控制特點(diǎn)：工作頻率高，很小的輸出電抗器電感就可以達(dá)到濾波要求，因而逆變式弧焊電源回路的時(shí)間常數(shù)小，電磁慣性小，動態(tài)響應(yīng)快，使得利用電子線路可以比較容易地控制逆變器的di/dt等動特性參數(shù)。

控制電路：在逆變式弧焊電源中可以采用積分、微分和比較放大等電子控制電路，進(jìn)行電源動特性控制和波形控制以及其它方式的控制。54編輯ppt圖7-37是某逆變式CO2焊接電源外特性控制電路原理圖，該電路并不是簡單的平特性控制（一般CO2焊接電源外特性為平特性）。因?yàn)閱渭兊钠教匦圆荒軡M足高質(zhì)量CO2焊接的要求，所以提出了圖7-38所示的外特性形狀。

即在引弧階段采用下降特性，在燃弧階段采用平特性，而在熔滴短路過渡階段采用恒流特性。不同特性的切換是在焊接過程中自動完成的，其切換過程的控制就是動態(tài)特性控制。55編輯ppt電路原理分析：運(yùn)放N1及其周圍的電阻、電容構(gòu)成了引弧控制電路；運(yùn)放N2及其周圍的電阻、電容構(gòu)成了平特性控制電路；運(yùn)放N3及其周圍的電阻、電容構(gòu)成了限流控制電路。

Ufi為電流反饋信號，Ug1為引弧給定信號，Ufu為電壓反饋信號，Ug2為平特性給定信號。

引弧過程中采用電流反饋。引弧前，電流反饋信號Ufi為零，引弧電路輸出只受到引弧給定信號Ug1的控制，輸出最大值，并施加到SG3525的2腳，驅(qū)動電路輸出最大脈寬，弧焊電源輸出空載電壓（約60V）。此時(shí)電壓反饋信號Ufu為最大值，平特性控制電路輸出最小值，VD2承受反向電壓而截止。一旦引弧成功，建立了焊接電流，由于較強(qiáng)的電流負(fù)反饋和較高的響應(yīng)速度，引弧電路輸出信號迅速減小；與此同時(shí)，焊接電壓Ufu、電壓反饋信號Ufu也減小，平特性控制電路輸出信號增大，VD2導(dǎo)通、VD1截止，完成下降特性與平特性的切換。56編輯ppt在平特性控制電路和引弧電路中均采用了PI電路作為電子電抗器，用來調(diào)節(jié)短路電流的增長速度di/dt，以獲得所需要的動特性。限流控制電路：單獨(dú)采用PI環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)電弧恒壓控制，焊接過程穩(wěn)定性仍然不能令人滿意。如果積分器的時(shí)間常數(shù)過大，動態(tài)調(diào)節(jié)能力變差，極易造成短路熄弧及大顆粒飛濺；如果積分器的時(shí)間常數(shù)過小，又會使di/dt及峰值電流過大，將引起密集的小顆粒飛濺或焊絲爆斷。

為解決上述問題，引入了限流控制電路，限流控制電路采用了PD環(huán)節(jié)。57編輯ppt