引言

電焊機是工業牛產和加工領域不可或缺的設備,其中逆變焊機由于具有體積小、重量輕、控制性能好、動態響應快、易于實現焊接過程的實時控制等優異性能,成為焊機產品的主流發展方向。

目的市場上大部分逆變焊機產品工作在硬開關狀態,開關損耗嚴重,開關頻率限制存幾kHz到幾十kHz上,無法完全發揮出逆變焊機小型化和便攜性的特點。另外,焊機類設備的耗電量占我國年發電總量的5‰,被列為十大高能耗產品之一。因此,將軟開關技術引入逆變焊機領域,對于減小開關損耗、提高開關頻率、減小體積重量以及節約能源等具有至關重要的作用。全橋變換器由于自身結構的特點,可以方便地工作于多種軟開關模式下,并具有功率器件電壓額定值小、變壓器利用率高、濾波電感小等優點,而且可以工作在電壓、電流兩種模式下。其中電流模式特別適合應用在高頻逆變焊機的控制上。

因此,本文設計了一種基于峰值電流控制模式的全橋移相諧振逆變弧焊電源。

1 結構組成及功能

基于峰值電流模式的全橋移相諧振逆變弧焊電源系統的結構框圖如圖1所示。

220V交流市電經整流濾波后做為全橋逆變器的直流輸入,其輸出為脈寬可調的高頻交流電壓方波,通過高頻變壓器隔離降壓后,再經過輸出整流濾波得到滿足焊接要求的直流電源。

基于峰值電流控制的移相控制電路是整個系統設計的核心部分。所謂峰值電流控制,即逐個脈沖電流限制,就是通過實時檢測流過變壓器原邊的電流波形,由其峰值到達給定的時刻決定輸出PWM脈沖的寬度.使得主開關管的導通電流瞬態值具有相對獨立性。能夠快速地獲得焊機T作所需的理想電流特性曲線.提高其動態響應速度和可靠性。并有助于克服全橋變換器所固有的偏磁問題。外特性控制電路根據原邊電流峰值和副邊輸出電壓的反饋量與給定量的偏差判斷系統的工況,并通過移相控制電路調節輸出脈寬,實現對輸出電流的閉環控制,使逆變焊機具有理想的工作特性曲線。

圖2所示即為高頻逆變焊機所普遍采用的一種行之有效的恒流帶外拖的外特性曲線。其中Uk為空載電壓,即焊機不工作時的輸出電壓。一個較高的空載電壓有助于起弧階段快速建立起穩定的工作狀態。一般空載電壓為90V左右;AB段為起弧階段,即焊機建立工作狀態的過渡過程,近似于恒壓輸出。這個過程中變換器以最大脈寬輸出,以最快速度達到設定工作電流時該階段結束;BC段為穩定工作階段,近似為恒流過程,使焊機具有一個平穩、恒定的工作電流;CD段為外拖階段,由于焊機在頻繁的起弧和工作過程中焊槍很容易和工件短路粘連,造成
焊接過程不順暢,如果此時系統檢測到一個較低的短路電壓后能夠相應地增大輸出電流值,就可以將粘連部分熔斷,從而獲得一個連續、平穩的焊接過程。

此外,本系統還包括一系列輸入過、欠壓保護、過流保護、短路保護以及給定電流和實際工作電流切換顯示等功能。

2 主電路設計

本系統所采用的全橋變換器拓撲結構如圖3所示。主電路中選用了MOSFET作為主功率開關器件,這是因為本系統的設計頻率為100 kHz,而與IGBT一般最高工作在幾十kHz相比,MOSFET的工作頻率則要高的多。另外由于MOSFET自身帶有反并聯二級管和較大的輸出電容,如圖3中D1~D4、C1~C4所示,為軟開關的實現提供了便利條件。變壓器副邊輸出整流結構有全波整流(變壓器副邊三抽頭+兩只二級管)和全橋整流(變壓器副邊兩抽頭+四只二級管)兩種結構可供選擇,前者適合于輸出低壓大電流的場合,后者適合于輸出高壓小電流場合。由于逆變焊機可看作是一個低壓大電流源.因此選用全波整流。

本方案選用移相的控制方式,比較適合于選用MOSFET作為主開關的拓撲結構。其工作過程大致可分為功率傳輸階段、超前臂諧振階段、環流階段、滯后臂諧振階段以及電流反向階段等幾個過程。需要強調的是,在滯后臂諧振階段,由于D5和D6同時換流將副邊短路,輸出濾波電感Lf無法協助變壓器原邊漏感Llk參與諧振過程,因此滯后臂軟開關條件不容易滿足。

與常規全橋變換器相比,本方案在電路結構上做了如下改進。

(1)在Llk的基礎上,原邊串入一個輔助諧振電感Ls。這有助于克服滯后臂諧振過程中只有Llk單獨參與諧振,導致諧振能量不足、軟開關范圍受限的缺點。但是另一方而,原邊電流反向過程中又希望原邊電感值

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