逆变式中频点焊机原理简述

尹建平

【摘要】本文所介绍的点焊机控制器将调压，储能，逆变和计算机技术结合起来使其具有焊接性能良好;电流调节范围宽;焊接中对电网无冲击;控制器成本不高等特点，文中重点介绍了逆变部分的工作原理。

【关键词】调压;储能;逆变;恒流

1.前言

本文介绍了调压储能逆变式中频点焊机控制器。该控制器将调压，储能，逆变和计算机技术结合起来，除了具备焊接牢固，不炸火（无飞溅）基本要求外，还有以下特点：对电网无冲击，无污染;控制器价格较低（不须价高的大电流肖特基整流器）;电流调节范围宽;该控制器特别适合焊接灯丝等精细物件和在供电容量不大的非工业区使用。

2.系统组成焊机主要部分组成

2.1 整流滤波部份，由二极管D1-D4及电容C1组成，其功能为将220V交流变为直流电压U1。

2.2 斩波，调压，储能部份：由IGBT（绝缘栅双极晶体管）S1，D5，L，D6，C2及电压反馈组成，其功能为将直流电压U1调至所需直流电压U2并存储在电容C2中。

2.3 逆变部份，由IGBT 管SA，SB，SC，SD，变压器T及电流反馈单元组成。其功能为将直流电压U2变为500HZ的恒流中频交流电并由T输出。

2.4 计算机控制，键盘，显示，电源部份：由单片计算机及相关电路组成，为整机的控制中心。负责各种参数输入，显示，储能电压调节，逆变频率，输出电流控制，过流保护等。电源部分提供上面所需的各种电压。

2.5 基本工作过程（见图1）。计算机接收到焊接信号后，进入电流输出程序，将储能电容C2上的电能转换为具有恒流特性的中频电流输出，进行焊接。在整个程序运行中，只要储能电容C2上的电压低于设定电压，斩波调压部分就开始工作给C2充电，达到设定电压后，自动停止。

3.控制器主要部分工作原理

3.1 斩波调压，该部分的功能为将直流电压U1调至所设定直流电压U2并存储在电容C2中。当计算机检测到储能电压U2低于设定直流电压时，输出脉冲串使S1导通给C2充电，达到设定电压后，停止工作。图中电感L用于限流。二极管D5用于在S1的关断时间内提供续流通路。（实际应用中，焊接电流800A，焊接时间15MS时，C2上电压波动为20V，充电时间小于1秒。）此环节的限流延时充电，将点焊时电源输入端的数十安培脉冲大电流变成了仅几安培的平稳电流，减小了对电网的冲击和污染，并大大的扩展了输出电流的调节范围。

3.2 逆变输出部份，该部分的功能为将直流电压U2变为500HZ的恒流中频交流电输出。本逆变桥与标准的逆变桥的工作原理类似，但整个逆变桥的控制过程却有较大不同。输出电流的恒定采用PWM方式而不是标准逆变桥所采用的控制逆变桥对角线上IGBT导通的时间差（移相角）的方式。在整个正半波电流输出期间，逆变桥中只有SA一个器件重复进行导通，关闭工作，桥臂另一器件SD一直导通。在整个负半波电流输出期间，逆变桥中只有SC一个器件重复进行导通，关闭工作，桥臂另一器件SB一直导通。电流输出其间，程序以100US为周期反复对输出电流的大小进行检测，比较，运算，并将结果传送到PWM相应单元。当输出电流比设定电流大时，PWM输出脉冲信号变窄。该信号使桥臂导通的时间变短（关断时间加长），从而使输出电流幅度降低。当输出电流比设定电流小时，PWM输出脉冲信号变宽。该信号使桥臂导通的时间变长（关断时间缩短），从而使输出电流幅度增大。

逆变桥框图见图1，输出电流波形见图2，工作原理（控制过程）如下：

正半波电流输出过程：

A.进入正半波电流输出程序，启动定时器1计算半个输出周期的时间;启动输出电流的检测运算程序，并将结果传送到PWM相应单元;启动PWM以15KHZ频率自动控制SA的导通，关闭以控制輸出电流的大小;开通SD。

B.IGBT管SA开通，正半波输出电流上升的过程：PWM信号电平为1，SA开通，图中A点电压等于U2，B点电压为0V（SD已预先开通）。电压U2全部加在变压器T初级两端，T中电流迅速增大，电流从U2，SA，T，SD到地G端，电流在图中T的方向为从下往上，输出正半波电流。

C.IGBT管SA关断，正半波输出电流下降过程：PWM信号0电平到来时，SA关断，变压器T中电流因电感作用不能中断而继续从下往上流动，该电流使SA的结电容迅速充电和SB的结电容迅速放电.从而引起A点电压快速下降。当UA由0V变负时，二极管DB导通。输出电流流动回路为：从T上端，SD，G端，DB，回到T下端.此电流由储存在T的电感中的磁能提供，呈下降状态。由于负载不变，此电流下降的幅度仅取决于SA关断的时间长短，即PWM脉冲信号中 0电平的宽度。

当PWM脉冲信号的1电平再次到来时，程序回到上面的B过程。如此循环，直到整个正半波输出电流结束。

D.输出正电流反向过程：定时器1时间到，IGBT管SA关断。变压器T中电流因电感作用不能中断而继续在T中从下往上流动，该电流使SA的结电容迅速充电和SB的结电容迅速放电。从而引起A点电压快速下降。当UA由0V变负时，二极管DB导通。并给SB的0压导通（ZVS）创造了条件，SA关断并延时一死区时间后，开通SB（由于DB导通，SB的开通为ZVS）。此时输出电流流动回路为：从T上端，SD，G端，DB，回到T下端。再延时一死区时间后，关断SD，变压器T中电流因不能中断而继续在T中从下往上流动。该电流使SD的结电容迅速充电和SC的结电容迅速放电.从而引起B点电压快速上升，当UB高于U2时，二极管DC导通。并给SC的ZVS创造了条件。此时输出电流流动回路为：从T上端，DC，U2端，G端，DB端，回到T下端。此阶段也是变压器T中所储存能量回馈电源的过程。由于负载不变，电流开始匀速下降.在关断SD一段时间（死区时间）后，使SC ZVS开通，此时输出电流减小到0并反向后迅速增大。输出电流流动回路为：从U2端，SC，T上端，T下端，SB，到G端。

负半波电流输出过程：

E.进入负半波电流输出程序，启动定时器1计算半个输出周期的时间;启动输出电流的检测运算程序，并将结果传送到PWM相应单元;启动PWM以15KHZ频率自动控制SC的导通，关闭以控制输出电流的大小。

F.IGBT管SC，SB开通，负半波输出电流上升过程： PWM信号电平为1， SC开通。图中

B点电压等于U2，A点电压为0V.电压U2全部加在变压器T初级两端，T中电流迅速增大， 电流从U2，SC，T，SB回到地G端，电流在图中T的方向为从上往下，输出负半波电流。

G.IGBT管SC关断， 负半波输出电流下降过程： PWM信号0电平到来时，SC关断，变压器T中电流因电感作用不能中断而继续从上往下流动，该电流使SC的结电容迅速充电和SD的结电容迅速放电，从而引起B点电压快速下降。当UB由0V变负时，二极管DD导通。输出电流流动回路为：T下端，SB，G，DD，T上端.此电流由储存在T的电感中的磁能提供，呈下降状态。同样此电流下降的幅度也仅取决于SC关断的时间长短，即PWM脉冲信号中 0电平的宽度。

当PWM脉冲信号的1电平再次到来时，程序回到上面的F过程。如此循环，直到整个负半波输出电流结束.

H.输出负电流反向过程：定时器1时间到，IGBT管SC关断。变压器T中电流因电感作用不能中断而继续在T中从上往下流动，该电流使SC的结电容迅速充电和SD的结电容迅速放电.从而引起B点电压快速下降。当UB由0V变负时，二极管DD导通。并给SD的0压导通（ZVS）创造了条件.SC关断并延时一死区时间后，ZVS開通SD。此时输出电流流动回路为：从T下端，SB，G端，DD，回到T上端。再延时一死区时间后，关断SB，变压器T中电流因电感作用不能中断而继续在T中从上往下流动。该电流使SB的结电容迅速充电和SA的结电容迅速放电。从而引起A点电压快速上升，当UA高于U2时，二极管DA导通。并给SA的ZVS创造了条件。此时输出电流流动回路为：从T下端，DA，U2端，G端，DD端，回到T上端。此电流由储存在T的电感中的磁能提供。此阶段也是变压器T中储存能量回馈电源的过程。由于负载不变，电流开始匀速下降.在关断SB一段时间（死区时间）后，使SA 开通（ZVS开通），此时输出电流减小到0并反向后迅速增大。输出电流流动回路为：从U2端，SA，T下端，T上端，SD，到G端。

若输出时间未到，程序回到上面的A过程继续循环，直至输出完成。

3.3 电流控制软件，为提高焊接质量和消除焊接时的炸火，在每个焊接周期前加了电流缓升时间（即在开始焊接前的一段时间里使电流从0上升到设定值），此阶段的控制由软件完成。

图2 输出电流波形

4.结论

4.1 本控制器将调压，储能，逆变和计算机技术结合起来。使控制器具有了某些实用的新的特点。文中给出了控制器框图，介绍了主要部份的基本功能，动作原理和输出电流的波形。重点介绍了逆变部分的工作原理。

4.2 逆变部分中15KHZ的恒流控制，500HZ的中频电流输出使本控制器焊接良好而成本又低（与直流焊机相比，去掉了高价的大电流肖特基整流器）。

4.3 逆变部分的电流控制和计算机技术的结合，使每个焊接周期前的电流缓升得以实现，从而提高了焊接质量和大大减少炸火现象。

4.4 调压储能部分使焊接时对电网无冲击，无污染，也大大减小了电网干扰对控制器的影响，还使电流调节范围加大，使得控制器特别实用于电网容量不大的地方。

参考文献

[1]刘胜利.现代高频开关电源实用新技术[M].机械工业出版社，2006.