IGBT模块弧焊逆变电源的应用实例作者：微叶科技 时间：2015-05-15 16:39
本文将结合弧焊逆变电源的产品说明IGBT模块在弧焊逆变电源的应用。 
图1 ZX7-315的主电路原理图
ZX7-315的控制方案如图2所示。
图2 ZX7-315的控制方案
对于弧焊工艺来说，要求弧焊电源的外特性能在弧长变化时，保持弧焊电流的稳定性。因此在设定了弧焊电流的参考值后，采用电流闭环控制，将检测到的反馈电流与弧焊电流的参考值进行比较，其误差信号通过误差放大器调制PWM发生器，改变占空比，驱动IGBT，调节输出电流，达到输出电流稳定乏目的。若采用DSP实现电弧电流的恒定，DSP的外围不设置PWM发生器，PWM信号是由其内部的事业管理部产生的。在焊接过程中，由于熔滴下落造成弧长变短，甚至产生短路。这时，电源的输出电压将急剧下降。此时，需要引入电压反馈电路（如图2中的虚线部分所示）。当电弧电压低于15V时，电子开关 K闭合，电压反馈网络接人电压闭环控制回路。反馈电压Uf、反馈电流 If与参考电流 J，送人比较器进行比较，其误差信号控制PWM发生器输出脉冲的占空比增大，弧焊电源输出的弧焊电压增高，当弧焊电压达到15V时，电子开关 K被切断，电压反馈网络退出控制回路，电弧电流只受电流闭外回路的控制，恒定在参考电流值上。 同类型的IGBT弧焊逆变电源还有ZX7-400、ZA7-500 等，其最大焊接电流分别为400A和500A。ZX7-500的主电路为全桥式逆变电路，其原理图如图3所示。 
图3 ZX7-500主电路的原理图
ZX7-500的主要技术参数见表 1。
2 MZ-1250 IGBT弧焊逆变电源 M2-1250为适用于埋弧焊的IGBT弧焊逆变电源，其结构图如图4-14所示。从图中可1，埋弧焊的IGBT弧焊逆变电源有由供电系统、电子功率系统、电子控制系统和给定反馈系统等组成。 
图4 MZ-1250的结构图
MZ-1250的主电路为全桥式逆变电路，如图5所示。采用全桥式逆变电路的主要目的是，与其他类型电路相比，全桥式逆变电路在功率开关管承受相同的反向击穿电压和集电极电流情况下，能输出更大的功率。四个功率开关管并联RCD缓冲电路，其作用是降低开关管关断时产生过大的过冲电压和减少开关管的关断损耗。
图5 MZ-1250的主电路
电源外特性的控制，即工作电压和焊接电流的调节是通过电流、电压闭环回路和PWM控制制来实现的。电流采样信号是由莱姆 (LEM)电流传感器取得的。MZ-12 50的主要技术参数见表 2。
3 脉冲MIG弧焊逆变电源 脉冲MIG (Metal Ine，t Gas)是熔化极惰性气体保护焊，脉冲MIG弧焊电源的外特性为双阶梯特性，其外特性曲线如图6所示。在M+G脉冲弧焊电源中，主电路常采用移相式软开关IGBT逆变器。图7为MIG脉冲弧焊电源的原理框图]。从图7中可以看出，MIG脉冲弧焊电源主要由主电路（包括输入整流滤波电路、移相逆变电路、高频变压器和输出整流滤波电路等）、移相PWM发生器、驱动电路、电流／电压检测电路、保护电路和电源特性控制电路等组成。 
图6 MIG脉冲弧焊电源的外特性曲线
图7MIG脉冲弧焊电源的原理框图
移相逆变电路为全桥式移相软开关逆变器，原理图见图8，三相交流市电经整流滤波后，得到直流电压Udc作为逆变器的直流侧输入电压，Vl和V2为超前桥臂，V3和V4为滞后桥臂，Cl和C2为超前桥臂的并联电容，C3和C4为滞后桥臂的并联电容，并且Cl =C2》C3=C4。Cs和L2（包括变压器的漏感）组成谐振回路，与移相PWM发生器一起实现功率开关管ZVS谐振换流。
图8 全桥式移相软开关逆变器的原理图
控制系统由单片机或DSP或单片机+DSP组成，其主要包括主控板、PWM发生器、驱动器、电压/电流检测、送丝机、控制面板、遥控装置等，如图7中虚线内所示。在图7中，主控板为DSP，通过焊接参数的设定和电压/电流信号的反馈，利用DSP的事业管理部，产生两对互补的移相PWM脉冲信号，经驱动器触发主电路中的IGBT。当主控板采用单板机时，要另行设置PWM发生器。当采用单板机+DSP控制方案时，单板机完成系统管理和设定参数输入输出功能，而DSP完成PWM信号产生、实现电源输出电压/电流控制、电流波形控制、电源外特性控制等功能。 驱动器除具有驱动主电路中的IGBT功能以外，还具有欠电压、过电压、过电流、过热等保护功能。驱动器可应用IGBT专用集成驱动电路，如EXB840/EXB841、M57959L、M57962L 等。控制面板用来设置和显示焊接参数。送丝机的功能为调节焊丝送丝速度和实现保护气体的通／断。遥控装置的功能是实现控制面板和送丝机的远程控制。 下面以WSME-500为例介绍IGBT 软开关弧焊逆变电源的主要技术指标。 WSME-500为IGBT 软开关弧焊逆变电源，其体积小、重量轻。其主要特点有： (1)具有两种逆变方式：AC-DC-AC-DC逆变方式和AC-DC-AC-DC-AC逆变方式，前一种逆变方式用于直流焊接，后一种逆变方式用于脉冲焊接，所以通过切换WSME-500可以用于直流、直流脉冲、交流矩形波氩弧焊。广泛用于碳钢、低合金钢、铜、铝、钛及其合金的氩弧焊。 (2)由于利用控制板可以实现对电源外特性的控制，具有多种电源外特性，可以满足不同焊接的需要，做到一机多用。 (3)具有较高的功率因数。 (4)引弧容易、电弧稳定、焊接质量高。 WSME-500 IGBT 软开关弧焊逆变电源的主要技术指标见表3。
NBM-630逆变式多功能弧焊电源是华南理工大学与广州市同诚焊接设备技术有限公司联合研发、生产的一款高性能低成本的多用途lGBT弧焊电源。它的主要特点是： (1)可以变换多种电源外特性。通过切换可变换恒压、恒流、L 形等电源外特性，以适应各种弧焊方法、多种金属材料焊接的需要。例如，恒压外特性适用予半自动或自动熔礼极气体保护焊(COz/MAG)；恒流外特性适用于焊条电弧焊(MMA)、钨极氩弧焊(TIG)、L 形外特性与峰值恒压或恒流特性配合，适用于熔化极脉冲氩弧焊(P-MIG)。NBM-630逆变式多功能弧焊电源的外特性如图9所示。 
图9 NBM-630逆变式多功能弧焊电源的外特性
(2)具有良好的动态特性。如在CO2焊接时，电源外特性为恒压特性（如图9中的外特性曲线2），借助于电子电抗器可以实现对短路电流上升率的无级调节，从而实现焊接电流最佳控制，形成良好的焊缝。在MIG焊接时，焊接峰值电流和基准电流可以500Hz的频率切换，故有良好的动态特性。 NBM-630逆变式多功能弧焊电源的主电路如图10所示。如图中所示，主电路为IGBT全桥式逆变电路。 
图10 NBM-630逆变式多功能弧焊电源的主电路
NBM-630逆变式多功能弧焊电源的控制电路方框图如图11所示。主控制板为单片机77E58。NBM-630逆变式多功能弧焊电源的主要技术指标见表 4。
图11 NBM-630逆变式多功能弧焊电源的控制电路方框图
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