1、逆變焊機(jī)簡(jiǎn)介

　　“逆變”與“整流”是兩個(gè)相反的概念。整流是把交流電變換為直流電的過(guò)程，而逆變則是把直流電改變?yōu)榻涣麟姷倪^(guò)程，采用逆變技術(shù)的弧焊電源稱為“逆變焊機(jī)”。

　　逆變焊割設(shè)備的工作過(guò)程，是將三相或單相 50Hz 工頻交流電整流、濾波后得到一個(gè)較平滑的直流電，由 IGBT或場(chǎng)效應(yīng)管組成的逆變電路將該直流電變?yōu)?5～100kHz 的交流電，經(jīng)中頻主變壓器降壓后，再次整流濾波獲得平穩(wěn)的直流輸出焊接電流（或再次逆變輸出所需頻率的交流電）。逆變焊割設(shè)備的控制電路由給定電路和驅(qū)動(dòng)電路等組成，通過(guò)對(duì)電壓、電流信號(hào)的回饋進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)整機(jī)循環(huán)控制，采用脈寬調(diào)制PWM 為核心的控制技術(shù)，從而獲得快速脈寬調(diào)制的恒流特性和優(yōu)異的焊割工藝效果。

　　1.1逆變焊機(jī)原理

　　逆變過(guò)程需要大功率電子開(kāi)關(guān)器件， 采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的的逆變焊機(jī)稱為IGBT逆變焊機(jī)。焊接時(shí)電路是閉合的，正是因?yàn)殡娐肥情]合的才使得在整個(gè)閉合電路的電流處處相等；由于各處的電阻是不一樣的，特別是在不固定接觸處的電阻最大，這個(gè)電阻在物理學(xué)上稱為接觸電阻。根據(jù)電流的熱效應(yīng)定律（也叫焦?fàn)柖桑琎=I2Rt可知，電流相等，則電阻越大的部位發(fā)熱越高，電焊在焊接時(shí)焊條的觸頭與被焊接的金屬體的接觸處的接觸電阻最大，則在這個(gè)部位產(chǎn)生的熱量自然也就最多，焊條又是熔點(diǎn)較低的合金，很快被熔化，熔化后的合金焊條芯沾合在被焊物體上后經(jīng)過(guò)冷卻，就把焊接對(duì)象粘合在一塊了。

　　由于逆變焊機(jī)是一典型的開(kāi)關(guān)電源（輸出特性又有很大特點(diǎn)），輸出功率大，工作環(huán)境變化大，所以要求元器件質(zhì)量要好，這樣才能保證工作的穩(wěn)定型，壽命長(zhǎng)。

　　1.2逆變焊機(jī)用途

　　逆變直流手工弧焊機(jī)、逆變半自動(dòng)氣體保護(hù)焊機(jī)主要用于低碳鋼、中碳鋼及合金鋼等多種金屬焊接。逆變氬弧焊機(jī)主要用于不銹鋼、鋁、鈦、鋯等的焊接，特別是不銹鋼薄板焊接。

　　逆變空氣等離子切割機(jī)用于切割碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鋁、銅等多種金屬。該產(chǎn)品可以切割絕大多數(shù)金屬和非金屬，因等離子弧能量集中，割件的熱影響區(qū)小，具有切割速度快、切割面光潔、熱變形小、切割成本低等特點(diǎn)。

　　焊接小車(chē)是根據(jù)不同客戶工件特點(diǎn)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的包括焊機(jī)、工裝在內(nèi)的一整套設(shè)備，通過(guò)控制焊接小車(chē)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。一臺(tái)自動(dòng)焊接小車(chē)的焊接效率是人工焊接的 2 至 3 倍，一個(gè)操作工可以同時(shí)看管兩至三臺(tái)焊接小車(chē)，大大降低焊接人員工作強(qiáng)度，減少對(duì)高焊接技能人員的依賴，大幅提高了工作效率和焊接質(zhì)量。

　　以上產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械制造、造船、鋼結(jié)構(gòu)、車(chē)輛制造、電建、管道、化建、鍋爐、橋梁等行業(yè)的焊接及切割。

　　2、控制電路的設(shè)計(jì)

　　2.1UC3846電流控制芯片的工作原理

　　電流模式控制分為峰值電流模式控制和平均電流模式控制。UC3846采用的是峰值電流模式控制法，即將實(shí)際的電感電流和電壓外環(huán)設(shè)定的電流值分別接收到PWM比較器的兩段進(jìn)行比較，如圖：

　　變壓器一次側(cè)電流采樣信號(hào)被放大三倍后與電壓誤差放大信號(hào)比較，然后去控制PWM脈寬調(diào)制信號(hào)的脈寬。電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)同時(shí)起作用調(diào)節(jié)PWM脈寬，如果內(nèi)環(huán)變壓器一次側(cè)出現(xiàn)過(guò)流，而外環(huán)電壓信號(hào)由于存在輸出電感響應(yīng)速度比內(nèi)環(huán)慢，這個(gè)電流信號(hào)被霍爾傳感器檢測(cè)到后經(jīng)過(guò)放大與外環(huán)電壓誤差放大信號(hào)比較后會(huì)迅速調(diào)節(jié)PWM脈寬，因此UC3846比電壓型PWM控制芯片響應(yīng)速度更快，在變壓器磁芯偏磁時(shí)，能同時(shí)調(diào)節(jié)變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的電流。但是同時(shí)，UC3846同時(shí)擁有電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)，因此從控制上來(lái)說(shuō)更為復(fù)雜，在占空比大于50%時(shí)容易造成工作電流擾動(dòng)，尖峰電流值和平均值誤差大，并且在二分之一開(kāi)關(guān)頻率處容易發(fā)生次諧波振蕩，為了提高電路的穩(wěn)定性有必要進(jìn)行斜坡補(bǔ)償。

　　2.2斜坡補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

　　UC3846自身提供了良好的斜率補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，因?yàn)樵诙〞r(shí)電容CT上恰好有一個(gè)正的與振蕩器同步、同頻率的斜坡電壓，只要將該電壓信號(hào)分壓之后與峰值電流信號(hào)進(jìn)行疊加就可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。從UC3846的脈寬調(diào)制原理來(lái)看斜坡補(bǔ)償有兩種實(shí)現(xiàn)辦法，一種是將斜坡補(bǔ)償信號(hào)加到電流檢測(cè)信號(hào)中，另一種是將斜坡補(bǔ)償信號(hào)從誤差電壓信號(hào)中減去，第一種辦法在實(shí)現(xiàn)電流限制功能時(shí)易產(chǎn)生誤差，第二種方法中，必須電壓放大器的增益，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較麻煩。因此采用改進(jìn)后的第一種辦法，如圖3接入射極跟隨器減小晶振端的輸出阻抗。射極電阻取R2的十分之一，為減少補(bǔ)償電路對(duì)CT上的斜坡電壓線性度和穩(wěn)定性的影響，R2的阻值要足夠大。

　　下面計(jì)算R2參數(shù)值：

　　1．計(jì)算輸出電感電流斜坡下降斜率：

　　2．把輸出濾波電感電流下降斜率折算到變壓器一次側(cè)

　　3．計(jì)算折算到一次側(cè)的電流檢測(cè)信號(hào)電壓值

　　4．計(jì)算振蕩鋸齒波斜坡電壓的斜率

　　5．導(dǎo)出斜坡公式

　　運(yùn)用疊加法

　　為電流反饋在上產(chǎn)生的電壓）。斜率補(bǔ)償電壓信號(hào)的上升率愈大，則峰值電流控制電路對(duì)噪聲的敏感性愈小，系統(tǒng)的抗噪能力愈強(qiáng)。另一方面，如果增大斜率補(bǔ)償電壓信號(hào)的上升率，則電流注入控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)穿越頻率會(huì)減小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度將降低。

　　綜合考慮上述因素，在控制工程實(shí)踐中，斜率補(bǔ)償電壓的上升率一般設(shè)計(jì)為輸出電感電流檢測(cè)信號(hào)下降率折算值的75%。，。和組成濾波電路，這個(gè)濾波電路用于降低開(kāi)通時(shí)的電流尖峰，這個(gè)電流尖峰可能會(huì)導(dǎo)致電流檢測(cè)電路錯(cuò)誤工作。這個(gè)濾波電路的時(shí)間常數(shù)不能太小，太小濾波的效果不好，太大則導(dǎo)致電流檢測(cè)電路響應(yīng)速度變慢，一般濾波電路的時(shí)間常數(shù)應(yīng)該要遠(yuǎn)小于振蕩器的時(shí)鐘周期由此完成斜坡補(bǔ)償和濾波電路的計(jì)算。

　　2.3峰值電流限制電路設(shè)計(jì)

　　電流模式控制中最有吸引力的地方就是它的電流限制能力，通過(guò)把誤差電壓放大器的輸出限制在一個(gè)最大值的辦法，簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)了限制峰值電流的目的。如圖4，最大電流由和決定，這個(gè)誤差放大器的輸出最大電壓和Q1聯(lián)系緊密，Q1用于嵌位誤差放大器的最大輸出電壓。Q1的基極電壓和D1的前端電壓基本相等，所以PWM比較器的反向輸入端電壓被嵌位在，由此，最大峰值電流

　　2.4快速關(guān)斷電路設(shè)計(jì)

　　UC3846的shutdown主要用于快速關(guān)斷保護(hù)功能，是對(duì)前面峰值電流限制等保護(hù)功能的一個(gè)補(bǔ)充，關(guān)斷電路輸入部分是一個(gè)比較器，如圖5。如果比較器的同相輸入端大于350mv，比較器輸出高電平，小晶閘管導(dǎo)通，軟啟動(dòng)電容放電，使得pin1電位下降

　　本電源采用的是富士EXB841驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)到IGBT過(guò)流時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)過(guò)流信號(hào)，利用UC3846的shutdown的快速關(guān)斷功能，這個(gè)過(guò)流信號(hào)被送到shutdown來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT的快速過(guò)流關(guān)斷保護(hù)。因?yàn)閯?dòng)作電壓比較小，如果UC3846用于大功率焊機(jī)容易受到干擾，所以有必要設(shè)計(jì)一中可靠的輔助關(guān)斷電路，保證關(guān)斷電路不容易受到干擾。如圖6

　　如果過(guò)流信號(hào)為是低電平，模擬開(kāi)關(guān)4066c導(dǎo)通，shutdown和負(fù)電壓接通，保證shutdown不被干擾電壓誤導(dǎo)通，如果過(guò)流信號(hào)是高電平shutdown和正電壓接通，模擬開(kāi)關(guān)4066d開(kāi)通，shutdown出現(xiàn)高電平，將UC3846可靠關(guān)斷輸出脈沖，保護(hù)開(kāi)關(guān)管。

　　2.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　通過(guò)主電路和控制電路的設(shè)計(jì)制作，本文設(shè)計(jì)了基于全橋主電路的峰值電流模式控制氣體保護(hù)焊機(jī)，焊機(jī)工作時(shí)，斜坡補(bǔ)償信號(hào)和恒壓輸出如圖7：

　　焊機(jī)工作時(shí)的變壓器一次側(cè)通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)到的電流波形轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)加上斜坡補(bǔ)償后如圖7所示，斜坡補(bǔ)償電路增加了電路的穩(wěn)定性和抗干擾性能，彌補(bǔ)了峰值電流模式控制的不足，輸出電壓穩(wěn)定。

　　2.6結(jié)論

　　峰值電流模式控制有很多優(yōu)點(diǎn)，特別在用于全橋式逆變焊機(jī)時(shí)，有利于防止主變壓器的偏磁，但是峰值電流模式也有抗干擾性能不好，且容易發(fā)生亞諧波振蕩的缺點(diǎn)，但是通過(guò)控制電路的合理設(shè)計(jì)，尤其是斜坡補(bǔ)償電路，充分利用UC3846的內(nèi)部資源，可以克服這些不足。