第6章逆变器.ppt

1第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器2晶闸管式弧焊逆变器晶闸管式弧焊逆变器以以快速晶闸管快速晶闸管(SCR)为逆变主电路的大功率高压开关管，通过其触发角为逆变主电路的大功率高压开关管，通过其触发角来进行控制的弧焊逆变器，通常称为晶闸管式弧焊逆变器。它是以触发来进行控制的弧焊逆变器，通常称为晶闸管式弧焊逆变器。它是以触发角来控制的，也可称为角来控制的，也可称为触发角控制式弧焊逆变器触发角控制式弧焊逆变器。早在早在70年代末就有晶闸管式弧焊逆变器的研究成果，并有报道。年代末就有晶闸管式弧焊逆变器的研究成果，并有报道。80年代年代初中期它有较大发展，从中等容量到大容量；从焊条电弧焊到初中期它有较大发展，从中等容量到大容量；从焊条电弧焊到CO2/MAG焊、埋弧焊和电阻焊；从直流焊到矩形波交流焊；从电子控制到微机、焊、埋弧焊和电阻焊；从直流焊到矩形波交流焊；从电子控制到微机、数字化控制等，应用领域也不断发展，逆变频率从几千赫兹到数万赫兹数字化控制等，应用领域也不断发展，逆变频率从几千赫兹到数万赫兹。到了到了80年代后期，由于它的频率毕竟偏低，控制性能欠佳，有噪声干年代后期，由于它的频率毕竟偏低，控制性能欠佳，有噪声干扰等，而逐渐为后起之秀扰等，而逐渐为后起之秀“场效应管式场效应管式、IGBT式弧焊逆变器式弧焊逆变器”所代所代替。它应用的比例逐渐减少，但在世界上仍有一定地位。这里应指出，替。它应用的比例逐渐减少，但在世界上仍有一定地位。这里应指出，新型晶闸管类，例如新型晶闸管类，例如静电感应晶闸管静电感应晶闸管(SITH)和和场控晶闸管场控晶闸管(MCT)等的等的出现，将会改变它的地位，有利于它的继续发展和推广。出现，将会改变它的地位，有利于它的继续发展和推广。第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器3一、一、主要组成与基本原理主要组成与基本原理输入整流器输入整流器（单相或三相整流桥），把单相或三相整流桥），把50Hz（或（或60Hz）工频电压变成直流电压。）工频电压变成直流电压。输入滤波器输入滤波器，由带间隙的普通电抗器和电，由带间隙的普通电抗器和电容器组成，使输入直流变得比较平滑。容器组成，使输入直流变得比较平滑。大功率快速晶闸管组大功率快速晶闸管组VH，作为大功率高压电子开关，作为大功率高压电子开关，把直流电压把直流电压(电流电流)逆变成为数千赫兹的中频电压逆变成为数千赫兹的中频电压(电流电流)。中频变压器中频变压器，把高压小电流转变为符合焊接工艺需要的低电压大电流，把高压小电流转变为符合焊接工艺需要的低电压大电流输出。它的铁心材料常用铁氧体或用非晶态合金、微晶、高输出。它的铁心材料常用铁氧体或用非晶态合金、微晶、高值硅钢片。值硅钢片。输出快速整流器输出快速整流器，把低电压中频交流电整流为直流电。，把低电压中频交流电整流为直流电。输出滤波器输出滤波器，使脉动系数较大的直流电变得比较平滑，需采用中频滤波器。，使脉动系数较大的直流电变得比较平滑，需采用中频滤波器。触发控制驱动电路：触发控制驱动电路：用于产生晶闸管组用于产生晶闸管组VH的触发控制驱动脉冲信号的触发控制驱动脉冲信号。稳压电源和操作电路稳压电源和操作电路：为触发控制驱动电路、操作电路和给定为触发控制驱动电路、操作电路和给定-反馈比反馈比较电路提供稳压电源。较电路提供稳压电源。反馈比较电路：反馈比较电路：从输出电路按一定比例取出电弧电压、电流的负反馈从输出电路按一定比例取出电弧电压、电流的负反馈信号，与给定信号，与给定(标准标准)电压进行比较和放大，为触发驱动电路提供控制信号，电压进行比较和放大，为触发驱动电路提供控制信号，以便改变输出电压、电流。以便改变输出电压、电流。第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器4二、二、逆变主电路的形式与基本原理逆变主电路的形式与基本原理 晶闸管式弧焊逆变器将快速晶闸管用于逆变器，成熟程晶闸管式弧焊逆变器将快速晶闸管用于逆变器，成熟程度高、容量大，但本身的开关速度较慢。与其它类型的度高、容量大，但本身的开关速度较慢。与其它类型的逆变器相比，具有如下特点：逆变器相比，具有如下特点：单管的容量大、价格低，驱动功率低；单管的容量大、价格低，驱动功率低；工作可靠性高，控制电路比较简单；工作可靠性高，控制电路比较简单；逆变频率低、功率因数小、效率低、冲击电流大。逆变频率低、功率因数小、效率低、冲击电流大。第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器51.逆变主电路的基本形式逆变主电路的基本形式2.逆变主电路的换流原理逆变主电路的换流原理3.串联式逆变主电路串联式逆变主电路4.并联并联(全桥全桥)式逆变主电路式逆变主电路5.逆变主电路的工作原理逆变主电路的工作原理第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器61 逆变主电路的基本形式逆变主电路的基本形式 弧焊逆变器是工作在焊接电弧这样的特殊负载下。在焊接过弧焊逆变器是工作在焊接电弧这样的特殊负载下。在焊接过程中电弧电流变化幅度大、频率高，特别是在空载起动、短路程中电弧电流变化幅度大、频率高，特别是在空载起动、短路引弧和熔滴过渡时，弧焊逆变器处在引弧和熔滴过渡时，弧焊逆变器处在“空载一短路一负载空载一短路一负载”等频繁变化的复杂状态，每秒钟内这种周期性变化达等频繁变化的复杂状态，每秒钟内这种周期性变化达几十次几十次以以上，而逆变器本身的工作频率又有上，而逆变器本身的工作频率又有几千赫兹几千赫兹。因此需对弧焊逆。因此需对弧焊逆变器提出特殊要求。必须根据弧焊方法、容量大小、直流输入变器提出特殊要求。必须根据弧焊方法、容量大小、直流输入电压和工作频率等各种参数来选择和设计逆变主电路。电压和工作频率等各种参数来选择和设计逆变主电路。第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器7 图图6-8 晶闸管式弧焊逆变器的逆变主电路基本型式晶闸管式弧焊逆变器的逆变主电路基本型式 串联不对称半桥式电路串联不对称半桥式电路串联对称半桥式电路串联对称半桥式电路串联对称半桥式电路串联对称半桥式电路串联对称桥式电路串联对称桥式电路并联式全波电路并联式全波电路并联式麦克默利电路并联式麦克默利电路第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器8 2 逆变主电路的换流原理 在逆变主电路中，使晶闸管由导通转为关断的方法不在逆变主电路中，使晶闸管由导通转为关断的方法不能像晶闸管弧焊整流器那样依靠交流各相相位的高低变能像晶闸管弧焊整流器那样依靠交流各相相位的高低变化产生反压关断来进行换相，其晶闸管的换流方法为：化产生反压关断来进行换相，其晶闸管的换流方法为：(1)自然换流自然换流 它利用负载回路中电阻、电容和电感所形成的振荡特它利用负载回路中电阻、电容和电感所形成的振荡特性，使电流自动过零，只要负载电流超前于电压的时间性，使电流自动过零，只要负载电流超前于电压的时间大于晶闸管的关断时间，就能保证晶闸管自然关断，再大于晶闸管的关断时间，就能保证晶闸管自然关断，再触发另一路晶闸管导通，使电流换流。触发另一路晶闸管导通，使电流换流。(2)强迫换流强迫换流 在电路中设置电感、电容等元件构成换流回路。换流时，在电路中设置电感、电容等元件构成换流回路。换流时，让辅助晶闸管或另一只主晶闸管导通，使换流回路产生一个让辅助晶闸管或另一只主晶闸管导通，使换流回路产生一个脉冲电压，反向施加于原先导通的晶闸管上，强迫其电流迅脉冲电压，反向施加于原先导通的晶闸管上，强迫其电流迅速下降到零，其持续时间必须大于管子的关断时间，使之关速下降到零，其持续时间必须大于管子的关断时间，使之关断，故称为强迫换流，或称脉冲换流。断，故称为强迫换流，或称脉冲换流。第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器9图图6-9 强迫换流电路和串联式逆变主电路原理图强迫换流电路和串联式逆变主电路原理图a)强迫换流电路强迫换流电路 b)串联式逆变主电路串联式逆变主电路 3 串联式逆变主电路串联式逆变主电路 换向电容与负载串联的逆变主电路称为串联式逆变主电换向电容与负载串联的逆变主电路称为串联式逆变主电路，也称串联式谐振逆变主电路路，也称串联式谐振逆变主电路 三种工作状态三种工作状态第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器104 并联并联(全桥全桥)式逆变主电路式逆变主电路 换流电容与负载电路换流电容与负载电路并联。它的换流方式是并联。它的换流方式是基于并联谐振的原理，基于并联谐振的原理，故称为并联式谐振逆变故称为并联式谐振逆变主电路，简称并联式逆主电路，简称并联式逆变主电路，也常称全桥变主电路，也常称全桥逆变主电路。逆变主电路。图6-11并联式(全桥)逆变主电路 第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器11并联式逆变主电路工作过程示意图 第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器125.5.逆变主电路的工作原理逆变主电路的工作原理第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器13图图6-16 晶闸管逆变器波形图晶闸管逆变器波形图 图图6-15 晶闸管逆变器简化图晶闸管逆变器简化图 第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器14 为了实现弧焊逆变器的外特性、调节性能、动特性及波形为了实现弧焊逆变器的外特性、调节性能、动特性及波形的控制和调节，通常采用时间比例控制技术中定频调宽调的控制和调节，通常采用时间比例控制技术中定频调宽调制制(PWM)、定脉宽调脉频调制、定脉宽调脉频调制(PFM)及两者混合调制等三及两者混合调制等三种调制方式。晶闸管式弧焊逆变器采用定脉宽脉频调制控种调制方式。晶闸管式弧焊逆变器采用定脉宽脉频调制控制制(PFM)方式。方式。第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器15三、三、触发控制电路主要形式与工作原理触发控制电路主要形式与工作原理 晶闸管类和晶体管类逆变器的驱动电路有着不同的特点晶闸管类和晶体管类逆变器的驱动电路有着不同的特点和要求。对晶闸管类逆变器驱动电路的要求如下：和要求。对晶闸管类逆变器驱动电路的要求如下：（1）触发脉冲信号应有足够的功率）触发脉冲信号应有足够的功率(电压和电流电压和电流)。（2）触发脉冲信号应有足够的宽度，保证触发的晶闸管）触发脉冲信号应有足够的宽度，保证触发的晶闸管可靠导通。可靠导通。（3）触发脉冲形式应有助于晶闸管的导通。在大电流晶）触发脉冲形式应有助于晶闸管的导通。在大电流晶闸管并联电路中，要求并联的元件同一时刻导通，使开关闸管并联电路中，要求并联的元件同一时刻导通，使开关管在允许的范围内。同时又必须保证在大电流工作的晶闸管在允许的范围内。同时又必须保证在大电流工作的晶闸管能可靠的关断。管能可靠的关断。第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器161 外特性的获得方法外特性的获得方法 晶闸管弧焊逆变器的外特性形状，是通过弧焊电流晶闸管弧焊逆变器的外特性形状，是通过弧焊电流(或弧焊或弧焊电压电压)给定值与电流、电压负反馈比较和放大，以改变频率给定值与电流、电压负反馈比较和放大，以改变频率来控制的。例如，从图来控制的。例如，从图6-14的分流器的分流器RS的的e、f取电流负反馈取电流负反馈信号，送到电子控制电路信号，送到电子控制电路，再由电子控制电路，再由电子控制电路的的a-b和和c-d输出端口把触发脉冲输给晶闸管，用于轮流触发两个串联输出端口把触发脉冲输给晶闸管，用于轮流触发两个串联工作的晶闸管工作的晶闸管VT1、VT2。若取弧焊电流反馈信号，随着焊接电流的增大，当它增大若取弧焊电流反馈信号，随着焊接电流的增大，当它增大到接近給定值之后，使逆变器的工作频率（和电弧电压）到接近給定值之后，使逆变器的工作频率（和电弧电压）迅速降低，从而获得恒流外特性。若取弧焊电压反馈信号，迅速降低，从而获得恒流外特性。若取弧焊电压反馈信号，随着焊接电流的增大，弧焊电压基本不变随着焊接电流的增大，弧焊电压基本不变，从而获得恒压，从而获得恒压特性。同理，欲获得其它形状的外特性，只要采用相应的特性。同理，欲获得其它形状的外特性，只要采用相应的反馈，控制逆变器相应的工作频率变化规律即可反馈，控制逆变器相应的工作频率变化规律即可。晶闸管。晶闸管弧焊逆变器的外特性如图弧焊逆变器的外特性如图6-18a、b、c、d所示。所示。第六章第六章 弧焊逆变器弧焊逆变器17图图6-18 晶闸管弧焊逆