電焊機(jī)之IGBT系列焊機(jī)工作原理

　逆變電焊機(jī)的基本工作原理：
　　逆變電焊機(jī)主要是逆變器產(chǎn)生的逆變式弧焊電源，又稱弧焊逆變器，是一種新型的焊接電源。是將工頻(50Hz)交流電，先經(jīng)整流器整流和濾波變成直流，再通過大功率開關(guān)電子元件(晶閘管SCR、晶體管GTR、場效應(yīng)管MOSFET或IGBT)，逆變成幾kHz~幾十kHz的中頻交流電，同時(shí)經(jīng)變壓器降至適合于焊接的幾十V電壓，再次整流并經(jīng)電抗濾波輸出相當(dāng)平穩(wěn)的直流焊接電流。
　　其變換順序可簡單地表示為：
　　工頻交流(經(jīng)整流濾波)→直流(經(jīng)逆變)→中頻交流(降壓、整流、濾波)→直流。
　　即為：AC→DC→AC→DC
　　因?yàn)槟孀兘祲汉蟮慕涣麟姡�由于其頻率高，則感抗大，在焊接回路中有功功率就會(huì)大大降低。所以需再次進(jìn)行整流。這就是目前所常用的逆變電焊機(jī)的機(jī)制。
　　逆變電源的特點(diǎn)：弧焊逆變器的基本特點(diǎn)是工作頻率高，由此而帶來很多優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樽儔浩鳠o論是原繞組還是副繞組，其電勢E與電流的頻率f、磁通密度B、鐵芯截面積S及繞組的匝數(shù)W有如下關(guān)系：E=4.44fBSW
　　而繞組的端電壓U近似地等于E，即：
　　U≈E=4.44fBSW
　　當(dāng)U、B確定后，若提高f，則S減小，W減少，因此，變壓器的重量和體積就可以大大減小。就能使整機(jī)的重量和體積顯著減小。還有頻率的提高及其他因素而帶來了許多優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)弧焊電源比較，其主要特點(diǎn)如下：
　　1.體積小、重量輕，節(jié)省材料，攜帶、移動(dòng)方便。
　　2.高效節(jié)能，效率可達(dá)到80%~90%，比傳統(tǒng)焊機(jī)節(jié)電1/3以上。
　　3.動(dòng)特性好，引弧容易，電弧穩(wěn)定，焊縫成形美觀，飛濺小。
　　4.適合于與機(jī)器人結(jié)合，組成自動(dòng)焊接生產(chǎn)系統(tǒng)。
　　5.可一機(jī)多用，完成多種焊接和切割過程。
　　電焊機(jī)之IGBT系列焊機(jī)工作原理
　　一、 功率開關(guān)管的比較
　　常用的功率開關(guān)有晶閘管、IGBT、場效應(yīng)管等。其中，晶閘管(可控硅)的開關(guān)頻率最低約1000次/秒左右，一般不適用于高頻工作的開關(guān)電路。
　　1、效應(yīng)管的特點(diǎn)：
　　場效應(yīng)管的突出優(yōu)點(diǎn)在于其極高的開關(guān)頻率，其每秒鐘可開關(guān)50萬次以上，耐壓一般在500V以上，耐溫150℃(管芯)，而且導(dǎo)通電阻，管子損耗低，是理想的開關(guān)器件，尤其適合在高頻電路中作開關(guān)器件使用。
　　但是場效應(yīng)管的工作電流較小，高的約20A低的一般在9A左右，限制了電路中的最大電流，而且由于場效應(yīng)管的封裝形式，使得其引腳的爬電距離(導(dǎo)電體到另一導(dǎo)電體間的表面距離)較小，在環(huán)境高壓下容易被擊穿，使得引腳間導(dǎo)電而損壞機(jī)器或危害人身安全。
　　2、IGBT的特點(diǎn)：
　　IGBT即雙極型絕緣效應(yīng)管，符號及等效電路圖見圖11.1，其開關(guān)頻率在20KHZ~30KHZ之間。但它可以通過大電流(100A以上)，而且由于外封裝引腳間距大，爬電距離大，能抵御環(huán)境高壓的影響，安全可靠。
　　
 
　

一、 場效應(yīng)管逆變焊機(jī)的特點(diǎn)

　　由于場效應(yīng)管的突出優(yōu)點(diǎn)，用場效應(yīng)管作逆變器的開關(guān)器件時(shí)，可以把開關(guān)頻率設(shè)計(jì)得很高，以提高轉(zhuǎn)換效率和節(jié)省成本(使用高頻率變壓器以減小焊機(jī)的體積，使焊機(jī)向小型化，微型化方便使用。(高頻變壓器與低頻變壓器的比較見第三章《逆變弧焊電源整機(jī)方框圖》。
　　但無論弧焊機(jī)還是切割機(jī)，它們的工作電流都很大。使用一個(gè)場效應(yīng)管滿足不了焊機(jī)對電流的需求，一般采用多只并聯(lián)的形式來提高焊機(jī)電源的輸出電流。這樣既增加了成本，又降低了電路的穩(wěn)定性和可靠性。
　　二、 IGBT焊機(jī)的特點(diǎn)
　　IGBT焊機(jī)指的是使用IGBT作為逆變器開關(guān)器件的弧焊機(jī)。由于IGBT的開關(guān)頻率較低，電流大，焊機(jī)使用的主變壓器、濾波、儲(chǔ)能電容、電抗器等電子器件都較場效應(yīng)管焊機(jī)有很大不同，不但體積增大，各類技術(shù)參數(shù)也改變了。
　　三、 IGBT焊機(jī)工作原理：
　　半橋逆變電路工作原理如圖11.2
　　
 
　　工作原理：
　　①tl時(shí)間：開關(guān)K1導(dǎo)通，K2截止，電流方向如圖中①，電源給主變T供電，并給電容C2充電。
　　②t2時(shí)間：開關(guān)K1、K2都截止，負(fù)截?zé)o電流通過(死區(qū))。
　　③t3時(shí)間：開關(guān)K1截止，K2導(dǎo)通，電容C2向負(fù)載放電。
　　④t4時(shí)間：開關(guān)K1、K2均截止，又形成死區(qū)。如此反復(fù)在負(fù)載上就得到了如圖11.3的電流，實(shí)現(xiàn)了逆變的目的。
　　2、IGBT焊機(jī)的工作原理
　　① 電源供給：
　　和場效應(yīng)管作逆變開關(guān)的焊機(jī)一樣，焊機(jī)電源由市電供給，經(jīng)整流、濾波后供給逆變器。
　　② 逆變：
　　由于IGBT的工作電流大，可采用半橋逆變的形式，以IGBT作為開關(guān)，其開通與關(guān)閉由驅(qū)動(dòng)信號控制。
　　③ 驅(qū)動(dòng)信號的產(chǎn)生：
　　驅(qū)動(dòng)信號仍然采用處理脈寬調(diào)制器輸出信號的形式。使得兩路驅(qū)動(dòng)信號的相位錯(cuò)開(有死區(qū))，以防止兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通而產(chǎn)生過大電流損壞開關(guān)管。驅(qū)動(dòng)信號的中點(diǎn)同樣下沉一定幅度，以防干擾使開關(guān)管誤導(dǎo)通。
　　④ 保護(hù)電路：
　　IGBT焊機(jī)也設(shè)置了過流、過壓、過熱保護(hù)等，有些機(jī)型也有截流，以保證焊機(jī)及人身安全，其工作原理與場效應(yīng)管焊機(jī)相似。
　　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程，而逆變則使把直流電改變?yōu)榻涣麟姷倪^程，采用逆變技術(shù)的弧焊電源稱為逆變焊機(jī)。逆變過程需要大功率電子開關(guān)器件，采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關(guān)器件的逆變焊機(jī)成為IGBT逆變焊機(jī)。
　　逆變焊機(jī)的工作過程如下：將三相或單相工頻交流電整流，經(jīng)濾波后得到一個(gè)較平滑的直流電，由IGBT組成的逆變電路將該直流電變?yōu)閹资甂HZ的交流電，經(jīng)主變壓器降壓后，再經(jīng)整流濾波獲得平穩(wěn)的直流輸出焊接電流。
　　逆變電焊機(jī)優(yōu)點(diǎn)：由于逆變工作頻率很高，所以主變壓器的鐵心截面積和線圈匝數(shù)大大減少，因此，逆變焊機(jī)可以在很大程度上節(jié)省金屬材料，減少外形尺寸及重量，大大減少電能損耗，更重要的是，逆變焊機(jī)能夠在微妙級的時(shí)間內(nèi)對輸出電流進(jìn)行調(diào)整，所以就能實(shí)現(xiàn)焊接過程所要求的理想控制過程，獲得滿意的焊接效果。