电焊机之IGBT系列焊机工作原理

　　逆变电焊机的基本工作原理：

　　逆变电焊机主要是逆变器产生的逆变式弧焊电源，又称弧焊逆变器，是一种新型的焊接电源。是将工频(50Hz)交流电，先经整流器整流和滤波变成直流，再通过大功率开关电子元件(晶闸管SCR、晶体管GTR、场效应管MOSFET或IGBT)，逆变成几kHz~几十kHz的中频交流电，同时经变压器降至适合于焊接的几十V电压，再次整流并经电抗滤波输出相当平稳的直流焊接电流。

　　其变换顺序可简单地表示为：

　　工频交流(经整流滤波)→直流(经逆变)→中频交流(降压、整流、滤波)→直流。

　　即为：AC→DC→AC→DC

　　因为逆变降压后的交流电，由于其频率高，则感抗大，在焊接回路中有功功率就会大大降低。所以需再次进行整流。这就是目前所常用的逆变电焊机的机制。

　　逆变电源的特点：弧焊逆变器的基本特点是工作频率高，由此而带来很多优点。因为变压器无论是原绕组还是副绕组，其电势E与电流的频率f、磁通密度B、铁芯截面积S及绕组的匝数W有如下关系：E=4.44fBSW

　　而绕组的端电压U近似地等于E，即：

　　U≈E=4.44fBSW

　　当U、B确定后，若提高f，则S减小，W减少，因此，变压器的重量和体积就可以大大减小。就能使整机的重量和体积显著减小。还有频率的提高及其他因素而带来了许多优点，与传统弧焊电源比较，其主要特点如下：

　　1.体积小、重量轻，节省材料，携带、移动方便。

　　2.高效节能，效率可达到80%~90%，比传统焊机节电1/3以上。

　　3.动特性好，引弧容易，电弧稳定，焊缝成形美观，飞溅小。

　　4.适合于与机器人结合，组成自动焊接生产系统。

　　5.可一机多用，完成多种焊接和切割过程。

　　电焊机之IGBT系列焊机工作原理

　　一、 功率开关管的比较

　　常用的功率开关有晶闸管、IGBT、场效应管等。其中，晶闸管(可控硅)的开关频率最低约1000次/秒左右，一般不适用于高频工作的开关电路。

　　1、效应管的特点：

　　场效应管的突出优点在于其极高的开关频率，其每秒钟可开关50万次以上，耐压一般在500V以上，耐温150℃(管芯)，而且导通电阻，管子损耗低，是理想的开关器件，尤其适合在高频电路中作开关器件使用。

　　但是场效应管的工作电流较小，高的约20A低的一般在9A左右，限制了电路中的最大电流，而且由于场效应管的封装形式，使得其引脚的爬电距离(导电体到另一导电体间的表面距离)较小，在环境高压下容易被击穿，使得引脚间导电而损坏机器或危害人身安全。

　　2、IGBT的特点：

　　IGBT即双极型绝缘效应管，符号及等效电路图见图11.1，其开关频率在20KHZ~30KHZ之间。但它可以通过大电流(100A以上)，而且由于外封装引脚间距大，爬电距离大，能抵御环境高压的影响，安全可靠。

一、 场效应管逆变焊机的特点

　　由于场效应管的突出优点，用场效应管作逆变器的开关器件时，可以把开关频率设计得很高，以提高转换效率和节省成本(使用高频率变压器以减小焊机的体积，使焊机向小型化，微型化方便使用。(高频变压器与低频变压器的比较见第三章《逆变弧焊电源整机方框图》。

　　但无论弧焊机还是切割机，它们的工作电流都很大。使用一个场效应管满足不了焊机对电流的需求，一般采用多只并联的形式来提高焊机电源的输出电流。这样既增加了成本，又降低了电路的稳定性和可靠性。

　　二、 IGBT焊机的特点

　　IGBT焊机指的是使用IGBT作为逆变器开关器件的弧焊机。由于IGBT的开关频率较低，电流大，焊机使用的主变压器、滤波、储能电容、电抗器等电子器件都较场效应管焊机有很大不同，不但体积增大，各类技术参数也改变了。

　　三、 IGBT焊机工作原理：

　　半桥逆变电路工作原理如图11.2

　　工作原理：

　　①tl时间：开关K1导通，K2截止，电流方向如图中①，电源给主变T供电，并给电容C2充电。

　　②t2时间：开关K1、K2都截止，负截无电流通过(死区)。

　　③t3时间：开关K1截止，K2导通，电容C2向负载放电。

　　④t4时间：开关K1、K2均截止，又形成死区。如此反复在负载上就得到了如图11.3的电流，实现了逆变的目的。

　　2、IGBT焊机的工作原理

　　① 电源供给：

　　和场效应管作逆变开关的焊机一样，焊机电源由市电供给，经整流、滤波后供给逆变器。

　　② 逆变：

　　由于IGBT的工作电流大，可采用半桥逆变的形式，以IGBT作为开关，其开通与关闭由驱动信号控制。

　　③ 驱动信号的产生：

　　驱动信号仍然采用处理脉宽调制器输出信号的形式。使得两路驱动信号的相位错开(有死区)，以防止两个开关管同时导通而产生过大电流损坏开关管。驱动信号的中点同样下沉一定幅度，以防干扰使开关管误导通。

　　④ 保护电路：

　　IGBT焊机也设置了过流、过压、过热保护等，有些机型也有截流，以保证焊机及人身安全，其工作原理与场效应管焊机相似。

　　逆变与整流是两个相反的概念，整流是把交流电变换为直流电的过程，而逆变则使把直流电改变为交流电的过程，采用逆变技术的弧焊电源称为逆变焊机。逆变过程需要大功率电子开关器件，采用绝缘栅双极晶体管IGBT作为开关器件的逆变焊机成为IGBT逆变焊机。

　　逆变焊机的工作过程如下：将三相或单相工频交流电整流，经滤波后得到一个较平滑的直流电，由IGBT组成的逆变电路将该直流电变为几十KHZ的交流电，经主变压器降压后，再经整流滤波获得平稳的直流输出焊接电流。

　　逆变电焊机优点：由于逆变工作频率很高，所以主变压器的铁心截面积和线圈匝数大大减少，因此，逆变焊机可以在很大程度上节省金属材料，减少外形尺寸及重量，大大减少电能损耗，更重要的是，逆变焊机能够在微妙级的时间内对输出电流进行调整，所以就能实现焊接过程所要求的理想控制过程，获得满意的焊接效果。