電焊機之IGBT系列焊機工作原理

　　逆變電焊機的基本工作原理：

　　逆變電焊機主要是逆變器產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，先經整流器整流和濾波變成直流，再通過大功率開關電子元件(晶閘管SCR、晶體管GTR、場效應管MOSFET或IGBT)，逆變成幾kHz~幾十kHz的中頻交流電，同時經變壓器降至適合于焊接的幾十V電壓，再次整流并經電抗濾波輸出相當平穩的直流焊接電流。

　　其變換順序可簡單地表示為：

　　工頻交流(經整流濾波)→直流(經逆變)→中頻交流(降壓、整流、濾波)→直流。

　　即為：AC→DC→AC→DC

　　因為逆變降壓后的交流電，由于其頻率高，則感抗大，在焊接回路中有功功率就會大大降低。所以需再次進行整流。這就是目前所常用的逆變電焊機的機制。

　　逆變電源的特點：弧焊逆變器的基本特點是工作頻率高，由此而帶來很多優點。因為變壓器無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W有如下關系：E=4.44fBSW

　　而繞組的端電壓U近似地等于E，即：

　　U≈E=4.44fBSW

　　當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點，與傳統弧焊電源比較，其主要特點如下：

　　1.體積小、重量輕，節省材料，攜帶、移動方便。

　　2.高效節能，效率可達到80%~90%，比傳統焊機節電1/3以上。

　　3.動特性好，引弧容易，電弧穩定，焊縫成形美觀，飛濺小。

　　4.適合于與機器人結合，組成自動焊接生產系統。

　　5.可一機多用，完成多種焊接和切割過程。

　　電焊機之IGBT系列焊機工作原理

　　一、 功率開關管的比較

　　常用的功率開關有晶閘管、IGBT、場效應管等。其中，晶閘管(可控硅)的開關頻率最低約1000次/秒左右，一般不適用于高頻工作的開關電路。

　　1、效應管的特點：

　　場效應管的突出優點在于其極高的開關頻率，其每秒鐘可開關50萬次以上，耐壓一般在500V以上，耐溫150℃(管芯)，而且導通電阻，管子損耗低，是理想的開關器件，尤其適合在高頻電路中作開關器件使用。

　　但是場效應管的工作電流較小，高的約20A低的一般在9A左右，限制了電路中的最大電流，而且由于場效應管的封裝形式，使得其引腳的爬電距離(導電體到另一導電體間的表面距離)較小，在環境高壓下容易被擊穿，使得引腳間導電而損壞機器或危害人身安全。

　　2、IGBT的特點：

　　IGBT即雙極型絕緣效應管，符號及等效電路圖見圖11.1，其開關頻率在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，能抵御環境高壓的影響，安全可靠。

一、 場效應管逆變焊機的特點

　　由于場效應管的突出優點，用場效應管作逆變器的開關器件時，可以把開關頻率設計得很高，以提高轉換效率和節省成本(使用高頻率變壓器以減小焊機的體積，使焊機向小型化，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《逆變弧焊電源整機方框圖》。

　　但無論弧焊機還是切割機，它們的工作電流都很大。使用一個場效應管滿足不了焊機對電流的需求，一般采用多只并聯的形式來提高焊機電源的輸出電流。這樣既增加了成本，又降低了電路的穩定性和可靠性。

　　二、 IGBT焊機的特點

　　IGBT焊機指的是使用IGBT作為逆變器開關器件的弧焊機。由于IGBT的開關頻率較低，電流大，焊機使用的主變壓器、濾波、儲能電容、電抗器等電子器件都較場效應管焊機有很大不同，不但體積增大，各類技術參數也改變了。

　　三、 IGBT焊機工作原理：

　　半橋逆變電路工作原理如圖11.2

　　工作原理：

　　①tl時間：開關K1導通，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時間：開關K1、K2都截止，負截無電流通過(死區)。

　　③t3時間：開關K1截止，K2導通，電容C2向負載放電。

　　④t4時間：開關K1、K2均截止，又形成死區。如此反復在負載上就得到了如圖11.3的電流，實現了逆變的目的。

　　2、IGBT焊機的工作原理

　　① 電源供給：

　　和場效應管作逆變開關的焊機一樣，焊機電源由市電供給，經整流、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，其開通與關閉由驅動信號控制。

　　③ 驅動信號的產生：

　　驅動信號仍然采用處理脈寬調制器輸出信號的形式。使得兩路驅動信號的相位錯開(有死區)，以防止兩個開關管同時導通而產生過大電流損壞開關管。驅動信號的中點同樣下沉一定幅度，以防干擾使開關管誤導通。

　　④ 保護電路：

　　IGBT焊機也設置了過流、過壓、過熱保護等，有些機型也有截流，以保證焊機及人身安全，其工作原理與場效應管焊機相似。

　　逆變與整流是兩個相反的概念，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為交流電的過程，采用逆變技術的弧焊電源稱為逆變焊機。逆變過程需要大功率電子開關器件，采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關器件的逆變焊機成為IGBT逆變焊機。

　　逆變焊機的工作過程如下：將三相或單相工頻交流電整流，經濾波后得到一個較平滑的直流電，由IGBT組成的逆變電路將該直流電變為幾十KHZ的交流電，經主變壓器降壓后，再經整流濾波獲得平穩的直流輸出焊接電流。

　　逆變電焊機優點：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大大減少，因此，逆變焊機可以在很大程度上節省金屬材料，減少外形尺寸及重量，大大減少電能損耗，更重要的是，逆變焊機能夠在微妙級的時間內對輸出電流進行調整，所以就能實現焊接過程所要求的理想控制過程，獲得滿意的焊接效果。