1、逆變焊機簡介

　　“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，而逆變則是把直流電改變?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”。

　　逆變焊割設(shè)備的工作過程，是將三相或單相 50Hz 工頻交流電整流、濾波后得到一個較平滑的直流電，由 IGBT或場效應(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)動電路等組成，通過對電壓、電流信號的回饋進行處理，實現(xiàn)整機循環(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逆變焊機原理

　　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)器件的的逆變焊機稱為IGBT逆變焊機。焊接時電路是閉合的，正是因為電路是閉合的才使得在整個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?，Q=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，則在這個部位產(chǎn)生的熱量自然也就最多，焊條又是熔點較低的合金，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)過冷卻，就把焊接對象粘合在一塊了。

　　由于逆變焊機是一典型的開關(guān)電源（輸出特性又有很大特點），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。

　　1.2逆變焊機用途

　　逆變直流手工弧焊機、逆變半自動氣體保護焊機主要用于低碳鋼、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。

　　焊接小車是根據(jù)不同客戶工件特點專門設(shè)計的包括焊機、工裝在內(nèi)的一整套設(shè)備，通過控制焊接小車實現(xiàn)自動焊接。一臺自動焊接小車的焊接效率是人工焊接的 2 至 3 倍，一個操作工可以同時看管兩至三臺焊接小車，大大降低焊接人員工作強度，減少對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、機械制造、造船、鋼結(jié)構(gòu)、車輛制造、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

　　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比較器的兩段進行比較，如圖：

　　變壓器一次側(cè)電流采樣信號被放大三倍后與電壓誤差放大信號比較，然后去控制PWM脈寬調(diào)制信號的脈寬。電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)同時起作用調(diào)節(jié)PWM脈寬，如果內(nèi)環(huán)變壓器一次側(cè)出現(xiàn)過流，而外環(huán)電壓信號由于存在輸出電感響應(yīng)速度比內(nèi)環(huán)慢，這個電流信號被霍爾傳感器檢測到后經(jīng)過放大與外環(huán)電壓誤差放大信號比較后會迅速調(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，能同時調(diào)節(jié)變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的電流。但是同時，UC3846同時擁有電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)，因此從控制上來說更為復(fù)雜，在占空比大于50%時容易造成工作電流擾動，尖峰電流值和平均值誤差大，并且在二分之一開關(guān)頻率處容易發(fā)生次諧波振蕩，為了提高電路的穩(wěn)定性有必要進行斜坡補償。

　　2.2斜坡補償電路設(shè)計

　　UC3846自身提供了良好的斜率補償實現(xiàn)平臺，因為在定時電容CT上恰好有一個正的與振蕩器同步、同頻率的斜坡電壓，只要將該電壓信號分壓之后與峰值電流信號進行疊加就可以實現(xiàn)補償。從UC3846的脈寬調(diào)制原理來看斜坡補償有兩種實現(xiàn)辦法，一種是將斜坡補償信號加到電流檢測信號中，另一種是將斜坡補償信號從誤差電壓信號中減去，第一種辦法在實現(xiàn)電流限制功能時易產(chǎn)生誤差，第二種方法中，必須電壓放大器的增益，實現(xiàn)起來比較麻煩。因此采用改進后的第一種辦法，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，為減少補償電路對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。

　　下面計算R2參數(shù)值：

　　1．計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．計算折算到一次側(cè)的電流檢測信號電壓值

　　4．計算振蕩鋸齒波斜坡電壓的斜率

　　5．導(dǎo)出斜坡公式

　　運用疊加法

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

　　綜合考慮上述因素，在控制工程實踐中，斜率補償電壓的上升率一般設(shè)計為輸出電感電流檢測信號下降率折算值的75%。，。和組成濾波電路，這個濾波電路用于降低開通時的電流尖峰，這個電流尖峰可能會導(dǎo)致電流檢測電路錯誤工作。這個濾波電路的時間常數(shù)不能太小，太小濾波的效果不好，太大則導(dǎo)致電流檢測電路響應(yīng)速度變慢，一般濾波電路的時間常數(shù)應(yīng)該要遠小于振蕩器的時鐘周期由此完成斜坡補償和濾波電路的計算。

　　2.3峰值電流限制電路設(shè)計

　　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，通過把誤差電壓放大器的輸出限制在一個最大值的辦法，簡單的實現(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

　　UC3846的shutdown主要用于快速關(guān)斷保護功能，是對前面峰值電流限制等保護功能的一個補充，關(guān)斷電路輸入部分是一個比較器，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，軟啟動電容放電，使得pin1電位下降

　　本電源采用的是富士EXB841驅(qū)動電路，當(dāng)驅(qū)動電路檢測到IGBT過流時會產(chǎn)生一個過流信號，利用UC3846的shutdown的快速關(guān)斷功能，這個過流信號被送到shutdown來實現(xiàn)IGBT的快速過流關(guān)斷保護。因為動作電壓比較小，如果UC3846用于大功率焊機容易受到干擾，所以有必要設(shè)計一中可靠的輔助關(guān)斷電路，保證關(guān)斷電路不容易受到干擾。如圖6

　　如果過流信號為是低電平，模擬開關(guān)4066c導(dǎo)通，shutdown和負電壓接通，保證shutdown不被干擾電壓誤導(dǎo)通，如果過流信號是高電平shutdown和正電壓接通，模擬開關(guān)4066d開通，shutdown出現(xiàn)高電平，將UC3846可靠關(guān)斷輸出脈沖，保護開關(guān)管。

　　2.5實驗結(jié)果

　　通過主電路和控制電路的設(shè)計制作，本文設(shè)計了基于全橋主電路的峰值電流模式控制氣體保護焊機，焊機工作時，斜坡補償信號和恒壓輸出如圖7：

　　焊機工作時的變壓器一次側(cè)通過霍爾傳感器檢測到的電流波形轉(zhuǎn)換成電壓信號加上斜坡補償后如圖7所示，斜坡補償電路增加了電路的穩(wěn)定性和抗干擾性能，彌補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，特別在用于全橋式逆變焊機時，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，但是通過控制電路的合理設(shè)計，尤其是斜坡補償電路，充分利用UC3846的內(nèi)部資源，可以克服這些不足。