IGBT逆变式直流氩弧焊机的研究

　　张松春等 . 电子控制设备抗干扰技术及其应用 . 北京 : 机械工业 出版社 ,1989. 张瑞昌 . 焊接设备的电磁兼容性 ( EMC) 及其考核 . 电焊机 ,1998

　　直流钨极氩弧焊可焊接易氧化 、 、 氮化 氢化和化 学活泼性强的有色金属 、 不锈钢和合金 ,在工业生产 中得到广泛使用 。但传统直流氩弧焊机恒流精度 低 ,动态响应速度慢 , 收弧特性差 , 再加上引弧性能 欠佳 ,直接影响焊接质量的提高 。另外 ,最小焊接电 流较大 ,不利于超薄板的焊接 ,而且多为高频高压引 弧 ,对周围人体 、 电气和通信设备产生危害 。为此 , 我们研制成功了 IG 逆变式直流氩弧焊机 。这是 BT 一种直流氩弧焊和手工电弧焊的两用机 , 该机选用 IG 作为主开关元件 ,采用 20 kHz 脉宽调制的逆变 BT 技术和电磁兼容性技术 ,具有焊接性能优异 ,频率响 应速度快 ,动特性好 , 焊接电流十分稳定 , 焊接无噪 声 ,高效节能 ,重量轻 , 体积小以及对电网污染小等 特点 。在氩弧焊时 ,采用新颖的工频高压脉冲引弧 , 引弧方便可靠 ,既消除了接触引弧容易产生钨极粘 连和 “夹钨” 现象 ,又消除了高频辐射的危害 。另外 , 在收弧时 ,焊接电流自动衰减 , 并有提前送气 , 迟后 关气和长焊/ 短焊操作等功能 。该直流氩弧焊机适 用于合金钢 充液阀法兰、 不锈钢 、 、 铜 银和钛等有色金属及其合 金的氩弧焊接 。此外 ,还适用于用直径 6. 0 mm 以 下各种类型和规格的焊条对低碳钢 、 普低钢 、 高合金

　　术 ,焊接性能优异 ,高效节能 ,携带方便 ; ( 2) 该焊机在氩弧焊时 , 采用新颖的工频高压 脉冲引弧 , 引弧简单可靠 , 成功率高 , 不会产生 “夹 钨” 和高频辐射等不良现象 ,在氩弧焊收弧时焊接电 流自动衰减 , 并有提前送气 , 迟后关气和长焊/ 短焊 等操作功能 ,操作方便 ; ( 3) 该焊机设有电磁干扰滤波器 , 既可抑制电 网对焊机的电磁干扰 ,提高工作可靠性 ,又可减小焊 机逆变电源中的谐波噪声对电网的污染 , 满足电磁 兼容性要求 ; (4) 该焊机设计有过热 、 短路 、 欠压软起动 、 驱 动脉冲相互闭锁 、 死区时间调节等保护功能 ,焊机工 作性能十分可靠 。

　　(1) 该焊机采用 IG 作为主开关元件 ,采用 20 BT kHz 脉宽调制的逆变技术和工频高压脉冲引弧技

　　从图 3 可见 , 单相 220 V 交流电经过倍压整流 后向电容器充电 ,当充电达到预定电压值时 ,通过恒 压放电电路向迭加式升压变压器的原侧绕组放电 , 再通过多个磁芯原侧绕组的迭加 , 最后在迭加式升 压变压器的副侧绕组上产生脉冲幅值为 1500 V 以 上的脉冲列 ,在 0～5 mm 间隙内产生放电火花 。迭 加式升压变压器是新颖工频高压脉冲引弧器的核 心 ,是技术诀窍所在 ,其设计原则如下 : (1) 迭加式升压变压器传输的是高压窄脉冲 列 ,因此 ,铁芯要选用铁淦氧磁芯 ; ( 2) 迭加式升压变压器虽然传输功率不大 , 但 其副侧绕组却要通过很大的焊接电流 ,因此 ,磁芯选 择要以其窗口绕得下副侧绕组为原则 ; ( 3) 原侧绕组及其磁芯的个数 , 以产生 1500 V 以上的高压脉冲为依据 。

　　焊机质量监督测试中心站根据 G T7824 - 1995 逆 B/ 变式弧焊整流器技术条件 、B/ T8118 - 1995 电弧焊 G 机通用技术条件 、B15579 - 1995 弧焊设备的安全 G 要求和 ZBJ 64002 - 89 引弧装置技术条件等标准进 行性能参数测试 ,经过 13 个试验项目和 3 个检查项 目的测试 ,其综合结论为 : 依据试验结果判定合格 。 该机各项指标充分体现出逆变式弧焊电源的各项优 点 ,操作使用之简便更增强了该机的适应能力 车架。 3. 2 试验结果 小批焊机相继在江西火电建设公司、 中建五局 、 金川有色金属公司选矿厂 、 岳阳石化总公司 、 湘潭钢 铁公司 、 昆明钢铁公司等 20 多个单位进行了工业试 验和生产推广使用 。通过对不同材质的工件进行不 同电流的手工电弧焊和氩弧焊试验 ,结果表明 ,弧焊 适应性强 , 焊缝成形均匀美观 , 平均透视合格率在 98 %以上 ,与以前相比 , 合格率平均提高 8 %左右 。 同时 , 节能显著 , 有很大的经济效益 。另外 , 焊机经 过寒冬酷暑考验 ,证实其工作可靠 ,故障率很低 。

　　钢、 不锈钢和铸铁等各种焊接结构进行手工电弧焊 接 ,可广泛用于各工业部门 。

　　由主电路和控制电路两部分组成 。主电路包括电磁 干扰滤波器 、 输入整流器 、 滤波器 、 BT 逆变器 、 IG 中 频变压器 、 输出整流器 、 输出滤波器和高压脉冲引弧 器 。三相 380 V ( 或单相 220 V) 交流电经过输入整流 器和滤波器滤波后变成 500 V ( 或 230 V) 直流电 ,然 后经 IG 组成的半桥逆变器变成 20 kHz 的脉宽调 BT 制的中频交流电 地脚螺栓。由于中频交流电压的幅值比较 高 ,因此必须采用中频降压变压器把它降到焊接所 要求的焊接电压 , 然后经快恢复输出整流器整流和 滤波后供焊接使用 。高压脉冲引弧器用来在氩弧焊 接时进行非接触引弧 。 控制电路包括焊接外特性控制电路和氩弧焊操 作程序电路两部分 。焊接外特性控制电路包括脉宽 调制 PWM 、 电流 PI 调节 、 电流给定 、 电流和电压检 测、 电弧推力控制和自动引弧 , 以及欠压 、 过热和短 路保护等电路 ,用来控制和保护弧焊逆变器的工作 ,

　　把 50 Hz 交流电传输给逆变焊机 , 而对经电源线传 入的电磁干扰进行衰减 , 以保护焊机免受传导电磁 干扰的危害 ,提高焊机工作可靠性 。同时 ,它又能抑 制焊机本身产生的高次谐波进入电网 , 污染电网和 危害其它设备 俯视图。现以单相电磁干扰滤波器为例加以 说明 。从图 2 可见 ,L1 为共模扼流圈 , 它由环形铁 氧体磁芯和其上同向缠绕的两个绕组组成 。它分别 与相线 P 和中线 N 串联 。为减小漏磁通和两个绕 组的差别而采用双股绕法 , 能避免铁芯因负载电流 而饱和 ,较好地抑制共模噪声 。接地泄漏电容 C3 、 C4 并接在每条电源线的耦合阻抗上 , 形成共模噪声 的高频旁路 。电容 C1 、2 跨接在两个电源耦合阻抗 C 上 ,形成差模噪声的旁路阻抗 。由于共模扼圈 L1 对 差模噪声的抑制作用不明显 ,所以 ,需另外再加二个 抑制差模噪声电流的差模扼流圈 L2 和 L3 。

　　电弧 。但高频引弧装置会对焊机本身的控制电路造 成干扰 ,使其工作出现不稳定 。同时 ,高频脉冲还会 以电磁波形式向周围辐射 , 影响周围电气和通讯设 备的正常工作 , 并对焊工的健康造成危害 。虽然国 内也有一些高压脉冲引弧 ,但多采用多级升压电路 , 中间环节电压很高 , 不安全 , 而且电路也比较复杂 , 体积重量大 。为此 ,我们采用倍压加迭加升压技术 , 设计了新颖的工频高压脉冲引弧器 。引弧器的电路 框图如图 3 所示 。

　　摘 要 文章介绍了 IG 逆变式直流氩弧焊机的结构和工作原理 ,并对焊机中所采用的新技术进 BT 行了分析 。 关键词 逆变式直流氩弧焊机 ; IG 电磁兼容性 ; 高压脉冲引弧 BT; 中图分类号 :TG434 文献标识码 :A

　　使焊机输出外特性满足焊接要求 。氩弧焊操作程序 电路用来控制焊接程序 , 以满足氩弧焊的焊接工艺 要求 。它包括氩弧焊程序控制 ,焊接电流收弧衰减 , 后气延时 ,长焊/ 短焊操作 ,焊炬起动 ,引弧控制等电 路 。焊机的氩弧焊和手工电弧焊功能由开关切换 。 在氩弧焊时 ,设计有短焊/ 长焊两种模式 。短焊模式 适用短焊缝焊接 , 工作过程是 : 按下焊炬开关 , 提前 送气 ,开始引弧和正常焊接 , 松开焊炬开关 , 电流衰 减收弧 ,延时关气 。长焊模式是为长缝的焊接而设 计的 ,按下焊炬开关 ,开始送气 ,松开焊炬开关 ,开始 引弧和正常焊接 , 再次按下焊炬开关 , 电流衰减收 弧 ,再次松开焊炬开关 , 则开始后气延时 , 直到关断 电磁气阀焊接结束 。

　　经电源线传入的电磁噪声有共模噪声和差模噪 声 。由图 2 可见 ,当差模噪声经电源线 L 进入电磁 干扰滤波器 ,按图示实线 返 C 回中性线 N ,并得到衰减 , 共模噪声是从电源线 ( 火 线 L 或中性线 N) 对地 E 加入的干扰信号 ,按图示虚 线 入地 ,当它们通过共模 C C 电感线 时因产生的磁场方向相同而受到急剧 的衰减 ,然后分别经 C3 和 C4 旁路 ,从而抑制了其对 焊机的干扰 。由于电磁干扰滤波器的可逆性 , 因此 也能抑制焊机本身产生的噪声对电网的干扰 。 2. 2 新颖的工频高压脉冲引弧 在非接触引弧方面 , 以往各类焊机大多采用高 频高压引弧方式 ,利用高频振荡器产生的 150 ～ 260

　　电磁兼容性的含义是设备或系统在电磁环境中 能正常工作 ,且不对该环境中的任何事物构成不能 承受的电磁骚扰的能力 ,简而言之 ,是设备或系统在 电磁环境中的共存能力 随车工具。为此 , 我们在国内率先在 逆变式氩弧焊机中采用电磁兼容性技术 。 焊机电源输出端设计有一个大功率电磁干扰滤 波器 ,实质上它是一个低通滤波器 ,可以毫无衰减地