逆变焊机的工作原理

第一章 主回路工作原理一、 什么叫主回路主回路指焊机中提供功率电源的电路部分。二、主回路原理图 （以 ARC160 例）三、组成器件说明1、 K——电源开关用以接通（或切断）与市电（ 220V、 50 赫兹）的联系2、 RT——起动电阻因焊机启动时要给后面的滤波电解电容充电。为避免过大的开机浪涌电流损坏开关及触发空开跳闸，在开机时接入启动电阻，用以限制浪涌电流。正常工作后，启动电阻被继电器短路。实际电路中，为避免因开机浪涌电流冲击造成启动电阻损坏，起动电阻采用了热敏电阻（ PTC 和 NTC） ，它们具有良好的耐冲击性。3、 J1——继电器开关接通之后，电流通过启动电阻给滤波电解电容充电，当电容电压达到一定值时，辅助电源开始工作提供 24V 电，使继电器吸合，将启动电阻短路。4、 DB——硅桥此硅桥用于一次整流，将市电 220V、 50 赫兹交流电整流后输出 308V 的直流电。5、 C1——电解滤波电容整流后输出的 308V 的直流电为脉动直流，此电容起滤平作用6、 R——放电电阻在关机以后，滤波电容中存有很高电压，为了安全，用此电阻将存电放掉。7、 C2——高频滤波电容在高频逆变中，需要给开关管提供高频电流，而电解滤波电容因本身电感及引线电感的原因，不能提供高频电流，因此需要高频电容提供。8、 Q——开关管开关管 Q1、 Q2、 Q3、 Q4 组成全桥逆变器，在驱动信号作用下，将 308V 直流转变成 100Kz（ 10 万赫兹）交流电的。9、 C3——隔直电容为避免直流电流流过变压器肇成变压器饱而接入此电容。10、 T1——主变压器变压器的作用是将 308V 的高压变换成适合电弧焊接所需要的几十伏的低压。11、 D——快速恢复二极管D5、 D6 的作用是二次整流，即将 100KHz 的高频交流电流再次转变成直流电流。12、 L1——电抗器电抗器具有平波续流作用，可使输出电流变得连续稳定，保证焊接质量。13、 RF——分流器分流器是用锰铜制成的大功率小阻值的电阻，用于检测输出电流的大小，提供反馈信号。四、全桥逆变器工作原理1、全桥逆变器的电路图2、全桥逆变器工作原理全桥逆变器每个工作周期分四个时段，分别为 t1、 t2、 t3、 t4，其工作原理如下：t1 时段 K1、 K4 导通， K2 、 K3 关断电流方向： 正极 K1 C1 T K4 地t2 时段 K1、 K4 、 K2、 K3 关断无电流t3 时段 K1、 K4 关断， K2 、 K3 导通电流方向： 正极 K2 C1 T K3 地t4 时段 K1、 K4 、 K2、 K3 关断无电流从上述分析看，在 t1 与 t3 时段里，流过变压器 T 的电流方向正好相反，也就是将直流电变成了交流电。五、主回路中点波形图第二章 控制电路工作原理一、控制模块功能作用1、 给逆变器的电子开关提供控制信号2、 对电流反馈信号进行放大处理， 并根据反馈、 给定信号调节电子开关控制信号的脉宽。3、 对保护信号作出反应，关闭控制信号二、控制模块原理图第一节 集成脉宽调制器一、 脉宽调节器的的基本工作原理脉宽调节器的的基本工作原理是用一个电压比较器， 在正输入端输入一个三角波， 在负入端输入一直流电平，比较后输出一方波信号，改变负输入端直流电平的大小，即可改变方波信号的脉宽（如图所示）二、 SG3525 集成脉宽调制器的工作原理1、 CW3525 集成脉宽调节器的外部引脚配置2、 CW3525 集成脉宽调节器的内部结构框图：3、 各引脚功能：1、 2 脚：为误差放大器正反向输入端，因 3525 内部误差放大器性能不好，所以在控制模块中没有使用。3 脚：为同步时钟控制输入端，4 脚：为振荡输出端；5、 6 脚：为振荡器 Ct、 Rt 接入端 ,f=1/Ct(0.7Rt+3Rd 7 脚：为 Ct 放电端，改变 Rd 可改变死区时间8 脚：慢起动，当 8 脚电压从 0V— 5V 时，脉宽从零到最大。9 脚：补偿（反馈输入）端， 9 脚的电压决定了输出脉宽大小。10 脚：关闭端，当 10 脚电平超过 1V，脉宽关闭。11、 14 脚：脉冲输出端，输出相位相反的两路脉冲。12、 15 脚：为芯片接地和供电端13 脚：输出信号供电端。16 脚：输出 +5V 基准电压。第二节 小机型控制模块一、 驱动信号的输出转换控制电路SG3525能输出两个相位相错开的脉冲信号（幅值为 12V） ，但它仍然不能满足全桥逆变所需要的四路不共地的驱动信号要求，要经过转换放大，电路原理图下：如图：由 11、 14 脚输出脉冲分别加到三极管 Q1、 Q2 和 Q3、 Q4 基极，当11 脚脉冲为高电平时， Q1 导通， Q2 截止， 12V 电流电压加到稳压管正端。而电容 C1 经24V 直流充电后由于稳压管的作用无法放电， 而形成 15V 的电压， 它与 12V 电压串联， 于是在 A 点得到 27V 的高电平输出，而 B 点仍保持约 12V 的电压。当输出为低电平时， Q1截止， Q2 导通，此时 A 点电平为 15V，而 B 点被拉低，输出为 0V。同理， C 点在 14 脚输出高电平时输出 27V， 14 脚为低电平时输出 15V，而 D 点则分别为 12V 和 0V。其波形如图二、 反馈与给定电路1、作用：给定：是指所设定所需要的输出电流，以满足焊接的工艺需求。给定可通过外接电位器调节反馈：即是对输出的电流信号进行采样，并与设定值进行比较，并通过脉宽调制器的输出脉宽对逆变器开关管的导通时间加以控制，保证输出电流的稳定。2、反馈与给定控制电路工作原理：反馈与给定控制电路原理图：如图：反馈信号由分流器取一个负电压信号，由 2 脚输入，与给定信号叠加后输入运算放大器反相输入端，由于运算放大器的开环特性，要求正负输入端“互需” ，给定信号叠加后，信号幅度接近于零，但不是零，反馈的负信号一定占优势。此优势被运算放大器放大后，加到三极管基极，此三极管组成的是一倍的反向放大器。另假设三极管截止时， SG3525的 9 脚通过 1K 电阻接于 16 脚的 5V 基准电压，此时11、 14 脚输出脉冲为满宽。当 9 脚电位被三极管拉低时， 11、 14 脚输出脉冲开始收窄。从以上的叙述可以看出：（ 1）当输出电流为零（空载） ，只有给定信号时：3140 的 2 脚高 6 脚低， 8050 截止， 3525 的 9 脚高， 11、 14 脚输出脉冲为满宽（ 2）当输出电流的反馈信号与给定信号一定时：3140 的 2 脚负电平 6 脚正电平， 8050 处于放大状态， 3525 的 9 脚下降低于 5V，此时 11、 14 脚输出脉冲相应的脉宽（ 3）当给定不变，而输出电流因负载变化而改变时：当电流突然变大时， 由于反馈是负信号， 反馈信号将相对变得更低， 则 3140的 2 脚更负 6 脚正电平上升，由于 8050 反向放大， 3525 的 9 脚下降， 11、 14脚输出脉冲脉宽收窄，电流回到原来状态，达到稳流的目的。实际上焊接工艺要求的焊接电流并不是恒定不变的， 而是要求随着电弧电压的降低而自动加大， 因此在实际电路中， 利用一个有限制的电压跟随器来反馈输出电压， 而电压跟随器的输出作为给定电位器的电压来源，如右图所示：第三节 慢起动与保护控制电路一、慢起动与保护控制电路的作用 ：1、慢起动：如开机瞬间， SG3525 输出的是满宽波形 ,则会使变压器饱和产生过流 ,为避免变压器饱和 ,要求开机时 , SG3525输出的波形要慢慢展宽 ,称为慢起动。2、保护控制：当焊接电源内部出现辅助电源 24V 欠压、过热、过压、过流或器件损坏时，要及时关闭控制脉冲，保护焊接电源。二、慢起动与保护控制电路工作原理：SG3525 集成脉宽调治器的 8 脚内部接有 50 微安的恒流源， 8 脚电平低于5V 时，会限制芯片输出波形的宽度，当 8 脚电平低于 1V 时，将关闭控制脉冲，因此 SG3525集成脉宽调治器的 8 脚可以用来连接起动与保护控制电路， 如图所示：1、刚开机时， SG3525的 8 脚恒流源通过电阻 R2 给电容 C11 充电， 8 脚电位逐渐升高，控制脉冲逐渐展开，实现慢起动。2、三极管 Q7 导通将会拉低 SG3525 的 8 脚电位，使控制脉冲关闭。但正常情况下，由于三极管 Q6 的导通将 Q7 的基极拉低， Q7 处于截止状态。3、如果 24V 欠压， 通过 R10、 D3、 R5、 R28的分压， 使 Q6 的基极电压低于 0.6V，Q6 截止， Q7 导通， 3525 的 8 脚拉低，脉冲关闭。4、控制模块的第 7 脚被接地，同样也会使 Q6 截止， Q7 导通， 3525 的 8 脚拉低，脉冲关闭。但一旦解除接地，将自动恢复。5、如控制模块第 6 脚被触发，会使可控硅导通，同样也会使 Q6 截止， Q7 导通，3525 的 8 脚拉低， 脉冲关闭。 但不能自动恢复。 需关机 24V 消失后， 再重新开机才能恢复。第三章 驱动电路工作原理二、 驱动电路的作用驱动电路的作用是对控制电路输出的控制脉冲信号进行放大，电平转换等处理，并给逆变器提供开关驱动信号。二、 全桥逆变对驱动信号的要求由于全桥逆的特性，它要求各桥臂的驱动信号： 1）相位不重叠； 2）回路独立，即不共地； 3）有强有力的上拉关断（以减小损耗，保证开关器件的导通与关断）三、驱动电平转换电路工作原理由控制电路输出的控制脉冲仍未能满足逆变器的要求， 需要经过转换， 其转换原理图如 7.1 所示：Q1、 Q3 为 P 型场效应管，当 13、 15 端输入高于电源电平（ 27V）时，场管截止，而输入低于电源电平 （ 15V） 时导通； Q2、 Q4 的 N 型场效应管， 当 14、 16 输入高电平 （ 12V）时导通，输入低电平（ 0V）时截止，其波形如图 7.2， （其中，以高电平代表场效应管导通，以低电平代表管子截止）由图可知，当 Q1、 Q4 同时导通时，电流方向如图所示， Q2、 Q3 时导通时，输出电流方向如图所示。则 A、 B 点间的电流波形如图 7.3（其中以 Q1+Q4 方向为正， Q2+Q3 方向为负） ，此时，电流在电感线圈上形成的压降为 24V（由电源给定）四、开关驱动电路工作原理由开关驱动电平转换电路输出的脉冲电流不能满足逆变器对开关信号的相位要求， 仍未能保证开关电路的强有力的开通与关断，还需要经过变换，其变换电路如图 7.4 所示 : 如图，初级线圈流过电流波形如图 7.3 所示，当电流为正， N1、 N3 产生上正下负的感应电动势（由于线圈匝比为 2： 1，则感应电动势的值为 12V） ； N1、 N3 的感应电动势给电容以充电， 由于稳压管和 D1 的作用， 电容上的电可不能放出， 形成如图方向的 5.1V电压降，它与 N1 上的感应电动势相串联，于是，在场效应管栅极产生 12-5.1=6.9V 的电压，这时，场效应管导通， A 、 B 间无电流通过时（死区） ，栅极电位保持（ -5.1V）的电压， 场效应管截止； 当初级线圈电流为负时， ， N1 、 N3 上产生上负下正的感应电动势 （幅值为 12V） ，其与电容上的压降叠加，此时，栅极电位为 -17.1V，场效应管截止。其栅极电压波形如图 7.5 所示。 （ N2、 N4 所联接的场效应管栅极电压波形与之相位相差 1800） 。由电压波形图可以看出：1）正端上升沿呈弧角，这是由于电压上升时， R1 控制了电压快速上升，这样，在实际电路中，采用多只场效应管并联做一个桥臂时，能让这多只场效应管有充分的导通时间，保证桥臂动作，增强电路可靠性。2）正端下降沿呈直角，这是由于在关断时，二极管 D2 把 R1 短接了，这样，能迅速地把栅极电位拉低，形成强有力的关断。3）正端上约 5V 处有毛刺，这是由于电压上升使场效应管导通而产生的。4）负端 5.1V 处有强烈的毛刺，是由于二极管 D2 的强有力关导和变压器有漏感、电感线圈的续流作用等原因引起的。开关驱动电路不仅满足了逆变器所需的强有力开通与关断的要求，还把栅极电压波形整个下沉 5.1V， 这样， 当机器在中点产生干扰时， 便有了 5.1V 幅值的缓冲， 而不致于因小干扰使开关误导通，保证了机器安全，提高了可靠性。然而，由于场管参数不可能完全一样，不同参数的场效应管作桥臂时，会使中点（ -5.1V）产生漂移，降低电路可靠性，这时，可以改变 R1 的阻值加以改善。