等离子(水介质)切焊机逆变电路的研制

张 凯，周汉义，丁 富，王新豫，古宏刚，王 静

(1.合肥工业大学材料物理与化学系，安徽合肥 230009;2.中航工业西安航空发动机集团有限公司，西安 710021;3.合肥健桥医疗电子有限责任公司，安徽合肥 230088)

目前市场上的等离子切割机或焊机的等离子弧通常是使用空气或工业气体为介质电离获得的。其在使用时必须有辅助设备如空压机或气瓶等，这些气体高温电离分解后会产生臭氧及氮氧化物，对环境和操作人员的健康影响较大。所以在操作时需安装排风系统以及大量辅助设备，限制其便携性。

水介质等离子切焊机的工作原理如下:在打开电源开始工作后喷枪水箱里的水在喷枪正负极之间电解，同时电解产生的高温使附近的水化形成水蒸气，在气压作用下向喷嘴运动。喷枪里的正负极瞬间接通和断开时喷枪的正负极之间会引弧，然后调整喷枪使正负之间处于某一个电压和间距，使电弧处于稳定状态，电弧在喷嘴附近不断地电离喷嘴处的水蒸气产生等离子体，并在水蒸气的包裹下高速从喷嘴射出形成等离子束［1］。喷射出的等离子束速度在300 m/s，温度为8 000℃，可对非燃材料进行切割、焊接、熔焊以及其他形式的热处理加工［2－3］。等离子(水介质)切焊机分为主机和外设两大部分。主机是主体结构为大功率逆变电源，内部分3个部分:(1)电源板。(2)控制板。(3)功率板。电源板的功能是将输入的200 V交流电整流后输出12 V、－12 V、5 V直流和高频交流信号，高频交流信号经过控制板上的逆变电路逆变成高频电压。然后通过主变压器升压达到约350 V，最后通过功率输出板的整流以及功率放大后加在喷枪两极上。控制板的功能及作用是对高电压、大电流的逆变过程进行检测和提供电压、电流、温度的保护。同时，功率控制和稳弧的作用也是在控制板上实现的，这将是文中讨论的重点。

1 逆变电路的功率控制和稳弧过程

等离子(水介质)切焊机是基于单片机控制，仅使用220 V的市电就能快捷、稳定的产生等离子束。单片机输出的控制信号范围－5～+5 V，而喷枪两端的电压范围约是80～350 V，稳定工作的电压约是170 V，电流为5～6 A。单片机是通过逆变电路达到弱电控制强电的目的［4］。等离子切焊机工作时需根据切焊不同的材料来改变功率，另外为达到所要求的切割深度或焊接牢固度也需要功率的改变和等离子弧的稳定。在切割和焊接的过程中被切割或焊接的材料会成为负载的一部分，从而导致负载大小的变化，这样就需要输入功率不断调整以达到稳弧的目的。此过程由稳弧电路检测反馈给逆变电路，通过逆变电路完成稳弧过程。图1表示逆变电路的稳弧过程。

电路的稳弧过程首先是由PWM脉冲宽度控制芯片组成的脉冲发生电路产生两组波形:一种是由5脚产生的三角波;另一种是由10脚产生的方波。该脉冲宽度控制芯片的3脚称为补偿脚，接上由稳弧电路反馈的－5～0 V的控制电压Vx。三角波需要工作在特定频率下，此频率通过PWM芯片5脚的外接电阻和电容的大小来设定。三角波的频率和相位不会随Vx变化，三角波通过非门产生的方波的频率同样不会随Vx变化。但10脚产生的方波通过整形后的方波的占空比是随Vx变化的。这两个信号经过整形、放大后就作为控制信号接入逆变电路中［5］。便可通过改变两组方波之间的相位关系来改变负载的功率，这种通过相位控制输出功率的输出方法叫做脉宽控制。脉宽控制指工作频率不变，通过改变功率开关器件导通的时间来改变占空比从而改变负载功率。在稳弧电路提供的电压反馈下，稳弧电路不断调整两波形的相位关系从而做到负载电流不随负载电压和负载电阻的变化而变化［6］从而达到稳弧的目的。逆变电路产生的交流电最后经过主变压器的功率放大后加在负载上，这样逆变电路就完成整个负载的输出过程。

图1 逆变电路稳弧过程

2 逆变电路的构成

逆变电路开关管采用4个绝缘栅双极晶体管构成的推挽电路。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的开通和关断受栅极控制，对驱动电路有较为严格的要求，驱动电路性能的优劣是逆变电路能否可靠工作的前提［7－8］。逆变电路整形电路如图2所示。需要注意的是，因为整流期间器件都是工作在高频下，所以器件需采用能够高速响应的产品。如果不能高速响应就会使控制波形的变形，从而造成器件过热容易烧毁。脉冲控制芯片产生的三角波经过非门变成方波加在D触发器的CLK端，方波通过非门仍为方波，但方波较波形整齐。而从单片机过来的主变压器控制信号分别加到两个D触发器的D端，如图2所示。D触发器信号在CLK上升沿时变化，分别输出两组四只方波。脉冲控制芯片3脚的Vx是从喷枪过流保护信号放大电路即稳弧电路，其可以通过Vx的变化改变脉冲控制芯片方波的相位，即表现为由两个D触发器产生两组有相位差的方波，从而使后面控制4个两两串联的IGBT的控制信号也有相位差。只有两个方波都在高电平，即如图3所示的两方波重叠的阴影部分，开关管在通路的状态时负载工作。其便可通过控制导通的时间来控制负载的功率以达到稳流的目的。接下来的逆变过程如图4所示。两个D触发器产生的4只方波经过高速功率MOSFET驱动器的放大、滤波作用后分别加在由4个功率场效应管组成的共源极一级电压放大电路上，输出电压和输入电压相位反相。然后加在由驱动变压器组成的二级放大电路上，驱动变压器一方面具有放大功率的作用，另一方面又具有滤去方波尖峰的作用。接着方波在通过由4个功率场效应管组成共源极三级放大电路，波形整形后去控制4个两组绝缘栅双极晶体管(IGBT)。4个两两串联的IGBT在同样两对4个控制方波的作用下导通和关断，最后输入功率加载在负载上使喷枪稳定工作。

图4 逆变电路的构成

3 实验和结论

在实验中利用滑动变阻器代替负载，接上由电源板提供的电源使逆变电路的芯片正常工作，由外部大功率直流电源作为逆变对象输入电压，逆变电路的VPN是从IGBT两端出来的电压，也就是加在喷枪的上的电压。在测试某个Vx(某特定工作功率)值下负载变化以及输入电压变化下逆变电路稳流的作用。保持Vs=－2.4 V不变，让输入电压V变化6个档:10 V、20 V、30 V、40 V、50 V、60 V。并在每个档下保持输入电压V不变，这时改变负载电阻R，也就是6个档位:5.5Ω、4.4Ω、3.3Ω、2.2Ω、1.1Ω、0.55Ω。在每个档下记录下负载电流IR和负载输入电压VPN的值，如表1所示。

表1 Vs=－2.4 V时负载输入电压V PN变化 V

表1为设定电压Vs=－2.4 V保持不变时，改变输入电压V和负载电阻R时负载输入电压VPN的变化，观察变种负载输入电压VPN的变化得出结论:电阻变化或定输入电压变化都会引起负载输入电压VPN的变化。记录此刻电路中变化电流的变化如表2所示。

表2 Vs=－2.4 V时负载电流IR变化 A

从表2得出结论:在不变的设定电压和不变的输入电压V下，不论负载电阻或负载输入电压如何变化，负载电流都很稳定，基本保持不变。并且输入电压越大，负载电流的这种稳定程度越高。

测试Vs=－3.0 V时，负载输入电压VPN和负载电流IR的变化，如表3所列。

表3 Vs=－3.0 V时负载输入电压V PN变化 V

从表3看出，负载输入电压的变化规律和Vs=－2.4 V时基本一样，且波动着的，负载电阻、输入电压任何一个改变都会引起VPN的变化。电流变化如表4所示。

表4 Vs=－3.0 V时负载电流IR变化 A

从表4中看出，负载电流较稳定，从而得出结论:负载电流只受设定电压Vs的控制，不会因为输入电压和负载的变化而变化。

表1～表4的数据表明，本次设计的成功，效果较好。实验结果表明，负载电流只受设定电压Vs控制，并不受负载电阻变化和负载输入电压变化的影响，从而满足功能需求，达到了技术指标。

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