IGBT在铜端环焊接领域的应用

李文峰，秦根红,2

（1.西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710054；2.三门峡中专 电子工程部，河南 三门峡 472000）

目前，国内水泵转子铜端环焊接主要是乙炔氧气烧焊焊接技术，存在效率低、能耗大，焊接后存在严重的内应力和虚焊、砂眼等缺陷，制约了水泵的生产效率和质量。

超音频电源铜端环焊接设备主要应用于水泵转子铜端环焊接，在我国的发展历程不超过5年，其主要推广的客户群体为水泵行业的转子铜端环焊接，是基于超音频感应电加热电源基础上伴随着IGBT等电力电子元器件逐渐成熟而发展起来的一种新型设备。

1 感应加热设备的基本理论

感应加热技术是20世纪初期开始应用于工业生产领域的，感应加热的基本原理是利用电磁感应原理和利用涡流在金属体内部直接产生热量，来实现对物体的加热，中间没有了与炉体接触的传热过程，所以存在热效率高，能源利用率高、对环境污染少等优点[1]。随着IGBT和智能检测技术的提高，近年来，才出现了超音频电源加热技术，逐渐成为机械工业领域的一种重要的手段。其原理如图1所示。

图1 涡流加热原理图Fig. 1 Principle diagram of the eddy current heating

目前半导体固态焊接电源的频率划分如下：200 Hz以下为低频，0.2～10 kHz为中频，10～100 kHz为超音频，100 kHz以上为高频，它们有不同的应用范围，超音频电源目前主要应用于表面淬火。超音频电源铜端环焊接主要原理是采用电磁感应加热，通过超音频电源将工频电流转变为10～100 kHz的安全低压直流电，然后通过感应器，将工件加热到焊接温度。经过两年多的精心研究试产，采用从西门子公司进口的IGBT集成模块，实现了频率在20～90 kHz超音频感应加加热设备的产业化。团队仔细分析了串联和并联谐振的相互优缺点，独立研制了串联谐振感应加热电源，其输出功率更大（20～200 kW），频率调节范围更宽（20～90 kHz连续可调），易于和工件相匹配，并将其应用到电动机转子铜端环焊接领域。

2 超音频感应电加热铜端环焊接设备的技术问题

1) 该设备投入正常工业化生产，面临以下几个问题：① 可与工件匹配的超音频电源的串联IGBT谐振电路：作为焊接设备的核心工作部分，电源的性能直接决定了焊接的质量。

图2 超音频电源铜端环焊接电路原理框图Fig. 2 Principle frame diagram of super audio power copper end ring welding circuit

② 控制谐波对电网的影响：由于其电源的工作频率在20～90 kHz连续可调,势必会产生影响电网安全的二次谐波，为了将影响电网安全的二次谐波控制到合理范围，势必要设计一套二次谐波抑制电路。

③ 与工件适配的紫铜感应器的设计开发：为了更好地发挥其焊接功能，势必要根据用户的工件要求，设计生产出具有个体化特性的感应器，方能发挥最优的焊接功能。

④ 冷却系统的设计开发：作为大功率焊接系统，势必在电源部分和感应器部分要产生工作热，工作热必须控制到合理的范围才能保证焊接的正常进行，也才能保证设备和人身的安全。

2) 解决方法

① 电源谐振部分：对于超音频电源铜端环焊接设备来说，其电源部分的性能是其工作的核心部分，我们必须设计一个可靠的、高效的电源，才能保证焊接的正常进行。感应加热电源的电路结构与工作频率、功率无关，是由整流器、滤波器、逆变器及其控制和保护电路组成。为了提高负载电路的功率因数，通过在负载上串联电容可以提高功率因数，电容与负载串联就构成了串联谐振电路。开发出了IGBT串联谐振电路，很好地解决了频率和功率的矛盾，开发出超音频电源铜端环焊接设备的电源，成功地应用于电动机转子铜端环焊接领域。为了方便用户，配备了远控、时控、间隙控制、温度控制等多功能接口，方便与机床和各种终端设备连接；设备上装置有数字式电流表、输出电流频率表和手动频率调整旋钮，方便用户使用。

② 谐波的抑制与消除：对于超音频电源铜端环焊接设备来说，高功率因数和低谐波电源是恒量设备性能的重要指标，如果对功率因数、谐波污染指标没有要求，势必会影响到能源的利用效率和影响电网的安全运行。因此通过在电路的输入端设置保护电路和谐波消除装置，很好地解决了这一问题。

③ 感应器的设计：感应器对于超音频电源铜端环焊接设备来说就相当于最终的负载输出器，其设计的好坏直接影响到最终的焊接效果。根据电动机转子铜端环焊接这一特殊焊接领域，设计制作了紫铜管感应器，使设备的性能更为优越。

④ 冷却系统的设计开发：对于超音频电源铜端环焊接设备来说，在其进行整流工作的时候，势必在整流电路、逆变电路和感应器会产生一定的热量，这些热量必须以适当的方式排除，否则会影响到设备的安全以及对人体造成伤害（比如感应器如果温度过高，在操作时会对人体造成烧伤）。在整流电路、逆变电路和感应器部分设置温度传感器，当温度达到一定温度时，便会触发冷却水泵（或冷却风扇）工作电路，使冷却水（或空气）开始流通，通过设置在整流电路、逆变电路和感应器的冷却循环系统将多余的热量带走。

3 超音频感应电加热铜端环焊接设备的创新型研究

1）串联谐振电路的理论研究与开发目前市场主流的谐振方式是并联谐振，并联谐振由于采用的是谐振电容与负载并联的方式（如图所示3），在工作时由并联逆变器提供的恒流源为其供电，为避免滤波电抗器上产生大的感应电动势，电流必须连续，也就是说，必须保证逆变器上、下桥臂的IGBT在换流时，是先通后断，也即是在换流器期间所有IGBT处于导通状态；并且并联逆变器要求感应器尽量靠近电源和补偿电容，否则输出功率和效率会大大降低。所以并联谐振方式是不能适应目前的工作方式[2]。

图3 并联谐振原理图Fig. 3 Principle diagram of the parallel resonance

超音频电源铜端环焊接设备采用大规模集成电路和自行设计的IGBT串联谐振电路（其原理图如4），其采用通过在负载上串联电容的方式，提高功率因数，使整机具有可靠性高、功率因数高、输出功率大等优点。

图4 串联谐振原理图Fig. 4 Principle diagram of the series resonance

2）超音频电源铜端环焊接设备核心电路中，运用PWM脉宽调制技术和锁相环电路，对所产生的脉冲信号进行有效地处理，使波形的前后沿叠加必要的补偿，脉冲宽度按优选编程运行，合理有效放大整形，确保输出的正负波形干净纯正，使输出级的IGBT导通充分，关断截止干脆，发热量小，转换效率高，最大输出功率增加。在整机的抗干扰性能和各种保护功能上，设计了多种有效的保护措施，合理安排了整机结构，使得整机连续运行不发热，长期工作无故障，稳定可靠，结实耐用[3]。PWM是通过改变两斜对开关管驱动信号之间的相位差来改变输出电压值以达到调节功率的目的。具有输出功率调节范围宽，电路始终工作在准谐振状态，控制容易实现，特别适合与各种频率的大功率控制[4]。其原理图如5所示。

3）超音频电源铜端环焊接设备核心电路中，将IGBT逆变电路设置在整流电路、滤波电路和驱动电路之后，选用高品质的电器元件，保证在电路工作时负载产生的谐波不会对电网产生影响[5]。其电路框图如图6所示。

图5 PWM控制原理图Fig. 5 Principle diagram of PWM control

图6 超音频电源铜端环焊接设备电路框图Fig. 6 Circuit frame diagram of super audio power copper end ring welding equipment

由图可以看出，超音频电源铜端环焊接装置，主要由电源、整流桥、滤波电路、主控电路、驱动电路、IGBT模块、谐振变压器和感应加热焊接组件组成，控制显示电路可方便实时操作控制。三相电源从ABC经交流接触器CJ，接入三相整流桥电路，经三相整流桥整流成脉动直流高压，输出到滤波电路。从整流桥输入L+、L-直流高压到滤波电路1、2，分二路进行高效滤波，其中滤波电路1，对三相整流桥输出的直流高压L+、L-进行高低频处理，变成纯直流高压DC+、DC-，输出到功率厚膜电路IGBT1、2；滤波电路2，对三相整流桥输出的直流高压L+、L-进行高低频处理，变成纯直流高压DC+、DC-，输出到功率厚模电路IGBT3、4。主控电路产生30～90 kHz频率的超音频脉冲，经锁相环电路输出到驱动电路1、2、3、4。驱动电路1、2对主控电路送来的超音频脉冲，进行整形预放大，使波形和幅度符合技术参数规定的要求，再输出到IGBT1、2；驱动电路3、4对主控电路送来的超音频脉冲，进行整形和预放大，使波形和幅度符合要求，输出到IGBT3、4。谐振变压器原边2个绕组L1、L2，通过谐振电容，分别接双路IGBT。双路IGBT组成推挽输出电路，经谐振变压器耦合至次级L3，经谐振输出到加工终端超音频焊接感应加热组件，对加工金属铜进行加热焊接。

4）超音频电源铜端环焊接设备，采用全新设计的空心管加工而成的感应器，可以保证谐振频率和输出功率随着工件的不同而自动调整，同时空心的紫铜管也可以让冷却水从其中通过，带走工作时产生的多余热量，保证不会对人体造成损伤。

由于高频电流具有集肤效应，并且频率越高，集肤效应越明显，大部分电流都在导体的表面通过[6]。而以前的感应器都是实心的感应器，会造成材料的浪费，并且由于无法通过冷却介质，所以功率不能做的太大。感应器做成空心管后，冷却介质可以从中流过带走工作热，功率和效率大为提高。

5）超音频电源铜端环焊接设备，配备水压欠压保护电路，在水压过低时，会启动故障报警和自动切断工作电路，避免了在设备工作时因水压欠压造成的设备损坏。其原理框图如图7所示：

图7 低水压保护原理框图Fig. 7 Principle frame diagram of low water pressure protection

图8 故障报警原理框图Fig. 8 The principle frame diagram of fault alarm

6）超音频电源铜端环焊接设备，配备了数字式振荡显示和交流电压显示面板，将过流、水温、水压、过压等保护信息集中于面板统一显示，具有故障自动报警及诊断功能。其原理框图如图8所示。

4 结束语

通过以上技术难点的解决，通过试制，于2010年8月推出了第一款样机，经过山西双龙泵业有限公司等使用后，均表示满意，说明本产品是一款比较优秀的产品。对应于山西双龙泵业有限公司的试用结果显示，对于其常用的φ104 mm转子来说，通常乙炔氧气烧焊焊接时间为5～8 min，成品率只有80%左右，并且存在焊接应力大、虚焊和砂眼；采用超音频电源感应电加热铜端环焊接设备后，其焊接时间缩短为60 s左右，并且成品率达到99%以上，产品焊接后热应力小，焊接质量好，还可以随生产节拍改变而调整，用户表示满意。后续将不断优化改进，使产品可以推向热处理及贵重金属冶炼行业。

根据市场反馈和用户的需求，下一步的目标是推出干式设备，利用先进可编程单芯片技术，更精准地对生产进行匹配，减少热损耗，利用风冷来解决水冷过程中易出现的管道堵塞、泄露和失压等对设备造成的损害。

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