三相交流1 140 V/660 V 自适应直流逆变弧焊机的原理分析

史永辉，祝大焦，刘怀莲

（枣矿集团供电工程处，山东 枣庄 277000）

1 1 140 V/660 V 电焊机原理分析

1.1 电焊机工作原理

目前，在1140 V 电压电源上还没有正式的逆变焊接电源产品，针对使用该电源的用户，研发设计专用电压等级的逆变焊接电源，满足用户在1 140 V 电压的情况能够进行焊接工作，减少了用户增加1 140/380 V变压器及增设380 V 供电线路的困扰。

该机具有良好的电气性能，如恒流输出，使输出电弧平稳；动态反应快、对电网波动具有自动补偿作用；精确的无级电流预设定，数显表显示；焊机设有推力、弧长、热起弧、焊条防粘等功能。

逆变焊机的原理是将三相380 V 电源进行整流滤波形成平稳的直流，经过IGBT 逆变形成高频的电源，再经过中频变压器降压升流，最后整流形成直流供焊接。在逆变环节采用PWM 控制IGBT 的通断而进行电流调节[1]。

逆变焊机各模块构成如图1 所示。

本焊机具有如下特点：

（1）采用了串联降压的方式重新构建整流桥堆；

（2）结合IGBT 的分压特点，及1140 V 的电压等级采用串联分压的方式构成逆变器件；

（3）滤波回路由原来的电解电容滤波改为无极性电容的滤波方式，提高了功率因数；

（4）驱动方式由原来的驱动板直接驱动改为负电压驱动。

图1 电焊机各模块构成图

2 逆变焊机中常用的主电路结构形式分析

2.1 单端正激式电路

许多小功率逆变焊机主电路采用单端正激电路，电路结构如图2 所示。

图2 单端正激电路

此电路的特点是电路中仅有一个功率开关器件，电路简单，功率开关器件不会发生直通现象，易于保护，但功率变压器工作于一个象限中，利用率较低，功率容量不易做大，钳位绕组的漏抗会在功率开关器件上引起较高的电压尖峰[2]。

图3 桥式逆变电路

2.2 桥式电路

桥式逆变电路结构如图3 所示。

桥式逆变电路由4个功率开关器件和变压器组成，每个功率开关器件中的电流相比半桥式电路都减少一半，可以做成较大功率的逆变焊接电源，输出400 A以上的焊接电源基本上采用了这种电路结构。

3 电焊机控制分析

逆变电焊机是随着电力电子技术发展起来的，总的控制方式采用了脉冲宽度调节PWM 技术，控制逆变后波形的占空比，从而改变输出电流大小的控制。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS 管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS 管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。

PWM 控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点[3]。

对于控制系统，实时性保护是电焊机可靠工作的必要保证。该保护具有反应快，在保护动作后，电焊机即可停止工作。

3.1 电流调节原理分析

该弧焊机，有开始的调节电流电压给定Ug，推力电流给定Ut，电压反馈信号U0，构成电流的初始调节信号Ua。其相加的数学模型为Ua=K1Ug+K2Ut+K3U0。其中的参数K1、K2、K3由电路参数决定。当合成的信号经过PI 放大延迟后换相后，生成信号Ug1，与反馈的电流信号(经过分流器转换为的电压信号)Ui相加后，再经过PI 延迟生成PWM 的输入信号U2。其相加的数学模型为U2=k4Ug1+k5Ui。其中的参数k4、k5电路参数决定。

3.2 电流显示电路原理分析

取得电流调节电压给定Ug1，调节最小电流给定电压Ux，最大电流调节给定电压Ud，构成电流显示信号U3。其相加的数学模型为U3=k6Ug1+k7Ux。其中的参数k6、k7由电路参数决定。当合成的信号经过PI 放大延迟后换相后，生成信号Ug2，与最大电流调节信号相加后，再经过PI 延迟生成电流表显示的输入信号U4。其相加的数学模型为U4=k8Ug2+k9Ud。其中的参数k8、k9电路参数决定。

3.3 电压反馈回路原理分析

电压反馈回路是直接从电焊机的输出端取电压信号，经过滤波，电阻分压，稳压后，输入由二个运放比较器构成的比较电路，每个比较器都有各自的参考电压。推力软开关控制，当反馈的电压信号大于5.9 V时，此电路输出低电平，将软开关关断。防粘回路控制，当反馈信号小于3.54 V 时，将电流给定信号拉低。

3.4 驱动电路原理分析

电焊机的驱动板采用单端正激电路加电路转换的工作方式，用PWM 两个通道的驱动信号，驱动两个场效应管（MOSFET），产生两个驱动信号经隔离变压器后传给下级变换电路，隔离变压器变比为1:1:1。由于PWM 的两个通道的驱动信号相差4 μs，又由于每个隔离变的二个二次线圈都是相同绕指方向，因此只是时间上相差4 μs。

4 结论

本文介绍了一种在1 140 V/660 V 电压电源逆变焊机的原理，该焊机适应于煤矿专用电压等级。从1 140 V/660 V 电焊机的整体机构入手，通过介绍电焊机主电路工作形式、控制电路、驱动电路、保护电路的工作原理，对该电压等级下的电焊机原理进行了分析，能够解决电焊机电压与煤矿电压等级不一致的问题，为工业生产做出贡献。