IGBT逆變焊機(jī)以優(yōu)良的焊接性能、節(jié)能、節(jié)材、體積小、重量輕等一系列優(yōu)點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外焊接界的高度重視，已成為電焊機(jī)的主要發(fā)展方向，正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但因其可靠性的問(wèn)題，許多用戶購(gòu)買時(shí)還很慎重。
手工電弧焊接是一種量大面廣的焊接方法，由于起弧時(shí)采用短路引弧的方法，焊接過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)熔滴與工件短路的現(xiàn)象。對(duì)于這種頻繁的短路過(guò)程，如果沒(méi)有可靠的保護(hù)措施，必然引起主功率開(kāi)關(guān)IGBT的過(guò)流損壞。因此，IGBT逆變弧焊機(jī)PWM控制電路的過(guò)流保護(hù)，較小脈寬的設(shè)置，推力電流的調(diào)節(jié)等問(wèn)題是提高整機(jī)可靠性的關(guān)鍵。
2 電壓型PWM控制器過(guò)流保護(hù)固有問(wèn)題
目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)常見(jiàn)的IGBT逆變弧焊機(jī)控制原理如圖1所示。其中PWM控制器通常采用TL494、SG3525等電壓型集成芯片，電流反饋信號(hào)一般取自整流輸出端。
圖2為電壓型控制器TL494時(shí)序圖。當(dāng)輸出電流信號(hào)由分流器FL檢出nIf與給定電流Ugi比較后，經(jīng)比例積分放大器放大，控制輸出脈沖寬度。一旦輸出控制脈沖，IGBT導(dǎo)通后，即使產(chǎn)生過(guò)電流，PWM控制電路也不可能關(guān)斷正在導(dǎo)通的過(guò)流脈沖。由于系統(tǒng)存在慣性環(huán)節(jié)，過(guò)流時(shí)間還將延長(zhǎng)。
逆變弧焊機(jī)的可靠性與IGBT保護(hù)
圖1 IGBT逆變焊機(jī)原理
逆變弧焊機(jī)的可靠性與IGBT保護(hù)
圖2 TL494時(shí)序圖3 電流型PWM控制電路
3.1 過(guò)流保護(hù)原理
電流型PWM控制電路如圖3所示。反饋電流信號(hào)由中頻變壓器初級(jí)端通過(guò)電流互感器取得。由于電流信號(hào)取自變壓器初級(jí)，反應(yīng)速度快，保護(hù)信號(hào)與正在流過(guò)IGBT的電流同步，一旦發(fā)生過(guò)流，PWM立即關(guān)斷輸出脈沖，IGBT獲得及時(shí)保護(hù)。圖4是電流型PWM控制器時(shí)序圖。電流型PWM控制器固有的逐個(gè)脈沖檢測(cè)瞬時(shí)電流值的控制方式對(duì)輸入電壓和負(fù)載變化響應(yīng)快，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，簡(jiǎn)化了IGBT保護(hù)電路，大大提高了工作可靠性。
逆變弧焊機(jī)的可靠性與IGBT保護(hù)
圖3 電流型PWM控制電路
逆變弧焊機(jī)的可靠性與IGBT保護(hù)
圖4 電流型PWM控制器時(shí)序圖
3.2 電源外特性與推力電流調(diào)節(jié)
如圖3所示，不難理解，固有的逐個(gè)脈沖進(jìn)行比較的電流型PWM控制方式下的電源外特性是恒流特性。隨著電流給定信號(hào)的增加，外特性曲線右移。
圖3中設(shè)置了較小脈寬控制電路。較小脈寬的設(shè)置，不僅保證了IGBT的可靠導(dǎo)通，而且滿足了手工電弧焊推力電流的要求。設(shè)置較小脈寬后，具有恒流特性的逆變器輸出外特性曲線如圖5所示。低壓部分出現(xiàn)了階梯形狀。其拐點(diǎn)處的電壓Uomin為：
逆變弧焊機(jī)的可靠性與IGBT保護(hù)
式中 Dmin為較小脈沖寬度；Usr為輸入整流電壓；n為中頻變壓器變化；T為震蕩周期
在階梯段電弧系統(tǒng)工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，此時(shí)輸出電壓Uomin為開(kāi)環(huán)伏安特性(Uomin應(yīng)小于焊接電弧電壓Uf)。工件與焊條短路時(shí)，短路電流Id由Uomin決定：
逆變弧焊機(jī)的可靠性與IGBT保護(hù)
式中
Id為短路電流；Uomin為拐點(diǎn)電壓；Ro為電源內(nèi)阻；Ry為電纜阻抗
Id的大小將影響引弧性能及熔滴過(guò)渡的電磁收縮力，故Id也稱為推力電流。Id太小時(shí)，引弧困難，熔深淺；Id太大時(shí)，會(huì)引起飛濺，并且容易造成主開(kāi)關(guān)管的過(guò)流損壞。圖3中通過(guò)電流互感器取出電流反饋信號(hào)與推力給定信號(hào)相比較，當(dāng)反饋信號(hào)大于給定信號(hào)時(shí)，定時(shí)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，關(guān)閉PWM輸出；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間定時(shí)后PWM重新輸出。如果反饋信號(hào)仍然大于給定信號(hào)，則重復(fù)上述過(guò)程，從而限制了推力電流Id，調(diào)節(jié)推力電流給定信號(hào)，可以改變推力電流大小。
逆變弧焊機(jī)的可靠性與IGBT保護(hù)
圖5 輸出外特性曲線
4 結(jié)論
(1)IGBT逆變焊機(jī)PWM控制電路妥善解決推力電流與過(guò)流保護(hù)問(wèn)題，是提高焊機(jī)工藝性能與可靠性的關(guān)鍵。
(2)反饋電流信號(hào)取自中頻變壓器初級(jí)，采用電流型PWM控制電路，固有的逐個(gè)脈沖檢測(cè)方式，簡(jiǎn)化了過(guò)流保護(hù)電路，可靠性大大提高。
(3)手工電弧焊的推力電流將影響引弧性能及熔深的大小，采用設(shè)置較小脈寬和間歇關(guān)閉PWM輸出脈沖的方式，可以妥善解決推力電流調(diào)節(jié)與過(guò)流保護(hù)的問(wèn)題。