等離子(水介質)切焊機逆變電路的研制

2012-12-17 10:42:02周漢義王新豫古宏剛

電子科技 2012年7期

張凱，周漢義，丁富，王新豫，古宏剛，王靜

(1.合肥工業大學材料物理與化學系，安徽合肥 230009;2.中航工業西安航空發動機集團有限公司，西安 710021;3.合肥健橋醫療電子有限責任公司，安徽合肥 230088)

目前市場上的等離子切割機或焊機的等離子弧通常是使用空氣或工業氣體為介質電離獲得的。其在使用時必須有輔助設備如空壓機或氣瓶等，這些氣體高溫電離分解后會產生臭氧及氮氧化物，對環境和操作人員的健康影響較大。所以在操作時需安裝排風系統以及大量輔助設備，限制其便攜性。

水介質等離子切焊機的工作原理如下:在打開電源開始工作后噴槍水箱里的水在噴槍正負極之間電解，同時電解產生的高溫使附近的水化形成水蒸氣，在氣壓作用下向噴嘴運動。噴槍里的正負極瞬間接通和斷開時噴槍的正負極之間會引弧，然后調整噴槍使正負之間處于某一個電壓和間距，使電弧處于穩定狀態，電弧在噴嘴附近不斷地電離噴嘴處的水蒸氣產生等離子體，并在水蒸氣的包裹下高速從噴嘴射出形成等離子束［1］。噴射出的等離子束速度在300 m/s，溫度為8 000℃，可對非燃材料進行切割、焊接、熔焊以及其他形式的熱處理加工［2－3］。等離子(水介質)切焊機分為主機和外設兩大部分。主機是主體結構為大功率逆變電源，內部分3個部分:(1)電源板。(2)控制板。(3)功率板。電源板的功能是將輸入的200 V交流電整流后輸出12 V、－12 V、5 V直流和高頻交流信號，高頻交流信號經過控制板上的逆變電路逆變成高頻電壓。然后通過主變壓器升壓達到約350 V，最后通過功率輸出板的整流以及功率放大后加在噴槍兩極上。控制板的功能及作用是對高電壓、大電流的逆變過程進行檢測和提供電壓、電流、溫度的保護。同時，功率控制和穩弧的作用也是在控制板上實現的，這將是文中討論的重點。

1 逆變電路的功率控制和穩弧過程

等離子(水介質)切焊機是基于單片機控制，僅使用220 V的市電就能快捷、穩定的產生等離子束。單片機輸出的控制信號范圍－5～+5 V，而噴槍兩端的電壓范圍約是80～350 V，穩定工作的電壓約是170 V，電流為5～6 A。單片機是通過逆變電路達到弱電控制強電的目的［4］。等離子切焊機工作時需根據切焊不同的材料來改變功率，另外為達到所要求的切割深度或焊接牢固度也需要功率的改變和等離子弧的穩定。在切割和焊接的過程中被切割或焊接的材料會成為負載的一部分，從而導致負載大小的變化，這樣就需要輸入功率不斷調整以達到穩弧的目的。此過程由穩弧電路檢測反饋給逆變電路，通過逆變電路完成穩弧過程。圖1表示逆變電路的穩弧過程。

電路的穩弧過程首先是由PWM脈沖寬度控制芯片組成的脈沖發生電路產生兩組波形:一種是由5腳產生的三角波;另一種是由10腳產生的方波。該脈沖寬度控制芯片的3腳稱為補償腳，接上由穩弧電路反饋的－5～0 V的控制電壓Vx。三角波需要工作在特定頻率下，此頻率通過PWM芯片5腳的外接電阻和電容的大小來設定。三角波的頻率和相位不會隨Vx變化，三角波通過非門產生的方波的頻率同樣不會隨Vx變化。但10腳產生的方波通過整形后的方波的占空比是隨Vx變化的。這兩個信號經過整形、放大后就作為控制信號接入逆變電路中［5］。便可通過改變兩組方波之間的相位關系來改變負載的功率，這種通過相位控制輸出功率的輸出方法叫做脈寬控制。脈寬控制指工作頻率不變，通過改變功率開關器件導通的時間來改變占空比從而改變負載功率。在穩弧電路提供的電壓反饋下，穩弧電路不斷調整兩波形的相位關系從而做到負載電流不隨負載電壓和負載電阻的變化而變化［6］從而達到穩弧的目的。逆變電路產生的交流電最后經過主變壓器的功率放大后加在負載上，這樣逆變電路就完成整個負載的輸出過程。

圖1 逆變電路穩弧過程

2 逆變電路的構成

逆變電路開關管采用4個絕緣柵雙極晶體管構成的推挽電路。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的開通和關斷受柵極控制，對驅動電路有較為嚴格的要求，驅動電路性能的優劣是逆變電路能否可靠工作的前提［7－8］。逆變電路整形電路如圖2所示。需要注意的是，因為整流期間器件都是工作在高頻下，所以器件需采用能夠高速響應的產品。如果不能高速響應就會使控制波形的變形，從而造成器件過熱容易燒毀。脈沖控制芯片產生的三角波經過非門變成方波加在D觸發器的CLK端，方波通過非門仍為方波，但方波較波形整齊。而從單片機過來的主變壓器控制信號分別加到兩個D觸發器的D端，如圖2所示。D觸發器信號在CLK上升沿時變化，分別輸出兩組四只方波。脈沖控制芯片3腳的Vx是從噴槍過流保護信號放大電路即穩弧電路，其可以通過Vx的變化改變脈沖控制芯片方波的相位，即表現為由兩個D觸發器產生兩組有相位差的方波，從而使后面控制4個兩兩串聯的IGBT的控制信號也有相位差。只有兩個方波都在高電平，即如圖3所示的兩方波重疊的陰影部分，開關管在通路的狀態時負載工作。其便可通過控制導通的時間來控制負載的功率以達到穩流的目的。接下來的逆變過程如圖4所示。兩個D觸發器產生的4只方波經過高速功率MOSFET驅動器的放大、濾波作用后分別加在由4個功率場效應管組成的共源極一級電壓放大電路上，輸出電壓和輸入電壓相位反相。然后加在由驅動變壓器組成的二級放大電路上，驅動變壓器一方面具有放大功率的作用，另一方面又具有濾去方波尖峰的作用。接著方波在通過由4個功率場效應管組成共源極三級放大電路，波形整形后去控制4個兩組絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。4個兩兩串聯的IGBT在同樣兩對4個控制方波的作用下導通和關斷，最后輸入功率加載在負載上使噴槍穩定工作。

圖4 逆變電路的構成

3 實驗和結論

在實驗中利用滑動變阻器代替負載，接上由電源板提供的電源使逆變電路的芯片正常工作，由外部大功率直流電源作為逆變對象輸入電壓，逆變電路的VPN是從IGBT兩端出來的電壓，也就是加在噴槍的上的電壓。在測試某個Vx(某特定工作功率)值下負載變化以及輸入電壓變化下逆變電路穩流的作用。保持Vs=－2.4 V不變，讓輸入電壓V變化6個檔:10 V、20 V、30 V、40 V、50 V、60 V。并在每個檔下保持輸入電壓V不變，這時改變負載電阻R，也就是6個檔位:5.5Ω、4.4Ω、3.3Ω、2.2Ω、1.1Ω、0.55Ω。在每個檔下記錄下負載電流IR和負載輸入電壓VPN的值，如表1所示。