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逆变式多功能电源的研究

时间: 2011-07-16 03:54 来源: 作者: 点击:

张玉峰 周仁斌 李振敬 崔 峰

[摘 要] 运用先进的高频逆变技术和微电子控制技术设计研制的逆变式多功能电源便携式逆变焊镀充电多用机,采用“半桥式功放级供电中点电压自动控制调节装置”,在技术上解决了逆变功放电路因偏磁而造成的逆变颠覆,有效地解决了大功率逆变器的可靠性问题;进行多种外特性的综合设定,实现了恒流与恒压输出的合一;与传统焊机相比,实现了开环和闭环状态下都互不影响的低压直流电瓶和高压交流双供电.
[关键词] 逆变; 多功能电源; 焊镀充电多用机
[中图分类号] TG432     [文献标识码] A

Study On Multifunctional Inverter Power Source

ZHANG Yu-feng, ZHOU Ren-bin, LI Zhen-Jin, CHUI Feng
(Wuhan Ordnance Noncommissioned Officer School, Wuhan 430064 China)

Abstract: The multifunctional inverter power sourcethe handy inverter welding,plating & charging manchine, developed with advanced inverter and micro-electronics control techniques,adopts half-bridge power expansion supply midpoint voltage autocontrol setting,and technically and effectively having solved inverter subvision of inverter power expansion circuit for leaning magnetism,reliability of high-power inverter setting,achives combination of constantcurrent and constantvoltage export, and realizes low-voltage DC and high-voltage AC double power supply.
Keywords
: inverter; multi-function power; welding; plating and charging manchine

  逆变技术是70年代未期问世的一种新型电力电子技术,该技术应用于弧焊电源,突出的优点是使设备高效节能,并且可使焊接设备重量轻、体积小、动态特性和焊接性能良好.目前,国内外开发研制这种技术的大功率开关器件在技术上相当成熟,已商品化[1].
  便携式逆变焊镀充电多用机是运用先进的高频逆变技术和微电子技术设计研制的一种用于焊接维修、金属表面刷镀及对电瓶进行快速充电的多功能电子产品.其主要功能有直流手工电弧焊、脉冲手工电弧焊、直流氩弧焊、脉冲氩弧焊、直流刷镀、脉冲刷镀、直流充电、脉冲充电等八种功能.设备供电可采用220 V交流电源或直流(24~48) V电瓶电源.多功能、双供电,携带方便,高可靠性,使该机具有其它逆变电源无法比拟的特点.
  便携式逆变焊镀充电多用机由主机和附件箱两大部分组成.主机外形尺寸425 mm×188 mm×290 mm,机重23.5 kg.附件箱内装有:电弧焊钳、氩弧焊枪、刷镀笔、刷镀液、氩气瓶、折叠式面罩、氩气流量计、电瓶夹等必备附件.  

1 电路框图和主要技术数据

1.1 多用机电路框图[2]
  便携式逆变焊镀充电多用机是用微电子控制高速大功率开关器件,实现大电流输出的PWM开关控制.设备的工作电路框图见图1.

图1 设备电路连接框图

  便携式逆变焊镀充电多用机主要由大功率逆变电路、大功率斩波电路、高精度安时数显电路与输出/输入电路四大部分组成.大功率逆变电路由大功率逆变电路(2)、保护电路(3)及四组低压供电电源(4)组成;大功率斩波电路由斩波电路(5)、斩波控制电路(8)、取样与给定电路(9)及6组低压开关电源(10)组成;高精度安时数显电路由高线性度I/F转换电路(11)、计数显示电路(12)组成;输出/输入电路由交流输入电路(1),直流输入电路(7)与输出电路(6)组成.
1.2多用机的主要技术参数[3]
  输入电压:交流 220 V±10% 50±5 Hz;直流(24~48) V;
  输入频率:(50±5) Hz;
  逆变频率:30 kHz;
  斩波频率:42 kHz;
  额定输入功率:5 kW;
  额定输出电流:(3~160) A,恒流,可连续设定;
  脉冲峰值电流:(3~160) A,可连续设定;
  脉冲基值电流:(3~160) A,可连续设定;
  额定输出电压:直流(0~30) V,恒压,可连续设定;
  脉冲频率:(0.5~40) Hz,可连续设定;
  脉冲占空比:(15~85) %,可连续设定;
  安时值计量:置档(0~999.999)安时,精度±10%;
  额定负载持续率:刷镀100%(70 A/30 V);氩弧焊60%(160 A/14.8 V);电弧焊35%(160 A/24.8 V);充电100%(70 A/30 V).

2 对逆变电路“偏磁”和“直通”的控制

  传统逆变电源容易因不平衡造成单向偏磁和上下臂直通,以致产生饱和而使功率开关管毁坏,逆变失败.为了避免逆变电源直通和偏磁现象的产生,一般常采用严格限制最大工宽;减小线路电感和干扰;减小变压器的漏感 ,限制逆变电源的输出功率;提高变压器抗不平衡能力;严格挑选开关特性一致的管子等措施,但这些都没从根本上解决逆变电路的可靠性问题.
  便携式逆变焊镀充电多用机对大功率场效应管MOSFET的控制,系采用该项目组研制的“半桥式功放级供电中点电压自动控制调节装置”,即采用半桥式双臂交替导通的高频主逆变电路,将脉宽调控电路同两功放元件驱动电路进行耦合,再加上保护电路;高频大功率变压器采用高频损耗大的磁性材料作铁芯,三绕组的几何排列形成以初级为中心的电磁耦合对称结构,又在功放元件驱动电路的前置放大电路同功率放大电路之间增设了用以控制高频功率管开关前后沿斜率的双积分电路,从而有效地解决了国内逆变功放电路的单向偏磁和上下臂直通的技术难点,使该设备的可靠性大大提高.
  要消除“磁饱和”从根本上解决大功率逆变电源的“偏磁”和“直通”问题,则必须保证逆变电源变压器的正反向工作磁通在任何时刻不超过许可范围,即

max<Φ<+Φmax

Φmax为设计时最大许可磁通.工作磁通直接测量较为困难,工作磁通的大小和正负状况与变压器初级绕组上的“伏—秒”数累计值成比例,而“伏—秒”数累计可用一积分电路对初级绕组电压进行积分,很易得到,这样对工作磁通的限制就换成为“伏—秒”数的限制,即:

VTmax变压器设计时对应于最大工作磁通Φmax的“伏—秒”数.
  便携式逆变焊镀充电多用机是以自动调节导通脉冲的宽度来实现上述要求的,防止磁通饱和自动调节电路框图如图2:

图2 自动调节原理框图

3 多种外特性的综合设定与获取

  电焊、氩弧焊、刷镀与充电,是四种不同的负载.四种负载对设备的输出特性各有不同的要求.因此,设备外特性不应是单一的,而是多种可根据负载要求而设定的.

3.1 外特性种类
  a、摆幅小于1.6 V的近似恒压的平特性;b、垂直陡降的恒流特性;c、短接限流与限时衰减的小电流短接特性;d、小电流起弧启动特性;e、双可调的脉冲大电流与小电流特性;f、可调的脉冲频率与可调的脉冲占空比特性.见图3.


图3 综合外特性图

  外特性图中,ABCDEFG是综合设备外特性轨迹线,V2为设定的输出电压,I2为设定的输出电流.V1为短路电压,设定值已固化在电路中,约3.5 V;V3为平特性限定的摆幅电压,其值是V2+1.6 V;V4是开路电压,其值依输入电源电压而定,约为(24~60) V; I1是短接稳态电流,其值由面板上的基值电流设定旋钮设定;I2是摆幅电压上升至1.6 V时的电流值; I4为非短接状态下的最大电流值;I5为短接输出电流峰值,约为I3的1.3倍.
3.2 各种工作方式的外特性设定
  本设备的外特性参数如平特性电压、垂直陡降电流、短接电流、 焊接电流、脉冲频率与占空比均连续可调,以适应不同工作方式,不同负载的要求.
3.2.1 直流或脉冲刷镀 高工艺要求刷镀时,可将工作点设定在C点及以下附近.工作时,电流稳定在I3,电压稳定在V2,在这个工作条件下,若一旦电极脱离工件, 电流迅速降至I2,将电压定位在V3,输出功率迅速降至Pb.
  在一般的刷镀中,可将工作点设定在C\‘点,该点在C点下面,其与C点的纵座标差值为ΔV,刷镀时,将保持刷镀电流不变,电压在ΔV内变化,只要ΔV取值合适,也不会出现拉弧.由于在ΔV内变化时刷镀电流不衰减, 相对于上述工艺设定可提高刷镀速度,也保证刷镀表面光洁.
3.2.2 直流或脉冲充电 充电时,工作点设定在C(V2,I3),当电瓶充满电压升至V2时,电流随着CB线下降,至B点,由I2进行涓流充电,由于该设备装备有安时计数器,当充电量完成安时设定值时,设备自动断电.
3.2.3 直流或脉冲电弧焊与氩弧焊 电弧焊或氩弧焊,可将设备输出特性设定在垂直陡降特性上, 也可利用平特性进行工作点设定.
  本设备中,弧压设定可大至40 V,当弧长变化时,动态工作点容易控制在CD轨迹线移动,输出特性即为垂直陡降.氩弧焊时,可将短接起弧电流设定得小一些,以保护钨极,而电弧焊时, 可将短接起弧电流设定大一些,甚至大于焊接电流, 使垂直陡降特性在弧压下降时,产生外拖特性,加快溶滴过渡.

4 双供电自动切换输入

  在便携式逆变焊镀充电多用机的电力输入部分,采用了大功率二极管压差技术,实现了开环或闭环状态下都互不影响的低压直流电瓶和高压交流双供电,与传统焊机相比,除可进行交流供电外,还可以进行直流电瓶供电作业,通过不同的开关控制.供电要求不高,可分别在三种条件下供电使用直流交流双供电.原理框图如图4.

图4 直流、交流双供电原理框图

  1) 可进行220 V交流供电;
  2) 可进行(24~48) V直流电瓶供电;
  3) 可进行220 V交流和(24~48) V直流电瓶同时供电,当交流供电时,直流电瓶供电自动闭锁,交流供电中断时,直流电瓶供电自动切入.
  另外,为了使逆变式多功能电源在操作时更加安全,在设计和技术上进行了充分的考虑,在结构处理上电路分层设计,模块化线路设定,接插导线连接,全封闭喷塑绝缘设计;对强弱电的布线距离,严格按照国家标准大于7 mm进行布线;对强弱电隔离器件进行耐压测试;电线全部采用耐高温和阻燃材料;外壳防护等级IP21,绝缘等级F级.

5 结束语

  通过对便携式逆变焊镀充电多用机的设计研制、改进和全面试验及部队和地方试用,证明便携式逆变焊镀充电多用机在技术经济上是合理的,具有体积小、使用安全、重量轻、携带方便、可靠性好等优点.经技术鉴定和实践证明,该机性能优良,在技术上具有国内先进水平,能极大地满足部队平时军械维修和野外战时抢修及民用修复.

* 该项目1997年9月通过了总参谋部技术鉴定,1999年3月获全军科学技术进步二等奖。

作者简介:张玉峰(1959-), 男, 河北乐亭人, 武汉军械士官学校高级讲师, 从事逆变式焊接电源的设计与研究.

作者单位:武汉军械士官学校, 湖北 武汉 430064

参考文献

[1] 刘 竹,肖介光.逆变式弧焊机[M].成都四川科技出版社 1994,10.
[2] 张玉峰,周仁斌.便携式逆变焊机的研究[J].军械士官,1996(4):34~35.
[3] 张玉峰,周仁斌.便携式逆变焊镀充电多用机的设计和研制[M].焊接技术,1998(5):25~26.

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