高頻引弧在逆變氬弧焊機中的作用

1、高頻引弧在逆變氬弧焊機中的作用在弧焊電源中有兩種起弧方式：一種是接觸起弧，一種是非接觸起弧。前者的起弧電流比后 者大得多，起弧時對焊機的干擾較小。但在某些場合，只能要求用非接觸起弧。如坦克上的 反射透鏡，火箭發(fā)動機等的焊接，由于工件很薄，通常厚度為 0.1～0.5 mm，若讓鎢極與 工件接觸，會引起薄工件的燒傷，鎢極燒損以及焊縫夾鎢等缺陷。非接觸起弧又分為高頻高壓起弧和高壓脈沖起弧兩種方式，傳統(tǒng)的引弧裝置為高頻高壓引弧 ，利用工頻變壓

2、器將電網(wǎng)電壓升壓來獲得高壓，起弧時干擾特別大，經(jīng)常損壞逆變功率器件 或控制板上的 CMOS電路，使系統(tǒng)工作極不穩(wěn)定。在高頻引弧電路的設(shè)計中，既要考慮使焊機容易起弧，又要盡量減少對焊機的干擾，這樣整 個系統(tǒng)才能穩(wěn)定地工作。為此，本文提出一種新型引弧電路，可以很方便地控制高頻強度， 減少對焊機的干擾，同時又能使焊機很輕松地起弧，大大提高了焊機工作的可靠性。1 高頻引弧器對逆變直流氬弧焊機產(chǎn)生干擾的原理分析高頻高壓引弧電路和本文提出的一種高壓

3、脈沖引弧電路的原理圖分別為圖 1 和圖 2 所示。逆變 直流氬弧焊機是高頻開關(guān)焊接電源，從開關(guān)電源原理可知：在開關(guān)變壓器的初、次級是一周 期方波，例如，以快速可控硅為逆變功率器件，采用 PFM 調(diào)制，開關(guān)頻率可達(dá) 4-5Hz，以 MOS 場效應(yīng)管或 IGBT 為逆變功率器件，采用 PWM 調(diào)制，開關(guān)頻可達(dá) 20-50kHz，根據(jù) 周期信號的傅立葉級數(shù)理論，此方波包含了頻率分量 nW，這就決定了它含有大量高頻諧波， 如果不對這些諧波加以抑

4、制，它們就會以傳導(dǎo)的方式進入電網(wǎng)或以輻射的形式發(fā)射出去，形 成干擾。另外，由于開關(guān)管的感性負(fù)載，相當(dāng)于電感與開關(guān)管串聯(lián)，在開關(guān)管快速開關(guān)時， 電感上產(chǎn)生很高的尖峰電壓，這種尖峰電壓不僅對開關(guān)管起破壞作用，也可形成大量諧波， 同樣會形成傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。由于開關(guān)電源初、次級及匝間存在大量分布電容，系統(tǒng)中 器件與機殼之間，以及導(dǎo)線間也存在寄生電容，此電容在開關(guān)狀態(tài)突然充放電，也是一種干 擾源。由此可見，高頻開關(guān)電源本身就存在著干擾。從圖

5、1 可知，高頻高壓引弧電路直接采用電網(wǎng)電壓升壓，并經(jīng)耦合而達(dá)到引弧的目的，這種電路會對焊機造成很大的干擾。由于直接從網(wǎng)壓升壓、耦合來使焊機起弧，一方面由于能量 比較強，焊機很容易起弧，另一方面，起弧時，又會將高壓經(jīng)變壓器 B1、B2 耦合回送給電網(wǎng) ，使 380V 的電網(wǎng)電壓瞬時可達(dá)到 420V 以上，這樣會造成兩種后果，其一是加在逆變功率元件 上的直流高壓會急劇上升，可能超過功率元件的耐壓而損壞功率元件，使逆變失敗，其二是 控制電路的

6、工作電壓瞬時上升，破壞 CMOS 集成電路，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。另外，這種電路 起弧時有很多高頻成分，可能形成輻射干擾。當(dāng)然，傳導(dǎo)干擾和輻射干擾相比較，傳導(dǎo)干擾 要強得多。因此，在抑制干擾時主要考慮傳導(dǎo)干擾。下面都是針對傳導(dǎo)干擾進行討論的。對 上述干擾，可以在高頻變壓器次級加 LC 濾波器，但效果并不顯著。從圖 2 知，高頻變壓器 B1 的初級電壓并不直接來自網(wǎng)壓，而是將電源變壓器的一組次級電壓 經(jīng)整流、開關(guān)管變換再作為 B1 的輸入，

7、這樣就起了隔離作用，起弧時，高壓就不會直接耦合 到電網(wǎng)，對功率元件和控制板上的 CMOS 集成電路的干擾就很小。當(dāng)然，由于高頻變壓器 B1 的 初級電壓不直接來自網(wǎng)壓，起弧能量要弱得多，這可以通過調(diào)整火花塞的氣隙來提高起弧電 壓，達(dá)到起弧目的。2 兩種高頻引弧電路的原理圖 1 是傳統(tǒng)的高頻高壓引弧電路，圖 2 是新型高壓脈沖引弧電路。兩者原理相似，都是利用高 壓擊穿火花氣隙，使之產(chǎn)生 LC 振蕩，然后將高頻振蕩電壓經(jīng)耦合，升壓加到電極與

8、工件之間，達(dá)到引弧的目的 。圖 2 中的輸入電壓為交流 40 伏，來自控制變壓器的一組次級，控制變壓器的初級為交流 380 伏 。輸入電壓經(jīng)全橋整流，濾波后，C1 上的電壓約為 56 伏，為直流電壓。B1 為升壓變壓器，C2 為振蕩電容，HF 為火花塞，B2 為耦合變壓器，T1(即 BUY71)為大功率晶 體管GTR。當(dāng)某一頻率的方波信號(本文的頻率為 50 千赫)作為驅(qū)動信號加到 T1 的基極和射極時，T1 的開 關(guān)作用將 56 伏的

9、直流電壓逆變?yōu)?2 000 多伏的交流方波電壓。這個電壓向 C2 充電，當(dāng) C2 上電 壓 超過火花塞的擊穿電壓時，火花塞放電，使 C2 和 B2 的初級構(gòu)成 LC 振蕩回路，產(chǎn)生的高頻振蕩 經(jīng) B2 耦合升壓可達(dá)到七千多伏，加到工件與鎢極間達(dá)到引弧的目的。圖 3 是大功率晶體管 T1 的驅(qū)動電路，加上 15 伏電源電壓，15 伏電壓經(jīng) R7，D3，C5 形成充電回 路，對 C5 充電，充電時間 tc＝R7.C5，此時 NE555 的

10、3 腳為高電平。當(dāng)充電到一定程度 ，NE 555 的 2、6 腳為高電平時，其 3 腳變成低電平，C5 經(jīng) R6 放電，放電時間 td＝R6.C5，當(dāng) C5 放 電到 NE555 的 2、6 腳為低電平時，NE555 的 3 腳再次變高，如此循環(huán)，形成振蕩，再經(jīng) T2、T3 的放大，最后輸出脈沖信號。3 引弧試驗本文同時作了傳統(tǒng)的高頻高壓引弧電路和新型高壓脈沖引弧電路的引弧實驗，實驗時將高頻 引弧器的輸出和焊機的輸出相串聯(lián)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)

11、的高頻引弧器由于其引弧高壓來自 380 伏的網(wǎng) 壓經(jīng)耦合升壓而得，能量很大，起弧很容易。但是高頻高壓對焊機的主電路和控制電路干擾 極大，通過示波器觀察，發(fā)現(xiàn)起弧瞬間，工頻變壓器的輸入由于高頻耦合，由 380 伏升至 4 20 伏，甚至更高，加到 CMOS 電路上的電源電壓也由 15 伏升至 17 伏以上，導(dǎo)致功率元件和控制 板上的集成電路受破壞。用新型高頻引弧器引弧，能量較前者弱得多，起弧也較前者困難， 但是只要保持工件鎢極距離不太遠(yuǎn)(