固态高频焊机的基本原理及发展方向
一、典型拓扑结构及其工作原理
·固态高频焊机采用如图1所示的 “交－直－交” 变频拓扑结构。
图1 固态焊机的拓扑结构
1. 整流器：
① 三相晶闸管相控整流器（并联谐振型焊机）
α=30°
直流侧采用大电感滤波。
直流侧对于逆变器而言相当于恒流源。
网侧功率因数高低由整流器的触发角（直流电压的高低）决定。
直流电压： 
图2 三相晶闸管整流器及其输入输出波形（并联型焊机）
② 三相晶闸管相控整流器（串联谐振型焊机）
α=30°
直流侧采用电感和大电容滤波。
直流侧对于逆变器而言相当于恒压源。
网侧功率因数高低由整流器的触发角（直流电压的高低）决定。
直流电压：
图3 三相晶闸管整流器及其输入输出波形（串联型焊机）
③ 三相二极管不控整流器（串联谐振型焊机）
α=0°
直流侧采用电感和大电容滤波。
直流侧对于逆变器而言相当于恒压源。
网侧功率因数高，基本不随负载大小而变化。
直流电压： 
图4 三相二极管不控整流器及其输入输出波形（串联型焊机）
2. 谐振逆变器：① 串联谐振型逆变器，② 并联谐振型逆变器
③ 串联型和并联型谐振逆变器的对偶性
表2 串联型和并联型谐振逆变器的对比
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串联型谐振逆变器
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并联型谐振逆变器
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拓
扑
结
构
对
比
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1）直流侧采用电感和大电容滤波 ，直流输出电压恒定。直流侧对逆变侧相当于恒压源。
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1）直流采用大电感滤波（可另加装直流滤波器，使直流电流更加平滑），直流输出电流恒定。直流侧对逆变侧相当于恒流源。
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2）逆变器的负载槽路为串联谐振电路结构。
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2）逆变器的负载槽路为并联谐振电路结构。
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3）功率开关器件需反并联快恢复二极管，为槽路谐振电流提供续流通路。
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3）功率器件需串联同容量快恢复二极管，以承受谐振电路产生的反向电压。
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工
作
特
性
对
比
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4）逆变器的输入为恒定直流电压
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4）逆变器的输入为恒定直流电流
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5）逆变器的输出电压为矩形波，由于串联谐振槽路为低阻抗谐振槽路，逆变器的输出电流为近似正弦波。
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5）逆变器的输出电流为矩形波，由于并联谐振槽路为高阻抗谐振槽路，逆变器的输出电压为近似正弦波。
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6）逆变器换流器件为了工作在零电压换流（ZVS）模式，以减小开关损耗、防止浪涌电压冲击，逆变器应工作在小感性准谐振状态。
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6）逆变器换流器件为了工作在零电流换流（ZCS）模式，以减小开关损耗、防止浪涌电压冲击，逆变器应工作在小容性准谐振状态。
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7）开关器件换流时需要死区时间
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7）开关器件换流时需要重叠时间
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优
缺
点
对
比
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8）逆变器输出短路故障保护困难、输出开路故障保护容易。
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8）逆变器输出短路故障保护容易、输出开路故障保护困难。
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9）负载匹配方法较少，匹配方法不够灵活。
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9）负载匹配方法较多，匹配方法灵活。
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10）逆变器对输出引线杂散电感不敏感，输出引线可适当加长。
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10）逆变器对输出引线的杂散电感很敏感，输出引线不宜过长。
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11）功率器件不承受反向电压；功率器件承受的峰值电压为直流母线电压。
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11）功率器件需承受反向电压；功率器件承受的峰值电压为直流电压的1.57倍。
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12）功率调节方式灵活，功率因数高。
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12）只能采用直流调功方式，轻载时功率因数低。
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固态高频焊机的基本原理及发展方向(续）
④ 串联型谐振逆变器的零电压换流（ZVS）控制
结论（ZVS）：
1）器件的开通是零电压、零电流，开通损耗为零；
2）器件的关断是零电压、非零电流，器件的关断损耗很小；
3）线路的杂散电感对逆变器的换流影响较小；
4）对MOSET的反并联二极管的反向恢复特性要求低，器件浪涌冲击电压小。
固态高频焊机的基本原理及发展方向(续）
二、功率调节
1. 对于采用三相晶闸管相控整流器的固态焊机，功率调节采用控制整流器的触发角方式，此时直流电压为：
①此时焊机谐振槽路的等效阻抗为： 
串联谐振槽路：RD=R 并联谐振槽路： 
②焊机的输出功率为： 
2. 对于采用二极管不控整流器的固态焊机，功率调节的方法有3种：
① 移相调功：通过调节逆变器输出频率来改变槽路的等效阻抗，进 而改变逆变器输出电压和电流的角度，实现功率调节。
② 脉宽调功：通过调节逆变输出电压的宽度来改变逆变器输出电压的基波有效值来调节功率。
③ 脉冲密度调功：通过丢脉冲技术来调节逆变器输出电压的有效值， 进而调节逆变器输出功率。
三、锁相控制
锁相控制的作用：被加热工件在加热过程中，其等效电感和电阻值是实时变化的，即谐振槽路的固有谐振频率在加热过程中是不断变化的。为使谐振槽路一直能够工作在谐振状态以实现逆变器的{zd0}功率输出、减小逆变器件的开关损耗，谐振逆变器的控制电路须具有自动频率跟踪和锁相功能。
① 并联谐振逆变器：采样槽路电压信号作为被锁定的反馈信号。
② 串联谐振逆变器：采样槽路电流信号作为被锁定的反馈信号。
串联谐振逆变器的定角锁相控制：
控制逆变器的输出电压超前于输出电流一个固定相位角φ，使逆变器稳定工作在小感性准谐振状态，保证逆变器的功率输出和安全运行。
锁相原理：槽路电流信号和经过相位补偿后的压控振荡器（VCO）的输出信号进行鉴相，鉴相结果代表了逆变器输出电压和输出电流的相位关系；鉴相器输出和给定参考相位通过比例积分（PI）无静差调节器后，去控制VCO的输出频率；VCO的输出信号经死区和驱动电路后去控制MOSFET的通断，进而实现逆变器频率自动跟踪锁相功能。
“相位补偿”电路用于补偿控制信号在处理、传输过程中的总延时。
四、保护系统设计
表3 串联型固态焊机的保护系统
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序号
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保护项目
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保护范围及作用
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1
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水压保护
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冷却水压力低于设定值，主电路跳闸。
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2
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水温保护
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水温在25～50℃范围内，自动喷淋启动。水温超过设定值上限（约50 ℃），停加热并报警。
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3
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交流过压保护
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进线阻容吸收电路和压敏电阻抑制交流操作过电压。
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4
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交流欠压
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交流进线电压缺相、三相不平衡、电压低，停加热。
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5
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直流电压、电流双闭环保护
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稳定直流电压值，在逆变故障时限制直流电压和电流在限定值以下，防止焊机故障扩大。
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6
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交流过流保护
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可控硅短路、直流回路短路、逆变侧短路，停加热。
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7
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逆变器分桥直流过流保护
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逆变桥桥臂短路、逆变桥输出短路，停加热。
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8
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逆变桥分桥交流过流保护
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匹配变压器短路、谐振槽路故障引起逆变器交流输出电流超过上限，停加热。
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9
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槽路过压保护
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槽路谐振电容配置不合理、槽路故障引起槽路电压过高，停加热。
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10
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超频保护
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谐振槽路故障（槽路电容短路、感应器短路打火）引起槽路谐振频率高于设定上限，停加热。
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11
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高/低失锁保护
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槽路故障、感应器故障引起槽路固有谐振频率异常，停加热。
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12
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驱动板故障
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驱动板电源故障、驱动板无脉冲，停加热。
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五、人机界面与故障诊断系统
① 采用西门子S7-200/300型PLC＋台湾PWS6600 5.7英寸彩色触摸屏构成人机界面（HMI）系统。
② 实现固态高频焊机系统的综合自动控制。
③ 实现焊机运行参数的人性化设定。
④ 显示焊机的运行状态和故障显示。
⑤ 电子说明书功能，为用户的故障诊断和故障维修提供便利。
⑥ 焊机运行数据实时存储、远程网络监视与控制功能（正在研制）。
六、固态高频焊机的发展方向
① 高频化
目前国内固态焊机工作频率{zg}约800kHz，在有色金属管等特殊焊管方面还无法xx取代电子管设备。因此，提高固态焊机工作频率、扩大应用领域，并最终取代高耗能、低效率的电子管焊机是固态焊机的发展方向之一。
② 大容量化
国内固态焊机目前的制造水平为1200kW，研发更大功率固态焊机需进一步解决焊机的工艺结构、功率器件串/并联技术、逆变桥并联技术、逆变锁相控制等关键技术。
③ 自动负载匹配
采用控制技术实现自动负载匹配，以适应负载的变化，提高固态电源的利用率和焊接效率。
④ 配套性与智能化控制
随着焊管生产线智能化程度和对固态焊机高可靠性要求的提高，必须加强固态焊机配套性设施的开发，如焊机水冷系统、负载匹配与感应器制作、密封机箱设计、速度—功率闭环控制系统等。同时，固态高频焊机正向智能化控制方向发展，具有计算机智能接口、液晶显示屏人机界面、远程控制、故障自动诊断等控制性能的固态焊机正成为下一代发展目标。
⑤ 高功率因数低谐波
目前广泛使用的晶闸管相控整流器功率因数较低、网侧谐污染波大。提高固态焊机的网侧功率因数无论对于用户还是对于电网都变得越来越重要。因此，研究动态无功/谐波补偿装置、大功率高功率因数整流器的要求非常迫切。
