固态高频焊机技术方案

直缝焊管生产线100kW固态高频焊机

技术方案

保定四方三伊电气有限公司

2015年4月

目录

一、固态高频焊机技术说明 (1)

1．新一代串联型固态高频焊机特点 (1)

2．串联型固态高频焊机型号说明 (1)

3．串联型固态高频焊机工作原理 (1)

3.1 串联型固态高频焊机主电路结构 (1)

3.2 串联型固态高频焊机的定角控制技术 (2)

4．技术参数 (4)

5．控制与保护核心技术介绍 (5)

6．固态高频焊机主要元器件清单 (5)

二、固态高频焊机组成及简介 (6)

1．固态高频焊机组成 (6)

2．固态高频焊机简介 (6)

2.1 开关整流柜 (6)

2.2 逆变输出柜 (6)

2.3 连接光纤 (6)

2.4 水-水冷却系统 (7)

2.5 中央控制台 (7)

2.6 机械调整装置 (7)

三、设备使用要求 (7)

1．使用环境要求 (7)

2．电网电压要求 (7)

3．外配水池水质要求 (7)

四、供货清单 (8)

五、供货范围 (8)

1．供方供货范围 (8)

2．需方负责提供 (8)

一、固态高频焊机技术说明

1．新一代串联型固态高频焊机特点

①固态高频焊机选用德国IXYS 公司IXFN38N100Q2 38A/1000V 大功率MOSFET 和DSEI 2×61-12B 60A/1200V 快恢复二极管组成串联型逆变电路。

②固态高频焊机采用模块化设计，结构更加紧凑，维护更趋简便，更易实现大功率化。 ③具有独特的分桥过流保护技术，保证固态高频焊机使用的安全性。

④融合了国际上同类产品先进的控制理念，采用定角锁相控制、上/下限频率失锁保护等先进控制技术，使设备运行更加稳定、效率更高，对焊管生产中的感应器短路及开路故障的保护更加准确有效。

⑤固态高频焊机的进线端不需要升压/降压整流变压器，与电子管焊机或并联型焊机相比，具有明显的节能效果（与电子管焊机相比，在同等焊接条件下，节电≥30%）。

2．串联型固态高频焊机型号说明

G GP [ ] — [ ] — H [ ]

固态高频

焊接用

设计输出频率（MHz ）

标称功率（kW ）

C-串联型，B-并联型

3．串联型固态高频焊机工作原理

3.1 串联型固态高频焊机主电路结构

串联型固态高频焊机主电路结构如图1所示，它是一种典型的AC －DC －AC 变频结构。整流器采用三相桥式晶闸管相控整流电路，直流侧采用电感、电容构成LC 滤波器以满足电压型逆变器的工作要求。电压型逆变器采用模块化并联结构以拓展电源功率，每个逆变模块为单相MOSFET 桥式电路，各个逆变器模块通过高频匹配变压器和串联谐振槽路相连。匹配变压器一方面实现功率的合成和阻抗匹配，另一方面实现负载和电源的电气隔离。整个高频焊机结构紧凑、体积小、维修方便、故障率低。为对电压型逆变器过流故障进行有效、快速保护，本公司采用了独特的、稳定可靠的过流保护电路，保证了逆变器的安全可靠运行。

A B C

匹配变压器

感应器

过流保护电压型逆变器

图1 固态高频焊机电路结构

3.2 串联型固态高频焊机的定角控制技术 3.2.1 串联型固态高频焊机的工作原理

电压型谐振逆变器也称串联谐振型逆变器，是整个固态高频电源的最关键部分，逆变器模块的结构及其输出电压、电流波形如图2所示。通过控制MOS 管1、3和2、4的交替通断，串联谐振型逆变器的输出电压u H 为近似方波，由于逆变器输出电压的频率处于谐振槽路的谐振频率附近，此时谐振槽路对逆变器输出电压基波具有最小阻抗，对其他高次谐波具有高阻抗，因此负载电流i H 近似为正弦波。

u i

图2 电压型谐振逆变器电路结构及其输出波形

串联谐振逆变器的典型工作状态可分为感性、阻性、容性3种，图3分别示出了这3种工作状态的逆变器输出电压、电流的试验波形。

当串联谐振逆变器工作于小感性状态时（图3a ），逆变器的工作频率略高于谐振槽路的固有谐振频率，即负载电流i H 滞后于负载电压u H 一个电角度 。此时逆变器的换流有以下特点：

①器件的开通是零电压（ZVS ）、零电流（ZCS ），理论上器件的开通损耗为零； ②器件的关断是零电压、非零电流，但由于器件的关断电流很小，并且是零电压换流（ZVS ），器件关断损耗也很小；

③线路杂散电感对逆变器的换流影响不大；

④换流对MOS 的反并联二极管的反向恢复特性没有要求，换流时器件承受的浪

涌冲击电压很小。

（a）小感性状态（b）小容性状态（c）阻性状态

图3 串联谐振逆变器的输出波形

当串联谐振逆变器工作于容性状态时（图3b），逆变器的工作频率略低于谐振槽路的固有谐振频率，即负载电流i H超前于负载电压u H一个电角度 。此时逆变器的换流有以下特点：

①器件的关断是零电压（ZVS）、零电流（ZCS），理论上器件的关断损耗为零；

②器件的开通是高电压、大电流，器件的开通损耗非常大；

③线路的杂散电感对逆变器的换流影响很大；

④逆变器换流时，MOS的反并联二极管的反向恢复电流会在逆变回路中产生强烈的电压、电流振荡，换流器件承受很大的浪涌电压冲击，严重威胁到功率器件的安全运行。

当串联谐振逆变器工作于阻性状态时（图3c），逆变器的工作频率等于谐振槽路的固有谐振频率，即负载电流i H和负载电压u H同相位。阻性状态在理论上是一种最好的换流工作状态，但实际上由于死区时间、阻容吸收电路的影响，逆变器换流器件的工作状态并不好，并且负载的波动极容易使逆变器偏离到容性工作状态，威胁到逆变器的稳定安全运行。

从上述分析可知，串联谐振型逆变器的最佳工作状态为小感性准谐振状态。

另外，和其他公司的并联谐振型高频电源相比，本公司的串联谐振型高频电源不仅器件的开关损耗小、电源效率高，而且对谐振槽路的各种故障都有更好的保护性能。