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1、弧焊逆变器弧焊逆变器 朱军概念概念l变流方式l逆变 l逆变与整流相对应，直直流电变成交流电。流电变成交流电。l有源逆变:交流侧接电网，为有源逆变有源逆变l无源逆变:交流侧接负载，为无源逆变无源逆变l逆变电源l以电力电子器和中频变压器组成的逆变功率转换电路为变流方式的电源，称为逆变电源整流(AC-DC)逆变(DC-AC)(DC-DC)交交变频(AC-AC)弧焊逆变器弧焊逆变器l弧焊逆变器的定义：直流（DC）交流（AC）之间的变换称为逆变，实现这种变换的装置就称为逆变器，为焊接电弧提供电能，并具有弧焊工艺所要求电气性能的逆变器，被称为弧焊逆变器。概念概念l逆变焊接电源的结构概念概念l弧焊整流电源的
2、结构逆变焊接电源的特点逆变焊接电源的特点l逆变焊接电源一出现，就被称为“明天的电源”l特点l1.体积小、重量轻、节材l逆变电源工作频率为2000150000Hzl逆变开关频率越大频率越大，中频变压器的体积越小体积越小，重量越轻重量越轻l逆变电源有利于在有限空间有限空间或须经常移动场合应用重量：电流：40200A逆变焊接电源的特点逆变焊接电源的特点l2.高效节能l铜损铜损、铁损减小l开关控制比模拟控制功率损耗小l同样输出功率时，控制功率小、逆变器转换时励磁电流很小 逆变焊接电源的特点逆变焊接电源的特点l3.适应性强l动态响应很高动态响应很高，能够进行高速控制l传统电源，工作频率受电网制约，均为5
3、0Hz或100Hzl即使晶闸管整流焊机，控制周期也只有l逆变电源的工作频率可以提高到100Khz,时间为10usl资料证明资料证明 MAG焊电源，飞溅降低50%l逆变电源一次引弧成功率达90%以上弧焊逆变器的优点弧焊逆变器的优点-分析分析l弧焊逆变器的主要特点之一是中频变压器的工工作频率高作频率高，由此就带来一系列好处。按正弦波分析时有以下关系：所以：fNS，铁心和铜线等材料，铁心和铜线等材料，电能损耗，电能损耗整个焊机重量整个焊机重量体积体积大功率管组工作在开关状态，也必然使功耗降价。大功率管组工作在开关状态，也必然使功耗降价。逆变电路中都有起储能作用的电容器逆变电路中都有起储能作用的电容器
4、无功损耗无功损耗，功率因数，功率因数频率高使输出端的滤波电感频率高使输出端的滤波电感动特性动特性逆变电源的发展概况逆变电源的发展概况l1.国外现状l起步阶段l1972年年研制美国海运科研开发部门开发出第一台300A晶闸管逆变弧焊电源l1975年年Powcon公司推出了一台多用途晶闸管逆变弧焊样机l发展阶段l瑞典ESAB、日本大阪变压器l80年代年代商品化以来，得到迅速发展l成熟阶段l90年代后期，可靠性和各种性能大大提高，进入成熟推广期l逆变电源采用功率开关器件l快速晶闸管（FSCR）、电力晶体管（GTR）、场效应管（MOSET）、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)逆变电源的发展概况逆变电源的发展
5、概况l2.国内现状l早期：l1982年年华南理工研制出一台ZX7-50型场效应管手弧焊电源样机l1983年年成都电焊机研究所推出一台ZX7-250晶闸管逆变弧焊样机l清华大学、北京航空航天大学等l现在国内知名公司l北京时代l唐山松下l凯尔达l深圳瑞凌电器等第第6章章 弧焊逆变器弧焊逆变器弧焊逆变器的主要组成及其作用弧焊逆变器的主要组成及其作用 6.2 弧焊逆变器的基本原理弧焊逆变器的基本原理6.3 弧焊逆变器的输出电气特性弧焊逆变器的输出电气特性6.4 弧焊逆变器主电路基本形式弧焊逆变器主电路基本形式6.6 弧焊逆变器的特点、分类和应用弧焊逆变器的特点、分类和应用 6.弧焊逆变器概述弧焊逆变器
6、概述l弧焊逆变器的特殊性：焊接的供电对象是特殊的电弧负载，特别是熔化极短路过渡的电弧焊，逆变器要承受剧烈变动着的动负载，工作情况十分复杂。电力电子器件电力电子器件（Power Electronic DevicePower Electronic Device）可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路主电路（Main Power CircuitMain Power Circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。概念:6.1 弧焊逆变器的主要组成及其作用弧焊逆变器的主要组成及其作用 l主要组成：供电系统；电子功率系统；电子控制系统；给定与反馈电路；焊接电
7、弧等；l弧焊逆变器的基本组成方框图：图6-1 弧焊逆变器主要组成和基本原理方框图 6.1 弧焊逆变器的主要组成及其作用弧焊逆变器的主要组成及其作用l逆变器主电路逆变器主电路 由供电系统，电子功率系统和焊接电弧组成；l电子控制系统 对电子功率系统(逆变主电路)提供足够大的、按电弧所需变化规律的开关脉冲信号，驱动逆变主电路的工作；l反馈与给定系统 它由检测电路(M)、给定电路（G）、比较和放大电路（N）等组成。与电子控制系统一起，实现对弧焊逆变器的闭环控制，并使它获得所需的外特性和动特性。6.2 弧焊逆变器的基本原理弧焊逆变器的基本原理 在供电系统中，单相（或三相）50Hz或60Hz的交流网路电压
8、单相220V（或三相380V），经输入整流器（URl）整流和滤波器（LC1）滤波之后，获得逆变主电路所需的平滑直流电压单相整流约310V（或三相整流约为520V）。该直流电压在电子功率系统中经逆变主电路的大功率开关电子器件大功率开关电子器件(晶闸管、晶体管、场效应管或晶闸管、晶体管、场效应管或IGBT)组Q的交替开关作用，变成几千至二十万赫兹的中频高压电，再经高(中)频变压器（T）降至适合于焊接的几十伏低电压，并借助于电子控制系统的控制驱动电路和给定与反馈电路(M、G、N等组成)，以及焊接回路的阻抗，获得弧焊工艺所需的外特性和动特性。如果需要采用直流电进行焊接，还需经输出整流器U整流和经电抗器
9、L2、电容器C2的滤波，把高(中)频交流变换成为直流输出。6.2 弧焊逆变器的基本原理弧焊逆变器的基本原理l弧焊逆变器的变流过程可以简单叙述为：弧焊逆变器的变流过程可以简单叙述为：l 工频交流（AC）直流（DC）高、中频交流（AC）降压 交流（AC）并再次变成直流（DC）；l弧焊逆变器中可采用三种逆变体制弧焊逆变器中可采用三种逆变体制：l 1)ACDCACl 2)ACDCACDCl 3)ACDCACDCAC(矩形波交流)。6.3 弧焊逆变器的输出电气特性弧焊逆变器的输出电气特性l 为了满足弧焊工艺的要求，弧焊逆变器输出电气特性(性能)，必须具有相应的适应性。电气特性主要包括外特性、调节性能和动
10、特性。6.3.1 弧焊逆变器的外特性弧焊逆变器的外特性 l弧焊逆变器是利用电子控制系统和电流电压反馈对电子功率系统(逆变器)进行闭环控制闭环控制，来获得不同外特性曲线形状的。l根据弧焊逆变器的基本原理方框图(图6-1)，就可以用方框图和方程式来描绘弧焊逆变器闭环控制系统，如图6-2所示。图6-2 弧焊逆变器闭环控制系统示意图 6.1.3.1 弧焊逆变器的外特性弧焊逆变器的外特性l 该闭环控制系统的平衡关系建立如下：图中有电弧电压（）负反馈，输出电压经电压采样环节(常用电位器分压)得到与其成正比的反馈量m 。还有电弧电流（）负反馈，输出电流经电流采样环节(常用分流器或霍尔元件)得到与其成正比的反
11、馈量n 。m 和n 又分别经过比较放大环节与电弧电压给定量（）、电弧电流给定量（）比较及放大，于是各自输出K1(m )和K2(n )。最后，经综合、放大得到控制电压（），再输入控制驱动电路，以驱动电子功率系统(逆变器)运行。6.1.3.1 弧焊逆变器的外特性弧焊逆变器的外特性l恒压、恒流及缓降特性的获得：恒压、恒流及缓降特性的获得：l 1恒压特性 l 2恒流特性 l 3缓降特性l 4恒流加外拖特性图6-3 弧焊逆变器的外特性1恒压特性 2恒流特性 3缓降特性 4恒流加外拖特性6.1.3.1 弧焊逆变器的外特性弧焊逆变器的外特性lUkK3K1(Ugu-mUf)+K2(Ugi-nIf)知：Uk 只
12、有零点几伏至几伏lK1(Ugu-mUf)+K2(Ugi-nIf)0根据闭环控制原理分析弧焊电源根据闭环控制原理分析弧焊电源外特性形状：外特性形状：l恒压特性恒压特性：只取电弧电压负反馈时mUf0 nIf0 UfUgu/mm：分压比 取定后是常数 Uf取决于Ugu，Ugu 是定值，则Uf是定值只用电弧电压反馈 恒压外特性，分析：UkK（UgumUf）Uf Ugu不变 Uk 控制脉冲往减小输出电压方向变根据闭环控制原理分析弧焊电源根据闭环控制原理分析弧焊电源外特性形状：外特性形状：l恒流特性恒流特性：只取电流负反馈时mUf 0 nIf 0 IfUgi/nn：分流比 取定后是常数 Uf取决于Ugi，
13、Ugi 是定值，则If是定值只用电流反馈 恒流外特性，分析：UkK（UginIf）If ，Ugi不变 Uk 控制脉冲往减小输出电流方向变根据闭环控制原理分析弧焊电源根据闭环控制原理分析弧焊电源外特性形状：外特性形状：l缓降特性缓降特性：电弧电压负反馈和电流负反馈同时采用mUf 0 nIf 0K1mUfK2nIfC Uf K2n If K1mee根据闭环控制原理分析弧焊电源根据闭环控制原理分析弧焊电源外特性形状外特性形状恒流加外拖特性恒流加外拖特性l当电压大于一定值，取电流负反馈当电压大于一定值，取电流负反馈l当电压小于此值，同时采用电流负反当电压小于此值，同时采用电流负反馈和电压负反馈，可获得
14、恒流加外拖馈和电压负反馈，可获得恒流加外拖特性特性6.3.2 弧焊逆变器的调节性能弧焊逆变器的调节性能 由弧焊逆变器外特性曲线形成原理可知，l对于恒压特性恒压特性来说给定电压值的大小，决定了输出端电弧电压的大小。也就是说Ugu大，Uf也大：反之亦然。如Ugu1 Ugu2 ，外特性曲线由1上移到曲线2，如图6-4a所示，稳定工作点由A1移至A2点。l对于恒流特性恒流特性来说，给定电流的电压值的大小决定了输出焊接电流的大小。也就是说Ugi大，也大，反之亦然。如Ugi1Ugi2，外特性曲线由1右移至曲线2，如图6-4b所示，稳定工作点相应由AI移至A2点。图6-4 弧焊逆变器规范调节示意图a)恒压特
15、性 b)恒流特性 弧焊逆变器不同的类型，采用不同的调节体制来实现对外特性控制和工艺参数的调节。6.3.3 弧焊逆变器的动特性弧焊逆变器的动特性 弧焊逆变器用于有熔滴短路过渡的弧焊工艺时，必须对它的动特性提出严格的要求，而影响MAGCO2焊短路过渡的主要参数是短路电流上升率 ，其大小与焊接回路的时间常数T(TL ，L为焊接回路的等效电感,为电弧电阻)有着直接的关系。是随焊接电流大小而变化，不能任意改变；lL可以通过在焊接回路中串入电抗器来改变。l可通过改变闭环系统的时间常数来改变 。6.3.3 弧焊逆变器的动特性弧焊逆变器的动特性l 在弧焊逆变器中通常是采用如下两个方式改善和控制它的动特性：l
16、（1）在焊接回路中串入电抗器在焊接回路中串入电抗器。通常，电抗器不仅为了改善动特性而设，而且也有滤波作用。l （2）设计电子电抗器弧焊逆变器设计电子电抗器弧焊逆变器，即可以用电子电路来替代带铁心的电抗器，控制 这也是其控制性能优越性的又一体现。6.3.4 外特性、调节特性和输出脉外特性、调节特性和输出脉冲的控制方式冲的控制方式 通常，弧焊逆变器采用三种调节控制方式三种调节控制方式来实现对外特性控制、调节特性（工艺参数调节）和形成输出脉冲波形：l （1）定脉宽调频率）定脉宽调频率 脉冲电压宽度脉冲电压宽度不变，通过改变逆变器的开关频率开关频率来形成外特性曲线形状、调节特性（调节工艺参数大小）和输
17、出脉冲波形。l （2）定频率调脉宽）定频率调脉宽 脉冲电压频率脉冲电压频率不变，通过改变逆变器开关脉冲的脉宽比开关脉冲的脉宽比(占空比)来形成外特性曲线形状、调节特性（调节工艺参数大小）和输出脉冲波形。l （3）混合调节）混合调节 是把定脉宽调频率和定频率调脉宽两种体制结合起来调节。6.4 弧焊逆变器主电路基本形式弧焊逆变器主电路基本形式 弧焊逆变器主电路弧焊逆变器主电路由供电系统、电子功率系统和焊接电弧等组成，它工作于中频以上，其负载是焊接电弧，常处于“空载一短路一负载”的频繁变化之中，而且承受高电压，工作条件严酷。l供电系统属一般的电力整流滤波电路，除对它的可靠性和在电子功率系统的逆变启动
18、过程有限流要求外，没有特别要求。l承担功率换流的电子功率系统（简称逆变主电路）的正确设计和制承担功率换流的电子功率系统（简称逆变主电路）的正确设计和制作是整机可靠工作和性能好坏的关键中之关键，作是整机可靠工作和性能好坏的关键中之关键，必须根据弧焊方法、容量大小、直流输入电压和工作频率等来选择和设计逆变主电路形式和结构。l逆变器l由电力电子器件和中频变压器电力电子器件和中频变压器电力电子器件和中频变压器电力电子器件和中频变压器组成的逆变功率转换电路l逆变焊接电源的核心部件核心部件核心部件核心部件l逆变主电路逆变主电路的基本形式：l a）单端通向式 l b）半桥式 l c）全桥式 l d）并联式（
19、推挽式）6.4 弧焊逆变主电路基本形式弧焊逆变主电路基本形式l 几种常用的逆变主电路基本形式，如图6-6所示:图6-6 逆变主电路常用的基本形式a）单端通向式 b）半桥式 c）全桥式 d）并联式 6.4 弧焊逆变主电路基本形式弧焊逆变主电路基本形式a：单端通向逆变主电路：单端通向逆变主电路l功率开关管(以电子开关符号示意)V1、V2 同时按中频周期性同时按中频周期性通断，通断，从而把输入的直流电逆直流电逆变成断续的中频电变成断续的中频电，经中频变压器T降压、快速二极管VD1整流、电感滤波，向电弧输出直流电。l两个开关管同时承受输入电压，两个开关管同时承受输入电压，对耐压要求较低，适用于中小对耐
20、压要求较低，适用于中小功率的逆变器功率的逆变器。C：全桥式逆变电路全桥式逆变电路l功率开关管VT1VT1，VT2VT2和VT3VT3，VT4VT4组成桥的四臂四臂四臂四臂l相对桥臂上的VT1VT1，VT4VT4和VT2VT2，VT3VT3以脉冲方式激励，交替导通交替导通交替导通交替导通C：全桥式逆变电路全桥式逆变电路lVT1,VT4导通期间(理想理想理想理想)C：全桥式逆变电路全桥式逆变电路lVT2,VT3导通期间(理想理想理想理想)C：全桥式逆变电路全桥式逆变电路l优点l功率开关管耐压低耐压低耐压低耐压低l中频变压器利用充分利用充分利用充分利用充分l输入电压直接加在变压器变压器变压器变压器上
21、l缺点l需要4组相互绝缘组相互绝缘组相互绝缘组相互绝缘的驱动电路l电路复杂复杂复杂复杂，元器件增多增多增多增多l现状l l大功率大功率大功率大功率逆变焊接电源采用这种电路较多较多较多较多b：半桥式逆变电路半桥式逆变电路l l与全桥电路类似与全桥电路类似与全桥电路类似与全桥电路类似l l功率开关管只有两个，另外两个由电容器功率开关管只有两个，另外两个由电容器功率开关管只有两个，另外两个由电容器功率开关管只有两个，另外两个由电容器C C0101和和和和C C0202代替代替代替代替b：半桥式逆变电路：半桥式逆变电路lVT1导通期间(理想理想理想理想)b：半桥式逆变电路半桥式逆变电路lVT2导通期间
22、(理想理想理想理想)b：半桥式逆变电路：半桥式逆变电路l优点l l晶体管数量晶体管数量晶体管数量晶体管数量比全桥电路少一半一半一半一半；l驱动电路和保护电路功率小功率小功率小功率小；l具有较强的抗不平衡较强的抗不平衡较强的抗不平衡较强的抗不平衡能力；l缺点l中频变压器上只有输入电压的一半输入电压的一半输入电压的一半输入电压的一半；l必须有两个输入电容，电压脉冲斜率倾斜脉冲斜率倾斜脉冲斜率倾斜脉冲斜率倾斜；l现状：l一般应用中等功率中等功率中等功率中等功率的逆变焊接电源 d：并联式（推挽式）逆变电路推挽式）逆变电路l功率开关管以脉冲方式脉冲方式脉冲方式脉冲方式激励而交替导通l lVT1VT1和V
23、T2VT2交替导通，完成逆变逆变逆变逆变过程l lVZ1VZ1和VZ2VZ2完成整流整流整流整流过程 推挽式逆变电路推挽式逆变电路lVT1导通期间(理想理想理想理想)推挽式逆变电路推挽式逆变电路lVT2导通期间(理想理想理想理想)推挽式逆变电路推挽式逆变电路l推挽式逆变电路波形 推挽式逆变电路推挽式逆变电路l优点：l开关管发射极相连，基极驱动电路不需要绝缘基极驱动电路不需要绝缘基极驱动电路不需要绝缘基极驱动电路不需要绝缘l驱动电路和保护电路可以简化l缺点：l一次绕组只有一半时间工作一半时间工作一半时间工作一半时间工作，变压器利用不足l开关管耐压高耐压高耐压高耐压高，选择容量大，成本高l现状：l
24、目前生产的逆变焊接电源中这种型式逆变电路很少采用很少采用很少采用很少采用逆变弧焊电源的工作状态逆变弧焊电源的工作状态l l前提：电弧为前提：电弧为前提：电弧为前提：电弧为纯电阻纯电阻纯电阻纯电阻负载负载负载负载l l半桥式半桥式半桥式半桥式逆变弧焊电源的工作状态逆变弧焊电源的工作状态逆变弧焊电源的工作状态逆变弧焊电源的工作状态l l全桥式全桥式全桥式全桥式逆变弧焊电源的工作状态逆变弧焊电源的工作状态逆变弧焊电源的工作状态逆变弧焊电源的工作状态l l单端正激单端正激单端正激单端正激逆变弧焊电源的工作状态逆变弧焊电源的工作状态逆变弧焊电源的工作状态逆变弧焊电源的工作状态 半桥式逆变弧焊电源的工作状
25、态半桥式逆变弧焊电源的工作状态l半桥式逆变弧焊电源主电路原理图 半桥式逆变弧焊电源的工作状态半桥式逆变弧焊电源的工作状态l半桥逆变电路各点波形l工作过程分为四个阶段l l导通过程导通过程导通过程导通过程l l导通阶段导通阶段导通阶段导通阶段l l关断过程关断过程关断过程关断过程l l截止阶段截止阶段截止阶段截止阶段6.6 弧焊逆变器的特点、分类和应用弧焊逆变器的特点、分类和应用 l6.6.1 弧焊逆变器的特点弧焊逆变器的特点l 弧焊逆变器与传统的弧焊电源比较，传统的弧焊电源均用工频(50Hz或60Hz)来传递电能和变换电参数，而弧焊逆变器则把工频提高到几千至二十万赫(兹)进行电能的传递和变换。
26、从工作上来讲原理上来讲，由于频率的提高，给弧焊逆变器的结构和性能上带来突出的特点：高效节电、省材轻巧、动态响应快，电气性能、焊接工艺性能优良。6.6.2 弧焊逆变器的分类和应用弧焊逆变器的分类和应用l1分类分类 弧焊逆变器从不同的角度可以有不同的分类：l （1）按不同的大功率开关器件分类，常用的有：l 1）晶闸管（SCR）式弧焊逆变器。l 2）晶体管（GTR）式弧焊逆变器。l 3）场效应管（MOSFET）式弧焊逆变器。l 4）IGBT式弧焊逆变器。l 5）其它：随着新功率开关器件的出现，还可分为IGHT式、GTO式、SITH式、MCT式、MGT式弧焊逆变器等等。6.6.2 弧焊逆变器的分类和应
27、用弧焊逆变器的分类和应用l（2）按输出电流种类的不同分类l 1）直流式弧焊逆变器。l 2）脉冲式弧焊逆变器。l a低频脉冲式弧焊逆变器。l b中频脉冲式弧焊逆变器。l c高频脉冲式弧焊逆变器。l 3）矩形波交流式弧焊逆变器。l（3）按输出外特性形状的不同分类l 1）恒流特性的弧焊逆变器。l 2）恒压特性的弧焊逆变器。l 3）缓降特性(含恒流加外拖)弧焊逆变器。l 4）多特性弧焊逆变器。6.6.2 弧焊逆变器的分类和应用弧焊逆变器的分类和应用l2应用应用 由于它具有上述的优良电气性能，控制性能好，易获得多种外特性曲线形状、不同种类的电弧电压、电流波形（直流、脉冲、矩形波交流等）和良好的动态特性，且能输出焊接电流可达1000A以上。因而可以说，它几乎可取代现有的一切弧焊电源，用于焊条电弧焊和TIG焊、MAGC02/MIG/药芯焊丝焊、等离子弧焊与切割、埋弧自动焊、机器人焊接等各种弧焊方法，焊接各种金属材料及其合金，特别是用在工作空间小、高空作业、需较多移动焊机、用电紧缺等等场合。