第六章弧焊逆變器

1第六章弧焊逆變器第六章弧焊逆變器2

6.1弧焊逆變器概述

6.2晶閘管式弧焊逆變器

6.3不同弧焊逆變器比較第六章弧焊逆變器36.1弧焊逆變器概述

弧焊逆變器的定義

直流（DC）－交流（AC）之間的變換稱為逆變，實(shí)現(xiàn)這種變換的裝置就稱為逆變器，為焊接電弧提供電能，并具有弧焊工藝所要求電氣性能的逆變器，被稱為弧焊逆變器。第六章弧焊逆變器46.1.1弧焊逆變器的主要組成及其作用6.1.2弧焊逆變器的基本原理6.1.3弧焊逆變器的輸出電氣特性6.1.4弧焊逆變器主電路基本形式6.1.5弧焊逆變器控制、驅(qū)動電路6.1.6弧焊逆變器的特點(diǎn)、分類和應(yīng)用第六章弧焊逆變器5逆變主電路由供電系統(tǒng)，電子功率系統(tǒng)和焊接電弧組成；電子控制系統(tǒng)對電子功率系統(tǒng)(逆變主電路)提供足夠大的、按電弧所需變化規(guī)律的開關(guān)脈沖信號，驅(qū)動逆變主電路的工作；

反饋與給定系統(tǒng)由檢測電路、給定電路、比較和放大電路等組成。與電子控制系統(tǒng)一起，實(shí)現(xiàn)對弧焊逆變器的閉環(huán)控制，并使它獲得所需的外特性和動特性。6.1.1弧焊逆變器的主要組成及其作用

主要組成：逆變主電路；電子控制系統(tǒng)；給定與反饋電路。供電系統(tǒng)電子功率系統(tǒng)電子控制系統(tǒng)給定反饋系統(tǒng)第六章弧焊逆變器66.1.2弧焊逆變器的基本原理在供電系統(tǒng)中，單相（或三相）工頻交流網(wǎng)路電壓經(jīng)輸入整流器整流和濾波器濾波之后，獲得逆變主電路所需的平滑直流電壓（單相整流約310V或三相整流約520V）。

該直流電壓經(jīng)逆變主電路的大功率開關(guān)電子器件(晶閘管、晶體管、場效應(yīng)管或IGBT)組的交替開關(guān)作用，變成幾千至數(shù)萬赫茲的中頻高壓電，再經(jīng)中頻變壓器降至適合于焊接的幾十伏電壓。

借助于給定反饋電路與驅(qū)動控制系統(tǒng)，控制逆變元件的開、關(guān)時(shí)刻，獲得弧焊工藝所需的外特性、動特性和調(diào)節(jié)特性。

如果需要用直流電進(jìn)行焊接，還需經(jīng)輸出整流器整流和經(jīng)電抗器L、電容器C的濾波，把中頻交流變換成為直流輸出。第六章弧焊逆變器7

弧焊逆變器的變流過程可以簡單敘述為

1)AC—DC—AC2)AC—DC—AC—DC3)AC—DC—AC—DC—AC(矩形波交流)。

弧焊逆變器中可采用的三種電流逆變體制

工頻交流（AC）直流（DC）高、中頻交流（AC）降壓再次變成直流（DC）第六章弧焊逆變器8（1）ACDCAC

即交流直流交流。這種逆變形式最終輸出為交流電，交流電的頻率為逆變器的逆變頻率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻。由于頻率高的交流電傳輸?shù)膿p耗較大，傳輸距離等受到限制，因此在實(shí)際弧焊電源中很少采用。（2）ACDCACDC

即交流直流交流直流。這種逆變形式最終輸出的是直流電，是目前大多數(shù)逆變式直流弧焊電源所采用的形式。（3）ACDCACDCAC

即交流直流交流直流交流。這種形式有兩次逆變，最終輸出的是方波交流電。方波交流電的頻率可以選擇得較低，一般用于鋁、鎂及其合金材料的焊接。目前交流逆變式弧焊電源、變極性逆變式弧焊電源往往采用此種形式。第六章弧焊逆變器96.1.3弧焊逆變器的輸出電氣特性

為了滿足弧焊工藝的要求，弧焊逆變器的輸出電氣特性必須具有相應(yīng)的適應(yīng)性。

1、弧焊逆變器的外特性

2、弧焊逆變器的調(diào)節(jié)性能

3、弧焊逆變器的動特性

4、外特性、調(diào)節(jié)特性和輸出脈沖的控制方式第六章弧焊逆變器101、弧焊逆變器的外特性

弧焊逆變器是利用電子控制系統(tǒng)和電流、電壓反饋對電子功率系統(tǒng)(逆變器)進(jìn)行閉環(huán)控制，來獲得不同外特性曲線形狀的。輸出電壓經(jīng)電壓采樣環(huán)節(jié)(常用電位器分壓)得到與其成正比的反饋量mUf。輸出電流經(jīng)電流采樣環(huán)節(jié)(常用分流器或霍爾元件)得到與其成正比的反饋量nIf

。mUf

和nIf

分別經(jīng)過比較放大環(huán)節(jié)與電弧電壓給定量（-Ugu）、電弧電流給定量（-Ugi）比較及放大，各自輸出K1(－mUf

)和K2(－nIf

)。最后，經(jīng)綜合、放大得到控制電壓（Uk），再輸入控制驅(qū)動電路，以驅(qū)動電子功率系統(tǒng)(逆變器)運(yùn)行。圖6-2弧焊逆變器閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖第六章弧焊逆變器11圖6-3弧焊逆變器的外特性第六章弧焊逆變器12給定電壓Ugu值的大小，決定了輸出端電弧電壓Uf的大小。如Ugu1＜

Ugu2

，外特性曲線由1上移到曲線2，穩(wěn)定工作點(diǎn)由A1移至A2點(diǎn)。2、弧焊逆變器的調(diào)節(jié)性能

不同類型的弧焊逆變器，通常采用不同的調(diào)節(jié)體制來實(shí)現(xiàn)對外特性控制和工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，以滿足弧焊工藝的不同需求。

給定電流的電壓值Ugi的大小決定了輸出焊接電流If的大小。如Ugi1＜Ugi2，外特性曲線由1右移至曲線2，穩(wěn)定工作點(diǎn)相應(yīng)由AI移至A2點(diǎn)。恒壓特性恒流特性第六章弧焊逆變器133、弧焊逆變器的動特性

弧焊逆變器用于有熔滴短路過渡的弧焊工藝時(shí)，必須對它的動特性提出嚴(yán)格的要求，而影響MAG／CO2焊短路過渡的主要參數(shù)是短路電流上升率disd/dt。

Rf隨焊接電流大小而變化，不能任意改變；

L’

可以通過在焊接回路中串入電抗器來改變，也可以用電子電路來替代帶鐵心的電抗器。

焊絲直徑（mm)0.81.21.6短路電流增長速度（kA?s-1)50~15040~13020~75disd/dt的大小與焊接回路的時(shí)間常數(shù)T有著直接的關(guān)系。

T＝L’／Rf

L’

—焊接回路的等效電感；Rf—電弧電阻第六章弧焊逆變器144、外特性、調(diào)節(jié)特性和輸出脈沖的控制方式定脈寬調(diào)頻率(PFM)脈沖寬度不變，通過改變逆變器的開關(guān)頻率來形成外特性曲線形狀、調(diào)節(jié)特性（調(diào)節(jié)工藝參數(shù)大小）和輸出脈沖波形。常用于晶閘管式弧焊逆變器?？梢酝ㄟ^三種方式實(shí)現(xiàn)對外特性、調(diào)節(jié)特性和輸出脈沖波形的控制

（3）混合調(diào)節(jié)

把上述兩種體制結(jié)合起來調(diào)節(jié)。定頻率調(diào)脈寬(PWM)脈沖頻率不變，通過改變逆變器開關(guān)脈沖的脈寬比(占空比)來形成外特性曲線形狀、調(diào)節(jié)特性（調(diào)節(jié)工藝參數(shù)大小）和輸出脈沖波形。一般用于頻率比較高的非晶閘管弧焊逆變器。50μs第六章弧焊逆變器156.1.4弧焊逆變器主電路基本形式

弧焊逆變器一般工作于中頻以上，其負(fù)載是焊接電弧，常處于“空載一短路一負(fù)載”的頻繁變化之中，而且承受高電壓，工作條件嚴(yán)酷。其供電系統(tǒng)屬一般的電力整流濾波電路，除對它的可靠性和在電子功率系統(tǒng)的逆變啟動過程有限流要求外，沒有特別要求。而承擔(dān)功率換流的電子功率系統(tǒng)（簡稱逆變主電路）的正確設(shè)計(jì)和制作是整機(jī)可靠工作和性能好壞的關(guān)鍵，必須根據(jù)弧焊方法、容量大小、直流輸入電壓和工作頻率等來選擇和設(shè)計(jì)逆變主電路形式和結(jié)構(gòu)。第六章弧焊逆變器16

圖6-6逆變主電路常用的基本形式b）半橋式c）全橋式d）并聯(lián)式a）單端通向式第六章弧焊逆變器17

功率開關(guān)管V1、V2

同時(shí)按中頻周期性通斷，把輸入的直流電逆變成斷續(xù)的中頻電流，經(jīng)中頻變壓器T降壓、快速二極管VD1整流、電感

L

濾波，向電弧輸出直流電。單端通向逆變主電路

兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)承受輸入電壓，對耐壓要求較低，適用于中小功率的逆變器。第六章弧焊逆變器18半橋式逆變主電路輸入的直流電壓被兩組電解電容器平分，串聯(lián)的兩個(gè)功率開關(guān)管V1、V2

輪流通斷，形成矩形波交流電。經(jīng)T降壓，VD1、VD2的全波整流，輸出直流電。VD1、VD2必須選用承受雙倍輸出電壓幅值的快速二極管。V1、V2只承受Ud/2，對管子的耐壓要求較低。第六章弧焊逆變器19由對邊橋臂的兩對功率開關(guān)管V1、V4和V2、V3按中頻周期性輪流通斷，其余工作情況與半橋式相同。全橋式逆變主電路功率開關(guān)管亦只承受Ud/2

，適合于中大功率的焊接需求。第六章弧焊逆變器20并聯(lián)式逆變主電路主電路也稱為推挽式逆變主電路。功率開關(guān)管V1和V2按中頻周期性輪流通斷，經(jīng)T降壓，VD1、VD2全波整流，輸出直流電。開關(guān)管承受兩倍以上Ud

，對耐壓要求很高，一般只用于晶閘管式逆變器。第六章弧焊逆變器216.1.5弧焊逆變器控制、驅(qū)動電路電子控制電路的作用在于：向弧焊逆變器驅(qū)動電路提供一對前后沿陡峭、相位差180°、對稱和寬度可變或相位可移動的矩形脈沖列(除晶閘管逆變器之外)。有的逆變器（如半橋式、全橋式等）要求脈沖列彼此絕緣。對于單端逆變主電路而言只要一組脈沖。通過成對脈沖電壓的有和無、脈沖寬度的變化或脈沖頻率等變化，來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。驅(qū)動電路的基本功能要求：

由控制電路提供的觸發(fā)脈沖控制信號要有足夠的功率、足夠的寬度（保證晶閘管可靠導(dǎo)通）與合適的波形，還要保證信號的同步性。逆變主電路型式不同，對驅(qū)動脈沖信號具有不同的隔離要求，例如全橋式、半橋式逆變主電路中位于高和低電位的開關(guān)管，其驅(qū)動脈沖信號必須進(jìn)行可靠的隔離。第六章弧焊逆變器226.1.6弧焊逆變器的特點(diǎn)、分類和應(yīng)用傳統(tǒng)的弧焊電源均用工頻(50Hz或60Hz)來傳遞電能和變換電參數(shù)，而弧焊逆變器則把工頻提高到幾千至幾十千赫(茲)進(jìn)行電能的傳遞和變換。

由于頻率的提高，給弧焊逆變器帶來以下突出優(yōu)點(diǎn)：

重量（質(zhì)量）輕、體積?。褐蓄l主變壓器的質(zhì)量僅為傳統(tǒng)弧焊電源主變壓器的十幾分之一，體積僅為其1/5至1/3；高效節(jié)能：效率可達(dá)80％一92％，節(jié)電20%-35%，空載損耗僅為傳統(tǒng)弧焊電源的十幾分之一；電子功率控制、電子電抗器回路電感控制，控制精度高，動特性好；具有良好的弧焊工藝性能，電弧穩(wěn)定性高，外特性可任意變換。第六章弧焊逆變器23弧焊逆變器從不同的角度可以有不同的分類：

（1）按不同的大功率開關(guān)器件分類，常用的有：

晶閘管（SCR）式弧焊逆變器晶體管（GTR）式弧焊逆變器場效應(yīng)管（MOSFET）式弧焊逆變器

IGBT式弧焊逆變器（2）按輸出電流種類的不同分類直流式弧焊逆變器脈沖式弧焊逆變器（低頻、中頻、高頻）矩形波交流式弧焊逆變器（3）按輸出外特性形狀的不同分類恒流特性的弧焊逆變器恒壓特性的弧焊逆變器緩降特性(含恒流加外拖)弧焊逆變器多特性弧焊逆變器第六章弧焊逆變器24弧焊逆變器的應(yīng)用

幾乎可取代現(xiàn)有的一切弧焊電源，用于焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、埋弧自動焊、等離子弧焊與切割、機(jī)器人焊接等各種弧焊方法；可焊接各種金屬材料及其合金，特別是用在工作空間小、高空作業(yè)、需較多移動焊機(jī)、用電緊缺等場合。第六章弧焊逆變器256.2晶閘管式弧焊逆變器以快速晶閘管(SCR)為逆變主電路的大功率高壓開關(guān)管，通過其觸發(fā)角來進(jìn)行控制的弧焊逆變器，通常稱為晶閘管式弧焊逆變器。它是以觸發(fā)角來控制的，也可稱為觸發(fā)角控制式弧焊逆變器。早在70年代末就有晶閘管式弧焊逆變器的研究成果，并有報(bào)道。80年代初中期它有較大發(fā)展，從中等容量到大容量；從焊條電弧焊到CO2/MAG焊、埋弧焊和電阻焊；從直流焊到矩形波交流焊；從電子控制到微機(jī)、數(shù)字化控制等，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷發(fā)展，逆變頻率從幾千赫茲到數(shù)萬赫茲。到了80年代后期，由于它的頻率畢竟偏低，控制性能欠佳，有噪聲干擾等，而逐漸為后起之秀—“場效應(yīng)管式、IGBT式弧焊逆變器”所代替。它應(yīng)用的比例逐漸減少，但在世界上仍有一定地位。這里應(yīng)指出，新型晶閘管類，例如靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)和場控晶閘管(MCT)等的出現(xiàn)，將會改變它的地位，有利于它的繼續(xù)發(fā)展和推廣。第六章弧焊逆變器266.2.1主要組成與基本原理輸入整流器（單相或三相整流橋），把50Hz（或60Hz）工頻電壓變成直流電壓。輸入濾波器，由帶間隙的普通電抗器和電容器組成，使輸入直流變得比較平滑。大功率快速晶閘管組VH，作為大功率高壓電子開關(guān)，把直流電壓(電流)逆變成為數(shù)千赫茲的中頻電壓(電流)。中頻變壓器，把高壓小電流轉(zhuǎn)變?yōu)榉虾附庸に囆枰牡碗妷捍箅娏鬏敵?。它的鐵心材料常用鐵氧體或用非晶態(tài)合金、微晶、高ρ值硅鋼片。輸出快速整流器，把低電壓中頻交流電整流為直流電。輸出濾波器，使脈動系數(shù)較大的直流電變得比較平滑，需采用中頻濾波器。觸發(fā)控制驅(qū)動電路：用于產(chǎn)生晶閘管組VH的觸發(fā)控制驅(qū)動脈沖信號。穩(wěn)壓電源和操作電路：為觸發(fā)控制驅(qū)動電路、操作電路和給定-反饋比較電路提供穩(wěn)壓電源。反饋比較電路：從輸出電路按一定比例取出電弧電壓、電流的負(fù)反饋信號，與給定(標(biāo)準(zhǔn))電壓進(jìn)行比較和放大，為觸發(fā)驅(qū)動電路提供控制信號，以便改變輸出電壓、電流。第六章弧焊逆變器276.2.2逆變主電路的形式與基本原理

晶閘管式弧焊逆變器將快速晶閘管用于逆變器，成熟程度高、容量大，但本身的開關(guān)速度較慢。與其它類型的逆變器相比，具有如下特點(diǎn)：

單管的容量大、價(jià)格低，驅(qū)動功率低；工作可靠性高，控制電路比較簡單；逆變頻率低、功率因數(shù)小、效率低、沖擊電流大。第六章弧焊逆變器28逆變主電路的基本形式逆變主電路的換流原理串聯(lián)式逆變主電路并聯(lián)(全橋)式逆變主電路逆變主電路的工作原理第六章弧焊逆變器291逆變主電路的基本形式

弧焊逆變器是工作在焊接電弧這樣的特殊負(fù)載下。在焊接過程中電弧電流變化幅度大、頻率高，特別是在空載起動、短路引弧和熔滴過渡時(shí)，弧焊逆變器處在“空載一短路一負(fù)載”等頻繁變化的復(fù)雜狀態(tài)，每秒鐘內(nèi)這種周期性變化達(dá)幾十次以上，而逆變器本身的工作頻率又有幾千赫茲。因此需對弧焊逆變器提出特殊要求。必須根據(jù)弧焊方法、容量大小、直流輸入電壓和工作頻率等各種參數(shù)來選擇和設(shè)計(jì)逆變主電路。第六章弧焊逆變器30

圖6-8晶閘管式弧焊逆變器的逆變主電路基本型式串聯(lián)不對稱半橋式電路串聯(lián)對稱半橋式電路串聯(lián)對稱半橋式電路串聯(lián)對稱橋式電路并聯(lián)式全波電路并聯(lián)式麥克默利電路第六章弧焊逆變器31

2逆變主電路的換流原理在逆變主電路中，使晶閘管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的方法不能像晶閘管弧焊整流器那樣依靠交流各相相位的高低變化產(chǎn)生反壓關(guān)斷來進(jìn)行換相，其晶閘管的換流方法為：

(1)自然換流

它利用負(fù)載回路中電阻、電容和電感所形成的振蕩特性，使電流自動過零，只要負(fù)載電流超前于電壓的時(shí)間大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間，就能保證晶閘管自然關(guān)斷，再觸發(fā)另一路晶閘管導(dǎo)通，使電流換流。(2)強(qiáng)迫換流

在電路中設(shè)置電感、電容等元件構(gòu)成換流回路。換流時(shí)，讓輔助晶閘管或另一只主晶閘管導(dǎo)通，使換流回路產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓，反向施加于原先導(dǎo)通的晶閘管上，強(qiáng)迫其電流迅速下降到零，其持續(xù)時(shí)間必須大于管子的關(guān)斷時(shí)間，使之關(guān)斷，故稱為強(qiáng)迫換流，或稱脈沖換流。第六章弧焊逆變器32圖6-9強(qiáng)迫換流電路和串聯(lián)式逆變主電路原理圖a)強(qiáng)迫換流電路b)串聯(lián)式逆變主電路

3串聯(lián)式逆變主電路換向電容與負(fù)載串聯(lián)的逆變主電路稱為串聯(lián)式逆變主電路，也稱串聯(lián)式諧振逆變主電路

三種工作狀態(tài)第六章弧焊逆變器334并聯(lián)(全橋)式逆變主電路

換流電容與負(fù)載電路并聯(lián)。它的換流方式是基于并聯(lián)諧振的原理，故稱為并聯(lián)式諧振逆變主電路，簡稱并聯(lián)式逆變主電路，也常稱全橋逆變主電路。圖6-11并聯(lián)式(全橋)逆變主電路第六章弧焊逆變器34并聯(lián)式逆變主電路工作過程示意圖第六章弧焊逆變器355.逆變主電路的工作原理第六章弧焊逆變器36圖6-16晶閘管逆變器波形圖圖6-15晶閘管逆變器簡化圖第六章弧焊逆變器37

為了實(shí)現(xiàn)弧焊逆變器的外特性、調(diào)節(jié)性能、動特性及波形的控制和調(diào)節(jié)，通常采用時(shí)間比例控制技術(shù)中定頻調(diào)寬調(diào)制(PWM)、定脈寬調(diào)脈頻調(diào)制(PFM)及兩者混合調(diào)制等三種調(diào)制方式。晶閘管式弧焊逆變器采用定脈寬脈頻調(diào)制控制(PFM)方式。第六章弧焊逆變器386.2.3觸發(fā)控制電路主要形式與工作原理

晶閘管類和晶體管類逆變器的驅(qū)動電路有著不同的特點(diǎn)和要求。對晶閘管類逆變器驅(qū)動電路的要求如下：（1）觸發(fā)脈沖信號應(yīng)有足夠的功率(電壓和電流)。（2）觸發(fā)脈沖信號應(yīng)有足夠的寬度，保證觸發(fā)的晶閘管可靠導(dǎo)通。（3）觸發(fā)脈沖形式應(yīng)有助于晶閘管的導(dǎo)通。在大電流晶閘管并聯(lián)電路中，要求并聯(lián)的元件同一時(shí)刻導(dǎo)通，使開關(guān)管在允許的范圍內(nèi)。同時(shí)又必須保證在大電流工作的晶閘管能可靠的關(guān)斷。第六章弧焊逆變器391外特性的獲得方法

晶閘管弧焊逆變器的外特性形狀，是通過弧焊電流(或弧焊電壓)給定值與電流、電壓負(fù)反饋比較和放大，以改變頻率來控制的。例如，從圖6-14的分流器RS的e、f取電流負(fù)反饋信號，送到電子控制電路Ⅱ，再由電子控制電路Ⅱ的a-b和c-d輸出端口把觸發(fā)脈沖輸給晶閘管，用于輪流觸發(fā)兩個(gè)串聯(lián)工作的晶閘管VT1、VT2。若取弧焊電流反饋信號，隨著焊接電流的增大，當(dāng)它增大到接近給定值之后，使逆變器的工作頻率（和電弧電壓）迅速降低，從而獲得恒流外特性。若取弧焊電壓反饋信號，隨著焊接電流的增大，弧焊電壓基本不變，從而獲得恒壓特性。同理，欲獲得其它形狀的外特性，只要采用相應(yīng)的反饋，控制逆變器相應(yīng)的工作頻率變化規(guī)律即可。晶閘管弧焊逆變器的外特性如圖6-18a、b、c、d所示。第六章弧焊逆變器40圖6-18晶閘管弧焊逆變器的外特性曲線

第六章弧焊逆變器412調(diào)節(jié)特性的獲得方法

通常，晶閘管式弧焊逆變器是采用“定脈寬調(diào)頻率”的調(diào)節(jié)方法來調(diào)節(jié)規(guī)范參數(shù)，即通過改變晶閘管的開關(guān)頻率(即逆變器的工作頻率)來進(jìn)行的。晶閘管開關(guān)頻率愈高，圖6-16中的3～4，9～10時(shí)間間隔減小，于是焊接電流或電壓也就愈大。電流的均勻調(diào)節(jié)是通過改變逆變器的工作頻率f，以“定脈寬調(diào)頻率”方式進(jìn)行的。為了拓寬調(diào)節(jié)范圍，還需輔以分檔粗調(diào)。這可通過換向電容的換檔來實(shí)現(xiàn)。例如在圖6-14中，由觸點(diǎn)K1、K2將c5、c7斷開，使換向電容容量減小，于是f0提高。這時(shí)，可在高檔范圍改變f，使對應(yīng)的焊接規(guī)范在大檔范圍均勻調(diào)節(jié)。反之亦然。為了晶閘管的安全工作，在空載狀態(tài)時(shí)，電子控制電路使逆變器的工作頻率自動降至幾赫茲，即采用弱規(guī)范引弧，以免在短路接觸引弧時(shí)出現(xiàn)過大的沖擊電流。在焊接過程中，若短路時(shí)間超過一秒，或在產(chǎn)生斷弧時(shí)，工作頻率都會自動降低。第六章弧焊逆變器423直流脈沖和矩形波交流輸出的獲得方法1)直流脈沖輸出的獲得方法對于薄板和熱敏感大的金屬材料的焊接，以及進(jìn)行全位置焊接等場合，一般需用直流脈沖電流焊接。對串聯(lián)逆變弧焊電源的電流調(diào)節(jié)是控制“恒定脈寬發(fā)生器”輸入電位改變逆變頻率達(dá)到輸出電流的調(diào)節(jié)。若在“恒定脈寬發(fā)生器”的輸入端接一方波發(fā)生器，方波發(fā)生器的頻率、占空比、脈沖峰值均可調(diào)，其原理見右圖。圖6-19方波發(fā)生器原理圖第六章弧焊逆變器432)矩形波交流波輸出的獲得方法

通常采用工頻正弦波交流電源對鋁及其合金進(jìn)行鎢極氬弧焊接。但是，這種弧焊電源的電弧穩(wěn)定性較差，正、負(fù)半波通電時(shí)間比不可調(diào)，還需增設(shè)消除直流分量的裝置。特別是對于一些要求較高的焊接工作，如鋁薄件小電流焊接、單面焊雙面成形，高強(qiáng)度鋁合金焊接等，很難得到滿意的焊縫質(zhì)量。此外，普通交流弧焊電源不能用于一般的堿性焊條手工弧焊。隨著大功率半導(dǎo)體元件和電子技術(shù)的發(fā)展，近二十年來首先在國外，繼而又在國內(nèi)，研究成功和應(yīng)用了矩形波交流鎢極氬弧焊工藝，并研制和生產(chǎn)出相應(yīng)的弧焊電源。矩形波交流弧焊電源還可以應(yīng)用于堿性焊條手工弧焊，可使電弧穩(wěn)定、飛濺小。把它用于埋弧自動焊時(shí)，焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形良好，提高了焊接接頭的機(jī)械性能。因此近幾年來，矩形波交流弧焊電源的研制和生產(chǎn)有了很大的發(fā)展，應(yīng)用范圍也日益廣泛。第六章弧焊逆變器44矩形波交流晶閘管式逆變器主電路圖

電流波形正、負(fù)半波通電時(shí)間比示意圖a）50：50c）30：70b）70：30第六章弧焊逆變器45

矩形波交流的獲得原理

逆變器式矩形波交流弧焊電源主電路由變壓器、晶閘管整流器、晶閘管逆變器等組成。工頻正弦波交流電壓經(jīng)主變壓器降壓和晶閘管整流的整流，成為幾十伏的直流電壓，再通過晶閘管逆變器的開關(guān)轉(zhuǎn)換，成為矩形波交流電流。實(shí)質(zhì)上它是通過“AC—DC—AC—DC—AC”的逆變體制來獲得矩形波交流電流輸出的。外特性控制和規(guī)范調(diào)節(jié)

這種類型的矩形波交流弧焊電源，實(shí)質(zhì)上是由通用弧焊電源（含弧焊逆變器）與矩形波交流發(fā)生器(即晶閘管逆變器)所組成。其外特性形狀的控制和矩形波交流電流幅值的調(diào)節(jié)，是通過直流弧焊電源來實(shí)現(xiàn)的．第六章弧焊逆變器466.2.5特點(diǎn)和應(yīng)用（典型產(chǎn)品）1特點(diǎn)

1)采用大功率品閘管作為開關(guān)元件在較早的時(shí)候己能生產(chǎn)出大容量、耐高電壓和性能好的大功率晶閘管，一般只要用一只或一對管子，其成本較低。但是由于受管子關(guān)斷時(shí)間的限制。在一般情況下，逆變器的額定工作頻率僅為2000Hz至5000Hz。在此頻率范圍，噪聲較大，特別是在交流弧焊時(shí)，其電弧噪聲對人體有一定影響。

2)具有一般弧焊逆變器共同的特點(diǎn)它與弧焊發(fā)電機(jī)和弧焊整流器比較，具有高效節(jié)能、重量輕體積小、功率因數(shù)高和弧焊工藝性能好等優(yōu)點(diǎn)，第六章弧焊逆變器476.3不同弧焊逆變器比較在逆變弧焊電源發(fā)展史上，逆變器功率開關(guān)元件，由晶閘管（SCR）發(fā)展到晶體管(GTR)，后來又發(fā)展到場效應(yīng)管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等等。第六章弧焊逆變器48不同類型的弧焊逆變器的比較主電路形式開關(guān)速度(us)功率管驅(qū)動類型工作頻率(KHZ)調(diào)制模式功耗負(fù)載電流SCR半橋式(串聯(lián)對稱、不對稱）串聯(lián)對稱橋式、并聯(lián)全波并聯(lián)麥克默利等形式5-40電流型2-5PFM大易大電流GTR單端通向、雙端通向串聯(lián)半橋式、串聯(lián)全橋式并聯(lián)推挽式1-5電流型16-25PWM大易大電流MOSFET單端正激式、半橋式全橋式、雙重正激單端式0.1-0.5電壓型40-50PWM小難大電流IGBT單端正激式、半橋式全橋式、雙重正激單端式0.5-1電壓型20-25PWM小易大電流第六章弧焊逆變器49晶閘管（SCR）電子開關(guān)器件采用大功率品閘管作為開關(guān)元件，具有容量大、耐高壓、成本低的特點(diǎn)，但是由于受管子關(guān)斷時(shí)間的限制，一般逆變器的工作頻率僅為2000Hz至5000Hz。在此頻率范圍噪聲較大，特別是在交流弧焊時(shí)，其電弧噪聲對人體有一定影響。第六章弧焊逆變器50三極晶體管（GiantTransistor）電子開關(guān)器件三極晶體管的通-斷控制驅(qū)動功率大，通態(tài)壓降低，可制成較高電壓和較大電流的開關(guān)器件。但由于三極晶體管是雙極型（其中，電子、空穴兩種多數(shù)載流子都參與導(dǎo)電）、電流控制型開關(guān)器件，因此開關(guān)速度不夠快，一般工作頻率在1萬~2萬赫茲。第六章弧焊逆變器51場效應(yīng)管（PowerMOSFET）電子開關(guān)器件絕緣柵場效應(yīng)管是一種電壓控制的單極型功率半導(dǎo)體器件。在工作過程中，它的漏極D和源極S分別與電源（UC）和負(fù)載（RL）連接，組成場效應(yīng)管主電路；它的柵極G和源極S與控制場效應(yīng)管的驅(qū)動電路相連接，組成控制電路。為使場效應(yīng)管導(dǎo)通，當(dāng)它承受正向漏極電壓同時(shí)，必須對柵極G施加正電壓。場效應(yīng)管的柵極為絕緣結(jié)構(gòu)，輸入阻抗達(dá)108~1013Ω，可以用電壓驅(qū)動，驅(qū)動功率很小。D：漏極；S：源極；G：柵極第六章弧焊逆變器52

緣柵極雙極型晶體管是一種復(fù)合器件，其輸入控制部分為場效應(yīng)管，輸出級為雙極結(jié)型三極晶體管，因此兼有MOSFET和晶體管的優(yōu)點(diǎn)。（1）高輸入阻抗，電壓控制，驅(qū)動功率小；（2）開關(guān)速度快，工作頻率可達(dá)到10~40kHz；（3）飽和壓降低，電壓、電流容量較大，安全工作區(qū)域?qū)挕?/p>

絕緣柵雙極晶體管（Insulate-GateBipolarTransistor—IGBT）目前，IGBT已經(jīng)成為制作各種焊接逆變電源的最好的開關(guān)器件，應(yīng)用極為廣泛。第六章弧焊逆變器53

一般弧焊整流器中的主變壓器，其質(zhì)量和材料要占整機(jī)的3/4左右。根據(jù)變壓器的輸入電壓計(jì)算公式：U=4.44fNBS×10－8

可見，提高變壓器繞組中的電流頻率f，在其它參數(shù)不變的情況下，可使變壓器的繞組匝數(shù)N或變壓器鐵心截面積S成反比的減小。如：通過高速逆變和高速電子開關(guān)“IGBT”把50HZ的工頻電流提高到20000HZ之后，其繞組由原先的幾百圈/幾十圈、三組下降到十多圈/兩圈、一組，且鐵心截面積也大大減小。第六章弧焊逆變器546.3.1主要組成與基本原理1．主要組成及其作用晶體管式弧焊逆變器電路主要組成和作用原理，如框圖6-23所示。整個(gè)核心電路可分為兩大部分：逆變主電路和驅(qū)動控制電路。逆變主電路：包括供電系統(tǒng)、電子功率系統(tǒng)和焊接電弧，從電網(wǎng)能量轉(zhuǎn)換、傳遞給負(fù)載(電弧)的電路(含逆變主電路)。驅(qū)動控制電路：包括電子控制系統(tǒng)（電子控制電路、晶體管組驅(qū)動器、穩(wěn)壓電源、程序控制電路）、弧焊特性電路（反饋檢測電路M、給定電路G、比較電路、放大器N）。第六章弧焊逆變器556.3.1主要組成與基本原理

驅(qū)動控制電路提供的矩形波脈沖電壓，經(jīng)驅(qū)動電路對其進(jìn)行電流放大，確保高壓開關(guān)大功率晶體管組具有足夠大的基極電流，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通，降低管壓降。這對屬電流控制的晶體管來說，是至關(guān)重要的。矩形波脈沖電壓由時(shí)鐘振蕩電路或恒脈寬發(fā)生器提供。借助反饋檢測電路、給定電路、比較電路、放大電路等，實(shí)現(xiàn)對晶體管式弧焊逆變器的閉環(huán)控制，獲得所需的外特性和調(diào)節(jié)特性（工藝參數(shù)調(diào)節(jié)）、動特性和輸出脈沖波形。圖6-23晶體管式弧焊逆變器原理框圖第六章弧焊逆變器566.3.1主要組成與基本原理

2．基本工作原理從本質(zhì)上來說，晶體管式弧焊逆變器也是一種開關(guān)型的穩(wěn)壓、穩(wěn)流(恒壓、恒流)弧焊電源。從基本原理上講，可以追溯到前面介紹的磁放大器式、晶閘管相位控制式弧焊整流器以及開關(guān)式晶體管弧焊整流器，它們都是開關(guān)型電源。但是，它們的大功率開關(guān)元件均串聯(lián)在負(fù)載回路，輸出電壓、電流的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定，都是借助于功率管組上的電壓降落和通斷時(shí)間比(時(shí)間比率)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)的，因而對于輸出低電壓大電流的這種焊接工藝條件，大量的功耗是由功率管組承擔(dān)，效率較低，而且主變壓器工作頻率為工頻50Hz，其重量和體積都很大。而晶體管式弧焊逆變器這種新穎開關(guān)電源，其功率管組工作在高電壓低電流的一次側(cè)，主變壓器的工作頻率可達(dá)16-25kHz，因而，它的效率高得多，體積也大大減小。最常采用的逆變頻率為20kHz，由此可見，它是“20kHz電源技術(shù)革命”的又一實(shí)例。晶體管式弧焊逆變器的主要特征是，采用“大功率開關(guān)晶體管組”來代替“大功率晶閘管，作為逆變器的大功率開關(guān)元件；采用“時(shí)鐘振蕩器”、“V/W電路”代替“恒定脈寬發(fā)生器”、“V／F電路”。用脈寬大小來控制、調(diào)制方式和借助反饋檢測電路、給定電路、比較電路、放大電路等，實(shí)現(xiàn)對晶體管式弧焊逆變器的閉環(huán)控制，獲得所需的外特性和調(diào)節(jié)特性（工藝參數(shù)調(diào)節(jié)）、動特性和輸出脈沖波形。第六章弧焊逆變器576.3.5分類、特點(diǎn)與應(yīng)用

6.3.5.1分類晶體管式弧焊逆變器技術(shù)不同角度有不同的分類。若按外特性曲線形狀可分為恒壓特性、恒流特性、緩降特性、雙階梯特性、恒流加外拖特性等：若按輸出的電弧電壓、電流波形可分為直流、脈沖、矩形波交流等；若按逆變主電路形式可分為單端正激逆變主電路、雙重正激單端逆變主電路、半橋式逆變主電路、全橋式逆變主電路等，還有不常用的并聯(lián)(推挽)式逆變主電路。第六章弧焊逆變器586.3.5.2特點(diǎn)

與晶閘管式弧焊逆變器比較，由于大功率開關(guān)晶體管本身在性能上比晶閘管更好，因而給晶體管式弧焊逆變器帶來如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：

1．逆變器的工作頻率較高工作頻率達(dá)16kHz以上（一般為20kHz），因而既無噪聲的影響，又有利于進(jìn)一步減輕重量和減小體積。

2．采用“定頻率調(diào)脈寬”（PWM）的方式

來調(diào)節(jié)規(guī)范和控制外特性，可以無級調(diào)節(jié)焊接規(guī)范參數(shù)，不必分檔粗調(diào)，操作方便。

3．控制性能比較好晶閘管式弧焊逆變器的控制參數(shù)受主電路的電路參數(shù)(如L、C等)的限制，且關(guān)斷較麻煩。而晶體管式采用電流型控制，以基極電流控制晶體管的開關(guān)，其控制性能好。由控制信號直接控制通斷，不存在難關(guān)斷的問題，而且控制比較靈活，受主電路參數(shù)影響較小。第六章弧焊逆變器596.4場效應(yīng)管式弧焊逆變器

晶體管式弧焊逆變器的出現(xiàn)，雖然提高了逆變頻率，達(dá)到20kHz的水平，有利于提高效率、減小體積重量，但是存在二次擊穿和需要較大的電流驅(qū)動(電流控制型)．因而，科技工作者又積極尋求一種性能更優(yōu)的功率開關(guān)管來代替它，這就是大功率場效應(yīng)管（MOSFET）。它屬于電壓控制型，稱為電壓控制弧焊逆變器，通稱場效應(yīng)管（MOSFET）式弧焊逆變器，只需要控制驅(qū)動電壓和極微小的瞬間電流就能實(shí)現(xiàn)功率場效應(yīng)管的開關(guān)控制，而且開關(guān)速度更快、無二次擊穿。第六章弧焊逆變器606.4.1主要組成和基本工作原理

MOSFET式弧焊逆變器的主要組成和基本原理，與晶體管式相比是大同小異，其原理方框圖如圖6-35所示。它也采用“定頻率調(diào)脈寬”的PWM調(diào)節(jié)方式，晶體管式的主電路逆變頻率一般固定在20kHz或其左右，MOSFET式一般采用40-50kHz，但也有50kHz以上。它的外特性、調(diào)節(jié)特性（規(guī)范參數(shù)調(diào)節(jié)）的獲得方法也是借助于控制驅(qū)動脈寬的變化（調(diào)劑）來實(shí)現(xiàn)，包括輸出脈沖波形的低頻調(diào)制在內(nèi)，而且，輸入整流濾波電路、逆變主電路基本類型、輸出濾波電路、帶有反饋的閉環(huán)控制電路及其原理，都是基本相同的。在此不再詳述。圖6-35MOSFET式弧焊逆變器主要組成和原理框圖

第六章弧焊逆變器61

6.4.4MOSFET弧焊逆變器的特點(diǎn)、分類與應(yīng)用6.4.4.1MOSFET弧焊逆變器的特點(diǎn)場效應(yīng)管（MOSFET）作電子功率開關(guān)的特點(diǎn)分析。與晶體管比較，MOSFET給弧焊逆變器賦予如下突出的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：（1）控制功率極小MOSFET的柵源極直流輸入電阻很高，采用電壓控制。從功率耦合的角度來看，MOSFET式弧焊逆變器可以通過A/D、D/A接口直接采用微機(jī)進(jìn)行控制，而且可以使控制電路簡化，這是現(xiàn)代調(diào)節(jié)電路所極力追求的。（2）可靠工作范圍寬。（3）開關(guān)時(shí)間極短。（4）多管并聯(lián)工作相對較易實(shí)現(xiàn)：因?yàn)镸OSFET具有正的溫度系數(shù)，并聯(lián)工作不必串聯(lián)均流電阻。第六章弧焊逆變器626.4.4.2MOSFET弧焊逆變器的分類、應(yīng)用和典型產(chǎn)品

1．分類、應(yīng)用

MOSFET式弧焊逆變器可按外特性分類，也可按輸出直流、脈沖、矩形波交流分成相應(yīng)的類型。這類弧焊逆變器具有普遍推廣的意義，不僅可用于量大面廣的手工焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、等離子弧焊接和切割，還可用于機(jī)械化焊接、自動化焊接以及機(jī)器人焊接等高性能、精密焊接。通過取不同的電弧電壓、電流負(fù)反饋及其不同的匹配比例，可獲得多種外特性，便于實(shí)現(xiàn)多種材料、多種焊接方法工藝。此外，還可十分方便地通過數(shù)字化、智能化的控制，提升其焊接性能和多功能化。由于MOSFET管的功率所限，通常把它用在中小功率的場合為多，特別是用于小功率，把它的逆變頻率提高到100-200KHZ，，可把100A的MOSFET式弧焊逆變器做成只有3.4㎏。它是一臺名符其實(shí)的袖珍式的弧焊電源，簡直象一個(gè)工藝品。第六章弧焊逆變器63第六章弧焊逆變器64第六章弧焊逆變器65第六章弧焊逆變器66第六章弧焊逆變器67第六章弧焊逆變器68第六章弧焊逆變器696.5IGBT式弧焊逆變器

IGBT式弧焊逆變器是晶體管類弧焊逆變器的又一種形式，場效應(yīng)管取代晶體管作為弧焊逆變器的電子功率開關(guān)，雖然具有控制功率極小、開關(guān)速度快、無二次擊穿、逆變頻率更高等等優(yōu)點(diǎn)。但是，場效應(yīng)管也存在著一定不足之處，主要是生產(chǎn)管子的能力不夠高，通道電阻較大、耐壓低、額定工作電流小，需采用多管并聯(lián)，生產(chǎn)調(diào)試較麻煩。為了解決這個(gè)問題，生產(chǎn)廠家和研制單位，在發(fā)展大容量場效應(yīng)管制造技術(shù)的同時(shí)，把晶體管的大容量和場效應(yīng)管的電壓控制等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，研制和生產(chǎn)了IGBT功率開關(guān)管。由于它的管子容量較大，生產(chǎn)調(diào)試相對比較方便，因而很快得到全面的推廣和應(yīng)用。以IGBT為功率開關(guān)管的弧焊逆變器同屬電壓控制型，通稱IGBT式弧焊逆變器，但I(xiàn)GBT式逆變器的逆變頻率沒有MOSFET式高。MOSFET式和IGBT式弧焊逆變器各自有特色，成為當(dāng)前并舉發(fā)展和大面積推廣的新型弧焊電源。第六章弧焊逆變器70第六章弧焊逆變器716.5.1主要組成和基本工作原理

IGBT式弧焊逆變器的主要組成和基本原理框圖，如圖6-45所示,它與場效應(yīng)管弧焊逆變器、晶體管式弧焊逆變器比較，大小異，基本結(jié)構(gòu)形式、框架一樣，且均采用“定頻率調(diào)脈寬”的PWM調(diào)節(jié)方式。主要的不同點(diǎn)是：IGBT管代替場效應(yīng)管、晶體管；逆變頻率20-25kHz（而場效應(yīng)管50kHz以上）；IGBT管采用電壓控制，單管容量足夠，不必多管并聯(lián)工作。它的外特性、調(diào)節(jié)特性(規(guī)范參數(shù)調(diào)節(jié))和輸出波形的獲得與控制，也是借助于脈寬的變化（變換、調(diào)制）來實(shí)現(xiàn)，包括輸出脈沖波形的低頻調(diào)制在內(nèi)，而且，在輸入整流濾波電路、逆變主電路基本類型(多種)、輸出濾波電路、帶有負(fù)反饋的閉環(huán)控制電路及其原理等方面，與場效應(yīng)管弧焊逆變器都是基本相同的。第六章弧焊逆變器72第六章弧焊逆變器73第六章弧焊逆變器74第六章弧焊逆變器75第六章弧焊逆變器766.5.5.2IGBT弧焊逆變器的分類和應(yīng)用分類和應(yīng)用

IGBT式弧焊逆變器可按外特性分類，也可按輸出直流、脈沖、矩形波交流分成相應(yīng)的類型。這兩類弧焊逆變器具有普遍推廣的意義，不僅可用于量大面廣的焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、等離子弧焊接和切割，還可用于1250A-2000A的大功率單/雙絲埋弧自動焊接工藝、電弧氣刨.以及機(jī)器人弧焊，雙絲MIG/MAG/脈沖焊、三絲埋弧焊接等。第六章弧焊逆變器776.6軟開關(guān)逆變式弧焊電源（簡介）

包括逆變式弧焊電源在內(nèi)的開關(guān)式弧焊電源，有硬、軟開關(guān)之分?！坝查_關(guān)”是指功率開關(guān)器件工作在被強(qiáng)迫關(guān)斷（電流不為零）或強(qiáng)迫導(dǎo)通（電壓不為零）的狀態(tài)下。由于目前大多數(shù)逆變電源或開關(guān)電源都采用了PWM控制技術(shù)，因此又稱為硬開關(guān)PWM控制逆變電源或開關(guān)電源。硬開關(guān)逆變弧焊電源功率開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷往往是在工作電流、電壓不為零，甚至是較大值的狀態(tài)下進(jìn)行的。

第六章弧焊逆變器78

硬開關(guān)逆變電源的開關(guān)損耗大，高頻工作效率低。開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大。實(shí)際開關(guān)過程中還存在電壓過沖、振蕩等現(xiàn)象，這會使開關(guān)損耗更大。此外，由于硬開關(guān)PWM控制逆變電源的開關(guān)管在關(guān)斷過程中的電流、電壓變化很快，其變化率di/dt、du/dt很大，所以產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）比較嚴(yán)重，給電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)帶來一定的問題。在“硬開關(guān)”的開關(guān)過程中，電子功率器件的工作條件非常惡劣，是造成電子功率器件易于損壞的重要原因之一。

“軟開關(guān)”是相對于“硬開關(guān)”而言的，表述的是逆變電源中的電子功率開關(guān)的開通與關(guān)斷的行為狀態(tài)與條件?！败涢_關(guān)”技術(shù)的實(shí)質(zhì)是采用了諧振變流技術(shù)，即在逆變主電路中增加儲能元件，產(chǎn)生諧振，迫使功率器件上的電壓或電流迅速降為零，使功率開關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下導(dǎo)通和關(guān)斷。

軟開關(guān)變換電路結(jié)構(gòu)有多種形式。零電壓開關(guān)（ZVS）、零電流開關(guān)（ZCS）、零電壓零電流開關(guān)（ZVZCS）、變頻控制和恒頻控制等。恒頻移相控制方式，是軟開關(guān)型逆變弧焊電源的主