第五章 新型弧焊电源第一节 晶体管弧焊电源利用大功率晶体管作为功率开关元件进行外特性控制和调节特性控制的电 源。1、优点：1）可获得任意波形的电流，特别是模拟式电源，可完全重复基极 控制信号的波形形状。2）任意形状的外特性,一台电源可集成多种外特性，便于切换3）动特性好（响应时间只有30-50s），使用电子电抗器。4）控制性能好，可方便地获得脉冲输出，便于进行引弧及熄弧电 流控制。抗干扰能力强。2、缺点： 1）管子上的功耗大（模拟式晶体管弧焊电源） 2）质量大、耗材多、成本高；铜耗、铁耗大。 3）可靠性稍差。 仅仅在上世纪八九十年代，在国外有过批量生产。国没形成 批量，先早已不生产，工业界也没有应用。大功率晶体管工作在放大状态第一节 弧焊逆变器概述一、弧焊逆变器的基本组成及原理组成：输入整流、输入滤波、功率开关组、降压变压器（高变）、输 出整流器整流、电感滤波、电流电压监测电路、比较电路、系统调节 器(PI)、PWM变换器、驱动器。元件吸收电路、过流、过压、欠压、过热保护电路。该图中的逆变机制属于：AC(工频)-DC-AC（高、中频）-DC。功率开关组的工作频率大大高于工频：晶闸管半控器件：f0=25kHz 场效应管、IGBT类全控器件：f0=102050100kHzN1-绕组匝数；f-电源的工作频率；S-磁芯面积。f N1S V变压器 W整机T 焊接电流控制速度 熔滴张力过渡控制二、弧焊逆变器主电路1、半桥式电路V1、V2轮流导通，在PWM方式下，两管最大导通180o,但为防止直通要在两个管 子导通时间之间留死区时间td，即最小共同关断时间。这种电路具有抗偏磁能力。 变压器承受的矩形波电压峰值为Vin/2, 因而，变比n=n1/n2小，初级电流大，管子电流容量大。VD1VD1由逆变器、中频变压器及整流器组成2、全桥式电路V1、4共同导通， V2、3共同导通，变压器电压峰值为Vin，变比比半桥 式大一倍，一出现偏磁，导致管子烧坏。3、功率开关器件（1）晶闸管（SRC）：技术成熟，电流容量大、成本低， 但工作频率低、开关速度慢。（2）功率晶体管（GTR）：工作频率高、开关速度快、控 制方便、导通压降低，但容易击穿、管子容量小、驱动电 路复杂。（3）场效应管：开关速度很快、工作频率最高、控制方便 （电压控制）、抗干扰能力强。但导通压降高、管子容量 小。 （3）场效应管：开关速度快、控制方便（电压控制）、抗 干扰能力强。但导通压降高、管子容量小。只用于小功率 逆变器中。 （4）绝缘栅双极晶体管（IGBT）：开关速度快、容量大、 热稳定性好、输入阻抗高、驱动电路简单。目前应用最广 泛。三、弧焊逆变器的整机特性控制1、外特性控制：（1）单纯电压反馈：恒压特性（2）单纯电流反馈：的恒流特性当K1或K2不够大时，则If较大的增加才使得uk有较大的降低，得到一般的下降特性曲线而不是恒流特性。2、调节方式平特性时，通过改变Ugu来调节电压恒流特性时，通过改变Ugi来调节焊接电流四、外特性及调节特性（开关器件）的控制模式1、定脉宽调频率（PFM-pulsefrequence modulation)对于晶闸管弧焊逆变焊机，由于它是半控器件，一般是让其在主电路中 开通以后，当电流自然过零时自行关断，这样一次导通形成“半波”，其 导通时间长(脉宽）基本不变，因此要进行电压、电流的调节就只有改 变其关断时间toff, T=ton+toff, 通过toff改变，则焊机的频率f也改变，从而 形成PFM模式。弧焊逆变器定脉宽调频率体制示意图2、定频率调脉宽（PWM-Pulse width modulation)全控型开关元件：大功率晶体管、功率场效应管、IGBT（绝缘栅双极 晶体管 insulate gate dipolar transistor)全控型器件关断过程可控，其导通时间可调，即由其组成的逆变电路输 出信号脉宽可调。当f =C时调解脉冲宽度 调节输出电压、电流平均值弧焊逆变器定频率调脉宽体制示意图Ton很小时，调节过程不稳定，开关管脱离饱和，工作在放大状态，因此，有最小脉宽限制。可附加分频法，即将PWM与PFM结合。PFM和PWM都是通过改变占空比 （W/T)进行电压、电流调节的。五、特点及应用一）特点1、体积小、重量轻，成本低：仅为传统弧焊电源的1/10重， 节省大量的铜材和硅钢片。2、频率高，提高了交流电弧稳定性3、高效节能：铜损和铁损小、电子元件损耗小、功率因数高4、控制性能好，响应速度快：可获得各种外特性、各种波形 、动特性好。稳定性、可靠性仍待提高。二）应用各种焊接方法和工艺：MMA、TIG、MIG、MAG、 SAW、CO2、PAW、FCAW等。脉冲MIG、MAG和 TIG。方波交流TIG等。第三节 脉冲弧焊电源的概述一、脉冲弧焊电源的特点、分类及应用范围1、特点焊接电流是周期性脉冲式的，包括基本电流（维弧电流） 和脉冲电流，可调规范参数多，包括：脉冲频率、幅值、宽度 、电流上升速度和下降速度。直流脉冲电流波形itti交流脉冲电流波形1）波形：正弦半波、矩形波、三角形波2、脉冲电流波形和可调的基本参数2）可调基本参数：脉冲电流（峰值电流）幅值、基值电流（背景电流、维 弧电流）幅值，脉冲时间、基值时间、上升（前沿）时间、下降（后沿）时 间。(1）利用电子开关主要用现代电力电子技术中的功率开关器件：晶闸管、大功率三 极管、场效应管及IGBT等。a)在直流侧设开关装置，b)在交流侧设开关装置3、脉冲获得方法（2）利用大功率整流管整流得到单相脉冲电源(50或100Hz)。（3）利用阻抗的变换a)变换交流侧阻抗值， b) 变换直流侧阻抗值（4）改变调节ug及电流截止反馈A、改变ug；B、电流截止反馈：周期性地改变电流截止反馈信号，使直流回路中的晶体管周期性的导通与关断。4、脉冲弧焊电源的分类1）按获得脉冲电流的器件分：单相整流式、磁放大器式、晶闸管式、晶体管式、逆变式。2）按电源单位分：单电源式，双电源式。3）按脉冲电流频率分：低频，高频。应用范围： 1）熔化极及不熔化极气体保护焊：MIG、MAG、TIG及 微束等离子弧焊等； 2）窄间隙厚板焊、超薄板焊； 3）不锈钢、铝、热敏感性材料焊； 4）全位置焊，保证均一的焊接成形和质量； 5）单面焊双面成形和封底焊。二、应用：TIG时用脉冲使深熔与凝固交互进行，控制热输入。MIG焊以低的平均电流实现射流过渡，进行薄板焊接、全位置焊接和热敏感材料的焊接 。三、典型冲弧焊电源一）单相硅整流式并联式可调并联式1、给定值调节式 原理：与晶闸管弧焊整理器相同，仅仅将给定信号修改为脉冲信号。给定电压为低值时，输出焊接电流为低值，给定信号为峰值时，输出电流为峰值。特点：1）输出的脉冲电流波形为方波或带前沿尖峰的方波；2）脉冲电流和基本电流都由同一电源供给；3）无级调节、操作方便；频率调节范围小0.210HZ ；4）一机多用；5）控制线路比较复杂，不易维修。三）晶闸管式 （1）晶闸管断续器式脉冲弧焊电源的分类1）交流断续器：在电源的交流环节（主变压器的一次或二次侧）控制通 断及大小，但是电源输出可以是直流，也可以是交流。2、晶闸管断续器式三、晶体管式、场效应管及IGBT式通常采用PWM方式。2）直流断续器：接在脉冲电源的直流侧，起开关作用。（2）单电源直流断续器式脉冲弧焊电源（1）双电源式直流断续器脉冲弧焊电源特点：电流的通断容量可达数百安培，频率调节范围广，脉冲波形近 似呈矩形，对焊接有利，脉冲内脉动大小与直流弧焊电源种类有关。 但是主晶闸管流过的电流大，其可靠关断是关键。四、逆变式 PFM和PWM，通过不同时间段才哟娜个不同的盖顶信号 来改变脉宽或频率，可很容易地获得脉冲输出。PWMPFM第三节 矩形波交流弧焊电源一、概述焊铝合金时，最好采用交流TIG焊，但是 采用正弦交流电时，在电流过零处需加稳弧脉 冲，采用方波电源可避免该问题。获得矩形方波的方式：逆变式、晶闸管电抗 器式式。二、特点除了一般电源的特点外。1、电弧稳定，无需稳弧装置2、极性比可调节，即正负半波的比例可调，保证足够阴极雾化作用下 ，冷却钨极，提高载流能力，延长钨极寿命。3、无需消除直流分量的装置三、应用铝，镁的钨极氩弧焊、等离子弧焊。也可用于手工及埋弧焊三、典型矩形波交流电源一）逆变式一次电流为普通的直流，直流弧焊电源可以是晶闸管式、发电机 式、逆变式（双逆变式矩形波电源）、或磁放大器式。逆变电路中，V1、V2与V3、V4交替互补，1800导通，则形成了方波电流。电流自身的特性则由直流焊机完成控制，即外特性和调节特性由直流电源控制 ）。脉冲矩形方波变极性矩形方波二）晶闸管电抗器式VT14接交流通道，L中流过直流电，从而变压器中电流为矩形方波。电压平衡方程式为：t1t2：u2uf, Ldi/dt0, 电流上升，L储能。t2t4：u2uf, Ldi/dt0, 电流下降，L释放能量。管子换向时有重叠时间，形成直通，但VT14, u2全部作用在电弧上。尤其小电流时， 90o, u2很高，故换向电流峰值很大，有利于换向。外特性和调节特性和晶闸管弧焊整流器形同。通过改变两组晶闸 管的控制角可方便地改变极性比。第五节 数字化焊接电源主要或全部控制电路由数字控制技术替代模拟控制技术的弧焊电源。模拟量：其数值可自一定范围内连续变化。数字量：利用0和1两个字符表示的量。设定值实际值DSP及MCUA/DD/A数字化逆变原理H. Hackl 7/98DIGITAL WELDING - POWERSOURCES全数字焊接电源的控制原理图HOSTRS485主控制系统DSP 焊接参数 数字信号处理AD数字逆变反馈AD面 板-+送丝机l 采用DSP全数字微处理器控制l内部数据交换速度达195KHzH. Hackl 7/98DIGITAL WELDING - POWERSOURCES给定信号通过控制面板输入，通过A/D转换和MCU发送给DSP，而采样电 流采集到的电压及电流反馈信号经过A/D转换后直接给DSP，DSP则根据 一定的规则和算法对这些信号进行比较、运算和放大，得到控制功率开 关元件的PWM信号。控制电源的外特性和输出特性。体现在三个方面：1）主电路的数字化：弧焊逆变器的功率开关器件工作在开关状态：0和 1状态。频率高、响应速度快、输出波纹小，控制精确。2）控制电路的数字化：基于MCU和DSP。给定信号和反馈信号转换成数 字信号后，再由MCU和DSP进行处理。3）专家数据库软件系统：将大量的专家参数存储到焊机中的存储器中 ，根据具体的焊接工艺条件，直接调用这些参数。自动匹配最佳焊接参 数进行焊接。数字逆变技术逆变频率高输出电流更平稳 逆变频率越高变压器越小优点 为什么采用数字化？1、多功能集成数字化电源基于MCU和DSP,，利用软件进行控制。通过 软件可实现不同的功能，实现不同的焊接工艺控制。而模拟 式控制是基于硬件电路进行控制的，硬件配置及参数确定后 ，功能就无法更改。2、接口兼容性好可方便地与外部设备建立信息通道，实现信息交换。易于实 现机器人控制、网络化焊接生产管理。3、具有更好的稳定性模拟控制系统中信号的处理是通过电阻、电容、电感及其他 元件组成的电路网络来实现的，这些元件存在温度漂移、时 漂等问题，很难保持一致性。而数字化电源，信号的处理通 过加减乘除运算来实现的，稳定性好。4、控制精度高模拟控制时，控制元件及运算放大器误差引起的控制误差较大，而数字控制时A/D转换误差及运算误差较小。5、便于升级软件升级或在线编程。可通过网络升级。控制精度高ThyristorDigital焊接全过程控制普通引弧数字化控制无飞溅引弧焊接起弧控制焊接电弧控制：1个溶滴/1个脉冲焊接过程