第六单元第六单元 弧焊逆变器弧焊逆变器v学习目标：（1）孰悉弧焊逆变器的基本组成、基本原理，逆变主电路及控制电路，外特性及调节特性的获得方法，弧焊逆变器的特点、分类及应用；（2）掌握各种常用弧焊逆变器主要组成、基本原理、输出电气特性，特别是要重点掌握晶闸管式、晶体管式、场效应管式及IGBT式等弧焊逆变器的特点及典型产品和应用；（3）了解软开关弧焊逆变器的有关问题。综合知识模块一综合知识模块一 弧焊逆变器的基本知识弧焊逆变器的基本知识 v直流-交流之间的变换称为逆变，实现这种变换的装置称为逆变器。为焊接电弧提供电能，并具有弧焊方法所要求性能的逆变器，即为弧焊逆变器。v自70年代初以来，随着大功率电子元件和集成电路技术的发展，使先进的中频逆变技术迅速推广、应用。它从应用于中频加热、稳压电源、电化学加工，发展到被应用于电弧焊接、电阻焊接和电子束焊接等。第一台晶闸管式弧焊逆变器于1978年问世，1981年又出现了晶体管式弧焊逆变器，1982年我国学者研制成功了场效应管式弧焊逆变器。1989年在埃森世界焊接与切割博览会上又展出了IGBT式弧焊逆变器。由于这种弧焊电源具有高效节能等突出优点，可应用于各种弧焊方法，因此，弧焊逆变器是一种很有发展前途的新型弧焊电源。 弧焊逆变器的组成及作用弧焊逆变器的组成及作用 v弧焊逆变器的基本组成框图如图6-1所示。 能力知识点能力知识点 1图图6-1 弧焊逆变器的基本组成框图弧焊逆变器的基本组成框图v1主电路主电路 主电路由供电系统、电子功率系统和焊接电弧等组成。v(1)供电系统 把工频交流电经整流器UR变换为直流电供给电子功率系统（逆变器）。 此外，还通过变压、整流、滤波及稳压系统对电子控制系统提供所需的各组不同大小的直流稳压电源。v（2）电子功率系统 是弧焊逆变器的逆变器主电路，起着开关、变换电参数（电压、 电流及波形）的作用，并以低电压大电流向焊接电弧提供所需的电气性能和工艺参数。这里必须指出，一个电子功率系统，其本身并不能焊接，必须与电子控制系统结合起来才能焊接。也就是说，只有两者的结合才能对焊接电弧提供所需的电气性能和焊接工艺参数。v2电子控制系统电子控制系统 对电子功率系统提供足够大的、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。确切地说，它用于产生焊接电弧所需的外特性和动特性，其主要组成是静态单元和动态单元。电子控制系统往往包括驱动电路。v3反馈给定系统反馈给定系统 由检测电路P、给定电路G、比较放大电路N等组成。检测电路P主要用于提取电弧电压和电流的反馈信号；给定电路G用于提供给定信号，决定对电弧提供焊接工艺参数的大小；比较放大电路N用于把反馈信号与给定信号比较后进行放大，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。 弧焊逆变器的基本工作原理弧焊逆变器的基本工作原理 v弧焊逆变器的基本工作原理，如图6-2所示。能力知识点能力知识点 2图图6-2 弧焊逆变器基本原理框图弧焊逆变器基本原理框图v在供电系统中，单相或三相交流电网电压，经UR1整流和L1C1滤波后获得UI所需的平滑直流电压。该直流电压在电子功率系统中经逆变器的大功率开关器件（晶闸管、晶体管、场效应晶体管或IGBT）组Q的交替开关作用，变成几千至几万赫兹的高压中频电，再经中频变压器降至适合于焊接的低压中频电，并借助于电子控制系统的控制驱动电路和给定反馈电路（P、G、N等组成）及焊接回路的阻抗，获得焊接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UR2整流和L2C2的滤波，把中频交流电变成稳定的直流输出。v弧焊逆变器主电路的基本工作原理，可以归纳为：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），必要时再把直流变成矩形波交流（AC）。v因而在弧焊逆变器中可采用三种逆变体制： AC DC AC AC DC AC DC AC DC AC DC AC （矩形波）v目前常采用的是第二种逆变体制，在国外常把它称为弧焊整流器、逆变式弧焊整流器或逆变式弧焊电源。第三种逆变体制也有不少应用，主要用在铝合金的焊接，由于它最终输出的是矩形波交流电，故被称为逆变式矩形波交流弧焊电源或矩形波交流弧焊逆变器。 弧焊逆变器的外特性弧焊逆变器的外特性 及焊接工艺参数调节及焊接工艺参数调节 v1弧焊逆变器的外特性弧焊逆变器的外特性v根据各种弧焊工艺方法的要求，通过电子控制电路和电弧电压反馈、电弧电流反馈，弧焊逆变器可以获得各种形状的外特性，如图6-3所示。图6-3a、b所示的外特性用于焊条电弧焊；图6-3c所示的外特性用于TIG焊；图6-3d所示的外特性用于MIG/MAG焊。能力知识点能力知识点 3图图6-3 弧焊逆变器常用的几种外特性弧焊逆变器常用的几种外特性v2弧焊逆变器的焊接工艺参数调节弧焊逆变器的焊接工艺参数调节v弧焊逆变器的焊接工艺参数调节方法大致有三种：v（1）定脉宽调频率 脉冲电压宽度不变，通过改变逆变器的开关频率来调节参数大小。开关频率越高，输出电压就越大。通常晶闸管式弧焊逆变器就是采用这种调节焊接工艺参数方法的。v（2）定频率调脉宽 脉冲电流频率不变，通过改变逆变器开关脉冲的脉宽比来调节焊接工艺参数。脉宽比越大，则工作电流也越大。晶体管式、场效应管式弧焊逆变器都适于采用这种焊接工艺参数调节方法。v（3）混合调节 调频率和调脉宽相结合的调节方式。 弧焊逆变器的特点、弧焊逆变器的特点、 分类及应用分类及应用 v1弧焊逆变器的特点弧焊逆变器的特点v（1）高效节能）高效节能v（2）体积小、质量轻）体积小、质量轻v（3）具有良好的动特性和弧焊工艺性能）具有良好的动特性和弧焊工艺性能v（4）可用微机或单旋钮控制调节焊接工艺参）可用微机或单旋钮控制调节焊接工艺参数。数。v（5）设备费用较低，但对制造技术要求较高。）设备费用较低，但对制造技术要求较高。能力知识点能力知识点 4v2弧焊逆变器的分类弧焊逆变器的分类v弧焊逆变器一般有下述几种分类方法：v（1）按大功率开关器件进行分类 晶闸管式弧焊逆变器；晶体管式弧焊逆变器；场效应晶体管式弧焊逆变器；IGBT式弧焊逆变器等。v（2）按输出电流分类 直流式弧焊逆变器；脉冲式弧焊逆变器；矩形波交流弧焊逆变器。v（3）按输出外特性形状分类 恒流特性弧焊逆变器；恒压特性弧焊逆变器；缓降特性（含恒流带外拖）弧焊逆变器；多特性弧焊逆变器。v3弧焊逆变器的应用弧焊逆变器的应用 弧焊逆变器由于具有优良的电气性能和良好的控制性能，容易获得多种形状的外特性曲线和不同种类的电弧电压、电流波形（直流、脉冲、矩形波交流等），良好的动特性，并能输出1000A以上的焊接电流，因此弧焊逆变器几乎可以取代现有的一切弧焊电源。可用于焊条电弧焊、TIG焊、MAG/CO2/MIG/药芯焊丝焊、等离子弧焊与切割、埋弧焊、机器人焊接等各种焊接方法。同时，可用于焊接各种金属材料及其合金，特别是用于工作空间小、高空作业、需较多移动焊机、用电紧缺等场合。【综合训练】【综合训练】v一、判断题答案 1；2；3；4。v二、简答答案（略） 1试述弧焊逆变器的基本工作原理。 2试述弧焊逆变器的特点及应用？综合知识模块二综合知识模块二 晶闸管式弧焊逆变器晶闸管式弧焊逆变器 v以快速晶闸管（SCR）为逆变主电路的大功率高压开关管，通过其触发角来控制的弧焊逆变器，称为晶闸管式弧焊逆变器。v晶闸管式弧焊逆变器出现于上世纪70年代，80年代中期有了较大的发展，但到80年代后期逐渐被性能更佳的场效应管式、IGBT式弧焊逆变器所代替，因此晶闸管式弧焊逆变器逐渐减少，但在世界上仍有一定的地位。 组成及工作原理组成及工作原理v晶闸管式弧焊逆变器的原理框图如图6-4所示。 能力知识点能力知识点 1图图6-4 晶闸管式弧焊逆变器的原理框图晶闸管式弧焊逆变器的原理框图v下面以图6-5所示的晶闸管式弧焊逆变器主电路为例，介绍其主电路的组成与工作原理。 图图6-5 晶闸管式弧焊逆变器的主电路晶闸管式弧焊逆变器的主电路v主电路由输入整流器UR1、逆变电路和输出整流器UR2等组成。主电路的核心部分是逆变电路，它由晶闸管VT1、VT2，中频变压器T，电容C2C5，电感线圈L1、L2等组成，构成所谓“串联对称半桥式”逆变器。为便于讨论它的工作原理，可将其简化成图6-6所示的电路。v图6-6中，当SA1（即VT1）闭合，而SA2（即VT2）断开时，电容C2,4的放电电流i1由 SA1T ，电容C3,5的充电电流则由a（+）SA1T b（-），从而在中频变压器T上形成正半波的电流i1 。 v当SA2闭合，SA1断开时，电容C3,5的放电电流i1由 TSA2 ，电容的充电电流由a （+） T SA2 b （-）,从而在变压器T上形成负半波电流。这样SA1、SA2每交替闭合和断开一次，就在变压器T上产生一个周波的交流电，它们每秒钟通断的次数就决定了逆变器的工作频率，这就是所谓的“逆变调频”原理。通过这样的逆变，就将三相整流器UR1整流后的直流电转换成12kHz或更高的中频交流电。然后，经变压器T降压，UR2整流，从而得到稳定的直流输出 。 逆变主电路的形式逆变主电路的形式 v逆变主电路的基本形式，如图6-7所示。图6-7a）为串联不对称半桥式电路；图6-7b）、c）为串联对称半桥式电路；图6-7d）为串联对称桥式电路；图6-7e）为并联式全波电路；图6-7f）为并联式麦克默里电路。以上形式的主电路基本工作原理都比较简单，由读者自己分析。这里顺便指出，对图6-7e）、f）两种逆变主电路，由于晶闸管需承受两倍以上的直流电源反向电压，所以对晶闸管的耐压要求很高，选用时必须注意。 能力知识点能力知识点 2图图6-7 晶闸管式弧焊逆变器逆变主电路的基本形式晶闸管式弧焊逆变器逆变主电路的基本形式 外特性控制原理和外特性控制原理和 焊接工艺参数调节焊接工艺参数调节 v外特性形状，是通过电流、电压负反馈与电子控制电路的配合以改变频率f来控制的。例如，从图6-5中的分流器RS取电流负反馈信号送到电子控制电路，于是随着焊接电流的增大，使逆变器的工作频率迅速降低，从而获得恒流外特性。如果采用电压负反馈方式，则可得到恒压外特性。若按一定的比例取电流和电压反馈信号，便可得到一系列一定斜率的下降外特性，其外特性形状如图6-3所示。 能力知识点能力知识点 3v晶闸管式弧焊逆变器是采用“定脉宽调频率”的调节方法来调节焊接工艺参数的，即通过改变晶闸管的开关频率（逆变器的工作频率）来进行的。晶闸管的开关频率越高，电弧电流（或电压）越大。v这里应指出，逆变器的频率有两种参数。一种是由逆变器主电路的电感L和电容C决定的固有频率f0，在忽略主电路电阻时，有： f0=1/2(LC)1/2。vf0越大，则逆变器脉冲周期越小。另一种频率参数f是人为调节的逆变器工作频率，它由触发脉冲的频率决定。显然， f0应大于f 。v电流的均匀调节是通过改变逆变器的工作频率f来进行的。为了拓宽调节范围，可辅以分档粗调。例如在图6-5中，由继电器触点K1、K2将电容C2、C3断开，使电容容量减小，可使f0提高。这时可在高档范围内改变f ，使对应的焊接工艺参数在大档范围均匀调节。当触点K1 、 K2闭合时，电容容量增大，可使f0降低。这时可在低档范围内改变f ，使对应的焊接工艺参数在小档范围均匀调节。v为了晶闸管的安全可靠工作，在空载状态时，电子控制电路使逆变器的工作频率f自动降至几赫，这样，引弧时采用的是小电流（弱规范），以免在短路接触引弧时出现过大的冲击电流在焊接过程中，若短路时间超过1s或在产生断弧时，工作频率f也会自动降低。v为了在焊接过程中保持供给电弧的能量不变，采用电压和电流反馈，通过自动改变开关频率来达到电弧功率恒定。因而，在弧长变化时，控制电路可保证供给电弧的能量不变。 特点及典型产品介绍特点及典型产品介绍 v1晶闸管弧焊逆变器的特点晶闸管弧焊逆变器的特点v（1）工作可靠性较高v（2）逆变工作频率较低v（3）驱动功率低，控制电路比较简单 v（4）控制性能不够理想v（5）晶闸管的价格相对比较低，有利于降低成本v（6）单管容量大，不必解决多管并联的复杂技术问题能力知识点能力知识点 4v2典型产品介绍典型产品介绍v（1）ZX7-315Z、ZX7-400Z系列晶闸管逆变弧焊电源 该系列逆变弧焊电源是我国原吉林工业大学电焊机研究所研制的专用集成电路控制的新型逆变弧焊电源。型号最后一个字母“Z”表示专用集成电路控制的含义。它主要用于焊条电弧焊及TIG焊。主要技术参数如表6-2。v表表6-2 ZX7-315Z、ZX7-400Z系列晶闸管逆变弧焊电源主要系列晶闸管逆变弧焊电源主要技术参数技术参数型 号 ZX7-315Z ZX7-400Z 电 源 3 380V 3 380V 额定输入功率（kVA） 17.5 21 额定输入电流（A） 26.6 32 额定输出电流（A） 315 400额定负载持续率（%） 60 60最高空载电压（V） 80 80电流调节范围（A） 40140,100320 40170,150400 效率（%） 83 83质量（） 50 66外形尺寸（） 450350580 600360550 vZX7-400Z的外特性如图6-8所示。电源前面板示意图如图6-9所示。 图图6-8 ZX7-400Z逆变弧焊逆变弧焊电源的外特性电源的外特性图图6-9 ZX7-400Z逆变弧焊电源前面板图逆变弧焊电源前面板图1-输出接头；输出接头；2-散热窗；散热窗；3-电流调节；电流调节；4-起弧电起弧电流调节；流调节；5-电流表；电流表；6-大小档开关；大小档开关；7-电压表；电压表；8-指示灯；指示灯；9-机型及厂名；机型及厂名；10-远控插座；远控插座；11-焊焊条电弧焊条电弧焊/氩弧焊转换；氩弧焊转换；12-远远/近控转换开关近控转换开关v该弧焊电源实施焊条电弧焊时操作步骤如下： 1）停电检查 2）通电空载检查 3）焊接 vZX7-315Z、ZX7-400Z 系列晶闸管逆变弧焊电源保养、维修及注意事项： 1）设备安装 2）使用操作 3）故障排除及维护 v（2）ZX7系列晶闸管逆变弧焊电源 该系列逆变弧焊电源是我国应用逆变焊接电源中最广泛的一种电源，是采用快速晶闸管作功率开关器件的逆变器。v1） ZX7系列晶闸管逆变弧焊电源的主要特点 该弧焊逆变器的主要特点是体积小、质量轻，移动方便，且动态响应快，焊接性能好，特别是高效节能。是较理想的新一代换代产品。表6-3是弧焊逆变器与前几代直流弧焊电源技术指标比较。v表表6-3 ZX7-400逆变弧焊电源与前几代逆变弧焊电源与前几代 直流弧焊电源技术指标比较直流弧焊电源技术指标比较 型号规格技术数据 ZX7-400ZXG1-400ZX5-400ZXG-400-2ZXG7-400额定输出电流（A） 400额定负载持续率（%） 60空载电压（V） 609071.563807080输入电压（V） 3380效率（%） 5376.5748383cos 0.90.680.750.550.95质量（） 37023822031075v2）外特性 ZX7-400弧焊逆变器的外特性与ZX7-400Z的相似，如图6-8所示。v3）操作使用方法 该电源的前面板如图6-10所示。操作使用时，先不接电源对焊机进行全面检查。前面板开关9板到“近”即为近距离电流调节，扳到“远”即为远距离电流调节。旋钮5调节启动电流大小。前面板下部的输出端标“、”表示输出极性的正、负，应按需要正确接入焊钳及工件。停电检查正常后方可进行通电空载检查，焊机空载运行正常，既可进行施焊。 图图6-10 ZX7-400弧焊逆变器前面板图弧焊逆变器前面板图1、10-输出电缆插座；输出电缆插座；2-电压表；电压表；3-指示灯；指示灯；4-电流电流表；表；5-引弧电流调节旋钮；引弧电流调节旋钮；6-遥控插座；遥控插座；7-电流分档电流分档开关；开关；8-输出电流调节旋钮；输出电流调节旋钮；9-近近/远控选择开关远控选择开关v4）维护与保养 焊机的检修应由专业维修人员负责，由于机内最高电压达600V，为确保安全，严禁打开机壳，维修时应做好防止电击等安全防护工作。v焊机在运行过程中出现下列情况属正常现象：开机后在空载情况下，焊接电源内有“哒、哒”声，同时电压指针也有些摆动；焊接过程中焊接电源内的中频变压器会发生一种频啸叫声；高温环境中长时间过载运行时机内的热敏继电器会自动使焊机停止工作，此时焊机空载运行几分钟后焊机会自动恢复工作； 高温环境中长时间使用或过载运行也可能使后面板上的低压断路器动作而切断焊机电源，此时应立即关掉配电板或配电柜上的电源开关，让焊机停止工作几分钟后再开机，开机时应先合上焊机上的低压断路器，然后再用配电板或配电柜上的电源开关开机，开机后应让焊机空载运行几分钟后再使用。v焊机出现故障需修理时应先检查：三相电源的电压是否在380V10%范围内有无缺相；焊机电源输入电缆连线是否正确可靠；焊机地线连线是否可靠；焊机输出电缆连线是否正确，接触是否良好，焊接电缆导线截面积不应小于70mm2。 v焊机每年应由维修人员用压缩空气除尘一次，同时注意检查机内紧固件及接线有无松动，若有则应及时排除。除尘时应事先切断焊机电源，并且除尘时不要随意乱动机内接线和碰伤元器件。使用中注意经常检查焊接电缆快速插头的接触情况，至少每月应由操作者检查一次。v弧焊逆变器出现故障的原因及排除方法见表6-4（见教材）。v（3）晶闸管TIG、MIG、MAG焊电源 晶闸管作为开关器件的逆变器，不仅可以用作焊条电弧焊电源，还可以用作TIG焊、 MIG焊、 MAG焊弧焊电源。v晶闸管逆变焊电源主要是要求具有恒流的外特性，因此只要将焊条电弧焊逆变电源的外拖特性部分去掉，就符合TIG焊的要求了。当然考虑TIG焊的特点，必须在焊条电弧焊电源的基础上增加TIG焊的功能，故焊条电弧焊/ TIG焊两用逆变弧焊电源的产品也到处可见。v晶闸管MIG/MAG焊电源主电路也是以晶闸管焊条电弧焊电源为基础的。这类焊接电源是自动送焊丝，并且是以自动或半自动的形式进行焊接，因此要求焊接电源引弧成功率高，电弧稳定，飞溅小。成都电焊机研究所曾经用恒压、缓降和复合型三种外特性进行实验，结果表明MIG/MAG焊时，引弧期采用平特性，以获得较大的输出电流，有利于提高引弧的成功率。焊接期间采用平特性有利于提高焊接电弧的稳定性。在电流较大、电压较小时采用缓降特性，有利于抑制短路电流峰值。因此采用复合型外特性效果最好。v（4）逆变式矩形波交流弧焊电源 基本原理方框图如图6-11所示 图图6-11 逆变式矩形波交流弧焊电源基本原理方框图逆变式矩形波交流弧焊电源基本原理方框图v1）矩形波交流电流的获得原理。 晶闸管逆变器把直流电转换成矩形波交流电的原理，如图6-12a）所示。 图图6-12 晶闸管矩形波弧焊逆变器原理晶闸管矩形波弧焊逆变器原理v当晶闸管VT1、VT3触发导通而VT2、VT4关断时，电流通路为：A(+)VT1电弧VT3 B(-)，从而电弧获得正半波的电流。当VT2 、VT4触发导通而VT1 、VT3关断时，电流通路为： A(+)VT2电弧VT4 B(-)，从而电弧获得负半波的电流。由此可见，只要控制VT1 、VT3和VT2 、VT4两组晶闸管轮流导通，以切换电弧电流的方向，同时控制两组晶闸管导通时间的长短和通电时间的比值，就可以得到频率和正负半波通电时间比例不同的矩形波交流电，如图6-13所示。 图图6-13 不同正负半波通电时间比的波形示意图不同正负半波通电时间比的波形示意图a)50：50 b)70：30 c)30：70v2）外特性控制和焊接工艺参数调节 这种类型的弧焊电源，实质上是由通用直流弧焊电源和矩形波交流发生器所组成的。其外特性形状的控制和矩形波交流电幅值的调节，是通过直流弧焊电源来实现的。v直流弧焊电源可以采用磁饱和电抗器式硅弧焊整流器，也可以采用晶闸管式弧焊整流器。但从控制性能和弧焊性能来看，最好还是采用晶闸管式弧焊整流器，如图6-11所示。由图6-11可知，电源的外特性形状是由晶闸管式弧焊整流器的闭环反馈电路和电子控制电路来控制的。通过改变晶闸管的导通角调节直流电压的幅值，即可调节由逆变器输出的矩形波交流电幅值的大小。正负半波通电时间比和频率，则是通过改变逆变器中晶闸管触发脉冲的相位角来实现。【综合训练】【综合训练】v一、填空题答案v1快速晶闸管（SCR）；2输入整流器UR1 、输出整流器UR2、晶闸管VT1、VT2、电容；3电流、电压、电子控制；4 “定脉宽调频率”、开关频率（逆变器的工作频率）。v二、简答题答案（略）v三、实践部分v在老师的指导下，熟悉晶闸管弧焊逆变器的结构特点，学会该焊机的操作使用方法，掌握该弧焊逆变器出现故障的原因及如何排除所出现的各种故障。综合知识模块三综合知识模块三 晶体管式弧焊逆变器晶体管式弧焊逆变器 v在逆变弧焊电源的发展史上，逆变器功率开关元件，由晶闸管发展到晶体管，后来又发展到MOSFET、IGBT。但至今晶体管逆变弧焊电源仍在不断生产，特别是日本据调查仍占相当大的比例（38%）。这是因为它具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。近年来，由于晶体管实现高频化、模块化、廉价化，因此它在逆变弧焊电源中仍有一定的竞争力。目前，晶体管的容量已达到400A/1200V、1000A/400V，耗散功率已达3kW以上。 晶体管弧焊逆变器的结构原理晶体管弧焊逆变器的结构原理 v图6-14是晶体管弧焊逆变器原理方框图。 能力知识点能力知识点 1图图6-14 晶体管弧焊逆变器原理方框图晶体管弧焊逆变器原理方框图v由图6-14可以看出：晶体管弧焊逆变器的电路分为两大部分：从电网将能量传递给负载的电路称为主电路，包括输入整流器（含滤波器）、逆变器、输出整流器等；其余为控制电路，包括晶体管组驱动器、电子控制电路、反馈检测电路（M）、给定电路（G）、比较电路、运算放大器（N）、稳压电源等。 工频电网电压直接经输入整流器（含滤波器），得到数百伏（301V、540V）左右的直流电压。该直流电压施加到晶体管逆变器上。 v高压开关大功率晶体管由控制电路提供的矩形波电压脉冲基里尔交替地通断，将直流电压变换成中频（1520kHz）交变得矩形波脉冲电压，中频变压器将数百伏的高电压降为焊接所需的数十伏电压，然后由二次侧开关整流二极管（快速二极管）进行整流（全波或半波），得到一倍或两倍于一次侧开关频率的断续矩形波，最后由输出滤波器（电抗器和电容器）将其平滑成连续的低纹波直流电压。v通常，在工频电网输入端还设有输入电压软启动装置，以防止合闸浪涌电流。这种软启动装置可以借助不同的电路环节来实现。例如，在输入端串入限流电阻（在启动之后将它端接）或晶闸管（在启动过程中导通角逐渐增大）也可将输入整流器改为晶闸管式整流器，并在启动过程中让其导通角逐渐增大，如此等等。 逆变主电路及逆变主电路及 控制驱动电路的形式控制驱动电路的形式 v1逆变主电路的形式v（1）单端通向开关电路 如图6-15a）所示，这种电路不存在正负半波晶体管同时导通的问题，可用于焊接电流较小的场合。v（2）双端通向开关电路 如图6-15b）所示，可用于焊接电流较大的场合。v（3）串联半桥式电路 如图6-15c）所示，可用于中等焊接电流的场合。能力知识点能力知识点 2v（4）并联式（推挽式）电路 如图6-15d）所示，可用于焊接电流较大的场合。v（5）串联全桥式电路 如图6-15e）所示，可用于焊接电流较大的场合。图图6-15 晶体管式弧焊逆变器的逆变主电路晶体管式弧焊逆变器的逆变主电路基本形式基本形式图图6-15 晶体管式弧焊逆变器的逆变主电路基本形式晶体管式弧焊逆变器的逆变主电路基本形式v2驱动控制电路的形式驱动控制电路的形式v（1）驱动电路的主要形式 晶体管属于电流控制型，并且由于大功率开关晶体管的电流放大倍数较小，所以需要驱动器，目的是获得较大的控制电流和功率。v功率开关晶体管的基极驱动电路可分为直接驱动和隔离驱动两种方式。直接驱动方式是指驱动电路与主电路之间直接连接，其驱动方式的三种基本电路如图6-16所示。6-16 a）为简单基极驱动电路；6-16b）为双基极推拉式基极驱动电路；6-16c）为抗饱和式双基极推拉式基极驱动电路。后两种电路都是改进形式，目的是为了获得近于理想的基极驱动电流波形。v在很多场合，主回路与控制回路间必须进行电的隔离，为此必须采用基极隔离驱动电路常用的有电磁隔离和光电隔离两种。图6-17a）为脉冲变压器作电磁隔离的简单电路；图6-17b）为采用光电耦合器的光电隔离基极驱动电路。图图6-17 基极隔离驱动电路基极隔离驱动电路v（2）控制电路的主要形式 为了实现弧焊逆变器的外特性、调节性能、动特性及输出波形的控制与调节，晶体管式弧焊逆变器采用“定频调脉宽”的调制方式。它的电路基本结构形式如图6-18所示图图6-18 “定频调脉宽定频调脉宽”调制方式控制电路原理图调制方式控制电路原理图v控制电路提供的矩形波脉冲电压经驱动电路对其进行电流放大，确保高压开关大功率器件具有足够大的基极电流，实现其饱和导通，降低管压降。矩形波脉冲电压由时钟振荡电路，或恒脉宽发生器提供。借助反馈检测电路、给定电路、比较电路、放大电路等，实现对晶体管弧焊逆变器的闭环控制，获得所需的外特性和工艺参数调节。v1特点特点v与晶闸管式弧焊逆变器相比，具有以下特点：v（1）逆变器的工作频率较高 v（2）采用 “定频率调脉宽”的方式调节焊接工艺参数和外特性 可以无级调节焊接工艺参数。v（3）控制性能较好 不存在通易关难的问题。v（4）成本较高v晶体管式弧焊逆变器存在明显的缺点：一是晶体管存在二次击穿问题，二是控制驱动功率较大，需要设驱动电路。 晶体管弧焊逆变器的晶体管弧焊逆变器的 特点及产品介绍特点及产品介绍 能力知识点能力知识点 3v2产品介绍产品介绍v目前，国内外已生产出多种型号的晶体管式弧焊逆变器，它们主要用在MIG/MAG焊、TIG焊、等离子弧焊与切割、焊条电弧焊以及用作弧焊机器人的弧焊电源有一部分已实现智能控制。vZS7-250是我国湖北宜昌核工业第二建设公司弧焊机厂生产的，它主要适用于焊条电弧焊。v US220AT是美国生产的一种轻便型晶体管式弧焊逆变器，它的特点是输入电压为单相220V交流，适用面广，既可以作为焊条电弧焊电源，也可以作为TIG焊电源。vEUROTRANS-500是德国生产的较低水平智能控制型晶体管式弧焊逆变器，它具有多种外特性和多种电流形式输出，其最大的特点是用已储存的焊接参数和资料进行焊接。主要焊接参数有脉冲幅值、脉冲宽度、脉冲频率，基本电流和送丝速度等。根据不同的工作条件和要求，通过反复试验确定上述五个焊接参数的最佳配合，编成程序、分别把它们存入五个存储器中，焊接时只需把焊接方法旋纽、焊丝直径旋钮和焊接材料、保护气体种类的旋钮置于所需的位置，就可将最佳配合的五个焊接参数调出来使用，从而获得飞溅极小、成型美观和变形小的优质焊缝。因而，这种弧焊逆变器可用于机器人焊接。vYM-350HF是日本生产的晶体管式弧焊逆变器，它用于半自动CO2/MAG焊和CO2电弧点焊，配以弧焊机器人可进行高速焊，该焊机采用脉宽调制，通过控制可大范围调节焊接参数和特性，具有一元化调节、旁路引弧、气体流量控制、飞溅控制、焊丝端部去球控制等功能。它的工艺性能好，运行可靠，配有不同功能的遥控盒。【综合训练】【综合训练】v一、填空题答案 1全控、1520；2电子控制电路、给定电路（G）、运算放大器（N）、稳压；3直接、隔离；4轻便、智能控制、弧焊机器人。v二、判断题答案 1（）；2（）；3（）；4（）v三、简答题答案（略）综合知识模块四综合知识模块四 场效应管式弧焊逆变器场效应管式弧焊逆变器 v晶体管式弧焊逆变器与晶闸管式弧焊逆变器相比，虽然提高了逆变频率（20kHz），有利于提高效率，减小电源的体积和质量，但它的过载能力差，热稳定性不理想，存在二次击穿和需要较大的电流驱动（电流控制型）。因此，随后研制出性能更为理想的大功率场效应管（MOSFET），通常以VF表示。它属于电压控制型，只需要极微小的电流就能实现开关控制，而且开关速度更快，无二次击穿。 主要组成和基本工作原理主要组成和基本工作原理 v场效应管式弧焊逆变器原理方框图如图6-19所示。 能力知识点能力知识点 1图图6-19 场效应管式弧焊逆变器的主要组成和原理框图场效应管式弧焊逆变器的主要组成和原理框图v由图6-19可见，和晶体管式（图6-14）相比较，其不同点表现为场效应管式一般采用逆变频率为4050Hz；主电路采用大功率场效应管组，取代功率开关晶体管；晶体管式属电流控制型，而场效应管式属电压控制型；晶体管式需要较大的驱动功率，而场效应管式只需要极小的驱动功率。其相同点表现为，外特性的获得与控制，均借助于脉宽的变化来实现，即同采用“定频率调脉宽”的调节方式。另外，输入整流滤波电路、逆变主电路、输出滤波器、带反馈的闭环控制电路及其原理，都是基本相同的。 逆变主电路逆变主电路 v场效应管式弧焊逆变器的逆变主电路常采用单端正激式、半桥式、全桥式和双重正激单端式。下面以双重正激单端式为例进行介绍，如图6-20所示：能力知识点能力知识点 2图图6-20 场效应管式双重正激单端逆变主电路场效应管式双重正激单端逆变主电路v由图6-20可见，它是由两个独立的单端正激逆变主电路所组成，即由VF1、VF2、VD1、VD2和T1组成一个单端正激逆变主电路，由VF3 、 VF4 、 VD3 、 VD4和T2组成另一个单端正激逆变主电路， VD6、 VD7分别为它们的一次侧输出整流快速二极管， VD5为共用的续流快速二极管。 特点及典型产品介绍特点及典型产品介绍 v1特点特点v（1）控制功率极小 v（2）工作频率高 v（3）多管并联工作相对较易实现v（4）过载能力强，热稳定性能好v（5）管子容量较小，成本较高。可输出直流、脉冲、矩形波交流焊接电流，不仅可以应用于焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊和切割，还可以用于半自动焊，自动焊、机器人焊接等。能力知识点能力知识点 3v2典型产品介绍典型产品介绍v下面以WSM-100为例，其工作原理如图6-21所示： 图图6-21 WSM-100高频脉冲弧焊逆变器原理图高频脉冲弧焊逆变器原理图vWSM-100是高频脉冲弧焊逆变器，其逆变器工作频率为66140kHz。采用高频脉冲可以提高焊接电弧的挺度，从而可提高焊接薄板的效率和质量。如图6-21所示，它采用了定频率调脉冲宽度的控制方法。空载时，输出的控制脉冲宽度很小，因而输出的空载电压也很低。引弧后，在电流正反馈环节的作用下使输出的控制脉冲宽度逐步增加，输出端电压随之逐步升高，焊接电流不再逐步增长，这一正反馈过程由低压引弧电路完成。当焊接电流达到外特性控制电路所设定的电流值时，电流负反馈电路进入工作状态，电流不再增加而保持恒定。低压引弧电路自动退出工作状态。电流的恒定是通过调节脉冲宽度来实现的，即通过“定频调脉宽”控制方式，调节主变压器输出电压来实现电流的恒定。vWSM-100高频脉冲TIG弧焊逆变器的主要技术参数：v网路电压：单相，220Vv空载电压：12Vv电弧电压：20V（工作电压最大可达40V）v焊接电流： 100Av频率调节范围：66140kHzv外特性：垂直陡降v质量：8v外形尺寸：320260 130 【综合训练】【综合训练】v一、填空题答案v1电压、电流；v2正激式、半桥式、全桥式。v二、简答答案（略）v1试述场效应管弧焊逆变器的特点？v2场效应管弧焊逆变器与晶闸管弧焊逆变器有什么异同点？综合知识模块五综合知识模块五 IGBT式弧焊逆变器式弧焊逆变器 v场效应管取代晶体管作为弧焊逆变器的电子功率开关，虽然具有控制功率极小、开关速度快、无二次击穿、逆变频率高等优点。但存在通道电阻大、耐压低、额定工作电流小、需多管并联、生产调试较麻烦等。为了解决这些问题，研制和生产了IGBT功率开关管，该管容量大，生产调试方便，因而很快得到了推广和应用。然而IGBT式弧焊逆变器的逆变频率没有MOSFET式弧焊逆变器高，所以IGBT式和MOSFET式弧焊逆变器各有特色，成为目前并举发展和大面积推广应用的新型弧焊电源。特别是IGBT式弧焊逆变器从较小的功率一直到很大的功率，如1000A以上，故其推广面更宽，推广速度更快。 主要组成和基本工作原理主要组成和基本工作原理 vIGBT式弧焊逆变器的主要组成和基本原理见图6-22所示。与场效应管式、晶体管式弧焊逆变器相比较基本相似，其不同点主要表现为： IGBT管代替场效应管或晶体管；逆变频率（2025kHz），比场效应管（40kHz以上）小； IGBT管采用电压控制，单管容量足够，不必多管并联工作。能力知识点能力知识点 1 分类、应用及典型产品介绍分类、应用及典型产品介绍 v1分类及应用分类及应用 IGBT式弧焊逆变器可按外特性分类、也可按输出直流、脉冲和矩形波交流分成相应的类型，这两类弧焊逆变器具有普遍推广的意义，不仅可用于量大面广的焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊与切割，还可用于1250A2000A的大功率单/双丝埋弧自动焊、碳弧气刨以及机器人弧焊、双丝MIG/MAG/脉冲焊、三丝埋弧焊等。能力知识点能力知识点 2v2典型产品介绍典型产品介绍v（1）MZ-1250型IGBT逆变式弧焊电源 该弧焊电源为埋弧焊电源。其主要技术指标为：网路380V、三相、50/60Hz；额定焊接电流1250A；额定电弧电压44V；空载电压83V；额定负载持续率60%；额定输出功率55kW；效率86.5%（最大效率90%）；功率因数0.93（最高0.96）；埋弧焊逆变器（电源）质量128；埋弧焊逆变器外形尺寸380680880。v（2）高频脉冲焊式弧焊逆变器 其主要技术指标为：网路380V、三相、50/60Hz；额定输入电流62A；额定输入容量32kVA；空载电压80V；额定焊接电流630A；焊接电流调节范围30630 A；额定输出功率27.7kW；效率86%；逆变频率20kHz ；质量47。综合知识模块六综合知识模块六 软开关型弧焊逆变器简介软开关型弧焊逆变器简介 v弧焊电源的功率器件以模拟式或开关式进行工作和控制，在开关式弧焊电源中有硬开关和软开关之分。上面所介绍的都是硬开关型弧焊电源，其功率器件工作在被强迫关断或强迫导通状态下，由于电路存在寄生电容和寄生电感，功率开关器件的导通和关断又是在工作电流和电压不为零、甚至较大值的状态下，所以开关损耗大，并随着频率的增加成正比的增加。这一损耗不仅大大降低了电路的效率，而且可能使电路不能正常工作。而软开关型采用的是谐振变流技术，其特点是功率器件在零电压或零电流条件下自然开通和关断。从本质上克服了硬开关型弧焊电源存在的缺点，解决了功率开关损耗过大的问题。因而软开关技术尤其在弧焊逆变器中应用越来越广泛，从而使弧焊电源的水平又上了一个新台阶。 软开关型逆变主电路软开关型逆变主电路 基本形式及其工作原理基本形式及其工作原理 v目前常见的软开关型逆变主电路基本形式有：v（1）零电流开关谐振逆变主电路；v（2）零电压开关谐振逆变主电路；v（3）多谐振逆变主电路；v（4）串联谐振逆变主电路；v（5）并联谐振逆变主电路；v（6）直流母线谐振逆变主电路；v（7）移相控制谐振逆变主电路；能力知识点能力知识点 1v下面以零电流开关谐振逆变主电路（图6-23）为例，介绍其工作原理：零电流开关是指通过辅助的LC谐振元件，整形功率器件上的电流波形，使得功率器件在零电流条件下自然关断，实现器件的自然换流。零电流技术的优点在于降低了器件的关断损耗，对具有少流子导电的功率器件如等效果很好。 图图6-23 零电流开关谐振逆变主电路零电流开关谐振逆变主电路v零电流开关谐振逆变主电路的缺点是由于流过有源开关内的电流是正弦波，导致有较高的电流有效值和电流峰值，以及谐振电路的环流也产生了附加的导电损耗。在开通时，断态时存在于器件输出电容的能量在器件内部损耗掉，影响了高频工作时的效率。大电压开通时的经密勒电容与门极电容耦合，引起对门极电路的干扰。 软开关型弧焊逆变器软开关型弧焊逆变器 的应用及产品的应用及产品v以WSME-500多用气体保护焊机为例进行简介。v1主要特点主要特点v（1）以IGBT高频软开关型弧焊逆变器作为弧焊电源，其效率高、体积小、质量轻。v（2）采用“AC-DC-AC-DC和AC-DC-AC-DC-AC”两种逆变体制，根据需要进行切换，实现直流、直流脉冲、交流矩形波氩弧焊等。v（3）控制调节性能好，具有多种外特性，一机多用，使用方便。v（4）采用无源功率因数校正，功率因数高。v（5）引弧容易，电弧稳定，焊接质量好。能力知识点能力知识点 2v2主要技术指标主要技术指标 网路380V、三相；额定输入电流31A；额定输入容量21kVA；焊接电流调节范围40500A；额定负载持续率为60%；脉冲周期015s；脉冲宽度调节范围10%90%；电流上升时间0.115s；电流下降时间0.115s；额定效率77%；功率因数0.95；质量98。v3应用应用 从焊接方法来说，可用于直流氩弧焊、直流脉冲氩弧焊、交流矩形波氩弧焊和交流脉冲氩弧焊等；从材料角度来说，可用于碳钢、低合金钢、铜、铝、钛及其合金等各种材料进行焊接。u本单元小结本单元小结v1直流-交流之间的变换称为逆变，实现这种变换的装置称为逆变器。为焊接电弧提供电能，并具有弧焊方法所要求性能的逆变器，即为弧焊逆变器。v2弧焊逆变器由主电路、电子控制系统、反馈给定系统组成。u 主电路由供电系统、电子功率系统和焊接电弧等组成。供电系统是将工频交流电经整流器变换为直流电供给电子功率系统（逆变器）；电子功率系统起着开关、变换电参数的作用，并以低电压大电流向焊接电弧提供所需的电气性能和工艺参数。v电子控制系统对电子功率系统提供足够大的、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。确切地说，它用于产生焊接电弧所需的外特性和动特性。v反馈给定系统由检测电路、给定电路、比较放大电路等组成。检测电路主要用于提取电弧电压和电流的反馈信号；给定电路用于提供给定信号，决定对电弧提供焊接工艺参数的大小；比较放大电路用于把反馈信号与给定信号进行比较后进行放大，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。v3弧焊逆变器主电路的基本工作原理，可以归纳为：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），必要时再把直流变成矩形波交流（AC）。v4根据各种弧焊工艺方法的要求，通过电子控制电路和电弧电压反馈、电弧电流反馈、弧焊逆变器可以获得各种形状的外特性，适用于各种焊接方法。v弧焊逆变器的焊接工艺参数的调节方法有三种：定脉宽调频率 通常晶闸管式弧焊逆变器就是采用这种调节焊接工艺参数方法的；定频率调脉宽 晶体管式、场效应管式弧焊逆变器都适于采用这种焊接工艺参数调节方法；混合调节 调频率和调脉宽相结合的调节方式。v5弧焊逆变器具有高效节能；体积小、质量轻；良好的动特性和弧焊工艺性能；可用微机或单旋钮控制调节焊接工艺参数；设备费用较低等特点。v弧焊逆变器按大功率开关器件可以分为 晶闸管式弧焊逆变器；晶体管式弧焊逆变器；场效应晶体管式弧焊逆变器；IGBT式弧焊逆变器等。v弧焊逆变器由于具有优良的电气性能和良好的控制性能，可用于焊条电弧焊、TIG焊、MAG/CO2/MIG/药芯焊丝焊、等离子弧焊与切割、埋弧焊、机器人焊接等各种焊接方法。v6以快速晶闸管（SCR）为逆变主电路的大功率高压开关管，通过其触发角来控制的弧焊逆变器，称为晶闸管式弧焊逆变器。v晶闸管式弧焊逆变器的外特性形状，是通过电流、电压负反馈与电子控制电路的配合以 改变频率f来控制的。晶闸管式弧焊逆变器是采用“定脉宽调频率”的调节方法来调节焊接工艺参数的，即通过改变晶闸管的开关频率（逆变器的工作频率）来进行的。晶闸管的开关频率越高，电弧电流（或电压）越大。v晶闸管式弧焊逆变器的主电路有串联不对称半桥式电路；串联对称半桥式电路；串联对称桥式电路；并联式全波电路；并联式麦克默里电路等形式。v晶闸管式弧焊逆变器具有工作可靠性较高；逆变工作频率较低；驱动功率低，控制电路比较简单；价格相对便宜等优点。但控制性能不够理想。v晶闸管式弧焊逆变器的典型产品有ZX7-315Z、ZX7-400Z等，主要用于焊条电弧焊及TIG焊；ZX7系列晶闸管逆变弧焊电源，该系列逆变弧焊电源是我国应用逆变焊接电源中最广泛的一种电源，是采用快速晶闸管作功率开关器件的逆变器；晶闸管TIG、MIG、MAG焊电源；逆变式矩形波交流弧焊电源。v7采用晶体管作功率开关元件的弧焊逆变器称为晶体管式弧焊逆变器。v晶体管式弧焊逆变器的主电路形式很多。有单端通向开关电路，可用于焊接电流较小的场合；双端通向开关电路，可用于焊接电流较大的场合；串联半桥式电路，可用于中等焊接电流的场合；并联式（推挽式）电路，可用于焊接电流较大的场合；串联全桥式电路，可用于焊接电流较大的场合。v晶体管式弧焊逆变器具有逆变器的工作频率较高，因而既无噪声的影响，又有利于进一步减轻弧焊电源的质量和体积；采用 “定频率调脉宽”的方式调节焊接工艺参数和外特性， 可以无级调节焊接工艺参数，不必分档调节，操作方便；晶体管式弧焊逆变器采用电流型控制，从基极电流控制晶体管的开关，控制性能好，不存在通易关难的问题，而且控制比较灵活、受主电路参数影响较小；然而晶体管式弧焊逆变器成本较高，晶体管存在二次击穿问题，控制驱动功率较大，需要设驱动电路。v晶体管式弧焊逆变器主要用在MIG/MAG焊、TIG焊、等离子弧焊与切割、焊条电弧焊以及用作弧焊机器人的弧焊电源有一部分已实现智能控制。v8在晶体管式弧焊逆变器的基础上，采用大功率场效应管组取代功率开关晶体管组，即为场效应管式弧焊逆变器。v场效应管式弧焊逆变器具有控制功率极小；工作频率高，可达到40kHz以上，甚至超过100kHz，而且开关过程的损耗很小，有利于提高逆变器的效率和减小体积；多管并联工作相对较易实现；过载能力强，热稳定性能好 ；管子的容量较小，成本较高。v场效应管式弧焊逆变器可以输出直流、脉冲、矩形波交流焊接电流，它不仅可以应用于量大面广的焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊和切割，还可以用于半自动焊，自动焊、机器人焊接等。v9IGBT式弧焊逆变器虽然克服了场效应管式弧焊逆变器的一些缺点，然而它的逆变频率没有场效应管式高，因此场效应管式弧焊逆变器和IGBT式弧焊逆变器各有特色，成为目前并举发展和大面积推广应用的新型弧焊电源。v10软开关式弧焊逆变器从本质上克服了硬开关型弧焊电源存在的缺点，解决了功率开关损耗过大的问题。因而软开关技术尤其在弧焊逆变器中应用越来越广泛，从而使弧焊电源的水平又上了一个新台阶。