§8-4弧焊逆變器§8-4弧焊逆變器

一、概述直流—交流之間的變換稱為逆變，實現(xiàn)這種變換的裝置稱為逆變器。為焊接電弧提供電能，并具有弧焊方法所要求性能的逆變器，即為逆變式弧焊電源，如圖8-19。（一）弧焊逆變器的組成及作用弧焊逆變器的基本組成框圖如圖8-20所示。它的主要組成及其作用如下：1．主電路主電路由供電系統(tǒng)、電子功率系統(tǒng)和焊接電弧等組成。（1）供電系統(tǒng)把50Hz三相或單相的工頻交流電經(jīng)整流器整流和濾波之后，獲得逆變電路所需的穩(wěn)定的直流電壓。

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圖8-19弧焊逆變器的典型產(chǎn)品§8-4弧焊逆變器

圖8-20弧焊逆變器的基本組成框圖（2）電子功率系統(tǒng)由逆變主電路、中頻變壓器起開關(guān)、變換電參參數(shù)（電壓、電流及波形）的作用，并以低電壓大電流向焊接電弧提供所需的電氣性能和工藝參數(shù)。2．電子控制系統(tǒng)對電子功率系統(tǒng)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。電子控制系統(tǒng)包括驅(qū)動電路和電子控制電路兩部分。3．給定反饋系統(tǒng)由檢測電路P、給定電路G、比較放大電路N等組成。檢測電路P主要用于提取電弧電壓和電流的反饋信號；給定電路G用于提供給定信號，決定對電弧提供焊接工藝參數(shù)的大小；比較放大電路N用于把反饋信號與給定信號進(jìn)行比較后進(jìn)行放大，與電子控制系統(tǒng)一起，實現(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。§8-4弧焊逆變器

（二）弧焊逆變器的基本工作原理弧焊逆變器的基本工作原理，如圖8-21所示?；『改孀兤髦麟娐返幕竟ぷ髟?，可以歸納為：工頻交流→直流→高、中頻交流→降壓→交流并再次變成直流，必要時再把直流變成矩形波交流。因而在弧焊逆變器中可采用三種逆變體制：AC－DC－ACAC－DC－AC－DCAC－DC－AC－DC－AC（矩形波）§8-4弧焊逆變器

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圖8-21弧焊逆變器基本原理框圖（三）弧焊逆變器的外特性及焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)

弧焊逆變器的焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)方法大致有三種：（1）定脈寬調(diào)頻率脈沖電壓寬度不變，通過改變逆變器的開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)參數(shù)大小。開關(guān)頻率越高，輸出電壓就越大。通常晶閘管式弧焊逆變器就是采用這種調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)方法的。（2）定頻率調(diào)脈寬脈沖電流頻率不變，通過改變逆變器開關(guān)脈沖的脈寬比來調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)。脈寬比越大，則工作電流也越大。晶體管式、場效應(yīng)管式弧焊逆變器都適于采用這種焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)方法。（3）混合調(diào)節(jié)調(diào)頻率和調(diào)脈寬相結(jié)合的調(diào)節(jié)方式?！?-4弧焊逆變器

（四）弧焊逆變器的特點（1）高效節(jié)能效率可達(dá)80%～95%，功率因數(shù)可提高到0.99，空載損耗極小，比傳統(tǒng)弧焊電源節(jié)電1/3以上。（2）體積小、重量輕中頻變壓器的重量僅為傳統(tǒng)弧焊電源降壓變壓器的幾十分之一；整機(jī)重量僅為傳統(tǒng)弧焊電源的1/5～1/10；整機(jī)體積也只有傳統(tǒng)弧焊電源的1/3左右。（3）具有良好的動特性和弧焊工藝性能它采用電子控制電路，可以根據(jù)不同的焊接工藝要求設(shè)計出合適的外特性，并保證具有良好的動特性，從而可進(jìn)行各種位置的焊接，獲得良好的焊接工藝性能?！?-4弧焊逆變器

（4）可用微機(jī)或單旋鈕控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)。（5）設(shè)備費用較低，但對制造技術(shù)要求較高。（五）弧焊逆變器的分類弧焊逆變器可從不同的角度進(jìn)行分類。通常是按大功率開關(guān)器件進(jìn)行分類，分為晶閘管式弧焊逆變器、晶體管式弧焊逆變器、場效應(yīng)晶體管式弧焊逆變器、IGBT式弧焊逆變器等。二、晶閘管式弧焊逆變器（一）組成與工作原理圖8-22所示的晶閘管式弧焊逆變器，主電路由輸入整流器UR1、逆變電路和輸出整流器UR2等組成。主電路的核心部分是逆變電路?！?-4弧焊逆變器

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圖8-22晶閘管式弧焊接逆變器主電路它由晶閘管VT1、VT2，中頻變壓器T，電容C2～C5，電感線圈L1、L2等組成。在圖8-23中，當(dāng)開關(guān)SA1（即VT1）閉合，而SA2（即VT2）斷開時，電容的放電電流由→SA1→T→，電容的充電電流則由（+）→SA1→T→→→（-），從而在中頻變壓器T上形成正半波的電流。當(dāng)SA2閉合，SA1斷開時，電容的放電電流由→T→SA2

→

，電容的充電電流由（+）→→→T→SA2→（-）,從而在變壓器T上形成負(fù)半波電流。這樣SA1、SA2每交替閉合和斷開一次，就在變壓器T上產(chǎn)生一個周波的交流電，它們每秒鐘通斷的次數(shù)就決定了逆變器的工作頻率，這就是所謂的“逆變調(diào)頻”原理?！?-4弧焊逆變器

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圖8-23對稱半橋式逆變器原理示意圖（二）外特性控制原理和焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)晶閘管式弧焊逆變器的外特性形狀，是通過電流、電壓負(fù)反饋與電子控制電路的配合以改變頻率來控制的。逆變器的工作頻率降低，獲得恒流外特性；如果采用電壓負(fù)反饋，則可得到恒壓外特性；若按一定的比例取電流和電壓反饋信號，便可得到一系列一定斜率的下降外特性。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)焊接工藝參數(shù)的，即通過改變晶閘管的開關(guān)頻率（逆變器的工作頻率）來進(jìn)行的。晶閘管的開關(guān)頻率越高，電弧電流（或電壓）越大?！?-4弧焊逆變器

（三）特點（1）工作可靠性較高（2）逆變工作頻率較低（3）驅(qū)動功率低，控制電路比較簡單（4）控制性能不夠理想（5）晶閘管的價格相對比較低，有利于降低成本（6）單管容量大，不必解決多管并聯(lián)的復(fù)雜技術(shù)問題三、晶體管式弧焊逆變器（一）組成與工作原理§8-4弧焊逆變器

晶體管式弧焊逆變器的主要特性是，采用大功率晶體管（GTR）組取代大功率晶閘管來作為逆變器的大功率開關(guān)器件。它的原理框圖如圖8-24所示。（二）外特性控制原理和焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)晶體管式弧焊逆變器的外特性，仍然是通過電流和電壓反饋電路與電子控制電路相配合以改變脈沖寬度來控制的。圖8-24中的分流器RS取電流反饋信號，經(jīng)過檢測器P與給定值G比較以后，將其差值經(jīng)放大器N放大送到電子控制電路。隨著焊接電流的增大，使逆變器的脈沖寬度迅速減小，就可以得到恒流外特性。如果采取電壓反饋方式，則可得到恒壓外特性。若按一定的比例取電流和電壓反饋信號，可獲得一系列一定斜率的下降外特性?！?-4弧焊逆變器

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圖8-24晶體管式弧焊逆變器的基本原理方框圖晶體管式弧焊逆變器是采用“定頻率調(diào)脈寬”的調(diào)節(jié)方式來調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)的。當(dāng)占空比（脈沖寬度與工作周期之比）增大時，焊接電流增大。（三）特點（1）逆變器的工作頻率較高（2）采用“定頻率調(diào)脈寬”的方式調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)和外特性（3）控制性能好（4）成本較高§8-4弧焊逆變器

四、MOSFET式和IGBT式弧焊逆變器MOSFET式和IGBT式弧焊逆變器的組成和工作原理，與GTR式相比大同小異，如圖8-25所示為它們的原理方框圖。1．三種弧焊逆變器的相同點

IGBT和GTR式的主電路逆變頻率為20kHz左右，MOSFET式一般采用40～50kHz。外特性的獲得與控制都采用“定頻率調(diào)脈寬”的調(diào)節(jié)方式。輸入整流濾波電路、逆變主電路、輸出濾波電路、帶反饋的閉環(huán)控制電路及其原理，都是基本相同的?！?-4弧焊逆變器

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圖8-25MOSFET式和IGBT式弧焊逆變器原理方框圖

2．三種弧焊逆變器的不同點（1）MOSFET式和IGBT式主電路分別采用大功率MOSFET和IGBT管組，取代功率開關(guān)晶體管GTR。（2）MOSFET式和IGBT式采用電壓控制（屬電壓控制型）。（3）MOSFET式和IGBT式只需要極小的驅(qū)動功率，而GTR式需要較大的驅(qū)動功率，因而為驅(qū)動放大往往需要增設(shè)驅(qū)動電路。（二）特點和應(yīng)用1．MOSFET式弧焊逆變器：§8-4弧焊逆變器

（1）控制功率極小MOSFET的直流輸入電阻很高，采用電壓控制，只要控制電壓大于一定值，MOSFET管就能進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，因而所需控制功率極小。而開關(guān)晶體管（GTR）只有在基極控制電流足夠大時才能達(dá)到飽和導(dǎo)通狀態(tài)，而且管子的放大倍數(shù)一般都較小，需要較大的控制功率。（2）工作頻率高M(jìn)OSFET管的逆變速度可達(dá)40kHz以上，且開關(guān)過程損耗小，有利于提高逆變器的效率和減小體積。（3）多管并聯(lián)相對較易實現(xiàn)。（4）過載能力強(qiáng)，熱穩(wěn)定性好MOSFET管不存在二次擊穿問題，可靠工作范圍更寬，動特性更好?！?-4弧焊逆變器

（5）管子的容量較小，成本較高。MOSFET式弧焊逆變器可以輸出直流、脈沖、矩形波交流焊接電流，它不僅可以應(yīng)用于焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、等離子弧焊，還可用于半自動焊、自動焊、機(jī)器人焊接等。2．IGBT式弧焊逆變器（1）因為IGBT管耐壓1200V，最大容量可達(dá)600A；而MOSFET管耐壓1000V，最大容量只有30A左右。因而，既便用于埋弧焊的IGBT式弧焊逆變器也不必采用多管并聯(lián)，減少了調(diào)試工作。（2）IGBT管的飽和壓降比較低，有利于減少逆變器的功率損耗?！?-4弧焊逆變器

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