逆变式弧焊电源
软开关逆变式弧焊电源的设计
软开关逆变式弧焊电源的设计摘要:软开关技术是解决逆变弧焊电源可靠性的核心技术.本文提出了一种新的软开关逆变弧焊电源的设计方案,该方案基本上可实现空载、短路、燃弧全负载范围内的软开关状态.本文分析了超前臂的关断功耗与并联电容之间的关系,串联电容及回路电感对环流期的电流变化的影响.并指出了滞后桥臂零电流关断区域,以及超前臂和滞后臂的零开通条件.在此基础上提出了引入无功电流分量解决空载及轻载时软开关失败问题的方案,以及几个主要谐振参数的设计方法.在实践中采用本方案表明,降低了开关应力及损耗,提高了整机可靠性,降低了弧焊电源的成本.关键词:软开关; 逆变; 弧焊电源中图分类号: TG444文献标识码: A文章编号: 0253-360X(2002)01-14-050 序言软开关逆变技术已成功应用于众多电源中,但在逆变弧焊电源的应用中,由于弧焊电源经常工作在输出开路、短路、燃弧等状态中,负载范围宽,在整个负载范围内实现软开关难度大.现在逆变焊机中软开关控制方式主要分为两种,第一种是串联谐振式的调频工作方式(PFM),这种方式弧焊电源空载时的无功电流太大,主回路中电流峰值很高,存在电流连续与非连续两种状态,控制复杂,仅美国米勒公司在某些类型的焊机中采用;第二种是全桥移相谐振的脉宽调制工作方式(PWM),由于采用PWM控制,控制特性较好,回路中电流峰值低,但实现软开关的条件范围窄[1] ,本研究提出一种新的软开关逆变弧焊电源的设计方案,解决如何在整个工作范围实现逆变弧焊电源软开关的问题.1主回路设计与实现1.1主回路形式主回路选用改进型的全桥相移谐振式电路,如图1所示.Q1,Q3为超前臂;Q2,Q4为滞后臂;C1, C3为超前臂电容;C2, C4为滞后臂电容;C1=C3≥C2=C4, CX 为抑制环流电容,LX1为变压器回路等效漏感,LX2为饱和电感,B为变压器.E为输入电压,Uo为输出电压.1.2 控制方式(1) 采用峰值电流控制模式, 既保护了开关管又可有效抑制变压器偏磁.(2) 软开关实现模式为Q1,Q3为PWM控制;Q2,Q4为互补180°导通,不进行PWM 调制.整个工作过程分为四个模式.1.3 电路的实现1.3.1 实现中的几个主要问题(1) 元件选择将以上计算应用于ZX7系列及NBC系列逆变焊接电源的设计中,以ZX7-500电源为例,其功率管可用100A/1200V的IGBT,主变压器采用非晶铁芯绕制,串在变压器原边的电容采用高频CBB系列电容.(2)控制回路的实现由于没有此种导通模式的专用芯片,本设计是在电流型芯片UC3846的基础上改造使用. (3)实现中的难点饱和电感由于功耗很大、发热,且电感量易发生变化,设计应选择损耗小、矩形度好的铁芯材料.1.3.2 主电路中的几个波形主电路中的几个波形如图3所示.2主回路中参数选择计算以ZX7系列焊机为例,焊接电源的外特性曲线如图 4所示 .弧焊电源要可靠工作必须满足在ADBO整个包络线内的所有点上 C1, C2, C3, C4要换流充分,否则开通时IGBT两端并联的电容将直接向IGBT放电,使开关器件IGBT损坏.2.1 空载、轻载时 C1, C3的换流问题图4中A点及附近点区域输出电流很小基本上为零,即焊机为空载状态或轻载,此时输出为最大脉宽, C1, C2, C3, C4电容无法进行换流,造成软开关模式失败.解决方法是在逆变桥内引入无功电流,使超前臂和滞后臂电容换流完毕,由于C1=C3,C2= C4 ,故主要考虑超前臂的换流,换流无功电流大小满足式为式中: I[sub]s[/sub]为换流期间的无功电流; t[sub]s[/sub]为死区时间; E为电源电压.2.2 超前臂电容大小的确定超前臂为负载换流, C1, C3的作用是降低关断损耗和改善关断轨迹,等效电路如图5所示. 图中 C是等效的超前臂电容; Io是输出电流折算到原边回路的等效恒流源.假定U是IGBT的 c、e 两端电压, I是流过IGBT中的电流,Ucg 是c 、g 两端电压,Uge是g 、e 两端电压.由于E Uge ,所以Ucg≈U , IC 是流过C中的电流.2.2.2 IGBT的关断功耗IGBT的关断分为两部分,一是场效应管的关断过程,二是内部载流子的自身复合过程.整个关断过程可等效如图6[2]所示.图中t[sub]OFFA[/sub]为电流下降时间;t[sub]OFFB[/sub]为电流拖尾时间,关断过程的IGBT上的功耗主要由 t[sub]OFFA[/sub] , t[sub]OFFB[/sub] 决定,设关断电流简化为线性下降,关断时间为 t[/sub]OFF[/sub] 见图6. IGBT中的电流为根据式(2)可计算出电容量大小.2.3 环流过程分析及串联电容的计算超前臂关断后,电路进入环流阶段,变压器回路中电流通过串联电容CX基本上线性衰减,使回路中通态损耗变小,滞后臂关断时损耗变小,关断时电流为零最理想.假设环流时等效电路如图7 所示,在以下分析略去滞后臂的关断死区时间.LX1为等效漏抗; LX2为饱和电感; CX为串联电容,假设LX2饱和电流相对于工作电流约为零,电容电压幅值为UC , LX1 初始电流为 Io,K在1位为超前臂导通,K在2位时为环流位置. tON 为超前臂导通时间. t是电流衰减约为零的时间.K在位置1时,即导通期间 tON 内,电容 CX上的电压变化为设弧焊电源逆变频率为50 kHz,利用式(8)、(9)可得一簇曲线,如图8所示,曲线与直线 tON + t =10μs的交点为零关断区的范围,在图中取一曲线可看出,当tNO在A~B 范围内都可保证为滞后臂零电流关断.选定一条曲线,来保证tON 工作范围,此曲线对应一个LX·C 值.电路中的LX值已知后,可选定C值.LX主要由漏抗来决定,可以测量出来.2.4 开关管的零开通条件及饱和电感的工作状态饱和电感的磁链数可用伏秒积来表示,饱和电感 LX2 的工作状况主要有几个阶段,如图9所示.(1)在B点之前LX2为饱和状态;(2)在环流期BC段的饱和电感的伏秒数为UC·tBC ;(3)死区CE段中的CD段饱和电感的伏秒数为(UC +E)tCD ,DE 段电流反相饱和电感的伏秒数为UC·tDE ;(4)在IGBT开通初期,LX2上的伏秒数为(UC+E)tEF ,其中A、B、C、D、E、F 定义如图9中所示.A点为超前臂关断点,B点为LX2的饱和电流点,C点为滞后臂关断点,D点为LX2电流反相点,E点为IGBT开通时刻,F点为饱和LX2的饱和点.总之,LX2的总磁链数保证tEF的值大于IGBT的开通时间tON1,来保证IGBT的零电流开通,即tEF-tON1≥0,tEF-tON1的值称为占空比损失,tON1为IGBT的开通时间.实际中LX 随温度改变而变化.故LX2的选择还需通过试验进行调整.3 生产应用该方案已成功应用于实践,并推广至平特性、下降特性弧焊电源,使得此类弧焊电源可靠性增加,成本下降,并且此方案已在奥太焊机上应用,生产数千台弧焊电源,取得明显经济效益.4 结论(1) 本文提出的计算方法,可正确地计算出软开关的工作区域,以及开关管的工作状态.利用本文提出的计算方法,可得到开关管的关断损耗及主回路中几个主要参数值.(2) 本文提出了一种实现全负载软开关的方案,经实际应用取得良好效果.参考文献:[1]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,1998.[2]郑利军,任天良,姜燕.PWM方式开关电源中IGBT的损耗分析[J].电力电子技术,1999,33(5):58~60.选自《焊接学报》2002年第01期。
高频逆变式弧焊机电源的研制初探
是 ｌ ３ 各导通 １０ 电角－ ８度 ５ ２ 和检测 电路及焊 接回路的阻抗 ，获得焊接 工艺 制 ， ｓ 和 ｓ 轮流导 通 ， 和 ｓ 也是 这样 ， ｓ 和 ｓ 不 是同时导通 。ｓ ４ 但 １ ４ １ 先 导通 ， 后导通 ， ｓ ４ 两者导通 相差 ａ 电角 。其 中 Ｓ 和 ｓ 分 别先于 ｓ １ ３ ４和 ｓ 导通 ， ２ 故称 ｓ 和 ｓ ｌ ３ 组 成 的桥臂 为超前 桥臂 ，２和 Ｓ ｓ Ａ组 成 的桥臂 为滞后桥臂 。 Ｍ Ｔ Ｐ Ｐ 与一般全桥 Ｐ ＷＭ拓扑 的唯 区别在 于二者开关过程不 同 ，Ｍ 在开关过 Ｐ 程 中是软 开关 。ＭＰ 技术 的核心在 于保证 每个 Ｐ Ｔ 桥 臂上 的开关元件 的漏一 源极 间的 电压 能够在 其进入 下一个导通周期 之前 降至 ０ ， Ｖ 以实现零
摘 要： 弧焊机 电源是 电弧 焊机 的重要 组 成部 分 ， 它是 对焊接 电弧供 给 电能 的装置 ， 它应 满足 电弧焊所要 求的 电气特性 。 弧焊机 电源电 气性能 的优劣 ， 很 大程 度上 决定 了电弧焊机 焊接过程 的稳 定性 。没有 先进 的弧焊机 电源 ， 实现先进 的 焊接 工 艺和 焊接 过程 自 化 在 要 动 也 是难 以办到 的。 弧焊机 电源具 有较大 的短路 电流和较 高的空栽 电压等 特点 。 高频逆 变式弧 焊机 电源是 近年 来世界 焊接 电源界 研 究的 新技 术 。它具有控 制性 能优异 、 特性好 、 动 焊接工 艺性优 良、 重量轻 、 效率 高 、 率 因数 高 、 功 引弧 性能好 、 焊接速 度快 等优 点 ， 当前 国际 是 上 焊接 电源设备发 展 的主流和 方向 。这种 电源除 了能 够用 于弧 焊机外 ， 可 以用作 喷涂等 需要 大电流 ， 电压的设备 的 电源。 还 低 关 键 词 ： 焊机 ； 弧 电源 ； 设计
02 逆变式弧焊电源
第二章逆变式弧焊电源§2－1 逆变电弧焊机基本原理随着科学技术的进步，电力电子技术、材料加工和计算机技术的发展，极大的推动了焊接电源的发展。
焊接电源从电磁控制发展到电子控制，从普通的整流电源发展到逆变电源，在短短的20年间，逆变技术得到突飞猛进的发展，主要表现在：& 主电路拓扑结构更加完善。
&IGBT由于开关性能好、通态损耗小、工作可靠而得到广泛应用。
& 高频变压器普遍使用铁氧体或微晶体制作，性能优良。
一、逆变弧焊电源介绍1、逆变弧焊电源的特点& 重量轻、体积小、节省材料。
是传统工频焊机体积的1/3；& 高效节能、功率因数高；&可控性好、易于获得良好的动特性；& 可获得较高频率的矩形波，提高电弧稳定性，改善弧焊性能。
2、逆变弧焊电源分类：按采用的逆变开关器件可划分为：（1）晶闸管式；（2）晶体管式；（3）场效应管式；（4）IGBT式。
二、逆变弧焊电源的基本组成及原理图2－1 逆变弧焊电源的原理框图逆变弧焊电源的原理框图如图2－1，从原理上说，分为主电路（主回路）和控制电路（控制回路）两大部分。
1、逆变电源主回路主要有四部分组成：（1）整流滤波电路：将三相380V/50Hz的交流电整流滤波后，获得平滑的直流电。
（2）逆变回路：将直流电变换成几千至几万Hz的中频交流电。
（3）中频变压器：将中频交流电降压，传输至副边。
（4）输出整流滤波：将中频交流电变换成直流，经滤波后输出。
逆变的过程：工频交流Æ直流Æ高中频交流Æ降压Æ交流Æ直流输出因而在逆变电源中主要采用两种方法：a ACÆDCÆACÆDCb ACÆDCÆACÆDCÆAC(矩形波)目前，主要采用 a 方式。
2、逆变控制方式：控制回路的核心作用是逆变控制方式的实现。
逆变器的控制主要有两种方式：（1）定脉宽调频率（PFM）：脉冲宽度不变，通过改变逆变器的开关频率来调节输出的大小，频率越高，输出功率越大。
MZ-IGBT 系列 逆变式埋弧焊电源 使用说明书
MZ-IGBT 系列逆变式埋弧焊电源使用说明书操作前请认真阅读本说明书，并妥善保管，以便今后查阅成都易镕宜锢科技有限公司严禁复制☺用户安全提示：本公司的所有焊接和切割设备在设计上已充分顾及用户的安全，尽管如此，如果您能正确地安装和使用该设备对您的安全仍将大有助益，在没有认真阅读说明书之前，请不要随意安装、使用或对设备进行维修。
警告！使用本设备需加装漏电保护开关！！！禁止将焊接电源作管道解冻之用！！！本焊机电源防护等级为IP21S 不适于在雨中使用。
警告！电弧及弧光可能损害健康保护自己和他人免受辐射和灼伤，避免他人进入焊接区域，施焊人员应有权威机构出具的健康证明：仔细阅读下列重要提示，仔细阅读由权威机构发行的焊工安全条例，确保焊机和切割机的安装、使用、维护和维修均由专业人士进行。
1►电击：焊接回路在工作时其电路是开放的，如果身体的裸露部分同时触及焊机输出的两个电极回路，将导致触电事故，严重时又生命危险。
预防电击应该做到：■工作场地铺设干燥、足够大的绝缘材料，如果条件不允许，可尽量采用自动和半自动焊机；直流焊机。
■在自动和半自动焊机上，焊丝盘、送丝机、导电嘴、焊接机头等都是带电部件。
■确保焊接设备到焊接工件的电缆连接可靠，并靠近焊接点。
■焊接工件须与大地可靠连接。
■确保焊钳、接地夹、焊接电缆、机头等绝缘材料没有破损，受潮，霉变等情况，并随时更换。
■严禁将焊接部件浸泡在水中冷却。
■严禁同时触及两台焊机的带电部分，因为在不了解地线接法时，认为其电压为两倍的焊接电压！■在高空或有跌落危险的场合作业时，应佩带安全带以防电击导致失去平衡。
2►弧光：焊接时须佩戴面罩以防弧光损害眼睛和皮肤，注意采用符合国家标准的滤光玻璃。
■穿着阻燃性防护或帆布工作服以免皮肤被强烈的弧光灼伤。
■工作之前提醒他人，以免他人在未戴防护工具之前被弧光意外伤害。
3►烟尘：焊接时产生很多有害气体及烟尘，对身体有害，焊接时应尽量避免焊接烟尘进入呼吸道，在某些狭窄场地进行施工时可使用排气装置将焊接烟尘排出，或使用呼吸器请不要与脱脂剂、清洗剂、喷雾剂的使用同时进行，因为强烈的弧光可以与这些气体产生化学反应而产生光气，这是一种剧毒性物质。
2024年逆变式弧焊电源市场前景分析
2024年逆变式弧焊电源市场前景分析摘要逆变式弧焊电源是一种高效、节能的焊接设备，具有广泛的应用领域。
本文通过对逆变式弧焊电源市场的概述，市场规模和趋势进行分析，以及竞争格局和市场前景的评估，为逆变式弧焊电源行业的相关从业人员和投资者提供了有价值的参考。
1. 引言逆变式弧焊电源是通过利用晶闸管逆变原理将低压交流电转换为高频、高压直流电，在焊接过程中提供所需的电能。
逆变式弧焊电源具有快速启动、高效能利用、稳定电弧和优质焊接等优点，被广泛应用于制造业、建筑业以及汽车制造等领域。
2. 市场概述逆变式弧焊电源市场规模不断扩大，主要原因有以下几个方面： - 制造业的发展推动了逆变式弧焊电源市场的需求增长。
- 建筑业的快速发展需要高效、节能的焊接设备。
- 汽车制造业对于优质焊接的需求促进了逆变式弧焊电源的市场发展。
3. 市场规模和趋势逆变式弧焊电源市场规模不断增长，预计未来几年将继续保持稳定的增长率。
市场趋势有以下几个方面： - 技术进步和创新推动了逆变式弧焊电源的升级换代。
- 焊接设备的高效能利用和节能特性受到市场青睐。
- 新兴市场对于逆变式弧焊电源的需求不断增加。
4. 竞争格局逆变式弧焊电源市场竞争激烈，主要竞争者包括国内外大型制造商和中小型企业。
竞争格局表现在以下几个方面： - 大型制造商凭借其品牌优势和规模效应占据市场主导地位。
- 中小型企业通过不同的技术创新和定位策略在市场中寻找竞争空间。
5. 市场前景逆变式弧焊电源市场前景广阔，未来几年将出现以下几个发展趋势： - 技术进步和创新将推动逆变式弧焊电源的功能和性能的提升。
- 新兴市场需求的增加将为逆变式弧焊电源的市场扩展提供机会。
- 环保和节能意识的提高将对逆变式弧焊电源的发展产生积极的影响。
6. 结论逆变式弧焊电源市场具有广阔的发展前景，然而竞争激烈也是市场的现实。
相关从业人员和投资者应密切关注市场变化，把握技术创新和市场需求，以实现长期可持续发展。
一文看懂逆变直流电焊机的工作原理
一文看懂逆变直流电焊机的工作原理逆变直流电焊机的工作原理：逆变电焊机主要是逆变器产生的逆变式弧焊电源，又称弧焊逆变器，是一种新型的焊接电源。
是将工频（50Hz）交流电，先经整流器整流和滤波变成直流，再通过大功率开关电子元件（晶闸管SCR、晶体管GTR、场效应管MOSFET或IGBT），逆变成几kHz~几十kHz 的中频交流电，同时经变压器降至适合于焊接的几十V电压，再次整流并经电抗滤波输出相当平稳的直流焊接电流。
其变换顺序可简单地表示为：工频交流（经整流滤波）→直流（经逆变）→中频交流（降压、整流、滤波）→直流。
即为：AC→DC→AC→DC因为逆变降压后的交流电，由于其频率高，则感抗大，在焊接回路中有功功率就会大大降低。
所以需再次进行整流。
这就是目前所常用的逆变电焊机的机制。
逆变电源的特点：弧焊逆变器的基本特点是工作频率高，由此而带来很多优点。
因为变压器无论是原绕组还是副绕组，其电势E与电流的频率f、磁通密度B、铁芯截面积S及绕组的匝数W有如下关系：E=4.44fBSW而绕组的端电压U近似地等于E，即：U≈E=4.44fBSW当U、B确定后，若提高f，则S减小，W减少，因此，变压器的重量和体积就可以大大减小。
就能使整机的重量和体积显著减小。
还有频率的提高及其他因素而带来了许多优点，与传统弧焊电源比较，其主要特点如下：1.体积小、重量轻，节省材料，携带、移动方便。
2.高效节能，效率可达到80%~90%，比传统焊机节电1/3以上。
3.动特性好，引弧容易，电弧稳定，焊缝成形美观，飞溅小。
4.适合于与机器人结合，组成自动焊接生产系统。
5.可一机多用，完成多种焊接和切割过程。
电焊机之IGBT系列焊机工作原理一、功率开关管的比较常用的功率开关有晶闸管、IGBT、场效应管等。
其中，晶闸管（可控硅）的开关频率最低约1000次/秒左右，一般不适用于高频工作的开关电路。
1、效应管的特点：场效应管的突出优点在于其极高的开关频率，其每秒钟可开关50万次以上，耐压一般在500V以上，耐温150℃（管芯），而且导通电阻，管子损耗低，是理想的开关器件，尤其适合在高频电路中作开关器件使用。
逆变电焊机原理
逆变电焊机原理逆变电焊机百科名片逆变式弧焊电源，又称弧焊逆变器，是一种新型的焊接电源。
这种电源一般是将三相工频(50Hz)交流网路电压，先经输入整流器整流和滤波，变成直流，再通过大功率开关电子元件(晶闸管SCR、晶体管GTR、场效应管MOSFET或IGBT)的交替开关作用，逆变成几kHz~几十kHz的中频交流电压，同时经变压器降至适合于焊接的几十V电压，后再次整流并经电抗滤波输出相当平稳的直流焊接电流。
一、逆变器及逆变式弧焊电源将直流电转换成交流电的装置称逆变器。
其变换顺序可简单地表示为:工频交流(经整流滤波)?直流(经逆变)?中频交流(降压、整流、滤波)?直流。
如果用符号表示，即为: AC?DC?AC?DC 一般都采用上述这种体制。
这是因为如果直接用逆变降压后的交流电进行焊接，由于其频率高，则感抗大，在焊接回路中有功功率就会大大降低。
因此，还需再次进行整流。
二、逆变电源的特点弧焊逆变器的基本特点是工作频率高，由此而带来很多优点。
这是因为变压器，无论是原绕组还是副绕组，其电势E与电流的频率f、磁通密度B、铁芯截面积S及绕组的匝数W有如下关系: E=4.44fBSW 而绕组的端电压U近似地等于E，即: U?E=4.44fBSW当U、B确定后，若提高f，则S减小，W减少，因此，变压器的重量和体积就可以大大减小。
这样，就能使整机的重量和体积显著减小。
不仅如此，还因为频率的提高及其他因素而带来了许多优点，与传统弧焊电源比较，其主要特点如下: 1.体积小、重量轻，节省材料，携带、移动方便。
2.高效节能，效率可达到80%~90%，比传统焊机节电1/3以上。
3.动特性好，引弧容易，电弧稳定，焊缝成形美观，飞溅小。
4.适合于与机器人结合，组成自动焊接生产系统。
5.可一机多用，完成多种焊接和切割过程。
由于逆变电源具有上述一系列的优点，因此，自20世纪70年代后期问世以来发展极快，在美、日等工业发达国家，应用范围已相当广了。
一种逆变式弧焊电源[实用新型专利]
![一种逆变式弧焊电源[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/7dde643f28ea81c759f57840.png)
专利名称：一种逆变式弧焊电源专利类型：实用新型专利
发明人：刘振光
申请号：CN201120346280.3申请日：20110915
公开号：CN202278284U
公开日：
20120620
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及一种逆变式弧焊电源，包括依电路原理连接的三相整流模块、电容滤波模块、全桥逆变模块、降压隔离模块、二次整流模块、取样反馈模块、电感滤波输出模块、逆变控制模块；逆变控制模块的输入端与取样反馈模块的输出端连接，逆变控制模块的输出端与全桥逆变模块连接，还包括稳压模块，稳压模块的输入端与电容滤波模块的输出端连接，稳压模块的输出端与全桥逆变模块的输入端连接，本实用新型能在电源电压不稳定的地方正常工作，能够兼容不同地区的不同电压的电网。
申请人：深圳市佳士科技股份有限公司
地址：518000 广东省深圳市宝安区西乡街道鹤洲恒丰工业城C2栋1层、2层、3层、4层西、5层西面、C4栋5层
国籍：CN
代理机构：深圳市精英专利事务所
代理人：李新林
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逆变式弧焊电源的研究与开发
f 工作频率; B 1. 3 控制电路
控制电路主要 由电子控 制电路 和驱动电 路构 成 . 电子控制电路又包括时序控制电路和脉宽调制 电路, 其中脉宽调制电路是整个弧焊电源控制系统 的核心 , 它与控制系统中的其它电路都有直接联系, 其主要作用是将电压给定信号和电压反馈信号进行
图2 逆变器电路原理图
通过 VT 2 向 n1 放电 , 同 时, 输 入电 压 U 也通 过 V T 2 向 n1 放电并对 C2 充电 , 变压器一次电流的方 向为由下至上, 此时 n1 上的电压与 C3 上的电压相 等 , 方向与初 级电流相同 . 由此可见 , 通过 VT 1 和 V T 2 的交替导通和截止, T D 的二次侧即可得到矩 形波交流输出, 实现了直流变交流 . V T 1 和 VT 2 的 导通和截止受控于电子控制电路, 逆变器的工作频 率取决于 VT 1 和 V T 2 的通断频率.
收稿日期 : 2003- 11- 17 作者简介 : 李天喆 ( 196Байду номын сангаас- ) , 女 , 江苏无锡人 , 工程师 , 学士 .
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广
东
有
色
金
属
学
报
2 00 5
以 C2 和 C3 的中点电位为 U / 2, U V1= UV2= U/ 2. 此时, 中频变压器 T D 的一次线圈 n1 两端的电压 U1= 0. 当 VT 1 导通, VT 2 截止时 , 由于 U V1= 0, UV2= U, C2 两端的电压通过 VT 1 向 n1 放电 , 同 时, 输入电压 U 也通过 VT I 向 n1 放电并对 C3 充 电, 流经 n1 的电流方向由上至下, n1 上的电压与 C2 上的电压相等, 其方向与一次电流相同. 当 VT 1 截 止, VT 2 导通时, U V1= U, U V2= 0, C3 两端的电压
逆变式弧焊电源的分析与设计
科技信息
职教 与成教
避变式弧焊电源明 分析 与设计
包头职 业技 术 学 院电 气工程 系 刘 江
目前 ， 随着计算机和信息产业 的飞速发展 ， 信号处理 学科 不但在理 论上 ， 而且在方法上都获得了迅速发展。 特别是数字信 号处理器 （ ｓ ＿ ＤＰ Ｄｇ ａ Ｓ ｎｌ ｒ ｅｓ ） ｉ ｔ ｇａＰｏ ｓ ｒ的诞生与快速发 展， ｉｌ ｉ ｃ ｏ 使各种数 字信号处 理算法得 以实时实现 ， 为数字信号处理的研究 和应用打开 了新局面 。 由于 Ｄ Ｐ具 Ｓ 有丰富 的硬件资源 、 改进的并行结构 、 高速数据处理能力 和强 大的指令 系统 ，已经成为世界半导体产业 中紧随微处理器 与微控 制器 之后的又 个热点 ， 在通信 、 航空 、 航天 、 雷达 、 工业控制 、 网络及 家用 电器 等各 个 领域得到了广泛的应用。 Ｄ Ｐ具有 以下结 构特 点 ， Ｓ 使它具有体积小 、 功耗小 、 使用 方便 、 实时 处理迅速 、 处理数据量大 、 处理精度 高、 性能价格 比高等优点 。 （） １ 采用改进 型哈佛结构 ， 具有独立 的程序总线和数据总线 ， 可同时 访问指令和数据空间 ， 许数据在程序存储器和数据存储器之 间进 行 允 传输 。 （） ２ 高度的操作“ 行性 ” 在一个指令周期 内可 以完成多重操作 ， 并 ， 一 般能够完成一次乘法 和一次加法 。 （） ３支持流水处理 。Ｔ 公 司的 Ｔ Ｓ２ 系列支持 四级流水线 ，见 图 Ｉ Ｍ ３０
０ 引 言 ．
逆变式弧焊电源整流电路工作原理
逆变式弧焊电源整流电路工作原理
1.整流：逆变式弧焊电源的第一步是将市电电压经过整流，将交流电
转换成直流电。
整流的方式可以使用单相桥式整流电路或者三相桥式整流
电路。
在整流过程中，市电电压会通过整流器（通常是二极管或晶闸管）
进行整流，使得电流的方向在整个周期内都一致。
2.滤波：由于整流得到的电流呈现出脉动的特性，为了使得输出电压
更为稳定，需要对其进行滤波处理。
滤波器通常是由电容器和电感器组成，电容器用于平滑电流脉动，电感器则用来补偿电容器电压的变化。
3.逆变：在整流和滤波后，得到的直流电压会经过逆变器转换成需要
的弧焊电压。
逆变器通过调节开关管的通断来控制输出电压的大小和波形。
逆变器通常采用高频开关管（如IGBT）来实现高效率的转换。
逆变器的
工作原理是先将直流电压转换成高频交流电，然后通过变压器进行降压，
最后通过整流得到所需的弧焊电压。
整个逆变式弧焊电源的工作流程是：市电电压经过整流得到直流电压，然后经过滤波处理使得输出电压更为稳定，最后通过逆变器将直流电压转
换成需要的弧焊电压。
需要注意的是，在使用逆变式弧焊电源时，要注意电压、电流和功率
的选择，以保证焊接质量和设备的长期稳定运行。
逆变焊机培训资料(1)
弧焊电源第一节弧焊电源的种类一、弧焊电源在电弧焊中的作用不同材料、不同结构的工件，需要采用不同的电弧焊工艺方法，而不同的电弧焊工艺方法则需用不同的电弧焊机。
例如：操作方便、应用最为广泛的焊条电弧焊，需要由对电弧供电的电源装置、和焊钳组成的手弧焊机；锅炉、化工、造船等工业广为使用的埋弧焊，需要由电源装置和、控制箱和焊车等组成的埋弧焊机；适用于焊接化学性活泼金属的气体保护电弧焊，需要由电源装置、控制箱、焊车（自动焊）或送丝机构（半自动焊）、焊枪、气路和水路系统等组成的气体保护电弧焊；适用于焊接高熔点金属的等离子弧焊，则需要由电源装置、控制系统、焊枪或焊车（自动焊）、气路和水路系统等组成的等离子弧焊机。
由上述可知，各种电弧焊方法所需的供电装置即弧焊电源是电弧焊机的重要组成部分，是对焊接电弧供给电能的装置，它应满足电弧焊所要求的电气特性，这正是本课程将要系统讲述的内容。
与弧焊电源配套的其它装置和设备部分，将在《焊接方法和设备》课程中讲述。
显然，弧焊电源电气性能的优劣，在很大程度上决定了电弧焊机焊接过程的稳定性。
没有先进的弧焊电源，要实现先进的焊接工艺和焊接过程自动化也是难以办到的。
因此，应该对弧焊电源的基本理论、结构特点和电气性能进行深入的研究，真正了解和正确使用弧焊电源，进而研制出新型的弧焊电源，使焊接质量和生产效率得到进一步提高。
二、弧焊电源的种类弧焊电源种类很多，其分类方法也不尽相同。
本书按弧焊电源输出的焊接电流波形的形状将弧焊电源分为交流弧焊电源、直流弧焊电源和脉冲弧焊电源三种类型。
每种类型的弧焊电源根据其结构特点不同又可分为多种形式。
如图所示。
弧焊变压器交流弧焊电源矩形波弧焊电源弧焊电源一-- 脉冲弧焊电源弧焊发电机场效应管式直流弧焊电源弧焊整流器绝缘栅双极晶体管IGBT逆变式弧焊电源晶闸模式晶体管式三、常见弧焊电源的特点和用途1、交流弧焊电源交流弧焊电源包括工频交流弧焊电源（弧焊变压器）、矩形波交流弧焊电源。
逆变式弧焊电源主电路形式
新型焊接电源及控制技术- (1)逆变式弧焊电源主电路形式1．逆变式弧焊电源主电路形式目前IGBT逆变电源最常见最实用的主电路为桥式和单端正激式结构。
全桥式逆变器电路基本原理见图1，硬开关模式是VT1与VT4、VT2与VT3同步开关，VT1与VT3、VT2与VT4反相开关。
其优点是主变压器磁芯利用率高，其不足在于焊接动态过程中有可能出现主变压器偏磁饱和及逆变器开关管瞬态直通现象，因此设计磁通和开关管死区时间需留有较大余量。
单端正激式电路基本原理如图2所示，VT1与VT2同步开关。
其结构简单、控制方便，特别适合于焊接电弧这种状态变化剧烈的特定负载，而自身具有较高可靠性，且易于通过单元组合来提高整机输出能力。
但是设计者一般认为，其主变压器仅工作于磁化曲线坐标的第Ⅰ象限，加之考虑剩磁，因此磁芯利用率不高。
而进一步的计算机仿真和实验研究表明，通过对电路参数的设计调整，可以在整机重载大电流输出状态使主变压器工作于磁化曲线坐标的Ⅰ、Ⅲ象限，进而减小磁心截面积或匝数；通过控制空载和近空载状态下逆变器脉冲输出方式，使主变压器不致饱和。
这样就获得了与目前全桥式弧焊逆变器相当的输出功率／体积比。
新型焊接电源及控制技术- (2)弧焊逆变器单元组合2．弧焊逆变器单元组合根据当前功率半导体和磁性元件的制造水平，超15kV A的大容量IGBT弧焊电源采用单元组合的模式，是在合理制造成本下扩展输出功率的有效途径。
出于对系列机型批量化生产的考虑，应由n个独立的逆变器单元以全并联方式组合构成弧焊电源的功率回路，并由系统控制器统一调节各单元输出。
图1示出了两单元组合(n＝2)结构，每个逆变器单元可选择单端正激式电路。
考虑系统电磁兼容，各单元IGBT元件工作于同步导通（但不一定要求同时截止）的开关方式为宜。
针对多种弧焊工艺控制需求，逆变电源系统应具有相当宽的输出量连续调节范围和快速响应能力，而电源输出回路感抗L在这二方面造成了矛盾。
数学分析和试验研究表明，采用单元组合结构及合理的控制方式有助于解决这一问题：对各逆变器功率单元采取独立的电流闭环控制，系统控制单元根据电源总给定值Ig 统一调节各功率单元的输出电流给定值；小电流时，限制其他单元输出，仅以单元I为主，其输出回路电感L1应能保证焊接电流波形连续和电弧稳定，以适应精密TIG或微束等离子焊接需要；大电流时，使n 个单元均流输出，既提高了电源系统容量和负载持续率，又因其输出电流的开环时间常数为单个逆变器输出的1／n，从而保证了系统动态响应速度；大小电流两状态在焊接过程中自动切换，图2示出了两单元组合（n＝2）情况下输出电流调节情况。
电子控制逆变型弧焊电源的设计
电子控制逆变型弧焊电源的设计
1引言
电子控制逆变型弧焊电源的设计是一个具有挑战性的任务。
焊接过程中，电流和电压的实时变化特点复杂，且各种电弧焊焊接工艺、材料性能和外部环境都会给电源设计带来不同的挑战。
因此，需要有高精度的电子控制和出色的性能，才能满足弧焊电源生产过程中的要求。
2逆变型弧焊电源概述
逆变型弧焊电源是对传统直流弧焊电源的改进，其主要优点是利用能量转换的特性，实现对热输出能量的高效调节，从而有效地改善焊接质量，延长焊接器具的使用寿命。
由于其可以实现多种焊接工艺，所以逆变型弧焊电源在许多领域，如电子行业、机械制造、航空航天等具有广泛的应用。
3控制系统构建
由于电流和电压的变化特性很复杂，要实现准确的逆变型弧焊电源，就要构建一个准确的电子控制系统，实时监控电流和电压的变化，以此调节输出功率的大小以及电弧的形状。
这样，就能够达到良好的焊接效果。
逆变型弧焊电源的电子控制系统通常包括控制器、特性检测和控制信号调制器、弧焊电焊机、AC-DC变换器等部件。
其中，控制器负责
采集焊接数据，并根据用户输入的工艺参数来调节电弧的焊接特性；特性检测器可以实时监测电弧的形状，其中包括电流的实时大小以及该电流所产生的电压值；控制信号调制器可以根据检测信号调节弧焊电焊机功率；AC-DC变换器则可以实现由交流变换到直流，以及直流向交流的变换，从而调节输出电压和电流。
4综上
电子控制逆变型弧焊电源是为了满足由于焊接过程中电流和电压变化特性复杂而提出的要求，提高焊接质量和使用寿命。
因此，此类型的电源设计涉及到准确的特性检测，且需要有精准的电子控制，只有这样的设计才能满足各种电弧焊工艺、材料特性及外部环境的要求。
第二章6逆变式弧焊电源简介
5．全桥式逆变电路
+
VT1 VD1 C Ud VT2 VT4 N1 VT3 VD3
T
VD5
L
N21 N22 VD4
C1
RL
_
VD2
VD6
图7-6 全桥式逆变电路原理图
由于输入整流电压Ud直接作用于变压器上，变压器工作在磁滞回线的正反两侧， 利用率高，适用于大、中功率输出。美国MILLER公司生产的XMT-300系列的逆 变弧焊电源就是采用的全桥逆变电路，国内许多厂家生产的逆变弧焊电源也都 采用全桥逆变电路。但该逆变电路中需要四只（组）电子功率开关，驱动电路 较为复杂，抗不平衡能力较差。
4．半桥式逆变电路
+
C1 Ud A C2 VT2 VD2 VD4 VT1 VD1 N21 N22 C RL T
VD3
L
N1
_
图7-5 半桥式逆变电路 a）逆变电路原理图 b）波形图
一般半桥逆变电路适于中等容量的输出，芬兰KEMPPI公司生产的MASTER350 逆变弧焊电源就是采用了典型的半桥逆变电路的形式，国内许多厂家的逆变弧 焊电源也采用了半桥逆变电路的形式。
VT1 N11 N21 N22 N12 VD2
图7-4 推挽式逆变电路 a）逆变电路原理图 b）波形图
T
VD1
L
_ +次IGBT导通，变压器一次绕组只有一半工作，变压器利用率较低； 电子功率开关IGBT所承受的最大电压为2Ud，比全桥式，半桥式，甚至单端式电路 中的IGBT所承受的电压都要大，对电子功率开关的选择造成困难。因此这种电路适 于中小功率的逆变电源，在逆变式弧焊电源中很少被采用。
图7-2 单端式逆变电路 a）逆变电路原理图
b）波形图
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器件 特性
开关速度(s)
安全工作区(SOA)
额定电流密度 (A/cm2) 驱动功率 驱动方式 高压化 大电流化 高速化 饱和压降 并联使用
其他
电子功率开关参数比较
晶闸管(SCR)
可关断晶闸管 (GTO)
晶体管(GTR)
25~100
6~25
1~5
大
大
小
大 电流
易 易 难 低 难
不能自关断
20~30
大 电流
60
63 3380
74 0.75 220
594 495 1000
ZX7-400
ZX7-400
晶闸管式弧 IGBT式弧焊
焊逆变器
逆变器
400
400
60
60
70~80 3380 85.7 0.90
66
75 3380 90 0.95
33
540
550
355
320
470
390
第6章 逆变式弧焊电源
3．动特性好、控制灵活
第6章 逆变式弧焊电源
4．元器件特性要求高，电路复杂 逆变弧焊电源是高精度电子控制电源，因此电路复杂。 普通弧焊电源工作频率低，一般工作波形为正弦波，du/dt、
di/dt较小。而逆变电源由于工作频率高，内部电流换向快，变化 剧烈，对du/dt、di/dt等动态参数的影响十分明显。在这样严酷的 工作条件下，逆变电源的电子功率开关等元器件被击穿、烧穿的 可能性大大增加。为了保证逆变弧焊电源的可靠性、稳定性，不 仅需要高质量、高性能的元器件，而且需要设计、应用许多保护 电路。这也是逆变式弧焊电源控制电路复杂的重要因素之一。
额定输出电流(A)
400
400
额定负载持续率(%)
60
60
输出空载电压(v) 输入电压(v) 效率(%)
60~90 3380
53
80 3380
75
cos
0.5
0.55
重量(Kg)
370
310
外形尺寸
长 宽
(mm)
高
950 590 890
690 490 952
ZX5-400 晶闸管式弧 焊整流器
400
同理，工作频率大幅度提高，电抗器的体积和重量也会大 幅度减小。
第6章 逆变式弧焊电源
2．高效节能 变压器和电抗器的体积和重量大大减小，相应的铁损(铁
心磁损耗)和铜损(导线耗能)也随之减小； 开关状态器件的功耗小
性能比较见下表
第6章 逆变式弧焊电源
型号 规格
AX7-400 直流弧焊发
电机
ZXG-400 磁放大器式硅 弧焊整流器
易 易 难 低 难 拖尾电流限制 频率提高
大 电流
易 易 难 极低 较易 二次击穿现象限 制了SOA
场效应管(VMOS)
0.1~0.5 大
5~10
小 电压
难 难 极易 高 易
无二次击穿现象
IGBT
0.5~1 大
50~100
小 电压
易 易 易 低 易 擎住现象限制 了SOA
第6章 逆变式弧焊电源
6.1.4 逆变式弧焊电源的特点 与普通弧焊电源相比，逆变式弧焊电源最显著特点是工
弧
负
载 主电路
比较 放大
传感器
TRC 电子控制电路 控制电路
给定电路
第6章 逆变式弧焊电源
6.1.2 逆变式弧焊电源的逆变形式
ACDCAC
这种逆变形式最终输出为交流电，交流电的频率为逆变器的 逆变频率，远远高于工频。由于频率高的交流电传输的损耗较大， 传输距离等受到限制，因此在实际弧焊电源中很少采用。
普通弧
输出电抗器电感较大
焊电源 工频或其倍频
控制周期较长
(晶闸管双反星型式弧焊整流器3.33ms)
逆变式 弧焊电源
20KHz工作频率
输出电抗器电感小 控制周期短(50µs)
回路时间常数小，过程动态响应快
第6章 逆变式弧焊电源
逆变式弧焊电源的外特性、动特性等性能 主要由电子控制电路进行调节。
电子控制电路的变化和调整灵活、方便，易 于在一台电源上实现多种特性的输出，甚至在焊 接过程中也可以根据要求切换不同的特性。
输入整流
滤波
驱动电路
变压器
输出整流 直流 输出滤波
电
低压中频电
弧
负
载 主电路
比较 放大
传感器
TRC电子控制电路 控制电路
给定电路
逆变式弧焊电源电路结构图
+
T
VT1 C1
Ud A
C2
VT2
_
电子开关电路（逆变电路）
交流
直流
直流
高压中频电
~50Hz
输入整流
滤波
驱动电路
变压器
输出整流 直流 输出滤波
电
低压中频电
6.1.3 逆变式弧焊电源的分类
逆变式弧焊电源的分类方法有多种，最常见的分类方法还是根 据电子功率开关的类型进行分类，因为电子功率开关是组成逆变器的 核心元件，它能够反映逆变电源的特点。
晶闸管式逆变弧焊电源 晶体管式逆变弧焊电源 场效应管式逆变弧焊电源 IGBT式逆变弧焊电源
第6章 逆变式弧焊电源
作频率高，目前常见的IGBT式逆变式弧焊电源的逆变频率
一般为20KHz左右。
1．体积小、重量轻 普通弧焊电源的体积和重量主要集中在变压器和电
抗器上，所占比例可达80％以上。
U fNBmS
第6章 逆变式弧焊电源
Bm的大小与变压器铁心的磁性材料有关，磁性材料确定后， Bm也就确定了。当输入电压U确定后，变压器的工作频率f与 变压器线圈匝数N和铁心截面S的乘积成反比。当 f 大幅度提高 时，NS 就会大幅度下降，相应的变压器体积和重量也大幅度 减小。由于逆变弧焊电源中的逆变频率远远高于工频，因此， 其变压器的体积和重量会大大减小。而且逆变频率越高，变压 器体积和重量减小得越多。
弧焊电源及控制
第6章 逆变式弧焊电源
AC→DC “正变” DC→AC 逆变
所谓逆变是相对于常见的交流电经过整流变为 直流电而言的，即将直流电变为交流电的变换称为 逆变。
实现电流逆变的装置称为逆变器，用于弧焊电 源的逆变器即为弧焊逆变器，电源为逆变式弧焊电 源。
第6章 逆变式弧焊电源 如何进行逆变？好处是什么？ 频率变化
第6章 逆变式弧焊电源
AC
DC
波形、频率不变
逆变式弧焊电源最常用
意义不大！！
频率也变化 波形变化
新一代弧焊电源，甚至被称为“20kHz革命”
第6章 逆变式弧焊电源
第6章 逆变式弧焊电源
第6章 逆变式弧焊电源
6.1.1 逆变弧焊电源系统的基本结构
AC
DC
AC
DC
电子开关电路（逆变电路）
交流
直流
直流
高压中频电
~50Hz
ACDCACDC 这种逆变形式最终输出的是直流电，是目前大多数逆变式
直流弧焊电源所采用的形式。
ACDCACDCAC 这种形式有两次逆变，最终输出的是方波交流电。方波交流
电的频率可以选择得较低，一般用于铝、镁及其合金材料的焊接。 目前交流逆变式弧焊电源、变极性逆变式弧焊电源往往采用此种 形式。
第6章 逆变式弧焊电源