逆变电焊机的电路设计

丽水职业技术学院
机电信息分院
毕业设计
设计名称
逆变电焊机的电路设计
学生学号：1103051619
学生姓名：沈佳欢
导师姓名：徐爱亲
班级机电1116专业名称机电一体化技术
提交日期2014年04月15日答辩日期2014年06月03日
2014年6月
丽职院机电信息分院毕业设计
摘要
简绍了逆变焊机的结构分布电路设计，逆变焊机在我国的发展前景。

简单介绍了一下逆变焊机的工作原理，逆变过程。

逆变即工频交流－直流－高频交流－变压－直流
逆变焊割设备的工作过程，是将三相或单相50Hz工频交流电整流、滤波后得到一个较平滑的直流电，由IGBT或场效应管组成的逆变电路将该直流电变为15～100kHz的交流电，经中频主变压器降压后，再次整流滤波获得平稳的直流输出焊接电流（或再次逆变输出所需频率的交流电）。

逆变焊割设备的控制电路由给定电路和驱动电路等组成，通过对电压、电流信号的回馈进行处理，实现整机循环控制，采用脉宽调制PWM为核心的控制技术，从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊割工艺效果。

本设计通过对主电路工作原理的分析，对整流滤波部分电路参数，逆变部分电路参数的分析，以及内部各个器件的要求进行了说明和分析。

从而明确了焊接电源的性能结构和发展方向。

关键字：逆变焊机；控制电路；驱动电路；电路参数；脉宽
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逆变电焊机的电路设计
目录
一、引言 (3)
二、设计任务分析 (3)
2.1逆变焊机国内外市场分析 (3)
2.2逆变焊机的优点 (3)
2.2.1逆变焊机体积小 (3)
2.2.2逆变焊机节能、高效 (4)
2.2.3逆变焊机稳定性好 (4)
三、技术方案初选 (4)
3.1逆变焊机电路设计 (4)
3.1.1逆变电路的认识 (4)
3.1.2逆变器的原理 (5)
3.2逆变焊机机壳的设计 (5)
3.2.1逆变焊机机壳的分析 (5)
3.2.2机壳画制的基本步骤 (6)
四、技术方案的详细设计（实施） (6)
4.1样机制作 (6)
4.1.1样机电路板 (6)
4.1.2样机机壳及内元器件分布 (6)
4.2样机调试 (6)
五、总结评价 (7)
致谢 (8)
参考文献 (9)
附录 (10)
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一、引言
逆变焊割设备在20世纪70年代面世以来发展迅速，在20世纪80年代在发达国家获得普遍应用，在欧美等发达国家逆变焊割设备逐步取代传统焊割设备成为焊割设备的主流，逆变焊割设备使用比例已达到60%～70%。

逆变电源总的发展趋向是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并以提高可靠性、性能及拓宽用途为核心，愈来愈广泛应用于各种弧焊方法、电阻焊、切割等工艺中。

高效和高功率密度（小型化）是国际弧焊逆变器追求的主要目标自之一。

高频化和降低主要器件的功耗是实现这一目标的主要技术途径。

当前，在日、欧等国和地区，20KHz左右的弧焊逆变器技术已经成熟，产品的质量较高且产品已系列化。

二、设计任务分析
2.1逆变焊机国内外市场分析
电焊机是现代工业重要的工艺装备，广泛应用于造船、化工、冶金、建筑、机械、汽车、轻工、电力等各工业部门，也是航天、电子、原子能等国防尖端工业中不可缺少的加工设备，目前世界各国均对电焊机产品的研制给予了足够的重视。

目前，日本、美国等工业发达国家的焊机制造厂商和中国的许多焊机制造企业几乎全部进入到逆变式焊机时代。

这是因为逆变焊机对大幅度节省原材料(铜、硅钢片)，降低制造成本，大幅度减少电耗和明显改善焊接性能等方面都有突破性的意义，是电焊机产品发展的必然，也是我国电焊机制造企业产品更新换代的必由之路。

国内逆变焊机的发展主要受电力电子器件发展的推动，自从快速晶闸管、晶体管、门极可关断晶闸管、MOS场效应管和绝缘栅极晶体管等相续问世以后，就利用逆变原理将其作为开关元件应用于焊接设备，陆续开发出晶闸管逆变焊机、晶体管逆变焊机、场效应管逆变焊机和IGBT逆变焊机。

2.2逆变焊机的优点
2.2.1逆变焊机体积小
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
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逆变电焊机的电路设计
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。

由于逆变焊割设备中的逆变频率远远高于工频（是工频的300～2000倍），因此，其变压器的体积和重量会大大减小。

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。

变压器和电抗器体积、重量的大幅度减小，使逆变焊割设备本身的体积和重量大幅度减小，重量仅为传统焊机的1/10～1/5，方便生产、运输和使用，并能在焊割设备制造中大量节约金属材料（主要为铜、硅钢片、铝等）的耗用。

2.2.2逆变焊机节能、高效
逆变焊割设备变压器和电抗器的体积和重量大大减小，其有效功率输出可达到82%～93%。

而传统焊割设备的有效功率输出只有40%～60%，严重浪费电力资源。

2.2.3逆变焊机稳定性好
逆变焊割设备抗干扰能力强，不易受电网电压波动和温度变化的影响。

传统焊割设备采用交流电源，由于电流和电压方向频繁改变，每秒钟电弧要熄灭和重新引燃100～120次，电弧不能连续稳定燃烧，使得工件加热时间较长，降低了焊缝的的强度，难以满足高质量焊接的要求。

三、技术方案初选
3.1逆变焊机电路设计
3.1.1逆变电路的认识
逆变与整流是两个相反的概念，整流是把交流电变换为直流电的过程，而逆变则是把直流电改变为交流电的过程，采用逆变技术的弧焊电源称为逆变焊机。

逆变过程需要大功率电子开关器件，采用绝缘栅双极晶体管IGBT作为开关器件的的逆变焊机称为IGBT逆变焊机。

逆变焊割设备由逆变电源与外接设备组成。

逆变电源是逆变焊割设备的主要设备，其工作过程为：
工频交流－直流－高频交流－变压－直流
逆变焊割设备的工作过程，是将三相或单相50Hz工频交流电整流、滤波后得到一个较平滑的直流电，由IGBT或场效应管组成的逆变电路将该直流电变为15～100kHz的交流电，经中频主变压器降压后，再次整流滤波获得平稳的直流输出焊接电流（或再次逆变输出所需频率的交流电）。

逆变焊割设备的控制电路由给定电路和驱动电路等组成，通过对电压、电流信号的回馈进行处理，实现整机循环控制，采用脉宽调制PWM为核心的控制技术，从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊割工艺效果。

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单相桥式逆变电路为例：
S1～S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。

S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电。

改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。

电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。

阻感负载时，io滞后于uo，波形也不同。

t1前：S1、S4通，uo和io均为正。

t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向。

io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大
3.1.2逆变器的原理
逆变器其原理类似于开关电源。

通过一个震荡芯片，或者特定的电路，控制着震荡信号输出，比如输出50HZ信号，然后这个信号通过放大，推动MOS管[场效应管或晶体闸管]不断开关，这样直流电输入之后，经过这个MOS管的开关动作，就形成一定的交流特性，经过修正电路修正，就可以得到类似电网上的那种正弦波交流，然后送入一个变压器，这个变压器就是工频变压器，他是220V to24V 的变压器，即输入220V的话输出就是24V，输入24V输出则为220V，相当于就是一般的24V变压器。

3.2逆变焊机机壳的设计
3.2.1逆变焊机机壳的分析
现小型焊机的机壳基本分为几个部分拼装而成。

可分为：前面板、后面板、底板、中隔板、机壳和散热器。

机壳的设计要求需要符合机型内部元器件的大小来画制，机壳的画制要使内部元器件的分
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逆变电焊机的电路设计
布合理，整齐。

确定基本大小后，需要合理的分布要内部元器件的排布。

后在为其内部确定好每个孔位与大小。

机壳的好与坏，影响着很多方面，短路，散热和装配。

3.2.2机壳画制的基本步骤
首先确定机型，了解内部所需要的一些元器件。

基本排布做好，从而确定其机壳的基本大数据尺寸。

再而对其内部的孔进行定位，要求每个元器件之间有合理的空间，不可接触某些金属器件，以免发生漏电。

每个板直接需要能装配，画制合理的尺寸。

特别是那些连接孔。

后发往定制出样机机壳，装出样机，后确定机壳。

四、技术方案的详细设计（实施）
4.1样机制作
4.1.1样机电路板
做材料清单，领取所需元器件。

插件，按照插件图做出相应的一些控制板，逆变板，高频模块。

对于插好件的电路板浸锡炉，后再剪短元器件多余部分。

检查有无缺焊，虚焊。

做出样板后需将其进行调试。

如无误即可进行说明板子没有问题。

同时也要接好一些小元器件的接线工作，如一些小电感和电位器。

4.1.2样机机壳及内元器件分布
样机机壳到后，先根据其孔位基本的排布好元器件。

确定好每个元器件所在的位置。

若分布无误机壳按照接线图接线。

接线的同时要注意线的合理走向，合理分布。

要求整齐美观。

做出合适的小件图。

4.2样机调试
样机接线完成后，把其抱上调试台进行调试。

调试的时候，要注意的是先要将其强电去除，先用示波器测试其驱动波形是否正确。

不然将有炸管的可能。

调试出驱动波形后，再接入强电，测其空载波形。

电压应慢慢加强，看到波形不对，应将马上关断电源，以免炸坏元器件。

空载波形正确后再测其负载波形。

确定波形没问题后，将其拉去试焊。

试焊看其好不好起弧，同时调节它的电流大小，看电流能不能调节。

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五、总结评价
逆变焊机现如今已大范围推广，其使得电的利用率提高，在当今这个能源紧缺的社会，其是有很大的发展前景，逆变电路有着很大的前景。

不仅仅只用于电焊机，这种使能源高利用率的技术将在各行业发展开来。

逆变技术要运用于等离子切割机。

约工业用电70亿千瓦时（仅按替代传统焊割设备产生的节能效应计算，未考虑焊割设备市场容量未来增长情况），相当于两座百万千瓦装机容量火电厂全年发电量，可减少280万吨标准煤消耗和700万吨二氧化碳排放，并可为国家节约铜材约4.5万吨、钢材约 2.8万吨。

逆变焊割设备采用电子驱动半导体功率器件，可以在微秒级的时间范围精确控制电流的大小，控制精度的提高大幅提升了焊割精度，可以满足各种弧焊方法的需要。

传统焊割设备的焊接电流只能通过手动调节变压器的抽头和铁芯进行粗略调整，导致电弧稳定性较差，无法对焊接过程进行准确控制，对焊缝成形、飞溅量的控制较差，难以满足制造业焊接精细化要求。

逆变技术一个焊机能源的新时代。

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逆变电焊机的电路设计
致谢
将近半个学期的实习即将结束，这是也是最后一次算是在大学里的学习了。

我的大学生活将要画上完美的句号。

毕业论文的撰写是一个严肃的事情，容不得有半点马虎。

我能成功的写完这份毕业论文我要感谢从中帮助过我的人和单位。

指导老师的帮助，是必不可少的。

没有指导老师的帮助和耐心讲解是无法完成的。

指导老师尽心尽力的帮助，才能让我完成这次大学的最后一次学习。

一直对我们严肃的监督和督促，让我们认真的对待，不然我的论文不可能保质保量的完成
再之我要感谢机电信息分院那些教导我的老师，感谢老师督促我，在大学里能认真的学习。

老师那负责任的教学态度，让每个学生都对自己负责，认真学习。

最后我还要感谢我的同学们，室友们。

谢谢你们给我的论文上那方方面面的意见，让我能完成这篇论文。

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参考文献
（1）张大鹏基于PWM整流器的中频逆变电阻焊机系统研究[D]：[硕士论文]安徽理工大学2011
（2）王泽庭高压电子束焊机电源的研究与实现[D]：2011[硕士论文]
（3）贾德利IGBT逆变电源的设计与应用[M]：哈尔滨工程大学出版社2012：1-5
（4）孙孝峰、顾和荣、王立乔、邬伟扬高频开关型逆变器及其并联并网技术[M]：机械工业出版社2011：2-3
（5）高凤友无源逆变电源的原理与应用[M]：化学工业出版社2011：1-5
（6）吴九澎主编;中国焊接协会焊接设备分会编著逆变焊机选用手册[M]北京:机械工业出版社,2012：1-3
（7）黎曙永磁无源焊机逆变电源主电路及驱动电路研制[D]:[硕士论文]昆明理工大学2011（8）李宗友伟创ZX7-400型逆变直流手弧焊机维修实例[J]:电子报.2011年/4月/10日/第008版
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附录
图1
图2
图3
图4。