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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