第六章 逆变式弧焊电源简介

《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介第6章逆变式弧焊电源简介随着现代电力电子技术的发展，各种大功率的电子开关器件的出现，为电子化和数字化弧焊电源的发展奠定了基础。逆变式弧焊电源是一种新型的，而且已经得到广泛应用的电子控制型弧焊电源。AC→DC正变DC→AC逆变逆变弧焊电源是将电流逆变技术应用于弧焊电源中。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。逆变式弧焊电源出现在二十世纪六、七十年代，其优良的性能和显著的特点得到人们的重视，被视为新一代弧焊电源，甚至被称为“20kHz革命”，尤其是在最近十几年，逆变焊接电源得到了快速发展。《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介6.1.1逆变弧焊电源系统的基本结构~50Hz传感器给定电路驱动电路输入整流滤波直流直流电子开关电路变压器高压中频电低压中频电（逆变电路）输出整流直流电弧负载TRC电子控制电路放大比较控制电路交流输出滤波主电路图6-1逆变式弧焊电源电路结构图《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介6.1.2逆变式弧焊电源的逆变形式（1）ACDCAC即交流直流交流。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。（2）ACDCACDC即交流直流交流直流。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。（3）ACDCACDCAC即交流直流交流直流交流。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。《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介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，例如，按照输出的电流种类不同分为直流逆变弧焊电源、交流逆变弧焊电源、脉冲逆变弧焊电源等；按照应用对象不同分为焊条电弧焊逆变电源、气体保护焊逆变电源、等离子弧焊逆变电源等。但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某些特点。目前用于逆变弧焊电源的电子功率开关器件主要有：晶闸管、晶体管、场效应管（MOSFET）和绝缘门极双极晶体管（IGBT）等。相应地，有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式逆变弧焊电源等。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。因此，逆变式弧焊电源具有许多特点：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。在变压器设计中，根据有关电磁定律可以推出电压U与变压器工作频率f、铁心截面S、铁心材料的最大磁感应强度Bm以及绕组匝数N之间的关系：《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介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。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。由此可见，变压器和电抗器体积、重量的大幅度减小，将使逆变式弧焊电源本身的体积和重量大幅度减小。例如：一个额定电源为300A的逆变式弧焊电源重约35Kg，体积0.06m3；而一个相同额定电流的晶闸管弧焊整流器重约180Kg，体积0.65m3。由表6-2可以看到逆变式弧焊电源与常用传统弧焊电源体积与重量之间的比较。逆变式弧焊电源较小的重量和体积为其生产、运输、使用等提供了极大的方便，尤其适用于流动及高空作业。SfNBUm《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介2．高效节能逆变式弧焊电源的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；又因逆变频率高，通电周期小，变压器的励磁电流很小；逆变式弧焊电源半导体功率开关器件工作于开关状态，比工作于模拟状态的半导体功率器件的功耗小。因此，逆变式弧焊电源效率高，功率因数高，节约电能，可减少配电容量。表6-2也列出了逆变式弧焊电源与常用传统弧焊电源有关效率、功率因数等参数的比较。表6-2逆变式弧焊电源与传统弧焊电源主要技术指标型号规格AX6-400直流弧焊发电机ZXG-400磁放大器式硅弧焊整流器ZX5-400晶闸管式弧焊整流器ZX6-400晶闸管式弧焊逆变器ZX6-400IGBT式弧焊逆变器额定输出电流(A)400400400400400额定负载持续率(%)6060606060输出空载电压(v)60~90806360~8065输入电压(v)33803380338033803380效率(%)53656485.690cos0.90.550.650.900.95重量(Kg)3603102206633外形尺寸(mm)长宽高9505908906904909525944951000540355460550320390《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介3．动特性好、控制灵活普通的弧焊电源工作频率为工频或其倍频，控制周期较长，回路中保持电流稳定的输出电抗器电感较大。即使是晶闸管双反星型式弧焊整流器的工作频率也仅为六倍工频，控制周期为3.3ms。而逆变式弧焊电源的工作频率很高，例如20KHz工作频率的逆变弧焊电源的控制周期可达50µs；且因工作频率高，焊接回路中起滤波作用的电感值也较小，从而使整个回路的时间常数减少，控制过程的动态响应速度加快。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。《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介4．元器件特性要求高，电路复杂逆变弧焊电源是典型的电力电子装置，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。《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介6.2.1逆变电路的基本型式主要有单端式，推挽式，半桥式以及全桥式四中逆变主电路结构。其中全桥式电路应用最广泛。1．单端反激式逆变电路+_UdVT1TVD1N1N2CRLLuiU0UCE1ONOFFUiIN1IN2I0UdUd+kU0max00000ttttt图6-2单端式逆变电路a）逆变电路原理图b）波形图《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介由于这种变换器在电子功率开关导通期间只存储能量，在关断期间才向负载传递，中频高压器在工作过程中既是变压器又相当于一个储能用电感，因此称之为“电感储能变换器”。2．单端正激式逆变电路+_TLCRLUdVD3VD1VD2N1N2N3VT1uiU0UCE1ONOFFUiIN1IN3I0Ud2Ud00000ttttt图6-3带有祛磁绕组和二极管箝位的单端正激逆变电路a）逆变电路原理图b）波形图《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介图6-6双电子功率开关单端式逆变电路+_UdTVD1N1N2LVD2VT1VT2CVD4VD3RL更常见的单端式逆变电路《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介3．推挽式逆变电路+_UdTVD1N11N12N21N22LVD2VT1VT2CRL推挽式逆变电路每次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6-4推挽式逆变电路a）逆变电路原理图b）波形图《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介4．半桥式逆变电路+_UdTVD1N1C1N21N22LVD2VT1VT2CC2VD4VD3ARL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。图6-5半桥式逆变电路a）逆变电路原理图b）波形图《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介5．全桥式逆变电路+_UdTVD1N1N21N22LVD2VT1VT2CVD4VD3VT3VT4VD5VD6C1RL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。图6-6全桥式逆变电路原理图《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介+_UdVD1LVD2VT1VT2VD4VD3RLVT4VD6VD5VD7T1+_UdVT3T2C图6-8双单端正激并联逆变电路《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介6.2.2各种逆变电路的特点与应用1．单端逆变电路的特点与应用单端电路的优点：功率开关器件少，电路简单；不存在开关管的直通问题，工作可靠性高；变压器单向工作，反而不存在电路不平衡造成的偏磁饱和问题。单端逆变电路的缺点：1）与半桥、全桥逆变电路相比，其功率开关管承受的电压高；2）由于变压器是单向工作，可利用的铁心的磁通变化量小，因此铁心利用率低，变压器体积大；3）功率传输的占空比小，一般不到0.5，所以输出功率小。《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介1）推挽式电路所用的功率开关器件少，输出功率大，但开关管的电压高，适用于直流输入电压比较低的逆变器。由于逆变弧焊电源的输入电压较高，功率较大，因此，该电路在逆变弧焊电源中应用较少。2）半桥式电路所用的功率开关器件少，开关管的电压不高，驱动脉冲电路简单，抗电路不平衡能力强，但电路中需要两个大电容器，而且输出功率较小，适用于中小功率的逆变器。因此，该电路逆变弧焊电源中得到较多地应用。为了增大输出功率，也可以采用双半桥逆变电路的并联，其形式类似于双单端正激并联逆变电路，即输入输出分别并联，美国飞马特公司生产的300系列逆变弧焊电源就是采用了双半桥逆变电路的并联形式。3）全桥式电路中的功率开关管的电压不高，输出功率大，但所用功率开关器件较多，驱动电路比较复杂，适用于大功率的逆变器。因此，因此，该电路在逆变弧焊电源中应用较多。2．双端逆变电路的特点与应用《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介型式项目推挽式全桥式半桥式单端式(两IGBT，二极管箝位)IGBT集射极间最大电压稳态为2Ud，瞬态过程二极管箝位于2Ud稳态为Ud，瞬态过程二极管箝位于Ud同全桥式截止期二极管箝位于Ud相同输出功率时集电极电流IcIc2Ic2Ic中频变压器上施加的电压UdUdUd/2UdIGBT数量2422滤波电容数量1121表6-3逆变电路性能比较《焊接电源》第6章逆变式弧焊电源简介器件特性晶闸管(SCR)可关断晶闸管(GTO)晶体管(GTR)场效应管(VMOS)IGBT开关速度(s)25~1006~251~50.1~0.50