逆变直流电焊机的工作原理汇总.doc

逆变电焊机的基本工作原理

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21-28V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。
但是场效应管的工作电流较小，高的约20A，低的一般在9A左右，限制了电路中的最大电流，而且由于场效应管的封装形式，使得其引脚的爬电距离（导电体到另一导电体间的表面距离）较小，在环境高压下容易被击穿，使得引脚间导电而损坏机器或危害人身安全。
2、IGBT的特点：
IGBT即双极型绝缘效应管，符号及等效电路图见图11.1，其开关频率在20K Hz ~30K Hz之间。但它可以通过大电流（100A以上），而且由于外封装引脚间距大，爬电距离大，能抵御环境高压的影响，安全可靠。

一、场效应管逆变焊机的特点
由于场效应管的突出优点，用场效应管作逆变器的开关器件时，可以把开关频率设计得很高，以提高转换效率和节省成本（使用高频率变压器以减小焊机的体积，使焊机向小型化，微型化方便使用。（高频变压器与低频变压器的比较见第三章《逆变弧焊电源整机方框图》。
但无论弧焊机还是切割机，它们的工作电流都很大。使用一个场效应管满足不了焊机对电流的需求，一般采用多只并联的形式来提高焊机电源的输出电流。这样既增加了成本，又降低了电路的稳定性和可靠性。
二、IGBT焊机的特点
IGBT焊机指的是使用IGBT作为逆变器开关器件的弧焊机。由于IGBT的开关频率较低，电流大，焊机使用的主变压器、滤波、储能电容、电抗器等电子器件都较场效应管焊机有很大不同，不但体积增大，各类技术参数也改变了。
 三、IGBT焊机工作原理：
半桥逆变电路工作原理如图11.2。

工作原理：
①tl时间：开关K1导通，K2截止，电流方向如图中①，电源给主变T供电，并给电容C2充电。
②t2时间：开关K1、K2都截止，负截无电流通过（死区）。
③t3时间：开关K1截止，K2导通，电容C2向负载放电。
④t4时间：开关K1、K2均截止，又形成死区。如此反复在负载上就得到了如图11.3的电流，实现了逆变的目的。

2、IGBT焊机的工作原理
①  电源供给：
和场效应管作逆变开关的焊机一样，焊机电源由市电供给，经整流、滤波后供给逆变器。
② 逆变：
由于IGBT的工作电流大，可采用半桥逆变的形式，以IGBT作为开关，其开通与关闭由驱动信号控制。
③ 驱动信号的产生：
驱动信号仍然采用处理脉宽调制器输出信号的形式。使得两路驱动信号的相位错开（有死区），以防止两个开关管同时导通而产生过大电流损坏开关管。驱动信号的中点同样下沉一定幅度，以防干扰使开关管误导通。
④ 保护电路：
IGBT焊机也设置了过流、过压、过热保护等，有些机型也有截流，以保证焊机及人身安全，其工作原理与场效应管焊机相似。

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，而逆变则使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作为开关器件的逆变焊机成为IGBT逆变焊机。
逆变焊机的工作过程如下：将三相或单相工频交流电整流，经滤波后得到一个较平滑的直流电，由IGBT组成的逆变电路将该直流电变为几十KHz的交流电，经主变压器降压后，再经整流滤波获得平稳的直流输出焊接电流。
逆变电焊机优点：由于逆变工作频率很高，所以主变压器的铁心截面积和线圈匝数大大减少，因此，逆变焊机可以在很大程度上节省金属材料，减少外形尺寸及重量，大大减少电能损耗，更重要的是，逆变焊机能够在微秒级的时间内对输出电流进行调整，所以就能实现焊接过程所要求的理想控制过程，获得满意的焊接效果。

日朗逆变直流电焊机

本机采用三相交流380V电压经三相桥式整流、滤波后供给以新型IGBT为功率开关器件的逆变器进行变频（20KC）处理后，由中频变压器降压，再经整流输出可供焊接所需的电源，通过集成电路构成的逻辑控制电路对电压、电流信号的反馈进行处理，实现整机闭环控制，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接工艺效果。
主电路电气原理图

主控制板电器原理图：

逆变触发电路图：

脉冲及时序板原理图：

ZX7-500S逆变直流弧焊机工作原理
[日期：2011-12-20] 作者：杨华

ZX7-500S采用ICBT功率模块器件，及先进的电子电路，比传统焊机节电1/3以上，是一种新型的高效节能机电一体化产品。具有动态响应快，焊接电弧稳定，功率输出能力强，调节精确，效率高，空载损耗小，保护功能完善，可靠性更高等特点。
工作原理

见图所示。三相电源经断路器K1供给三相桥式整流D6的输入端，整流输出600V直流电压，由限流电抗器Ll进行限流。因为电容C 5、C6的容量比较大，又因为电容两端的电压不能突变，因此在电源接通的瞬间，电容C5、C6中产生较大的冲击电流。为了减小此冲击电流，串入电感L1（因为Ll两端的电流不能突变）。另外，当直流脉冲电压从最大值减小到零时．Ll所产生的反电势通过续流二极管D5构成回路，以免对ICBT管构成威胁。电容C22、C23是滤除电源高次谐波：限流后经电容C5、Cl0滤波。电阻Rl、R2是放电电阻，电容C8、C9是换向电容，由于C8、C9是串联容量又相等，所以在每个电容上充有300V的直流电压。当Vl触发导通，电源+→V1→变压器初级线圈b端→a端（C8负极），B2线圈h+、a-。当V2导通，电容C9的正端→变压器初级线圈b端→V2→C9负极，B2线圈a+、b-。因此ICBT模块中的Vl、V2在主控板PCB3-7的控制下轮流导通（频率为20kHz）．即高频变压器B2初级线圈就有交变电流通过。这样．B2的次级线圈感应出电压经D1～D4整流、电抗滤波器L2及滤波板LB2组成的滤波电路，滤波后输出直流80V 弧焊电压。
保护电路：由于B2初级线圈在IGBT通断瞬间所产生的反峰电势，由C7、R4、C6、R3组成的阻容吸收保护电路，防止IGBT过电压击穿。此外，过电压保护还由于压敏电阻RY1并在直流输出回路中，当电压高于所设定值时．RYI导通迫使断路器Kl断开；过热保护是由热敏继电器J置于ICBT的散热片上，当温度高于75℃时J断开，由主控板PCB内部处理迫使振荡电路停振，使Bl/El、B2/E2无驱动信号输出。
控制电路是由主控板PCB组成，通过集成电路构成的逻辑控制电路对输出反馈电压P、F，和电流传感器Fl反馈的电流信号进行处理，实现整机闭环控制。本机采用脉宽调制PWM为核心的控制技术，输出信号使得两路驱动信号的相位错开（设置死区），以防两个开关管同时导通而产生过大电流损坏开关管。从而获得快速脉冲调制的恒流特性和优异的焊接工艺效果。

2013年9月17日，本人亲见的一台直流逆变电焊机是：220V，20-30A，输出空载60V，负载30A、21.2V—200A、28V。电流连续可调。重量8kg.