弧焊电源的主要动特性指标包括短路电流增长速度di/dt、短路电流的峰值Isd或Ifd等。传统的机械调节式、电磁调节式弧焊电源的动特性主要依靠调节焊接回路中的直流电感L来控制，电感L较小时，di/dt大、Ifd也大；增加电感L，di/dt减小，Ifd也降低。随着电力电子技术的发展，特别是电子控制电源的发展，电源动特性的调节方法发生了根本变化。从单一依靠直流电感L转向依靠L与电子电抗器的共同作用来获得满意的电源动特性。......
2023-06-30
弧焊逆变器是电子控制弧焊电源中的一种新形式
【摘要】：弧焊逆变器也称为弧焊整流器、逆变式弧焊整流器、逆变式弧焊电源。晶体管式、场效应管式和IGBT式弧焊逆变器均采用这种调节控制方式。如晶闸管式弧焊逆变器，用换向电容的换挡进行粗调脉宽，用改变频率进行细调节。
弧焊逆变器是电子控制弧焊电源中的一种新形式。它的基本原理、主要组成与上述的晶闸管式弧焊整流器相比，在本质上基本相同。其主要组成部分为供电系统、电子功率系统、电子控制系统、给定与反馈电路、焊接电弧等。采用闭环反馈系统控制电特性。但它的电子功率系统中功率开关管不是工作在功率降压变压器的二次侧50Hz，而是在一次侧并升频变换，因而带来性能和结构的优越性。
1.弧焊逆变器主要组成及其原理
（1）弧焊逆变器主电路 由供电系统、电子功率系统和焊接电弧组成。
1）供电系统：把工频交流电变成直流向电子功率系统和电子控制系统供电。
2）电子功率系统：实质上是一次侧分频开关型功率系统，即逆变主电路起分频开关、变换电参数作用，按弧焊工艺要求向焊接电弧提供不同参数的大电流、低电压电能。必须指出，一个电子功率系统其本身并不能用于焊接，必须与电子控制系统紧密结合，才能获得这些功能。
3）电子控制系统 含驱动、反馈与给定闭环控制电路，实现焊接电弧所需的电特性（外特性、调节性能和动特性）以及输出波形变换。基本组成和原理与前述基本相同，不再赘述。
（2）弧焊逆变器的基本原理 如图1-2-27a所示的系统控制框图，在供电系统中，三相50/60Hz、380V的交流电压，经输入工频整流器（UR1）整流和滤波器（LC1）滤波之后，获得逆变主电路所需的平滑直流电压约为520V，在电子功率系统中经功率开关管（晶闸管、晶体管、场效应晶体管或IGBT）组Q的交替开关作用，变成几千至20万以上赫兹（Hz）的中频高压电，再经中频变压器（T）降至几十伏和快速整流器UR2整流以及电抗器L2、电容器C2滤波，变换成为直流输出。借助电子控制系统控制、驱动电路和给定与反馈电路（M、G、A等）以及焊接回路的阻抗，获得弧焊工艺所需的电特性。如需用交流焊接时，还需并联功率开关管组再次逆变和低频调制成为矩形波交流电。
图1-2-27 弧焊逆变器主要组成和基本原理及其闭环控制系统框图
a）弧焊逆变器主要组成和基本原理框图 b）闭环控制系统框图
在电网输入端往往设有输入电压软起动装置和防止合闸浪涌电流的电路环节。例如，串入限流电阻，在起动之后再将它短接；串入晶闸管或改用输入晶闸管式整流器，在起动过程中令其导通角逐渐增大；低通滤波器置于输入整流器之前与工频电网连接，以防止电网高频干扰进入和阻止本身高频干扰工频电网。
弧焊逆变器的变流过程：工频交流（AC）→直流（DC）→中频AC→降压→AC→DC。弧焊逆变器也称为弧焊整流器、逆变式弧焊整流器、逆变式弧焊电源。
2.弧焊逆变器的输出电特性
电特性包括外特性、调节性能和动特性及其控制方式。
（1）外特性和调节性能根据图1-2-27a所示的弧焊逆变器的基本原理框图，就可描绘出图1-2-27b所示的闭环控制系统框图、方程式和实现对外特性等电特性控制。输出电弧电压Uf经电压环节采样分压比m，获得反馈量mUf；输出电流If经电流采样环节n获得反馈量nIf。mUf和nIf又分别经比较放大环节K1、K2与电压给定量Ugu、电流给定量Ugi比较及放大K1、K2倍，各自输出K1（Ugu-mUf）和K2（Ugi-nIf）。最后，经综合、放大K3倍得到控制电压Uk，再输入控制驱动电路，驱动逆变器运行。
一般Uk很小，而K3很大，式（1-2-29）可写成
1）恒压特性：只取电压负反馈，即mUf≠0，nIf=0，由式（1-2-30）可得
Uf=Ugu/m （1-2-31）
式中，m取定常数，Uf只取决于Ugu，Ugu大，Uf也高，恒压特性如图1-2-28a曲线1所示向上平移。
2）恒流特性：只取电流负反馈，即nIf≠0，mUf=0时，由式（1-2-30）可得
If=Ugi/n （1-2-32）
式中，n取定常数。If只取决于Ugi，Ugi大，If也大，恒流特性如图1-2-28a曲线2所示向右平移。
3）缓降特性：同时采用两个反馈，可得缓降特性（图1-2-28a曲线3），mUf≠0、nIf≠0时，可得
4）恒流加外拖特性：电压大于一定值时只取电流负反馈，当电压小于此值时，同时采用电压电流负反馈，如图1-2-28a曲线4所示。
图1-2-28 弧焊逆变器的外特性及电子电抗器电路图
a）外特性 b）电子电抗器电路
1—恒压特性 2—恒流特性 3—缓降特性 4—恒流加外拖特性
（2）动特性 在弧焊逆变器中通常采用如下两个方式改善和控制动特性：
1）在焊接回路中串入电抗器。它由带有间隙的铁心（高值硅钢片或铁氧体、非晶态合金、超微晶合金）和绕组组成，控制熔滴过渡的冲击电流峰值Isd和上升斜率disd/dt使电弧稳定和减小飞溅。逆变器的纹波频率比传统弧焊整流器要高得多，串入的电抗器只要几十微亨电感量。
2）设计电子电抗器 如图1-2-28b所示，采用电压负反馈，把（Ugu-mUf）差值，送入线性放大器“比例—积分”环节，控制disd/dt和Isd，等效于串入铁心电抗器。可用下式表达：
If∝∫（Ugu-mUf）dt （1-2-34）
当电弧突然短路，Uf突然降低至接近于零，而Ugu不变，（Ugu-mUf）的值突然增大，If随时间沿斜直线上升。其上升斜率与“比例—积分”环节R1、C、R2和分压比m有关。通过适当地选择这些与时间常数有关的参数，就可无级控制disd/dt和Isd。
（3）电特性和输出脉冲的控制方式 采用以下3种调节控制方式：
1）“定宽调频”PFM：脉冲宽度不变，改变频率，频率越高，Uf、If越大。反之亦然。频率高低按一定规律变化，就形成一定形状外特性和不同参数脉冲输出。晶闸管式弧焊逆变器就是用这种方式。
2）“定频调宽”PWM：脉冲频率不变，改变脉宽比（占空比）。给定值越高，Uf、If越大。反之亦然。脉宽比大小按一定规律变化，就形成一定形状外特性和不同参数的脉冲输出。晶体管式、场效应管式和IGBT式弧焊逆变器均采用这种调节控制方式。
3）“宽频联合”PFWM：即把定宽调频和定频调宽两种结合起来调节控制。如晶闸管式弧焊逆变器，用换向电容的换挡进行粗调脉宽，用改变频率进行细调节。
3.逆变主电路基本形式
逆变主电路常工作于“空载—短路—负载”频繁变化的电弧负载之中，且本身工作频率高达数千至数万Hz，又承受高电压、大电流，工作条件严酷。整机能否可靠工作关键就在于此。必须根据弧焊方法、容量大小、直流输入电压和工作频率等来选择和设计逆变主电路的形式和结构。几种常用的逆变主电路形式如图1-2-29所示。
（1）单端通向逆变主电路 如图1-2-29a所示，功率开关管V1、V2同时按中频周期性通断，把直流电逆变成断续的中频交流电，经中频变压器T降压，快速二极管VD1整流，电感L2滤波，向电弧输出直流电。两个开关管共同承受输入电压Ud，对耐压要求较低，适用于中小功率逆变器。
（2）半桥式逆变主电路 如图1-2-29b所示，Ud被两组电解电容器C1、C2平分，串联的两个功率开关管V1、V2轮流通断，形成矩形波交流电。经T降压，VD1、VD2的全波快速整流输出，VD1、VD2承受双倍以上输出电压幅值。V1、V2只承受Ud/2。
（3）全桥式逆变主电路如图1-2-29c所示，由对边桥臂的两对功率开关管V1、V4和V2、V3按中频周期性轮流通断，只承受Ud/2，适合于中大功率焊接。
（4）并联式逆变主电路 也称推挽式电路，如图1-2-29d所示，功率开关管V1和V2按中频周期性轮流通断，承受2Ud，经T降压，VD1、VD2全波快速整流输出。一般只用于晶闸管式弧焊逆变器。
所使用的功率开关管类型不同，逆变主电路基本结构相同，但具体结构也有差异。
图1-2-29 逆变主电路常用的基本形式
a）单端通向式 b）半桥式 c）全桥式 d）并联式
4.弧焊逆变器的控制驱动电路
电子控制系统实际上包括电子控制电路与驱动电路。
（1）电子控制驱动电路基本功能的要求 主要有如下几点要求：
1）能提供足够增益、前后沿适当陡峭（但过陡易振荡）、相差180°、对称且符合PFM或PWM调节的脉冲列，有电网和负载电流变化的补偿。
2）能输出弧焊工艺所要求的外特性、调节性能、动特性和波形。
3）能实现输入、输出电压的软起动，按设计的次序接通和关断主电路、控制电路电源。
4）限流、过载、缺相、温升等超过额定值时，应能警示和自动限制、关断保护。
5）设置与外围设备有联系的强电和弱电接口、遥控通信和输出输入反馈信号、远控信号的电隔离。
（2）对晶体管类逆变器驱动电路的要求 把控制电路输出的脉冲放大到足以激励高压开关管。驱动脉冲幅度和波形，直接影响晶体管类的饱和压降、存储时间、开通和关断瞬间集电极或漏极的电压、电流上升、下降速度等运行特性，影响损耗和发热。根据功率开关管类型的不同，有以下驱动电路。
1）电流驱动电路：用于输入阻抗较小的双极性晶体管（GTR、BJT）式。
2）电压驱动电路：用于绝缘栅单极型晶体管（场效应晶体管MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）式。为了可靠关断，往往还需在控制极（栅极）施加反向偏压。
3）触发角控制驱动电路，用于晶闸管类弧焊逆变器，与上述晶闸管式弧焊整流器要求同样。
5.弧焊逆变器的特点和分类与应用
（1）弧焊逆变器特点 功率开关管工作在二次侧，开关频率50Hz，功率变压器、电抗器质量和材料占整机3/4以上。根据变压器原理：U=4.44fNBS×10-8，这就是说，绕组N和铁心截面积S与频率f成反比：1/f∝NS，频率越高，绕组圈数和铁心截面积越小。50Hz变压器的一次绕组需3个几百圈，二次绕组需3个几十圈。而弧焊逆变器的功率开关管工作在功率变压器一次侧，开关频率20000Hz，400倍于50Hz，一次、二次绕组各一个，且分别只需十多圈和二、三圈，铁心又较小，因此它带来一系列好处。
弧焊逆变器与传统弧焊电源比较，具有如下显著的特点和优点：
1）高效节能：效率达80%～92%，节电20%～35%（随负载变化），空载损耗仅为传统十几分之一。
2）质量轻、体积小：中频主变压器的质量仅为传统变压器的几分之一，体积仅为传统变压器的1/5～1/3，移动轻便。
3）电气性能优良，主要表现在以下方面。
①频率很高，焊接回路滤波的电感量和材料大为减少，动态响应快，更利于发挥电子电抗器的优势。
②输入整流电路和输出回路中均有储能电容器，减少无功损耗和提高效率因数约1倍以上。
③控制性能优良：无论哪种类型弧焊逆变器的控制功率都较小，特别是电压控制型，其控制功率接近零，适合用数字化控制和柔性、多功能、远距离控制。
4）具有良好的弧焊工艺性能：它采用了快速开关功率电子器件和电子、数字化控制电路，利于适应各种不同的弧焊方法进行各种位置、各种材料的优质、少/无飞溅、成形好的焊接。
（2）弧焊逆变器分类 从不同的角度可以有不同的分类，常用逆变主电路功率开关器件主要包括：晶闸管（SCR）式弧焊逆变器、晶体管（GTR）式弧焊逆变器、场效应晶体管（MOSFET）式弧焊逆变器、IGBT式弧焊逆变器等。随着新功率开关器件的出现，可分为IGHT式、GTO式、SITH式、MCT式、MGT式弧焊逆变器等。此外，还可按输出电流种类、频脉高低、特性形状等进行分类。
（3）弧焊逆变器应用 具有上述一系列的优越性，输出焊接电流可达1000A以上，几乎可取代现有的一切弧焊电源，用于焊条电弧焊和TIG焊、MAG/CO2/MIG/实心/药芯焊丝电弧焊、等离子弧焊与切割、埋弧焊、机器人弧焊等各种弧焊方法，焊接各种金属材料及其合金，特别是用在工作空间小、高空作业、需较多移动焊机、用电紧缺等场合。
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