新型弧焊电源

新型弧焊电源第一页，共四十八页，2022年，8月28日2、缺点：1）管子上的功耗大（模拟式晶体管弧焊电源）2）质量大、耗材多、成本高；铜耗、铁耗大。3）可靠性稍差。仅仅在上世纪八九十年代，在国外有过批量生产。国没形成批量，先早已不生产，工业界也没有应用。第二页，共四十八页，2022年，8月28日大功率晶体管工作在放大状态第三页，共四十八页，2022年，8月28日第四页，共四十八页，2022年，8月28日第一节弧焊逆变器概述一、弧焊逆变器的基本组成及原理组成：输入整流、输入滤波、功率开关组、降压变压器（高变）、输出整流器整流、电感滤波、电流电压监测电路、比较电路、系统调节器(PI)、PWM变换器、驱动器。元件吸收电路、过流、过压、欠压、过热保护电路。该图中的逆变机制属于：AC(工频)-DC-AC（高、中频）-DC。第五页，共四十八页，2022年，8月28日功率开关组的工作频率大大高于工频：晶闸管半控器件：f0=2~5kHz场效应管、IGBT类全控器件：f0=10~20~50~100kHzN1-绕组匝数；f-电源的工作频率；S-磁芯面积。fN1SV变压器W整机

T焊接电流控制速度熔滴张力过渡控制第六页，共四十八页，2022年，8月28日二、弧焊逆变器主电路1、半桥式电路V1、V2轮流导通，在PWM方式下，两管最大导通180o,但为防止直通要在两个管子导通时间之间留死区时间td，即最小共同关断时间。这种电路具有抗偏磁能力。变压器承受的矩形波电压峰值为Vin/2,因而，变比n=n1/n2小，初级电流大，管子电流容量大。VD1VD1由逆变器、中频变压器及整流器组成第七页，共四十八页，2022年，8月28日第八页，共四十八页，2022年，8月28日2、全桥式电路V1、4共同导通，V2、3共同导通，变压器电压峰值为Vin，变比比半桥式大一倍，一出现偏磁，导致管子烧坏。第九页，共四十八页，2022年，8月28日3、功率开关器件第十页，共四十八页，2022年，8月28日（1）晶闸管（SRC）：技术成熟，电流容量大、成本低，但工作频率低、开关速度慢。（2）功率晶体管（GTR）：工作频率高、开关速度快、控制方便、导通压降低，但容易击穿、管子容量小、驱动电路复杂。（3）场效应管：开关速度很快、工作频率最高、控制方便（电压控制）、抗干扰能力强。但导通压降高、管子容量小。（3）场效应管：开关速度快、控制方便（电压控制）、抗干扰能力强。但导通压降高、管子容量小。只用于小功率逆变器中。（4）绝缘栅双极晶体管（IGBT）：开关速度快、容量大、热稳定性好、输入阻抗高、驱动电路简单。目前应用最广泛。第十一页，共四十八页，2022年，8月28日三、弧焊逆变器的整机特性控制1、外特性控制：（1）单纯电压反馈：恒压特性（2）单纯电流反馈：的恒流特性当K1或K2不够大时，则If较大的增加才使得uk有较大的降低，得到一般的下降特性曲线而不是恒流特性。第十二页，共四十八页，2022年，8月28日2、调节方式平特性时，通过改变Ugu来调节电压恒流特性时，通过改变Ugi来调节焊接电流第十三页，共四十八页，2022年，8月28日四、外特性及调节特性（开关器件）的控制模式1、定脉宽调频率（PFM-pulsefrequencemodulation)对于晶闸管弧焊逆变焊机，由于它是半控器件，一般是让其在主电路中开通以后，当电流自然过零时自行关断，这样一次导通形成“半波”，其导通时间长(脉宽）基本不变，因此要进行电压、电流的调节就只有改变其关断时间toff,T=ton+toff,通过toff改变，则焊机的频率f也改变，从而形成PFM模式。弧焊逆变器定脉宽调频率体制示意图第十四页，共四十八页，2022年，8月28日2、定频率调脉宽（PWM-Pulsewidthmodulation)全控型开关元件：大功率晶体管、功率场效应管、IGBT（绝缘栅双极晶体管insulategatedipolartransistor)全控型器件关断过程可控，其导通时间可调，即由其组成的逆变电路输出信号脉宽可调。当f=C时调解脉冲宽度调节输出电压、电流平均值弧焊逆变器定频率调脉宽体制示意图第十五页，共四十八页，2022年，8月28日Ton很小时，调节过程不稳定，开关管脱离饱和，工作在放大状态，因此，有最小脉宽限制。可附加分频法，即将PWM与PFM结合。PFM和PWM都是通过改变占空比δ（W/T)进行电压、电流调节的。第十六页，共四十八页，2022年，8月28日五、特点及应用一）特点1、体积小、重量轻，成本低：仅为传统弧焊电源的1/10重，节省大量的铜材和硅钢片。2、频率高，提高了交流电弧稳定性3、高效节能：铜损和铁损小、电子元件损耗小、功率因数高4、控制性能好，响应速度快：可获得各种外特性、各种波形、动特性好。稳定性、可靠性仍待提高。二）应用 各种焊接方法和工艺：MMA、TIG、MIG、MAG、SAW、CO2、PAW、FCAW等。脉冲MIG、MAG和TIG。方波交流TIG等。第十七页，共四十八页，2022年，8月28日第三节脉冲弧焊电源的概述一、脉冲弧焊电源的特点、分类及应用范围1、特点焊接电流是周期性脉冲式的，包括基本电流（维弧电流）和脉冲电流，可调规范参数多，包括：脉冲频率、幅值、宽度、电流上升速度和下降速度。第十八页，共四十八页，2022年，8月28日直流脉冲电流波形itti交流脉冲电流波形第十九页，共四十八页，2022年，8月28日1）波形：正弦半波、矩形波、三角形波2、脉冲电流波形和可调的基本参数2）可调基本参数：脉冲电流（峰值电流）幅值、基值电流（背景电流、维弧电流）幅值，脉冲时间、基值时间、上升（前沿）时间、下降（后沿）时间。第二十页，共四十八页，2022年，8月28日(1）利用电子开关主要用现代电力电子技术中的功率开关器件：晶闸管、大功率三极管、场效应管及IGBT等。a)在直流侧设开关装置，b)在交流侧设开关装置3、脉冲获得方法（2）利用大功率整流管整流得到单相脉冲电源(50或100Hz)。第二十一页，共四十八页，2022年，8月28日（3）利用阻抗的变换a)变换交流侧阻抗值，b)变换直流侧阻抗值（4）改变调节ug及电流截止反馈A、改变ug；B、电流截止反馈：周期性地改变电流截止反馈信号，使直流回路中的晶体管周期性的导通与关断。第二十二页，共四十八页，2022年，8月28日4、脉冲弧焊电源的分类1）按获得脉冲电流的器件分：单相整流式、磁放大器式、晶闸管式、晶体管式、逆变式。2）按电源单位分：单电源式，双电源式。3）按脉冲电流频率分：低频，高频。第二十三页，共四十八页，2022年，8月28日应用范围：1）熔化极及不熔化极气体保护焊：MIG、MAG、TIG及微束等离子弧焊等；2）窄间隙厚板焊、超薄板焊；3）不锈钢、铝、热敏感性材料焊；4）全位置焊，保证均一的焊接成形和质量；5）单面焊双面成形和封底焊。二、应用：TIG时用脉冲使深熔与凝固交互进行，控制热输入。MIG焊以低的平均电流实现射流过渡，进行薄板焊接、全位置焊接和热敏感材料的焊接。第二十四页，共四十八页，2022年，8月28日三、典型冲弧焊电源一）单相硅整流式并联式可调并联式第二十五页，共四十八页，2022年，8月28日1、给定值调节式原理：与晶闸管弧焊整理器相同，仅仅将给定信号修改为脉冲信号。给定电压为低值时，输出焊接电流为低值，给定信号为峰值时，输出电流为峰值。特点：1）输出的脉冲电流波形为方波或带前沿尖峰的方波；2）脉冲电流和基本电流都由同一电源供给；3）无级调节、操作方便；频率调节范围小0.2~10HZ

；4）一机多用；5）控制线路比较复杂，不易维修。三）晶闸管式第二十六页，共四十八页，2022年，8月28日（1）晶闸管断续器式脉冲弧焊电源的分类1）交流断续器：在电源的交流环节（主变压器的一次或二次侧）控制通断及大小，但是电源输出可以是直流，也可以是交流。2、晶闸管断续器式第二十七页，共四十八页，2022年，8月28日三、晶体管式、场效应管及IGBT式 通常采用PWM方式。第二十八页，共四十八页，2022年，8月28日2）直流断续器：接在脉冲电源的直流侧，起开关作用。（2）单电源直流断续器式脉冲弧焊电源（1）双电源式直流断续器脉冲弧焊电源特点：电流的通断容量可达数百安培，频率调节范围广，脉冲波形近似呈矩形，对焊接有利，脉冲内脉动大小与直流弧焊电源种类有关。但是主晶闸管流过的电流大，其可靠关断是关键。第二十九页，共四十八页，2022年，8月28日四、逆变式PFM和PWM，通过不同时间段才哟娜个不同的盖顶信号来改变脉宽或频率，可很容易地获得脉冲输出。PWMPFM第三十页，共四十八页，2022年，8月28日第三节矩形波交流弧焊电源一、概述焊铝合金时，最好采用交流TIG焊，但是采用正弦交流电时，在电流过零处需加稳弧脉冲，采用方波电源可避免该问题。获得矩形方波的方式：逆变式、晶闸管电抗器式式。二、特点除了一般电源的特点外。1、电弧稳定，无需稳弧装置2、极性比可调节，即正负半波的比例可调，保证足够阴极雾化作用下，冷却钨极，提高载流能力，延长钨极寿命。3、无需消除直流分量的装置三、应用铝，镁的钨极氩弧焊、等离子弧焊。也可用于手工及埋弧焊第三十一页，共四十八页，2022年，8月28日三、典型矩形波交流电源一）逆变式一次电流为普通的直流，直流弧焊电源可以是晶闸管式、发电机式、逆变式（双逆变式矩形波电源）、或磁放大器式。逆变电路中，V1、V2与V3、V4交替互补，1800导通，则形成了方波电流。电流自身的特性则由直流焊机完成控制，即外特性和调节特性由直流电源控制）。脉冲矩形方波变极性矩形方波第三十二页，共四十八页，2022年，8月28日二）晶闸管电抗器式VT1~4接交流通道，L中流过直流电，从而变压器中电流为矩形方波。电压平衡方程式为：t1~t2：u2>uf,Ldi/dt>0,电流上升，L储能。t2~t4：u2<uf,Ldi/dt<0,电流下降，L释放能量。第三十三页，共四十八页，2022年，8月28日管子换向时有重叠时间，形成直通，但VT1~4,u2全部作用在电弧上。尤其小电流时，α90o,u2很高，故换向电流峰值很大，有利于换向。外特性和调节特性和晶闸管弧焊整流器形同。通过改变两组晶闸管的控制角可方便地改变极性比。第三十四页，共四十八页，2022年，8月28日第五节数字化焊接电源主要或全部控制电路由数字控制技术替代模拟控制技术的弧焊电源。模拟量：其数值可自一定范围内连续变化。数字量：利用0和1两个字符表示的量。第三十五页，共四十八页，2022年，8月28日设定值实际值DSP及MCUA/DD/A第三十六页，共四十八页，2022年，8月28日H.Hackl7/98DIGITALWELDING-POWERSOURCES数字化逆变原理第三十七页，共四十八页，2022年，8月28日H.Hackl7/98DIGITALWELDING-POWERSOURCES全数字焊接电源的控制原理图HOSTRS485主控制系统DSP焊接参数数字信号处理AD数字逆变反馈AD面板-+送丝机采用DSP全数字微处理器控制内部数据交换速度达195KHz第三十八页，共四十八页，2022年，8月28日给定信号通过控制面板输入，通过A/D转换和MCU发送给DSP，而采样电流采集到的电压及电流反馈信号经过A/D转换后直接给DSP，DSP则根据一定的规则和算法对这些信号进行比较、运算和放大，得到控制功率开关元件的PWM信号。控制电源的外特性和输出特性。体现在三个方面：1）主电路的数字化：弧焊逆变器的功率开关器件工作在开关状态：0和1状态。频率高、响应速度快、输出波纹小，控制精确。2）控制电路的数字化：基于MCU和DSP。给定信号和反馈信号转换成数字信号后，再由MCU和DSP进行处理。3）专家数据库软件系统：将大量的专家参数存储到焊机中的存储器中，根据具体的焊接工艺条件，直接调用这些参数。自动匹配最佳焊接参数进行焊接。第三十九页，共四十八页，2022年，8月28日数字逆变技术逆变频率高输出电流更平稳

逆变频率越高变压器越小第四十页，共四十八页，2022年，8月28日优点为什么采用数字化？1、多功能集成数字化电源基于MCU和DSP,，利用软件进行控制。通过软件可实现不同的功能，实现不同的焊接工艺控制。而模拟式控制是基于硬件电路进行控制的，硬件配置及参数确定后，功能就无法更改。2、接口兼容性好可方便地与外部设备建立信息通道，实现信息交换。易于实现机器人控制、网络化焊接生产管理。3、具有更好的稳定性模拟控制系统中信号的处理是通过电