2.3　逆变弧焊电源中的问题

2.3.1　何为逆变弧焊电源？有什么特点？

由直流电到交流电的变换过程称为逆变。能实现逆变，并为焊接电弧提供电能和具有弧焊方法所要求电气性能的装置，被称为逆变弧焊电源。逆变弧焊电源具有高效、节能、重量轻、体积小，弧焊工艺性能好等优点。

（1）逆变弧焊电源的基本原理

逆变弧焊电源的基本原理见图2.21。

单相或三相50Hz的交流网路电压经输入整流器整流和滤波器滤波之后，通过大功率开关电子元器件构成的逆变器（晶闸管，晶体管或场效应管）的交替开关作用，变成几千至几万赫兹的中频电压，再经中频变压器降至适合于焊接的几十伏电压，并借助于电子控制电路和反馈电路（由检测电路、给定电路和运算放大器等组成），以及焊接回路的阻抗，获得弧焊所需的外特性和动特性，如果需要采用直流进行焊接，还需经输出整流器整流和经电抗器L、电容器的滤波，把中频交流电变换成直流电输出。

逆变弧焊电源的基本原理可以归纳为：工频交流电→直流电→小频交流电→降压→交流电或直流电。逆变弧焊电源可以采用两种逆变体制：

①交流电→直流电→交流电；

②交流电→直流电→交流电→直流电。

目前生产的逆变式弧焊整流器常采用后一种体制，也可把它称为逆变式弧焊整流器。

（2）逆变弧焊电源的特点

逆变弧焊电源与传统弧焊电源相比最大的不同是：传统弧焊电源均采用工频50Hz来传递电能和交换电能，而逆变弧焊电源则把工频50Hz提高到几千至几万赫兹来进行电能的传递和变换。频率的提高，给逆变弧焊电源带来的突出特点是：高效、轻巧、性能优良。

①逆变弧焊电源由于主变压器使用的铜硅钢片减少，使电能损耗大幅度地降低，同时大功率电子开关元件工作在开关状态，其功耗也较小；另外，输入整流电路和输出回路中均存在起储能作用的电容器，从而明显地减少了无功损耗和提高了功率因数。逆变弧焊电源具有高效节能的特点，效率可达80％～90％，功率因数高达0.99，空载损耗也极小。

②逆变弧焊电源的主变压器为传统弧焊电源的几十分之一，整机重量为传统弧焊电源的1/10～1/5左右，整机体积也仅为传统弧焊电源的1/3左右。所以，逆变弧焊电源与传统弧焊电源相比，具有重量轻、体积小的显著特点。

③逆变弧焊电源借助电子控制电路和反馈电路的配合。可以设计出合适的外特性曲线。可根据焊接工艺的要求，对外特性和动特性进行控制，以获得优良的焊接工艺性能。

逆变弧焊电源与直流弧焊电源的技术指标比较见表2.1。

2.3.2　典型逆变电源采用何种主电路结构？

典型逆变电源的逆变器主要由电力电子器件和中频变压器组成，其中电力电子开关器件可为晶闸管、电力晶体管（SCR）、场效应晶体管（MOSFET）或绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。以电力晶体管为例，在逆变弧焊电源中，几种常用的逆变主电路如图2.22所示。采用其他种类的电力电子开关器件时，其电路基本一致。

2.3.3　逆变弧焊电源的外特性有哪些，各适用于什么焊接方法？

逆变弧焊电源输出外特性要适用于各种弧焊工艺要求。借助电子电路和电弧电压、电流反馈信号的配合，改变电力电子器件的开关时间和频率随输出电流变化的规律，就可以对弧焊逆变器的外特性进行任意的控制。常用的几种外特性曲线如图2.23所示。

外特性的控制（包括焊接工艺参数的调节），一般通过改变电力电子开关器件在一个开关周期中的导通时间占空比来实现。外特性控制方式大致有两种：

①定频率调脉宽（PWM）方式　控制脉冲电压幅值和频率不变，通过改变逆变器开关导通时间（即脉冲宽度）来调节输出电压。由于频率恒定，滤波电路的设计容易，电力晶体管、电力场效应晶体管和IGBT逆变器多采用这种控制和调节方式。

②定脉宽调频率（PFM）方式　控制脉冲电压幅值、宽度不变，通过改变开关工作频率来调节输出电压、电流。由于调频，因此要求滤波电路能适应较宽的频段。晶闸管式弧焊逆变器多采用这种调制方式。

此外，也可采用上述两种方式的混合调节方式。

2.3.4　逆变式矩形波弧焊电源的特点是什么？应用范围有哪些？

逆变式矩形波弧焊电源的工作原理如图2.24所示。变压器T将网路电压变成几十伏的低压。经晶闸管整流器进行可控整流，获得幅值可调的直流，并通过电抗器获得稳定的直流。此直流对储能电容C1和由SCR1～SCR4组成的逆变器供电，逆变器的主电路如图2.24（b）所示。逆变器的SCR1、SCR3和SCR2、SCR4轮流导通，在a、b两点即可输出矩形波弧焊电流。其矩形波前沿有一尖峰，这是C1造成的。它有利于引弧，对电弧稳定有利。通过电流负反馈，控制晶闸管整流器的脉冲，可以获得下降外特性。改变给定信号，可以调节直流输出电压幅值。改变晶闸管逆变器SCR1～SCR4的控制信号，可以调节正、负半波的时间和间隔。准确地控制焊接热输入，有利于焊接质量的提高。

矩形波电弧焊的特点是：

①电流过零时间极短，为电弧重新引燃和稳定创造了极为有利的条件，故电弧非常稳定，甚至用于铝镁合金钨极氩弧焊时，不加稳弧装置也能进行焊接；

②正、负半波通电时间和比值可调，便于获得最佳热输入和熔深，对提高生产率有利，能够满足特殊焊接工艺的要求；

③通过不同反馈形式，可以获得不同形状的外特性曲线，如缓降、恒流、恒流外拖等外特性。焊接工艺参数均能无级调节，便于远距离操作和遥控；

④具有网路电压补偿功能，易于实现交、直两用弧焊电源的设计。

应用范围主要用于铝、镁及其合金的交流钨极氩弧焊，也可以用于碱性焊条电弧焊、埋弧焊，以及交流等离子弧焊等。

2.3.5　脉冲弧焊电源的工作原理是什么？其适用范围有哪些？

脉冲弧焊电源是指焊接电流以低频调制脉冲方式输出的焊接电源。典型的脉冲电流波形如图2.25所示。

（1）脉冲弧焊电源的分类

脉冲弧焊电源可按不同的方法分类，最常见的分类方法是按获得脉冲电流所用的主要器件不同来分类。

①单相整流式脉冲弧焊电源　它利用晶体二极管单相半波或单相全波整流电路来获得脉冲电流。

②磁饱和电抗器式脉冲弧焊电源　它是在普通磁饱和电抗器式弧焊整流器的基础上发展而来的。按获得脉冲电流的方法不同又分为阻抗不平衡型、脉冲励磁型。

③晶闸管式脉冲弧焊电源　它是在普通弧焊整流器的交流侧或直流侧接入大功率晶闸管断续器而构成的。按构成的方式不同又分为：交流断续器式、直流断续器式。

④晶体管式脉冲弧焊电源　它是在焊接主回路中接入大功率晶体管，起电子开关或可调电阻作用，从而获得脉冲电流。

（2）脉冲电流的获得方法

脉冲弧焊电源一般有两种电流，即基本电流（维弧电流）和脉冲电流。脉冲电流可以采用多种方法来获得。现在普遍采用大功率电子开关元件，通过阻抗变换等方法来获得脉冲电流。归纳起来有以下三类常用方法。

①利用硅二极管的整流作用获得脉冲电流　这类脉冲弧焊电源采用硅二极管提供脉冲电流，可获得100Hz和50Hz两种频率的脉冲电流。电路及波形如图2.26所示。

②利用电子开关获得脉冲电流如图2.27所示，在普通直流弧焊电源直流侧或交流侧接入电子开关（如晶闸管断续器或大功率晶体管），利用它们的周期通、断获得脉冲电流。

③利用阻抗变换获得脉冲电流如图2.28所示。通过变换普通直流电源交流侧或直流侧的阻抗值，或使三相阻抗不平衡（Z1≠R≠Z2）来获得脉冲电流。

脉冲弧焊电源的基值电流和脉冲电流可以是两个独立的电源提供，也可以由一个电源提供幅值大小交替变化的电流，分别作为基值电流和脉冲电流。脉冲弧焊电源的特点是焊接电流为可控的周期性变化的脉冲电流。通过对它的控制，可以方便有效地改变电弧功率、熔池大小和熔滴过渡形式。

影响脉冲弧焊焊接工艺的焊接电流有6个参数：基值电流幅值、脉冲电流幅值、脉冲频率、脉冲电流宽度比、脉冲电流上升率、脉冲电流下降率。这些参数均可大幅度调节，对改善焊接质量和满足多种焊接工艺的需要极为有利。

（3）脉冲弧焊电源的应用范围

脉冲弧焊电源的应用范围很广泛，现已用于熔化极和非熔化极电弧焊、等离子弧焊等焊接方法中。脉冲电流焊接可以精确地控制焊缝的热输入，使熔池体积及热影响区减小，高温停留时间缩短，因而无论是薄板还是厚板，普通金属、稀有金属及热敏感性强的金属都有较好的焊接效果。用脉冲电流焊接还能较好地控制熔滴过渡，可以用低于喷射过渡临界电流的平均电流来实现喷射过渡。脉冲弧焊电源的应用范围如下：

①适宜于焊条弧焊、等离子弧焊、各种气体保护焊。

②适宜于不同厚度板材的焊接：用小脉冲电流可以焊0.1mm以下的超薄板；用窄间隙脉冲气体保护焊，可焊150mm以上的厚板。

③适宜于多种材料的焊接：用脉冲弧焊电源可以焊接碳钢、不锈钢、低合金钢、高合金钢、热敏感材料和稀有金属。