学习目标：（1）孰悉弧焊逆变器的基本组成、基本原理，逆变主电路及控制电路，外特性及调节特性的获得方法，弧焊逆变器的特点、分类及应用；（2）掌握各种常用弧焊逆变器主要组成、基本原理、输出电气特性，特别是要重点掌握晶闸管式、晶体管式、场效应管式及IGBT式等弧焊逆变器的特点及典型产品和应用；（3）了解软开关弧焊逆变器的有关问题。 综合知识模块一
弧焊逆变器的基本知识
直流-交流之间的变换称为逆变，实现这种变换的装置称为逆变器。为焊接电弧提供电能，并具有弧焊方法所要求性能的逆变器，即为弧焊逆变器。 自70年代初以来，随着大功率电子元件和集成电路技术的发展，使先进的中频逆变技术迅速推广、应用。它从应用于中频加热、稳压电源、电化学加工，发展到被应用于电弧焊接、电阻焊接和电子束焊接等。第一台晶闸管式弧焊逆变器于1978年问世，1981年又出现了
晶体管式弧焊逆变器，1982年我国学者研制成功了场效应管式弧焊逆变器。1989年在埃森世界焊接与切割博览会上又展出了IGBT式弧焊逆变器。由于这种弧焊电源具有高效节能等突出优点，可应用于各种弧焊方法，因此，弧焊逆变器是一种很有发展前途的新型弧焊电源。
能力知识点 1 弧焊逆变器的组成及作用
弧焊逆变器的基本组成框图如图6-1所示。
1．主电路
主电路由供电系统、电子功率系统和焊接电弧等组成。
(1)供电系统 把工频交流电经整流器UR变换为直流电供给电子功率系统（逆变器）。
此外，还通过变压、整流、滤波及稳压系统对电子控制系统提供所需的各组不同大小的直流稳压电源。
（2）电子功率系统 是弧焊逆变器的逆变器主电路，起着开关、变换电参数（电压、 电流及波形）的作用，并以低电压大电流向焊接电弧提供所需的电气性能和工艺参数。这里必须指出，一个电子功率系统，其本身并不能焊接，必须与电子控制系统结合起来才能焊接。也就是说，只有两者的结合才能对焊接电弧提供所需的电气性能和焊接工艺参数。 2．电子控制系统
对电子功率系统提供足够大的、按电弧所需变化规律的开关脉冲信号，驱动逆变主电路的工作。确切地说，它用于产生焊接电弧所需的外特性和动特性，其主要组成是静态单元和动态单元。电子控制系统往往包括驱动电路。
工业机器人装配>pmoled3．反馈给定系统
由检测电路P、给定电路G、比较放大电路N等组成。检测电路P主要用于提取电弧电压和电流的反馈信号；给定电路G用于提供给定信号，决定对电弧提供焊接工艺参数的大小；比较放大电路N用于把反馈信号与给定信号比较后进行放大，与电子控制系统一起，实现对弧焊逆变器的闭环控制，并使它获得所需的外特性和动特性。
能力知识点 2 弧焊逆变器的基本工作原理
弧焊逆变器的基本工作原理，如图6-2所示
在供电系统中，单相或三相交流电网电压，经UR1整流和L1C1滤波后获得UI所需的平滑直流电压。该直流电压在电子功率系统中经逆变器的大功率开关器件（晶闸管、晶体管、场效应晶体管或IGBT）组Q的交替开关作用，变成几千至几万赫兹的高压中频电，再经中频变压器降至适合于焊接的低压中频电，并借助于电子控制系统的控制驱动电路和给定反馈电路（P、G、N等组成）及焊接回路的阻抗，获得焊接工艺所需的外特性和动特性。如果需要采用直流电进行焊接，还需经UR2整流和L2C2的滤波，把中频交流电变成稳定的直流输出
弧焊逆变器主电路的基本工作原理，可以归纳为：工频交流（AC）→直流（DC）→高、中频交流（AC）→降压→交流（AC）并再次变成直流（DC），必要时再把直流变成矩形波交流（AC）。
因而在弧焊逆变器中可采用三种逆变体制：
AC － DC － AC
AC － DC － AC － DC
AC － DC－ AC － DC － AC （矩形波）
目前常采用的是第二种逆变体制，在国外常把它称为弧焊整流器、逆变式弧焊整流器或逆变式弧焊电源。第三种逆变体制也有不少应用，主要用在铝合金的焊接，由于它最终输出的是矩形波交流电，故被称为逆变式矩形波交流弧焊电源或矩形波交流弧焊逆变器
能力知识点 3 弧焊逆变器的外特性及焊接工艺参数调节
1．弧焊逆变器的外特性
根据各种弧焊工艺方法的要求，通过电子控制电路和电弧电压反馈、电弧电流反馈，弧焊逆变器可以获得各种形状的外特性，如图6-3所示。图6-3a、b所示的外特性用于焊条电弧焊；图6-3c所示的外特性用于TIG焊；图6-3d所示的外特性用于MIG/MAG焊。
2．弧焊逆变器的焊接工艺参数调节
弧焊逆变器的焊接工艺参数调节方法大致有三种：
（1）定脉宽调频率 脉冲电压宽度不变，通过改变逆变器的开关频率来调节参数大小。开关频率越高，输出电压就越大。通常晶闸管式弧焊逆变器就是采用这种调节焊接工艺参数方法的。
（2）定频率调脉宽 脉冲电流频率不变，通过改变逆变器开关脉冲的脉宽比来调节焊接工艺参数。脉宽比越大，则工作电流也越大。晶体管式、场效应管式弧焊逆变器都适于采用这种焊接工艺参数调节方法。
（3）混合调节 调频率和调脉宽相结合的调节方式。
能力知识点 4 弧焊逆变器的特点、分类及应用
1．弧焊逆变器的特点
（1）高效节能
（2）体积小、质量轻
（3）具有良好的动特性和弧焊工艺性能
（4）可用微机或单旋钮控制调节焊接工艺参数。
（5）设备费用较低，但对制造技术要求较高
2．弧焊逆变器的分类
弧焊逆变器一般有下述几种分类方法：
（1）按大功率开关器件进行分类 ①晶闸管式弧焊逆变器；②晶体管式弧焊逆变器；③场效应晶体管式弧焊逆变器；④IGBT式弧焊逆变器等。
（2）按输出电流分类 ①直流式弧焊逆变器；②脉冲式弧焊逆变器；③矩形波交流弧焊逆变器。
（3）按输出外特性形状分类 ①恒流特性弧焊逆变器；②恒压特性弧焊逆变器；③缓降特性（含恒流带外拖）弧焊逆变器；④多特性弧焊逆变器。
3．弧焊逆变器的应用
弧焊逆变器由于具有优良的电气性能和良好的控制性能，容易获得多种形状的外特性曲线和不同种类的电弧电压、电流波形（直流、脉冲、矩形波交流等），良好的动特性，并能输出1000A以上的焊接电流，因此弧焊逆变器几乎可以取代现有的一切弧焊电源。可用于焊条电弧焊、TIG焊、MAG/CO2/MIG/药芯焊丝焊、等离子弧焊与切割、埋弧焊、机器人焊接等各种焊接方法。同时，可用于焊接各种金属材料及其合金，特别是用于工作空间小、高空作业、需较多移动焊机、用电紧缺等场合。
【综合训练】
一、判断题答案
1．√；2．×；3．√；4．√。
二、简答答案（略）
1．试述弧焊逆变器的基本工作原理。
2．试述弧焊逆变器的特点及应用？
综合知识模块二
晶闸管式弧焊逆变器
以快速晶闸管（SCR）为逆变主电路的大功率高压开关管，通过其触发角来控制的弧焊逆变器，称为晶闸管式弧焊逆变器。
晶闸管式弧焊逆变器出现于上世纪70年代，80年代中期有了较大的发展，但到80年代后期逐渐被性能更佳的场效应管式、IGBT式弧焊逆变器所代替，因此晶闸管式弧焊逆变器逐渐减少，但在世界上仍有一定的地位。
能力知识点 1 组成及工作原理
晶闸管式弧焊逆变器的原理框图如图6-4所示。
下面以图6-5所示的晶闸管式弧焊逆变器主电路为例，介绍其主电路的组成与工作原理
主电路由输入整流器UR1、逆变电路和输出整流器UR2等组成。主电路的核心部分是逆变电路，它由晶闸管VT1、VT2，中频变压器T，电容C2~C5，电感线圈L1、L2等组成，构成所谓“串联对称半桥式”逆变器。为便于讨论它的工作原理，可将其简化成图6-6所示的电路。
图6-6中，当SA1（即VT1）闭合，而SA2（即VT2）断开时，电容C2,4的放电电流i1由 →SA1→T→ ，电容C3,5的充电电流则由a（+）→SA1→T→ → →b（-），从而在中频变压器T上形成正半波的电流主轴加工i1 。
当SA2闭合，SA1断开时，电容C3,5的放电电流i1由 →T→SA2→ ，电容的充电电流由a （+） → → T →SA2→ b （-）,从而在变压器T上形成负半波电流。这样SA1、SA2每交替闭合和断开一次，就在变压器T上产生一个周波的交流电，它们每秒钟通断的次数就决定了逆变器的工作频率，这就是所谓的“逆变调频”原理。通过这样的逆变，就将三相整流器UR1整流后的直流电转换成1～2kHz或更高的中频交流电。然后，经变压器T降压，尾气抽排系统UR2整流，从而得到稳定的直流输出 。
能力知识点 2 逆变主电路的形式
逆变主电路的基本形式，如图6-7所示。图6-7a）为串联不对称半桥式电路；图6-7b）、c）为串联对称半桥式电路；图6-7d）为串联对称桥式电路；图6-7e）为并联式全波电路；图6-7f）为并联式麦克默里电路。以上形式的主电路基本工作原理都比较简单，由读者自己分析。这里顺便指出，对图6-7e）、f）两种逆变主电路，由于晶闸管需承受两倍以上的直流电源反向电压，所以对晶闸管的耐压要求很高，选用时必须注意。
能力知识点 3 外特性控制原理和焊接工艺参数调节
外特性形状，是通过电流、电压负反馈与电子控制电路的配合以改变频率f来控制的。例如，从图6-5中的分流器RS取电流负反馈信号送到电子控制电路，于是随着焊接电流的增大，使逆变器的工作频率迅速降低，从而获得恒流外特性。如果采用电压负反馈方式，则可得到恒压外特性。若按一定的比例取电流和电压反馈信号，便可得到一系列一定斜率的下降外特性，其外特性形状如图透射电镜样品制备6-3所示。
晶闸管式弧焊逆变器是采用“定脉宽调频率”的调节方法来调节焊接工艺参数的，即通过改变晶闸管的开关频率（逆变器的工作频率）来进行的。晶闸管的开关频率越高，电弧电流（或电压）越大。
这里应指出，逆变器的频率有两种参数。一种是由逆变器主电路的电感L和电容C决定的固有频率f0，在忽略主电路电阻时，有： f0=1/[2π(LC)1/2]。
f0越大，则逆变器脉冲周期越小。另一种频率参数f是人为调节的逆变器工作频率，它由触发脉冲的频率决定。显然， f棒球棍材料0应大于f
电流的均匀调节是通过改变逆变器的工作频率f来进行的。为了拓宽调节范围，可辅以分档粗调。例如在图6-5中，由继电器触点K1、K2将电容C2、C3断开，使电容容量减小，可使f0提高。这时可在高档范围内改变f ，使对应的焊接工艺参数在大档范围均匀调节。当触点K1 、 K2闭合时，电容容量增大，可使f0降低。这时可在低档范围内改变f ，使对应的焊接工艺参数在小档范围均匀调节。
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