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1、南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 1 页 共 58 页引引 言言焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。焊接作为现代金属加工中最重要的方法之一，为世界所瞩目。据不完全统计，全世界年产 45%左右的钢和大量的非铁金属（如 Cu 、Al 、Ti 等）以及部分非金属（如塑料等）都是通过焊接加工成为构件而付诸使用的。因此，国民经济的诸多行业都需要大量高性能、高品质的电焊机。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足一克的微电子芯片，在生产中都不同程度的依赖焊接设备。焊接设备已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命，以及生产成本、效率和市场反应速度。3随着微电子
2、技术、计算机技术、自动控制理论和电力电子技术的发展，焊接电源电路结构不断吸收相关科学成果，重早期的机械控制性发展到今天的电子控制型，逆变焊接电源已成为当今发展的主流。加快逆变焊机的开发，发挥逆变焊机顶峰优势，加快逆变电源在气体保护焊机，特别是熔化极气体保护焊机方面的研究，改善性能，扩大使用范围，提高可靠性。说明现阶段发展逆变焊接电源的任务刻不容缓，而发展各种逆变焊接电源的基础是发展逆变弧焊电源。便携式弧焊电源具有焊接性能好、动态反应速度快、动特性好、体积小、质量轻、效率高、焊接速度快等优点，可用于装潢，维修等行业，满足市场的需求，具有实际意义，同时弧焊电源的研究对以后，逆变式等离子切割机，多功
3、能逆变弧焊电源等研究奠定了基础。本设计的弧焊电源设计输入电压为单相 220V,输出空载电压为 60V,焊接工作电压为 10-30V,焊接电流调节范围直流为 10-15A，最大功率输出为 2KW，适用范围为手工弧焊，工作频率为 100KHZ。逆变式弧焊电源能够还拥有一定的抗干扰能力，使其在恶劣的环境下能够工作，且有较好的输出外形。并且在负载时具有恒流特性，有一定的弧长特性。南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 2 页 共 58 页1 1 焊接电源技术现状焊接电源技术现状1.11.1 焊接电源的焊接电源的基本概念基本概念焊接电源是焊接设备的能量源，是焊接设备的核心。要使焊接设备成为多功能、高精度
4、的柔性设备，实际上是使焊接电源的输出特性、输出形式、动态特性及焊接参数的可调性、可控性好，同时输出参数的控制精度高。1.1.11.1.1 弧焊电源的分类弧焊电源的分类弧焊电源可分为四大类型：交流弧焊电源、直流弧焊电源、脉冲弧焊电源和逆变式弧焊电源。其中又细分为弧焊变压器、矩形波（或方波）交流弧焊电源、直流弧焊发电机、弧焊整流器、弧焊逆变器、脉冲弧焊电源等等。1.1.21.1.2 焊接电源的优点焊接电源的优点传统的焊接电源对动特性、输出特性的控制采用机械控制和电磁控制，这种焊接电源的外特性和动特性取决于电源本身的结构，其缺点在于控制精度低且特性可调范围窄，不能够实现无级调节，很难将直流焊、直流脉
5、冲焊、交流方波焊等功能于一身，因此，传统焊接电源一般作为单用途焊接电源。另外传统的焊接电源输出形式、输出特性的可调性差，输出特性也不理想，焊接参数控制精度低。另一方面，由于传统的焊接电源中变压器的输入频率为工频，造成电源变压器、输出直流电抗器（即平波电抗器）体积庞大、笨重，焊机能耗高，输出电流波动大，从而造成电源输出动态特性差，使得焊接效果不理想。由于传统的焊接电源存在许多的缺点，所以，传统的焊接电源正处于淘汰之中。随着电力电子技术的迅速发展，特别是控制技术及功率电子器件的发展，使得焊接电源的电子控制技术迅速成熟。焊接电源的电子控制技术就是将自动控制技术用于焊接电源中，通过对电弧电压、电流的反
6、馈调节，从而使焊接电源呈现出所需的各种外特性。在焊接过程中，通过让给定信号满足一定的时间函数，使焊接电源的输出满足一定的动态轨迹，精确地控制焊接过渡过程特性，可以南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 3 页 共 58 页很好的适应焊接工艺的要求。随着近代晶闸管器件的推广，产生了晶闸管整流焊接电源，其优点在于改善了传统焊接电源的电源输出特性的可调性及控制精度，使其在焊接工艺方面获得了广泛的应用。但是，其缺点是电源变压器的输入频率仍为工频，使得焊机笨重、庞大，而且耗能高，特别是电源的输出动特性差，因此，其使用方便性及焊接质量方面还不太理想。随着可关断功率器件的发展，近年来出现的逆变焊接电源作为一
7、种新型的焊接电源受到人们的广泛关注，此逆变焊接电源通过将工频交流电整流滤波为直流电，再将直流电逆变为中高频交流电，通过焊接变压器将中高频交流电耦合到输出整流电路，从而实现直流焊接功能。根据变压器基本公式：= （1-1）U44. 4NSmB式中: 为变压器输入电压;U输入电压的频率;变压器绕组匝数;N变压器的铁芯截面积;S磁感应强度。mB从公式上可以看出，当变压器输入电压及磁感应强度最大值一定时，提高输入电压的频率可以减少绕组匝数与铁芯截面积 S 的乘积，而变压器的体积N主要由及决定。因此，提高逆变频率可以使逆变电源的体积和重量大幅度NS减少，从而节约大量金属。同时，由于逆变频率的提高使整流器输
8、出的脉动电流频率提高，从而采用较小的直流电抗器（即平波电抗器）就可以达到纹波很小的直流输出，而直流电抗器的减小又可以大大减小逆变器输出回路的时间常数，配合电子线路就可以大大提高逆变器的动态响应速度，满足不同焊接工艺的要求。综上所述，紧随电力半导体技术和电子控制技术的发展，焊接电源输出控制也从晶体管控制到晶体管斩波控制再发展到逆变控制。逆变控制提高了输出控制的速度和精度，其结果是焊接电源的性能和功能南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 4 页 共 58 页得到大幅提高，从而可对焊接过程实现精细控制。现在国际上著名的焊接设备公司，如瑞典的 ESAB 公司、日本的大阪变压器厂、美国的MILLER、
9、LINCON 公司等等，都将逆变焊接电源作为主流产品。美、日、欧之间对逆变焊机市场的争夺十分激烈。1.21.2 逆变式焊接电源的发展及现状逆变式焊接电源的发展及现状逆变焊接电源重量轻、省材料、节能，而且控制性能好，动态响应快。对生产厂家来说，省材料，产品的技术附加值高，经济效益好。而对用户来说，重量轻，易于搬动，性能好，也是受益者。对于国家来说，逆变焊机产业，是一个以推动节能工程发展的新产业。因此，无论从哪个角度，都可以看出逆变焊接电源是未来焊接电源的发展方向。1.2.11.2.1 逆变时焊接电源的发展逆变时焊接电源的发展现代焊接设备的发展与电力电子技术和器件的发展密切相关。焊接电源的制造从
10、19 世纪就开始了。在 20 世纪初，发明了弧焊发电机，20 年代开始使用交流弧焊变压器。50 年代末，功率半导体二极管开始用于焊接电源，所构成的整流器明显优于弧焊发电机。70 年代初，由晶闸管(SCR)构成的可控整流式弧焊机的出现，标志着现代电力电子技术开始进入焊接电源设备领域。70 年代8中到 80 年代中期，性能优良的自关断电力电子开关器件(GTO)、大功率晶体管(GTR)、功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)等器件相继出现和集成电路技术的发展，为逆变焊接电源的提供了广阔的空间。（1）国外发展情况早在 70 年代初逆变器已应用于中频加热领域。1982 年瑞典 ESAB
11、公司率先推出了晶闸管弧焊逆变器产品之后，美国的 Lincoln，Miller，Powcon 公司，芬兰的 Kemppi，瑞士的 ELTRON，日本的大阪变压器公司等国际著名的焊接设备公司都相继推出了各自的弧焊逆变器产品。1981 年在德国埃森举办的世9界焊接与切割博览会上，首次展出了 4 个厂家的晶闸管式和晶体管式弧焊逆变器，主要用于焊条电弧焊、低压引弧式钨极氩弧焊和 CO 气体保护焊，最大电2南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 5 页 共 58 页流为 350A。1989 年世界焊接与切割博览会上有 30 多家厂商展出了弧焊逆变器。1993 年的埃森博览会上，绝大多数的厂商都展出了弧焊逆
12、变器及设备。逆变式焊机在日、美、欧等地使用中占 17%，其中在气体保护焊和 TIG 焊中占 30%以上。到了 1996 年，日本日立公司的 IGBT 逆变焊机已占 MIG/MAG 焊机的70%，占 TIG 焊机的 95%以上，占切割机的 100%，日本松下、大阪变压器公司的逆变式焊机都超过 50%。以 IGBT，MOSFET 等为开关器件的弧焊逆变器，有着广泛的应用前景，是当前国际焊接电源设备发展的主流和方向。（2）我国逆变式弧焊电源的发展在我国，逆变式焊机的研究工作起步不算晚，始于 80 年代初，紧跟国际研究开发的进程，水平差距也不大，已形成 3 代产品。第 1 代是以晶闸管为主开关器件的弧
13、焊逆变器(1982 年)，其逆变频率为 20005000；第 2 代是以 GTRHz或 MOSFET 为主开关器件的弧焊逆变器(1982 年)，其逆变频率为 2050；KHz第 3 代为 IGBT 弧焊逆变器(1990 年)，逆变频率为 2030。近 10 年来。KHz我国焊接设备研发、生产的整体水平通过“走出去，引进来”已有了巨大进步，但与欧美发达国家的同类产品相比，无论是在产品的技术含量、设计水平，还是制造水平以及产品附加值上都存在着差距。在欧美发达国家的焊机已依靠“创新”取胜时，国产焊机的水平还停留在初级的“制造”阶段。13121.2.21.2.2 逆变电源的特点及发展方向逆变电源的特点
14、及发展方向众所周知，逆变焊接电源与传统焊接电源相比，具有高效节能（约 20%35%） 、省材（约 80%90%） 、轻巧（输出 1A 焊接电流，传统焊机需 0.51kg 制造材料，而逆变式只需要 0.060.12kg） ，而且动态特性和控制调节特性好，制造过程占地少，且加工量少等特点。因而逆变焊接电源在国内得到迅速的推广应用。这种过去被称为“明天的电源（焊机） ”的新一代焊机已经迅速成为“今天的电源（焊机） ” 。(1)逆变式焊接电源的特点 控制性能优异，容易实现焊机智能化。 动载好，焊接工艺性优良，有利于实现自动化。 体积小，重量轻。南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 6 页 共 58
15、页 效率高、功率因数高。 节能环保。 引弧性能好，可以实现少飞溅或无飞溅焊接。 焊接速度快。 功能多，且转换方便。由于逆变式焊接电源具有以上几大性能和优点，因此是目前国际上公认的最先进的电焊机，也是最具有发展潜力的一种焊机。以 IGBT、MOSFET 等为开关器件的逆变焊接电源，有着广泛的应用前景，是当前国际焊接电源设备发展的主流和方向。逆变式焊机总的发展趋势是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并以提高可靠性及拓宽用途为核心，愈来愈广泛应用于各种弧焊、电阻焊、切割等等工艺中。高效和高功率密度（小型化）是国际上逆变式弧焊电源追求的主要目标之一。高频化和降低主要器件的功耗是实现这一目标
16、的主要技术途径。(2)逆变焊接电源发展方向由“硬开关”向“软开关”方向发展。降低电力电子器件开关功耗，提高逆变频率和开关频率。由“电磁污染”向“绿色化”方向发展。研究功率因数校正和减少电网谐振干扰。由“模拟控制”向“数字化控制”方向发展。由“经验”向“智能控制”方向发展。研制和生产智能控制的逆变焊接电源。由“调试”向“仿真”方向发展。由“小容量”向“大容量”方向发展。1.31.3 逆变弧焊电源设计的意义及内容逆变弧焊电源设计的意义及内容1.3.11.3.1 设计的意义设计的意义随着微电子技术、计算机技术、自动控制理论和电力电子技术的发展，焊南华大学电气工程学院毕业设计（论文）第 7 页 共 58 页接电源电路结构不断吸收相关学科的先进成果，从早期机械控制型，发展为电磁控制型，到今天发展为电子控制型，逆变焊接电源已成为当今发展的主流。而逆变弧焊电源也将义不容辞的取代它的前辈们成为弧焊电源的主流。虽然逆变弧焊电源性能好、轻巧、节能、省材，但目前在我国应用覆盖面还不
