逆变式焊接电源：高效节能和缺陷

1.逆变式焊接电源的基本原理及类型

逆变式焊接电源的基本原理框图如图6-10所示，逆变式焊接电源主电路的基本原理可归纳为：工频交流—直流—逆变为中频交流—降压（低压中频交流）—直流，必要时再把直流变成矩形波交流。体制：

图6-10 逆变式焊接电源的基本原理框图

逆变式焊接电源一般按所用的大功率电子开关来分类，可分为晶闸管弧焊逆变器、晶体管弧焊逆变器、场效应管弧焊逆变器和绝缘栅双极晶体管弧焊逆变器四大类。它们均属于电子控制型焊接电源。其性能比较见表6-1。

表6-1 晶闸管、晶体管、场效应管、绝缘栅双极晶体管弧焊逆变器性能比较

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2.逆变式焊接电源的特点与应用

逆变式焊接电源与弧焊变压器、弧焊发电机、弧焊整流器等传统的弧焊电源相比，具有如下优点：

1）省料、体积小、质量小。逆变式焊接电源大幅度地减小质量和体积，节约大量的铜和硅钢片等材料，其整机质量仅为传统弧焊电源（频率为50Hz）的1/10～1/5，整机体积则为传统弧焊电源的1/3左右。另外，工作频率提高还可减少滤波电感的用料。

2）因为频率高，交变电流过零的时间短，良好的热惯性使换向时重新引弧容易，故提高了交流电弧的稳定性。

3）高效节能，逆变式焊接电源由于体积小，铜损和铁损大大降低，且电子功率器件工作于开关状态，效率大大提高；主电路内有电容，提高了功率因数，节能效果十分显著。

4）易于控制焊接参数及可获得各种形状的外特性，由于采用电子控制电路，可以根据不同的焊接工艺要求设计出合适的外特性，并保证良好的动特性；通过改变给定信号来控制焊接参数，以获得良好的焊接效果。

逆变式焊接电源的缺点是设备较复杂，维修需要较高技术，可靠性不容易保证。据统计，目前逆变式焊接电源的返修率均比整流式弧焊电源高很多。

逆变式焊接电源与传统弧焊电源的技术指标比较见表6-2。

从表6-2可知，逆变式焊接电源在效率、功率因数、质量及体积等方面均比传统弧焊电源有明显优势。

由于它具有上述的优良电气性能，控制性能好，易获得多种外特性曲线形状、不同种类的电弧电压、电流波形（直流、脉冲、矩形波交流等）和良好的动态特性，且输出焊接电流可达1000A以上，因而可以说，它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/FCAW焊、等离子弧焊与切割、埋弧焊、机器人焊接等各种弧焊方法，可以焊接各种金属材料及其合金。

3.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是采用“定脉宽调频率”的调节方法来调节焊接参数的，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。

为了在焊接过程中保持供给电弧的能量不变，采用电压和电流反馈，通过自动改变开关频率来达到电弧功率恒定。因而，在弧长变化时，控制电路可保证供给电弧的能量不变。

（1）晶闸管式弧焊逆变器的特点 晶闸管式弧焊逆变器由于采用大功率晶闸管作为开关器件，这种晶闸管最早应用于逆变器，技术成熟，容量大，但它本身的开关速度慢。晶闸管式弧焊逆变器具有如下特点：

1）工作可靠性较高。

2）逆变工作频率较低。

3）驱动功率低，控制电路比较简单。

4）控制性能不够理想。

5）成本低。

6）技术简单。

表6-2 逆变式焊接电源与传统弧焊电源的主要技术指标比较

（2）典型产品介绍ZX7—315Z、ZX7—400Z系列晶闸管的最后一个字母“Z”表示专用集成电路控制的含义。它主要用于焊条电弧焊及TIG焊，主要技术参数见表6-3。

表6-3 ZX7—315Z、ZX7—400Z系列晶闸管逆变弧焊电源主要技术参数

ZX7—400Z逆变弧焊电源前面板示意图如图6-11所示，弧焊电源实施焊条电弧焊时的操作步骤如下：

1）停电检查 不接电源，对焊机进行全面外观检查，对所有开关、旋钮进行检查。

2）通电空载检查 停电检查正常后方可进入此项检查。检查时由用户配电板上的开关合闸供电，焊机内风机转动，面板电源指示灯亮，电压表读数为70～80V，并有轻微的“嗒嗒”声，表明焊机空载运行正常。

3）焊接 空载正常后就可施焊。施焊时正确选择焊条、焊接参数及输出极性。焊接过程中除风机噪声外，焊机会产生轻微的“吱吱”声，这是该焊机的特点，属正常情况。

4.晶体管式弧焊逆变器

（1）晶体管式弧焊逆变器的特点 与晶闸管式弧焊逆变器相比，晶体管式弧焊逆变器具有以下特点：

1）逆变器的工作频率较高。

2）采用“定频率调脉宽”的方式调节焊接参数和外特性。

3）控制性能较好。

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图6-11 ZX7—400Z逆变弧焊电源前面板示意图

1—输出接头 2—散热窗 3—焊接电流调节 4—引弧电流调节 5—电流表 6—大小挡开关 7—电压表 8—指示灯 9—机型及厂名 10—远控插座 11—焊条电弧焊/氩弧焊转换开关12—远/近控转换开关

4）成本较高。

晶体管式弧焊逆变器存在明显的缺点：一是晶体管存在一次击穿问题；二是控制驱动功率较大，需要设驱动电路。

（2）产品介绍 目前，国内外已生产出多种型号的晶体管式弧焊逆变器，它们主要用在MIG/MAG焊、TIG焊、等离子弧焊与切割、焊条电弧焊以及用作弧焊机器人的弧焊电源，有一部分已实现智能控制。几种晶体管弧焊逆变器的主要性能指标见表6-4。

表6-4 几种晶体管弧焊逆变器的主要性能指标

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ZS7—250是湖北宜昌生产的，主要适用于焊条电弧焊。

US220AT是美国生产的一种轻便型晶体管式弧焊逆变器，既可以作为焊条电弧焊电源，也可以作为TIG焊电源。

EUROTRANS—500是德国生产的较低水平的智能控制型晶体管式弧焊逆变器，这种弧焊逆变器可用于机器人焊接。

YM—350HF是日本生产的晶体管式弧焊逆变器，它用于半自动CO₂/MAG焊和CO₂定位焊，配以弧焊机器人可进行高速焊。

5.场效应管式弧焊逆变器

（1）特点

1）控制功率极小。

2）工作频率高。

3）多管并联工作相对较易实现。

4）过载能力强，热稳定性能好。

5）管子的容量较小，成本较高。

（2）典型产品介绍

以WSM—100为例，介绍MOSFET式弧焊逆变器的技术性能。

WSM—100是高频脉冲TIG弧焊逆变器，其逆变器工作频率为66～140kHz。通过“定频率调脉宽”控制方式，调节主变压器输出电压来实现电流的恒定。

WSM—100高频脉冲TIG弧焊逆变器的主要技术参数如下：

网路电压：单相，220V；

空载电压：12V；

电弧电压：≤20V（工作电压最大可达40V）；

焊接电流：≤100A；

频率调节范围：66～140kHz；

外特性：垂直陡降；

质量：8kg；

外形尺寸：320mm×260mm×130mm。

6.IGBT式弧焊逆变器

（1）特点

1）IGBT式弧焊逆变器从较小的功率一直到很大的功率，如1000A以上，故其推广面更宽，推广速度更快。

2）ICBT管代替场效应管或晶体管。

3）逆变频率（20～25kHz），比场效应管（40kHz以上）小。

4）IGBT管采用电压控制，单管容量足够，不必多管并联工作。

（2）应用 可用于量大面广的焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊与切割，还可用于1250～2000A的大功率单/双丝埋弧焊、碳弧气刨以及机器人弧焊、双丝MIG/MAG/脉冲焊、三丝埋弧焊等。

（3）典型产品介绍

1）MZ—1250型IGBT逆变式弧焊电源。该弧焊电源为埋弧焊电源。其主要技术指标为：网路电压380V、三相、50Hz/60Hz；额定焊接电流1250A；额定电弧电压44V；空载电压83V；额定负载持续率60%；额定输出功率55kW；效率86.5%（最大效率90%）；功率因数0.93（最高0.96）；埋弧焊逆变器（电源）质量128kg；埋弧焊逆变器外形尺寸380mm×680mm×880mm。

2）高频脉冲MIG焊IGBT式弧焊逆变器。其主要技术指标为：网路电压380V、两相、50/60Hz；额定输入电流62A；额定输入容量32kVA；空载电压80V；额定焊接电流630A；焊接电流调节范围30～630A；额定输出功率277kW；效率86%；逆变频率20kHz：质量47kg。

3）ZX7—315型IGBT弧焊逆变器。可输出直流脉冲和矩形波交流，具有多种外特性，广泛用于焊条电弧焊、CO₂焊、MAG焊、MIG焊、等离子弧焊、等离子弧切割等。