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丽水职业技术学院机电信息分院毕业设计设计名称逆变电焊机的电路设计学生学号：19学生姓名：沈佳欢导师姓名：徐爱亲班级机电1116 专业名称机电一体化技术提交日期2014年04月15日答辩日期2014年06月03日2014年6月摘要简绍了逆变焊机的结构分布电路设计，逆变焊机在我国的发展前景。
简单介绍了一下逆变焊机的工作原理，逆变过程。
逆变即工频交流－直流－高频交流－变压－直流逆变焊割设备的工作过程，是将三相或单相50Hz 工频交流电整流、滤波后得到一个较平滑的直流电，由IGBT或场效应管组成的逆变电路将该直流电变为15～100kHz 的交流电，经中频主变压器降压后，再次整流滤波获得平稳的直流输出焊接电流（或再次逆变输出所需频率的交流电）。
逆变焊割设备的控制电路由给定电路和驱动电路等组成，通过对电压、电流信号的回馈进行处理，实现整机循环控制，采用脉宽调制PWM 为核心的控制技术，从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊割工艺效果。
本设计通过对主电路工作原理的分析，对整流滤波部分电路参数，逆变部分电路参数的分析，以及内部各个器件的要求进行了说明和分析。
从而明确了焊接电源的性能结构和发展方向。
关键字：逆变焊机；控制电路；驱动电路；电路参数；脉宽目录一、引言....................................................... 错误！未定义书签。
二、设计任务分析............................................... 错误！未定义书签。
2.1逆变焊机国内外市场分析..................................... 错误！未定义书签。
2.2逆变焊机的优点 ............................................................................................ 错误！未定义书签。
主电路电气原理图主控制板电器原理图：逆变触发电路图：脉冲及时序板原理图：本机采用三相交流380V电压经三相桥式整流、滤波后供给以新型IGBT为功率开关器件的逆变器进行变频（20KC）处理后，由中频变压器降压，再经整流输出可供焊接所需的电源，通过集成电路构成的逻辑控制电路对电压、电流信号的反馈进行处理，实现整机闭环控制，采用脉宽调制PWM为核心的控制技术，从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊接工艺效果。
IGBT逆变电焊机工作原理及输出特性 这里介绍的逆变器（见图）主要由MOS 场效应管，普通电源变压器构成。
其输出功率取决于MOS 场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作中采用。
下面介绍该逆变器的工作原理及制作过程。
--拓普电子 1.电路图2.工作原理这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。
方波信号发生器（见图3） 这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。
电路中R1是补偿电阻，用于改善图3由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。
电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。
其振荡频率为f=1/2.2RC 。
图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz 。
由于元件的误差，实际值会略有差异。
其它多余的反相器，输入端接地避免影响其它电路。
场效应管驱动电路。
由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为0~5V ，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至0~12V 。
如图4所示。
MOS 场效应管电源开关电路。
这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。
MOS 场效应管也被称为MOS FET ， 既Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor （金属氧化物半导体场效应管）的缩写。
逆变焊机主电路原理详细分析首先咱们先从主电路回来学习分析，以后有时间我会继续整理补助电源控制电路驱动电路保护回路等！！分享给大家，希望能帮到大家与大家一起讨论，互相学习。
一、什么叫主回路主回路指焊机中提供功率电源的电路部分。
二、主回路原理图（以ARC160例）三、组成器件说明1、K——电源开关用以接通（或切断）与市电（220V、50赫兹）的联系2、 RT——起动电阻因焊机启动时要给后面的滤波电解电容充电。
为避免过大的开机浪涌电流损坏开关及触发空开跳闸，在开机时接入启动电阻，用以限制浪涌电流。
正常工作后，启动电阻被继电器短路。
实际电路中，为避免因开机浪涌电流冲击造成启动电阻损坏，起动电阻采用了热敏电阻（PTC和NTC），它们具有良好的耐冲击性。
3、 J1——继电器开关接通之后，电流通过启动电阻给滤波电解电容充电，当电容电压达到一定值时，辅助电源开始工作提供24V电，使继电器吸合，将启动电阻短路。
4、 DB——硅桥此硅桥用于一次整流，将市电220V、50赫兹交流电整流后输出308V的直流电。
5、 C1——电解滤波电容整流后输出的308V的直流电为脉动直流，此电容起滤平作用6、 R——放电电阻在关机以后，滤波电容中存有很高电压，为了安全，用此电阻将存电放掉。
7、 C2——高频滤波电容在高频逆变中，需要给开关管提供高频电流，而电解滤波电容因本身电感及引线电感的原因，不能提供高频电流，因此需要高频电容提供。
8、 Q——开关管开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成全桥逆变器，在驱动信号作用下，将308V直流转变成100Kz（10万赫兹）交流电的。
9、 C3——隔直电容为避免直流电流流过变压器肇成变压器饱而接入此电容。
10、T1——主变压器变压器的作用是将308V的高压变换成适合电弧焊接所需要的几十伏的低压。
11、D——快速恢复二极管D5、D6的作用是二次整流，即将100KHz的高频交流电流再次转变成直流电流。
12、L1——电抗器电抗器具有平波续流作用，可使输出电流变得连续稳定，保证焊接质量。
主电路电气原理图时间：2021.02.06 创作：欧阳化主控制板电器原理图：逆变触发电路图：脉冲及时序板原理图：本机采用三相交流380V电压经三相桥式整流、滤波后供给以新型IGBT为功率开关器件的逆变器进行变频（20KC）处理后，由中频变压器降压，再经整流输出可供焊接所需的电源，通过集成电路构成的逻辑控制电路对电压、电流信号的反馈进行处理，实现整机闭环控制，采用脉宽调制PWM为核心的控制技术，从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊接工艺效果。
IGBT逆变电焊机工作原理及输出特性这里介绍的逆变器（见图）主要由MOS 场效应管，普通电源变压器构成。
其输出功率取决于MOS 场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作中采用。
下面介绍该逆变器的工作原理及制作过程。
--拓普电子1.电路图2.工作原理这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。
图3方波信号发生器（见图3）这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。
电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。
电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。
其振荡频率为f=1/2.2RC。
图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz。
由于元件的误差，实际值会略有差异。
其它多余的反相器，输入端接地避免影响其它电路。
场效应管驱动电路。
由于方波信号发生器输出的振荡图4信号电压最大振幅为0~5V ，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至0~12V 。
如图4所示。
MOS 场效应管电源开关电路。
这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。
MOS 场效应管也被称为MOS FET ， 既Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor （金属氧化物半导体场效应管）的缩写。
主电路电气原理图主控制板电器原理图：逆变触发电路图：脉冲及时序板原理图：本机采用三相交流380V电压经三相桥式整流、滤波后供给以新型IGBT为功率开关器件的逆变器进行变频（20KC）处理后，由中频变压器降压，再经整流输出可供焊接所需的电源，通过集成电路构成的逻辑控制电路对电压、电流信号的反馈进行处理，实现整机闭环控制，采用脉宽调制PWM为核心的控制技术，从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊接工艺效果。
IGBT逆变电焊机工作原理及输出特性这里介绍的逆变器（见图）主要由MOS 场效应管，普通电源变压器构成。
其输出功率取决于MOS 场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作中采用。
下面介绍该逆变器的工作原理及制作过程。
--拓普电子1.电路图2.工作原理这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。
方波信号发生器（见图3）这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。
电路中R1是补偿电阻，用于改善图3由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。
电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。
其振荡频率为f=1/2.2RC 。
图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz 。
由于元件的误差，实际值会略有差异。
其它多余的反相器，输入端接地避免影响其它电路。
场效应管驱动电路。
由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为0~5V ，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至0~12V 。
如图4所示。
MOS 场效应管电源开关电路。
这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS场效应管的工作原理。
MOS 场效应管也被称为MOS FET ， 既Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor （金属氧化物半导体场效应管）的缩写。
主电路电气原理图欧阳引擎（2021.01.01）主控制板电器原理图：逆变触发电路图：脉冲及时序板原理图：本机采用三相交流380V电压经三相桥式整流、滤波后供给以新型IGBT为功率开关器件的逆变器进行变频（20KC）处理后，由中频变压器降压，再经整流输出可供焊接所需的电源，通过集成电路构成的逻辑控制电路对电压、电流信号的反馈进行处理，实现整机闭环控制，采用脉宽调制PWM为核心的控制技术，从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊接工艺效果。
IGBT逆变电焊机工作原理及输出特性这里介绍的逆变器（见图）主要由MOS 场效应管，普通电源变压器构成。
其输出功率取决于MOS 场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作中采用。
下面介绍该逆变器的工作原理及制作过程。
--拓普电子1.电路图2.工作原理这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。
方波信号发生器（见图3）这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。
电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。
电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。
其振荡频率为f=1/2.2RC。
图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz。
由于元件的误差，实际值会略有差异。
其它多余的反相器，输入端接地避免影响其它电路。
场效应管驱动电路。
由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为0~5V，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至0~12V。
如图4所示。
图4图3MOS 场效应管电源开关电路。
这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。
MOS 场效应管也被称为MOS FET ， 既Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor （金属氧化物半导体场效应管）的缩写。
逆变电焊机电路原理
逆变电焊机电路原理是实现电弧焊接的关键部分。
该电路由输入变压器、整流器、滤波器、逆变器和输出变压器等组成。
首先，输入变压器将交流电源的电压进行变换，降低到适合焊接操作的电压。
随后，交流电经过整流器被转换为直流电。
为了减小电路中的脉动电压，滤波器被应用来去除直流电上的纹波。
接下来是逆变器的部分。
逆变器是由晶体管和二极管构成的开关电路。
它的功能是在输出变压器上产生高频脉冲电流。
逆变器工作的原理是利用晶体管和二极管受控的开关行为来将直流电转换为交流电。
逆变器的输出被传送到输出变压器。
输出变压器调整电流的电压和电流强度，以满足具体焊接需求。
逆变电焊机电路原理能够提供高频脉冲电流，这有利于焊接操作中的电弧稳定性和焊缝质量。
总的来说，逆变电焊机电路原理通过交流电的变换、整流、滤波和逆变等过程，将电源提供的低电压、高频脉冲电流输送到输出变压器，从而实现高质量的电弧焊接。
逆变焊机主电路的设计说明逆变焊机是一种利用逆变电路将低电压高电流转化为高电压低电流实现焊接的设备。
主要由输入电源、变压器、整流桥、中间电容、逆变电路和输出变压器等组成。
下面就逆变焊机主电路的设计进行详细说明。
1.输入电源：逆变焊机的输入电源通常采用交流电源，电压一般为220V。
输入电源需要稳定可靠，具备过压、欠压、过载等保护功能。
2.变压器：逆变焊机中的变压器主要起到将输入电源的电压调整为逆变电路所需的电压。
主要有两个线圈，其中一个线圈接入输入电源，另一个线圈接入逆变电路。
变压器的设计需要经过详细计算和模拟分析，确保输出电压和电流的稳定性和准确性。
3.整流桥：整流桥是逆变焊机的核心部件之一、其作用是将交流电转换为直流电，以供后续的逆变过程。
整流桥通常采用半导体元件，如二极管或三极管。
4.中间电容：在整流桥之后，为了使电流稳定且连续，需要添加中间电容进行滤波。
中间电容的作用是平滑直流电流，减小波纹电流，保持输出电流的持续性。
5.逆变电路：逆变电路是逆变焊机的核心部分，其作用是将直流电转化为高频交流电。
常见的逆变电路有全桥逆变电路、半桥逆变电路和单臂逆变电路等。
逆变电路通常由开关和功率放大器组成，能够输出高频脉冲电压。
6.输出变压器：逆变电路输出的高频脉冲电压经过输出变压器进一步调整为适合焊接的电压和电流。
输出变压器通常由多个线圈组成，用于实现不同电压和电流的输出。
输出变压器还可以采用自耦变压器结构，以进一步提高效率和节省成本。
除了上述主要的组成部分，逆变焊机的主电路还需要添加温控、过流保护、过压保护等保护电路，以保证设备的安全运行。
此外，还可以添加控制电路和显示电路，以实现对焊接参数的调节和监控。
总之，逆变焊机主电路的设计是一个复杂而重要的过程。
需要综合考虑电源稳定性、效率、成本以及对焊接过程的要求等因素进行设计，以确保设备的性能和可靠性。
设计过程中需要进行详细的电路计算和模拟分析，对各种组件和参数进行选择和调整，以实现理想的焊接效果。
逆变触发电路图：脉冲及时序板原理图：IGBT逆变电焊机工作原理及输出特性本机采用三相交流380V电压经三相桥式整流、滤波后供给以新型IGBT为功率开关器件的逆变器进行变频（20KC）处理后，由中频变压器降压，再经整流输出可供焊接所需的电源，通过集成电路构成的逻辑控制电路对电压、电流信号的反馈进行处理，实现整机闭环控制，采用脉宽调制PWM为核心的控制技术，从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊接工艺效果。
DC/AC逆变器的制作-------------------------------------------------------------------------------- 江苏电子网QQ:99296827这里介绍的逆变器（见图）主要由MOS 场效应管，普通电源变压器构成。
其输出功率取决于MOS 场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作中采用。
下面介绍该逆变器的工作原理及制作过程。
--拓普电子1.电路图2.工作原理这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。
方波信号发生器（见图3）图3这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。
电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。
电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。
其振荡频率为f=1/2.2RC。
图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz。
由于元件的误差，实际值会略有差异。
其它多余的反相器，输入端接地避免影响其它电路。
场效应管驱动电路。
图4由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为0~5V，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至0~12V。
如图4所示。
逆变触发电路图：脉冲及时序板原理图：IGBT逆变电焊机工作原理及输出特性本机采用三相交流380V电压经三相桥式整流、滤波后供给以新型IGBT为功率开关器件的逆变器进行变频（20KC）处理后，由中频变压器降压，再经整流输出可供焊接所需的电源，通过集成电路构成的逻辑控制电路对电压、电流信号的反馈进行处理，实现整机闭环控制，采用脉宽调制PWM为核心的控制技术，从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊接工艺效果。
DC/AC逆变器的制作这里介绍的逆变器（见图）主要由MOS 场效应管，普通电源变压器构成。
其输出功率取决于MOS 场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作中采用。
下面介绍该逆变器的工作原理及制作过程。
--拓普电子1.电路图2.工作原理这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。
方波信号发生器（见图3）图3这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。
电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。
电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。
其振荡频率为f=1/2.2RC。
图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz。
由于元件的误差，实际值会略有差异。
其它多余的反相器，输入端接地避免影响其它电路。
场效应管驱动电路。
图4由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为0~5V，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至0~12V。
如图4所示。
MOS场效应管电源开关电路。
这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。
图5MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。
新型焊接电源及控制技术- (1)逆变式弧焊电源主电路形式1．逆变式弧焊电源主电路形式目前IGBT逆变电源最常见最实用的主电路为桥式和单端正激式结构。
全桥式逆变器电路基本原理见图1，硬开关模式是VT1与VT4、VT2与VT3同步开关，VT1与VT3、VT2与VT4反相开关。
其优点是主变压器磁芯利用率高，其不足在于焊接动态过程中有可能出现主变压器偏磁饱和及逆变器开关管瞬态直通现象，因此设计磁通和开关管死区时间需留有较大余量。
单端正激式电路基本原理如图2所示，VT1与VT2同步开关。
其结构简单、控制方便，特别适合于焊接电弧这种状态变化剧烈的特定负载，而自身具有较高可靠性，且易于通过单元组合来提高整机输出能力。
但是设计者一般认为，其主变压器仅工作于磁化曲线坐标的第Ⅰ象限，加之考虑剩磁，因此磁芯利用率不高。
而进一步的计算机仿真和实验研究表明，通过对电路参数的设计调整，可以在整机重载大电流输出状态使主变压器工作于磁化曲线坐标的Ⅰ、Ⅲ象限，进而减小磁心截面积或匝数；通过控制空载和近空载状态下逆变器脉冲输出方式，使主变压器不致饱和。
这样就获得了与目前全桥式弧焊逆变器相当的输出功率／体积比。
新型焊接电源及控制技术- (2)弧焊逆变器单元组合2．弧焊逆变器单元组合根据当前功率半导体和磁性元件的制造水平，超15kV A的大容量IGBT弧焊电源采用单元组合的模式，是在合理制造成本下扩展输出功率的有效途径。
出于对系列机型批量化生产的考虑，应由n个独立的逆变器单元以全并联方式组合构成弧焊电源的功率回路，并由系统控制器统一调节各单元输出。
图1示出了两单元组合(n＝2)结构，每个逆变器单元可选择单端正激式电路。
考虑系统电磁兼容，各单元IGBT元件工作于同步导通（但不一定要求同时截止）的开关方式为宜。
针对多种弧焊工艺控制需求，逆变电源系统应具有相当宽的输出量连续调节范围和快速响应能力，而电源输出回路感抗L在这二方面造成了矛盾。
数学分析和试验研究表明，采用单元组合结构及合理的控制方式有助于解决这一问题：对各逆变器功率单元采取独立的电流闭环控制，系统控制单元根据电源总给定值Ig 统一调节各功率单元的输出电流给定值；小电流时，限制其他单元输出，仅以单元I为主，其输出回路电感L1应能保证焊接电流波形连续和电弧稳定，以适应精密TIG或微束等离子焊接需要；大电流时，使n 个单元均流输出，既提高了电源系统容量和负载持续率，又因其输出电流的开环时间常数为单个逆变器输出的1／n，从而保证了系统动态响应速度；大小电流两状态在焊接过程中自动切换，图2示出了两单元组合（n＝2）情况下输出电流调节情况。
4.1逆变焊机的工作原理与特点逆变焊机原理框图如图4.1所示。
该系统采用双闭环控制系统，图中If为反馈电流，Uf为反馈电压，19为给定电流，Ug为给定电压，UO为实际输出电压。
内环为电流反馈闭环控制，反馈信号由电流霍尔传感器得到。
外环为电压反馈闭环控制，反馈信号由电压霍尔传感器得到。
具体控制过程后做分析.逆变焊机工作时，先将单相220V/50Hz电压整流并滤波后，变为逆变主回路所需的310V左右平滑直流电压。
然后将该直流电压送入逆变主回路，经过大功率电子元件IGBT的交替逆变作用转变成为ZOK左右的中频交流电压，再经过中频降压变压器降压至适合于焊接的几十伏电压，最后经过整流滤波后得到直流焊接输出。
借助于控制电路及反馈回路，以及焊接回路的阻抗，可以得到焊接工艺所需的外特性和动特性。
其交流变换顺序为:工频交流一直流一中频交流一降压一直流。
焊机在“交流一直流一交流”阶段的电压频率发生了改变，所以逆变焊也成为变频焊机。
交流和直流反复转换的目的是为了提高该电压的工作频率。
我们知道，按照正弦波分析时变压器输出有如下公式[60]:式中，变压器的体积、重量与Ns有关，而NS与变压器的工作频率f又有直接关系。
当凡一定时，若变压器工作频率从工频(SOHz)提高到20KHz，则绕组匝数与铁心截面积的乘积NS就减少到原来的l/400，而主变压器在逆变焊机中通常所占重量为1/3到2/3，因此提高变压器的工作频率可以使逆变焊机的体积和重量显着的减少。
同时，钢和铁的电能损耗将随所需材料的明显减少而大大降低，焊接质量也有进一步改善。
由于上述原因，逆变焊机与传统的晶闸管式焊机和晶体管式焊机相比，具有众多优点:l)高效节能。
逆变焊机材料的减少使焊机整体损耗大大降低，其效率可达80%到95%，功率因数可提高到0.9以上，空载损耗极小，只有几十瓦，这一点在能源紧张的今天尤为可贵。
2)体积小，重量轻。
这是逆变焊机最明显的优点，主变压器的重量仅为传统弧焊电源工频变压器的几十分之一。
主电路电气原理图主控制板电器原理图：逆变触发电路图：脉冲及时序板原理图：本机采用三相交流380V电压经三相桥式整流、滤波后供给以新型IGBT为功率开关器件的逆变器进行变频（20KC）处理后，由中频变压器降压，再经整流输出可供焊接所需的电源，通过集成电路构成的逻辑控制电路对电压、电流信号的反馈进行处理，实现整机闭环控制，采用脉宽调制PWM为核心的控制技术，从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊接工艺效果。
IGBT逆变电焊机工作原理及输出特性这里介绍的逆变器（见图）主要由MOS 场效应管，普通电源变压器构成。
其输出功率取决于MOS 场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作中采用。
下面介绍该逆变器的工作原理及制作过程。
--拓普电子1.电路图2.工作原理这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。
方波信号发生器（见图3）这里采用六反相器CD4069图3构成方波信号发生器。
电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。
电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。
其振荡频率为f=1/2.2RC。
图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz。
由于元件的误差，实际值会略有差异。
其它多余的反相器，输入端接地避免影响其它电路。
场效应管驱动电路。
由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为0~5V ，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至0~12V 。
如图4所示。
MOS 场效应管电源开关电路。
这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。
MOS 场效应管也被称为MOS FET ， 既Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor （金属氧化物半导体场效应管）的缩写。
4逆变焊机主电路的设计4.1逆变焊机的工作原理与特点逆变焊机原理框图如图4.1所示。
该系统采用双闭环控制系统，图中If为反馈电流，Uf为反馈电压，19为给定电流，Ug为给定电压，UO为实际输出电压。
内环为电流反馈闭环控制，反馈信号由电流霍尔传感器得到。
外环为电压反馈闭环控制，反馈信号由电压霍尔传感器得到。
具体控制过程后做分析.逆变焊机工作时，先将单相220V/50Hz电压整流并滤波后，变为逆变主回路所需的310V左右平滑直流电压。
然后将该直流电压送入逆变主回路，经过大功率电子元件IGBT的交替逆变作用转变成为ZOK左右的中频交流电压，再经过中频降压变压器降压至适合于焊接的几十伏电压，最后经过整流滤波后得到直流焊接输出。
借助于控制电路及反馈回路，以及焊接回路的阻抗，可以得到焊接工艺所需的外特性和动特性。
其交流变换顺序为:工频交流一直流一中频交流一降压一直流。
焊机在“交流一直流一交流”阶段的电压频率发生了改变，所以逆变焊也成为变频焊机。
交流和直流反复转换的目的是为了提高该电压的工作频率。
我们知道，按照正弦波分析时变压器输出有如下公式[60]:式中，变压器的体积、重量与Ns有关，而NS与变压器的工作频率f又有直接关系。
当凡一定时，若变压器工作频率从工频(SOHz)提高到20KHz，则绕组匝数与铁心截面积的乘积NS就减少到原来的l/400，而主变压器在逆变焊机中通常所占重量为1/3到2/3，因此提高变压器的工作频率可以使逆变焊机的体积和重量显著的减少。
同时，钢和铁的电能损耗将随所需材料的明显减少而大大降低，焊接质量也有进一步改善。
由于上述原因，逆变焊机与传统的晶闸管式焊机和晶体管式焊机相比，具有众多优点:l)高效节能。
逆变焊机材料的减少使焊机整体损耗大大降低，其效率可达80%到95%，功率因数可提高到0.9以上，空载损耗极小，只有几十瓦，这一点在能源紧张的今天尤为可贵。
2)体积小，重量轻。
这是逆变焊机最明显的优点，主变压器的重量仅为传统弧焊电源工频变压器的几十分之一。
3)动态响应时间短，控制速度提高。
该特征是逆变焊机最重要的特点。
普通晶闸管焊机的控制周期为3.3ms，而逆变焊机的动态响应时间达到百微妙级，和电弧焊接诸物理过程的时间常数相当，故能更精确地控制电弧焊中各种物理现象，焊接的动态控制成为可能。
4)控制能力增强，显著提高工艺性能。
控制能力是与控制速度、控制手段密切相关的。
它直接反映了焊机适应焊接条件和焊接要求的能力。
另一方面，焊机控制能力的增强主要依靠于器件速度的提高、微机的应用及现代化控制力等方法的应用。
4.2常用的主电路拓扑结构目前，弧焊逆变焊机主电路所采用的拓扑主要包括全桥式、半桥式、双管正激式和推挽式四种结构。
l)全桥式逆变电路全桥式电路一般用于大功率逆变电源中，采用四个功率开关组成两组开关对(S1、S4和S2、S3)，两组开关管对交替闭合将输入电流电压变成高频交流，加在变压器上。
图4.2为全桥式逆变电路的原理图。
全桥式逆变电路对开关管的耐压要求低，变压器的利用率高，易获得大功率输出。
但其需要至少四个开关器件及相应的驱动电路，因此它的成本较之其它电路高。
全桥式逆变电路是应用最广的，国内外许多厂家如新时代、瑞凌、日本松下、美国林肯等焊机都采用此主电路结构。
全桥式逆变电路存在偏磁现象和功率开关管直通问题。
偏磁现象是由于功率开关管的开关时间存在差异，将导致变压器所加正负半波的伏秒乘积不同，经过一定时间积累，会使变压器单线偏磁直至饱和，这是变压器相当于短路，由此产生很大的尖峰电流将烧毁功率开关管。
通常在变压器原边串入一个无极性隔直电容以改善偏磁问题[601[6‘l。
2)半桥式逆变电路半桥式逆变电路的拓扑结构如图4.3所示，这种拓扑结构只需要两个开关器件，驱动电路简单。
但在电流容量相同的情况下，半桥式逆变电路所输出的最大功率只有全桥式的一半，所以一般只适合于中等功率输出的场合。
半桥电路也存在直臂导通的问题。
3)双管正激式逆变电路双管正激式逆变电路的原理图如图4.4所示。
这种电路控制简单，不存在直臂导通的问题，但开关管所承受的峰值电流和电压较高，同时其高频变压器仅工作在磁滞回线的一侧，故只适合中小功率输出。
4)推挽式逆变电路图4.5为推挽式逆变电路的原理图。
推挽式逆变电路只用两个开关器件就能获得较大的功率输出。
一对功率管的发射极相连，两组驱动电路彼此间无须绝缘，驱动电路简单。
但功率管承受的反压较大，原边绕组只有一半时间工作，高频变压器利用率低，适合用于单相输入的电源中。
表4.1列出了上述四种拓扑结构的主要性能参数指标。
其中所列的公式都是理论计算值，实际应用时由于变压器漏感等寄生参数的存在，实际情况会与理想情况有所不同。
比较半桥式和全桥式电路可知，当两者所输入、输出电压和额定功率相同时，虽然承受都是输入电压Vin ，但半桥变换器中的开关元件的峰值电流为全桥式变换器的两倍，而输出电压却只有全桥式变换器的一半。
因此全桥式变换器更适用于大功率的场合。
4.3本系统的主电路设计方案逆变焊机的主电路承担着转换、传递能量的任务，是整个电源系统的基础。
主电路必须安全、可靠，器件参数的选择应该以极限工作条件为依据，并留有一定余量，保证所选器件工作在安全区域。
本文设计的IGBT逆变焊机输出电流为 160A，输出电压为27V，逆变器工作频率为20KHz，要求系统具有平硬外特性和良好的动特性，电流、电压响应要求迅速。
由于全桥变换器可以提高变压器的利用率，减小开关元件的电压电流等级，传输功率大，因此在本系统主电路设计采用全桥式结构，拓扑结构图如图4.6所示。
主电路主要包括三部分:第一部分，输入整流滤波电路。
二极管Dl一D4组成输入整流电路(实际电路用整流模块代替);电解电容Cl一C3和电阻Rl、咫组成滤波电路。
第二部分，逆变器。
VTI一VT4为功率开关管IGBT管，与降压变压器T组成逆变器;RS一RS、CS一CS、DS一DS共同组成VTI一VT4的RCD吸收网络，减少IGBT 开关过程电流、电压对管子的冲击。
第三部分，输出整流滤波电路。
快速整流二极管Dg、D10和直流电抗器Ll共同组成单相全波整流滤波输出电路;电阻R3、R4和电容Cg、 C10共同组成Dg、D10的RCD吸收网络。
该主电路工作原理为:单相220V电压经过单相桥式整流后，输出为带纹波的直流电压，再经过电解电容Cl一C3组成的滤波电路滤波后得到310V平直的直流电压。
当控制电路输出相同占空比的PWM脉冲控制IGBT，使它们轮流导通与关断，此时，直流电压被逆变成20K壬12的交流方波电压。
VTI、VT4和VTZ、VT3的轮流导通和关断使中频变压器Tl的原边绕组上的电压为正负对称的方波。
变压器的次级绕组感应的交流方波电压大小采用PWM方式进行调节，即改变驱动脉冲的占空比实现。
变压器输出的交流方波电压经过快恢复二极管Dg和D10整流后变成方波直流电压，最后经过滤波电感(直流电抗器Ll)滤波后输出较为平直的直流电压 [6211631。
此时实现了对输出电流的恒流控制。
当控制电路输出不同占空比的PWM脉冲控制IGBT组VTI、VT4和VTZ、VT3的开通与关断，则逆变器输出频率为20KHz，幅值相同但平均值不同的交流方波脉冲。
经过变压器降压整流滤波后，可以实现脉冲电流的输出。
可见，改变控制脉冲的占空比就可以调节焊机电源的输出。
PWM脉冲占空比通过软件程序设计，本系统选用相同占空比的PWM脉冲控制IGBT，使焊机输出连续的直流电压。
4.4主电路参数的设计计算4.4.1中频变压器的设计中频变压器主要作用是电压变换(降压)、功率传递和实现输人、输出之间的隔离。
由于中频变压器工作频率高达ZOKHz，它要求磁芯材料高频损耗尽可能小，此外还要求饱和磁通密度高，随工作温度升高，饱和磁密度的降低尽量小等。
对于上述要求，采用性价比较好的铁氧体材料做变压器磁芯，功率损耗明显减少。
实际制作的变压器磁芯采用双E型磁芯组合而成。
中频变压器一次侧为1组绕组N1，，二次侧为2组绕组N2、N3对称串联。
一次电压为方波电压，其幅值为电网输人电压U;经整流滤波后输出的电压，按电网峰值电压计算。
式中U l为中频变压器输入电压的幅值，取320V。
二次测电压U2，参考电机的输出空载电压70V，适量取大，留有一定的调节空间取80V，所以匝数比:实际二次电压幅值:在此选用EE118型铁氧体材料磁芯2组，每组磁芯有效截面积A为 11.8cm2，磁通密度变量△B为0.2T。
因为开关频率设定为20KHz，周期T=50脚，考虑留有一定的“死区负载”，防止IGBT直导通。
因此，要求一个周期内导通时间t on<25μS。
式中t oN。
为每只IGBT在一个周期内导通的最长时间，即最大脉冲宽度;焊机输出电压70V，U2为中频变压器二次测电压幅值80V。
电网输入电压经过整流后，电压最大值式中1.15位电网波动系数。
所以变压器一次侧匝数至少为:式中N1为中频变压器一次侧匝数，按20匝算，U1m为中频变压器输人电压最大值358V(考虑网压15%波动的峰值)，ΔB为中频变压器时磁芯磁通密度变量0.2T，A为磁芯有效截面积 11.8cm2。
二次侧的匝数[9]:4.4.2逆变器的设计弧焊逆变器是数字化焊机主电路的核心。
根据逆变器所选用的大功率开关器件的不同可分为:晶闸管(GTo)逆变器、晶体管(GTR)逆变器、场效应管(MOSFET)逆变器和绝缘栅双极晶体管aGBT)逆变器等。
GTR的开关速度较低，对动态特性有影响，而且是电流驱动方式，驱动功率较大，还存在二次击穿问题二MOSFET有较好的高速控制性能，然而容量小，难以实现大电流，主要应用于小型和轻型设备中。
IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件，它兼有MOSFET易驱动和功率晶体管电压、电流容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，在较高频率的大中功率应用中占据了主导地位。
而且IGBT电压驱动、开通和关断容易，开关速度快，单个器件的载流容量大，电流密度高，开关和通态时功耗小，饱和压降低，安全工作区宽，无二次击穿现象。
另外其输入阻抗高，驱动电路功率小且简单，是目前较为理想的功率开关器件，也是目前的发展方向，因此在本设计中采用IGBT作为大功率开关器件。
一般认为，逆变频率越高，逆变器的经济指标越高。
实际上，逆变频率的选择要受到多种因素制约，例如功率开关器件、快速整流二极管本身的开关速度等。
此外，频率越高，对控制线路的设计要求也越高，电路的电磁干扰越严重，功率器件开关功率损耗越大，整机效率不一定更高。
因此，频率的选择应该综合考虑。
本文设定开关频率为ZOKHz，开关器件选用IGBT比较合适。
