逆變式弧焊電源，又稱弧焊逆變器，是一種新型的焊接電源。這種電源一般是將三相工頻（50Hz）交流網路電壓，先經輸入整流器整流和濾波，變成直流，再通過大功率開關電子元件（晶閘管SCR、電晶體GTR、場效應管MOSFET或IGBT）的交替開關作用，逆變成幾kHz~幾十kHz的中頻交流電壓，同時經變壓器降至適合於焊接的幾十V電壓，後再次整流並經電抗濾波輸出相當平穩的直流焊接電流。
基本介紹
- 中文名：弧焊逆變器
- 外文名：Arc welding inverter
- 又名：逆變式弧焊電源
- 釋義：一種新型的焊接電源
簡介,逆變器,電源特點,發展方向,諧波分析,弧焊逆變電源的諧波分析,弧焊逆變電源常用的諧波抑制措施,軟開關技術,結論,
簡介
逆變式弧焊電源，又稱弧焊逆變器，是一種新型的焊接電源。這種電源一般是將三相工頻（50Hz）交流網路電壓，先經輸入整流器整流和濾波，變成直流，再通過大功率開關電子元件（晶閘管SCR、電晶體GTR、場效應管MOSFET或IGBT）的交替開關作用，逆變成幾kHz~幾十kHz的中頻交流電壓，同時經變壓器降至適合於焊接的幾十V電壓，後再次整流並經電抗濾波輸出相當平穩的直流焊接電流。
逆變器
將直流電轉換成交流電的裝置稱逆變器。
其變換順序可簡單地表示為：工頻交流（經整流濾波）→直流（經逆變）→中頻交流（降壓、整流、濾波）→直流。如果用符號表示，即為：
AC→DC→AC→DC
一般都採用上述這種體制。這是因為如果直接用逆變降壓後的交流電進行焊接，由於其頻率高，則感抗大，在焊接迴路中有功功率就會大大降低。因此，還需再次進行整流。
電源特點
弧焊逆變器的基本特點是工作頻率高，由此而帶來很多優點。這是因為變壓器，無論是原繞組還是副繞組，其電勢E與電流的頻率f、磁通密度B、鐵芯截面積S及繞組的匝數W有如下關係：
E=4.44fBSW
而繞組的端電壓U近似地等於E，即：
U≈E=4.44fBSW
當U、B確定後，若提高f，則S減小，W減少，因此，變壓器的重量和體積就可以大大減小。這樣，就能使整機的重量和體積顯著減小。不僅如此，還因為頻率的提高及其他因素而帶來了許多優點，與傳統弧焊電源比較，其主要特點如下：
1.體積小、重量輕，節省材料，攜帶、移動方便。
2.高效節能，效率可達到80%~90%，比傳統焊機節電1/3以上。
3.動特性好，引弧容易，電弧穩定，焊縫成形美觀，飛濺小。
4.適合於與機器人結合，組成自動焊接生產系統。
5.可一機多用，完成多種焊接和切割過程。
由於逆變電源具有上述一系列的優點，因此，自20世紀70年代後期問世以來發展極快，在美、日等工業已開發國家，套用範圍已相當廣了。
逆變電源所用的開關元件有SCR(晶閘管)、GTR(電晶體)、MOSFET(場效應管)及IGBT(兼有GTR和MOSFET優點的一種電子元件)。IGBT有取代其他幾種開關元件之勢，IGBT逆變焊機是當今世界焊機技術的重大進步，發展的新潮流。
焊接機頭是將焊接能源設備輸出的能量轉換成焊接熱，並不斷送進焊接材料，同時機頭自身向前移動，實現焊接。手工電弧焊用的電焊鉗，隨電焊條的熔化，須不斷手動向下送進電焊條，並向前移動形成焊縫。自動焊機有自動送進焊絲機構，並有機頭行走機構使機頭向前移動。常用的有小車式和懸掛式機頭兩種。電阻點焊和凸焊的焊接機頭是電極及其加壓機構，用以對工件施加壓力和通電。縫焊另有傳動機構，以帶動工件移動。對焊時需要有靜、動夾具和夾具夾緊機構，以及移動夾具和頂鍛機構。
發展方向
逆變電源總的發展趨向是向著大容量、輕量化、高效率、模組化、智慧型化發展並以提高可靠性、 性能及拓寬用途為核心，愈來愈廣泛套用於各種弧焊方法、電阻焊、切割等工藝中。高效和高功 率密度（小型化）是國際弧焊逆變器追求的主要目標自之一。高頻化和降低主要器件的功耗是實 現這一目標的主要技術途徑。當前，在日、歐等國和地區，20KHz左右的弧焊逆變器技術已經成 熟，產品的質量較高且產品已系列化。
諧波分析
弧焊逆變電源的諧波分析
1.諧波產生原因
自第一台300A晶閘管弧焊逆變電源以來,弧焊逆變電源有了很大發展,經歷了晶閘管逆變,大功率電晶體逆變,場效應逆變以及IGBT逆變,其容量和性能大大提高,弧焊逆變電源已成為工業已開發國家焊接設備的主流產品[1]。弧焊逆變電源作為一種典型的電力電子裝置,雖然具有體積小、質量輕、控制性能好等優點,但其電路中存在整流和逆變等環節,導致電流波形畸變,產生大量的高次諧波。高次電壓和電流諧波之間存在嚴重相移,導致焊機的功率因數很低。諧波產生的原因主要有以下兩方面因素:
(1)逆變電源內部干擾源逆變電源是一個強電和弱電組合的系統。在焊接過程中,焊接電流可達到幾百甚至上千安培。因電流會產生較大的電磁場,特別在逆變主電路採用高逆變頻率的焊接電源系統中,整流管整流,高頻變壓器漏磁,控制系統振盪,高頻引弧,功率管開關等均會產生較強的諧波干擾。
其次,鎢極氬弧焊機如果採用高頻引弧時,由於焊機利用頻率達幾十萬赫茲,電壓高達數千伏的高頻高壓擊穿空氣間隙形成電弧，因此高頻引弧也是一個很強的諧波干擾源。對於計算機控制的智慧型化弧焊逆變電源來說,由於採用的計算機控制系統運行速度越來越高,因此控制板本身也成了一個諧波干擾源,對控制板的布線也提出了較高的要求。
(2)逆變電源外部干擾源電網上的污染對電源系統來說是較為嚴重的干擾,由於加到電網上的負載千變萬化,這些負載或多或少對電網產生諧波干擾,如大功率設備的使用使電網電壓波形產生畸變,偶然因素造成瞬時停電,高頻設備的開啟造成電網電壓波形具有高頻脈衝、尖峰脈衝成分。
另外在焊接車間內,由於不同焊接電源在使用時接地線可能相互連線,因此如不採取相應的措施,高頻成分的諧波信號很容易竄入控制系統,使電源不能正常工作,甚至損壞。
2.諧波的特點及危害
弧焊逆變電源以其高效率電能轉換著稱,隨著功率控制器件向實用化和大容量化方向發展,弧焊逆變電源也將跨入高頻化、大容量的時代。弧焊逆變電源對電網來說,本質上是一個大的整流電源,由於電力電子器件在換流過程中產生前後沿很陡的脈衝,從而引發了嚴重的諧波干擾。逆變電源的輸入電流是一種尖角波,使電網中含有大量高次諧波。高次電壓和電流諧波之間存在嚴重相移,導致焊機的功率因數很低。低頻畸變問題是當前電力電子設備的一個共性問題，在通信行業、家電行業都已引起相當的重視。另外,逆變焊機多採用硬開關方式,在功率元件的開關過程中不可避免地對空間產生諧波干擾。這些干擾經近場和遠場耦合形成傳導干擾,嚴重污染周圍電磁環境和電源環境,這不僅會使逆變電路自身的可靠性降低，而且會使電網及臨近設備運行質量受到嚴重影響。
弧焊逆變電源常用的諧波抑制措施
1.無源濾波器(PassiveFilter,簡稱PF)
傳統的諧波抑制和無功功率補償的方法是電力無源濾波技術,又稱間接濾除法,即使用電力電容器等無源器件構成無源濾波器,與需要補償的非線性負載並聯,為諧波提供一個低阻通路,同時提供負載所需的無功功率。具體而言是將畸變的50Hz正弦波分解成基波及相關的各次主諧波成分,然後採用串聯的諧振原理，將由L，C(或者還有R)組成的各次濾波支路調諧(或偏調諧)到各主要諧波頻率形成低阻通道而將其濾除。它是在已產生諧波的情況下,被動地防禦,減輕諧波對電氣設備的危害。
無源濾波方案成本低,技術成熟，但是也存在以下不足：(1)濾波效果受系統阻抗的影響；(2)由於其諧振頻率固定,對於頻率偏移的情況效果不好；(3)與系統阻抗可能發生串聯或並聯諧振,造成過負荷。在中小功率場合，正逐步被有源濾波器所替代。
2.有源濾波器(ActiveFilter,簡稱AF)早在20世紀70年代初,就有學者提出有源功率濾波器的基本原理,但由於當時缺乏大功率開關元件和相應的控制技術,只能用線性放大器等方法產生補償電流,存在著效率低、成本高、難以大容量化等致命弱點而未能實用化。隨著電力半導體開關元件性能的提高,以及相應的PWM技術的發展,使得研製大容量低損耗的諧波電流發生器成為可能,從而使有源濾波技術走向實用化,當系統中出現諧波發生源時,用某種方法產生一個和諧波電流大小相等、相位相反的補償電流,且和成為諧波發生源的電路並聯連線來抵消諧波發生源的諧波,使直流側的電流僅為基波分量,不含有諧波成分。當諧波發生源產生的諧波不能被預計出是何種高次諧波電流,且隨時發生變化時,則必須從負載電流il中檢測出諧波電流ih信號,經檢測後的諧波電流ih信號,經過調製器進行調製,並按制定的方法轉換為開關方式控制電流逆變器工作方式,使電流逆變器產生補償電流並注入到電路中,以便抵消諧波電流逆變主電路一般採用DC/AC全橋式逆變器電路,其中的開關元件可用GTO、GTR、SIT或IGBT等大功率可控型電力半導體元件,藉助開關元件的通斷,控制輸出電流波形,產生所需的補償電流。
電力有源濾波器作為抑制電網諧波和補償無功功率，改善電網供電質量最有希望的一種電力裝置，與無源電力濾波器相比,具有以下優點：(1)實現了動態補償，可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的回響；(2)可同時對諧波和無功功率進行補償，且補償無功功率的大小可做到連續調節；(3)補償無功功率時不需儲能元件，補償諧波時所需儲能元件容量也不大；(4)即使補償對象電流過大，電力有源濾波器也不會發生過載，並能正常發揮補償作用；(5)受電網阻抗的影響不大，不容易和電網阻抗發生諧振；(6)能跟蹤電網頻率的變化，故補償性能不受頻率變化的影響；(7)既可對一個諧波和無功功率單獨補償，也可對多個諧波和無功功率集中補償。
軟開關技術
隨著電力電子技術向著高頻率、高功率密度方向發展,硬開關工作方式的開關損耗及諧波干擾問題日益突出。從提高變換效率、器件利用率,增強電磁兼容性以及裝置可靠性著眼，軟開關技術對任何開關功率變換器都是有益的。在某些特殊情況(如有功率密度要求或散熱條件限制場合)下尤為必要。在無源與有源兩大類軟開關技術中，不使用額外開關元件、檢測手段和控制策略的無源方式有著附加成本低，可靠性、變換效率及性能價格比高等諸多優勢,在工業界單端變換器製造領域基本確立了主流地位。對拓撲結構而言，串電感和並電容的方法是唯一的無源軟開關手段，由此演變而來的所謂無源軟開關技術，實際上就是無損耗吸收技術。就橋式逆變電路而言，從早期的耗能式吸收到後來提出的部分饋能式、無損耗方案，都存在負載依賴性強，工作頻率範圍窄，附加應力高，網路過於複雜等問題，實用性較差。同時在開關功率器件模組化潮流下，可供放置吸收元件的空間越來越小，適於逆變模組的無損耗吸收技術也很少見諸文獻。總的來看，適用於逆變模組化的無源吸收技術因其特殊結構和難度而仍處在進一步研究和發展中。
結論
弧焊逆變電源中存在大量諧波,危害嚴重。為了抑制諧波,提高功率因數，必須採取相應的抑制措施。傳統的PF方式存在明顯不足，限制了它的套用，而AF方式能彌補PF的不足，有效抑制弧焊逆變電源的諧波，得到了越來越廣泛的套用。軟開關技術在一定程度上，也可以實現良好的濾波效果。
