第一节 产品定义及发展历程

1、产品定义

用逆变技术的弧焊电源（又称弧焊逆变器）称为逆变焊机。而逆变与整流刚好相反，是指把直流电改变为交流电的过程。

逆变焊机的工作过程如下：将三相或单相工频交流电整流，经滤波后得到一个较平滑的直流电，由IGBT组成的逆变电路将该直流电变为几十KHZ的交流电，经主变压器降压后，再经整流滤波获得平稳的直流输出焊接电流。其变换顺序可简单地表示为：工频交流（经整流滤波）→直流（经逆变）→中频交流（降压、整流、滤波）→直流。如果用符号表示，即为：AC→DC→AC→DC

由于逆变工作频率很高，所以主变压器的铁心截面积和线圈匝数大大减少，因此，逆变焊机可以在很大程度上节省金属材料，减少外形尺寸及重量，大大减少电能损耗，更重要的是，逆变焊机能够在微妙级的时间内对输出电流进行调整，所以就能实现焊接过程所要求的理想控制过程，获得满意的焊接效果。

2、发展历程

1）国际

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。50年代末，功率半导体二极管开始用于焊接电源，所构成的弧焊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。SCR弧焊机的电气特性和工艺特性优于二极管整流弧焊机，是当时广泛应用的一种重要焊接电源设备。70年代中到80年代中，性能优良的自关断电力电子开关器件：功率晶体管（GTR），功率场效应管（MOSFET），绝缘栅晶体管（IGBT），可关断晶闸管（GTO）等相继出现。70年代末开始出现晶闸管式逆变弧焊机并主要应用于TIG和手工电弧焊，后来又推广到CO2、MAG等焊接方法和切割。1982年，华南理工大学访问学者在德国首先研制成功场效应管式弧焊逆变器，其应用领域从TIG到手工电弧焊、气体保护焊以及切割，促进了焊接设备更新换代的发展。80年代末又出现IGBT式逆变焊机，主要应用于各种电弧焊和切割。以功率晶闸管、晶体管、MOSFET、IGBT等为开关器件的新一代弧焊逆变器，采用高频PWM开关技术和微电子控制技术，淘汰了笨重的工频变压器和笨拙的电磁控制方式。它不仅具有高效节能、体积小、重量轻、多功能、多用途等优点，而且具有良好的动、静态特性和工艺特性。因而，新一代的弧焊逆变器自问世以来，受到广泛的重视，发展迅猛。1989年世界焊接与切割博览会（埃森博览会）上有30多家厂商展出了弧焊逆变器。1993年的埃森会上，绝大多数的厂商都展出了弧焊逆变器及设备。据IIWXIIC1993年11月所作的调查，逆变式焊机在日、美、欧等地使用的焊机中占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）国内

我国逆变焊机的研究开发起步于20世纪70年代末期，于20世纪80年代开始发展。1982年，成都电焊机研究所开始了对晶闸管逆变式弧焊整流器的研究，于1983年研制出我国第一台商品化的ZX7-250逆变式弧焊电源，并通过了该项目的部级鉴定。随后，清华大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学和时代公司等单位相继推出了采用各种开关元件的逆变式焊机。

现在，我国焊机逆变电源已形成4代产品：第一代是以可控硅SCR为主攻率器件的逆变器；第二代是晶体管逆变器；第三代是场效应管逆变器；第四代是IGBT逆变器，其逆变频率高，饱和压降低，功耗小，效率高，无噪声，与前3代逆变器相比，优势更明显。

第二节 产品特点及应用领域分析

1、产品特点

弧焊逆变器的基本特点是工作频率高，由此而带来很多优点。这是因为变压器，无论是原绕组还是副绕组，其电势E与电流的频率f、磁通密度B、铁芯截面积S及绕组的匝数W有如下关系：

E=4.44fBSW

而绕组的端电压U近似地等于E，即：

U≈E=4.44fBSW

当U、B确定后，若提高f，则S减小，W减少，因此，变压器的重量和体积就可以大大减小。这样，就能使整机的重量和体积显著减小。不仅如此，还因为频率的提高及其他因素而带来了许多优点，与传统弧焊电源比较，其主要特点如下：

1）体积小，重量轻，节省材料、便携带（IGBT逆变电焊机重量仅为旋转弧焊机的1/6）。

2）高效节能，效率可达到80%~90%，比传统焊机节电1/3以上

3）起弧性能好，抗干扰，良好推力调节功能

4）电弧稳定，飞溅小

5）焊接品质好，熔池深，强度高

6）过压过流自动保护

7）可连续工作，性能稳定，具有电压波动自动补偿功能

8）适合各种酸性碱性焊条施焊

9）支持纤维焊条向下焊接

10）适合于与机器人结合，组成自动焊接生产系统

11）可一机多用，完成多种焊接和切割过程。

2、应用领域

电焊机（又称焊接设备）是现代工业重要的工艺装备，广泛应用于造船、化工、冶金、建筑、机械、汽车、轻工、电力等各工业部门，也是航天、电子、原子能等国防尖端工业中不可缺少的加工设备。

逆变焊机的主要应用领域于交流焊机和直流焊机应用领域一样。交流焊机一般都用在钢结构制造单位或一般通用机械或农业机械制造单位。直流主要用在制造压力容器锅炉，管道，或重要结构制造单位的焊接用焊机。

2007-2012中国焊割设备市场容量（按行业分）

略……

第三节 产品生产技术发展现状

逆变电源现在所用的开关元件有SCR(晶闸管)、GTR(晶体管)、MOSFET(场效应管)及IGBT(兼有GTR和MOSFET优点的一种电子元件)。IGBT有取代其他几种开关元件之势，IGBT逆变焊机是当今世界焊机技术的重大进步，发展的新潮流。

第四节 产品生产工艺特点或流程

数字化逆变弧焊电源的控制系统原理框图

图中全数字化焊机可以分为功率和控制两部分。功率部分，三相380V交流电经过整流和电容滤波得到540V的直流电，经过全桥逆变电路、主变压器和付边整流桥、输出滤波电感，最后输出所需要的电流、电压。控制部分以DSP和单片机构成的双机系统为核心，控制中电流和电压经过采样、A/D转换，由DSP读取反馈值。电流、电压的给定值则由控制面板输入，经过单片机C167CR传送给DSP（ADSP-2181）。DSP则根据电流、电压的给定与反馈量进行运算，得到相应的IGBT导通时间，产生PWM脉冲序列。

DSP芯片为ADI的ADSP-2181，工作中其控制程序由IDMA口进行加载，加载的程序分别存储于其片上的程序存储器和数据存储器内，程序加载由高地址空间向低地址空间进行，最后完成0x0000H的加载。当程序加载完成后，程序由0x0000H开始顺序执行。程序的加载由单片机C167CR控制进行。因此，在C167CR与ADSP-2181构成的双机系统中，C167CR是主控芯片（HostMicro-controller）。

控制面板和送丝机由各自的单片机单独控制，控制面板中的单片机为ATMEL的AT29C2051，这是一种20引脚的8位单片机，片上有2Kbytes的Flash。控制面板的数显和按键管理由2片ICM7218A完成。送丝机控制则采用MCS80196KC。面板的主控制芯片AT29C2051、送丝机的MCS80196KC和主控制板的C167CR单片机之间通过RS485接口电路组成的局部串行控制总线进行通讯。工作中面板向C167CR发送焊接参数的给定值、焊接工艺种类、点动送丝信号、试气信号等，而C167CR则把DSP读取的电流、电压反馈值以及焊接中的过流、过热、欠压等信号传送到面板进行显示。送丝机控制芯片MCS-80C196KC与C167CR的通讯主要进行的是C167CR向MCS80196KC发送指令，如送丝速度、送丝、停止等等。送丝机与面板之间不直接进行通讯。从焊机的总体管理的角度来看，C167CR是核心芯片。

该解决方案中，单片机C167CR可以通过RS232接口与PC机建立串行通讯。C167CR的串行通讯有2个作用，一个是焊接工艺的网络化管理与控制，另一个作用就是进行控制程序的在线升级，其实质是利用C167CR的串行程序加载（bootloader）功能进行控制程序的在线Flash编程。略……

第五节 国内外生产技术发展趋势分析

逆变电源总的发展趋向是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并以提高可靠性、性能及拓宽用途为核心，愈来愈广泛应用于各种弧焊方法、电阻焊、切割等工艺中。高效和高功率密度（小型化）是国际弧焊逆变器追求的主要目标自之一。高频化和降低主要器件的功耗是实现这一目标的主要技术途径。

弧焊逆变技术正朝以下方向发展：

1、沿20kHz的技术路线开发研制50kHz，100kHz级的弧焊逆变器。

2、探讨旨在降低电力电子器件开关功耗，提高开关频率的零电压，零电流开关（软开关）技术，其中包括电路拓扑结构和工程实现。

3、研制和生产大容量的逆变式焊机。

4、研制和生产智能控制的逆变式焊机。

5、研究功率因数校正和减少电网谐振干扰。

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