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交直流弧焊逆变电源研究现状 摘要： 阐述了交直流弧焊电源实现原理及特点并从交直 流弧焊电源的逆变技术、数字化控制技术、智能控制技术 三方面的研究现状 进行了详细的介绍指出了交直流弧焊电源沿高性能 数字化与智能化方向发展的趋势。 关键词：交直流；弧焊电源；数字化； 智能化 中图分类号：TG434 文献标识码：A 铝及其合金通常采用工频交流正弦波钨极氩弧焊进行 焊 接。但这种焊接电源的电弧稳定性差，正负半波通电 时间不可 调，还要利用消除直流分量的装置，而且不能用于碱 性焊条电 弧焊。特别是。它对于一些要求较高的焊接工作，如 铝薄件小 电流焊接、单面焊双面成形、高强度要求的焊接等， 都很难获 得满意的焊缝质量。随着大功率半导体元件和电力技 术的发 展近年在国内成功应用了交直流弧焊工艺，并研制 和生产出 了相应的弧焊电源.。 交直流弧焊是一种薄板铝合金较理想的电弧焊方 法其既 可以控制焊缝的熔深又可以提高焊接效率。其中交 直流氩弧 焊功能最适合于铝及铝合金、镁及镁合金的焊接。其 具有雾化 调节功能，能有效地破除工件表面的氧化膜；焊缝成 形好、表 面光亮美观23。 近年来。铝合金等非铁金属以其低温特性、质量轻、 比强 度高等优点，已被广泛地应用在航空航天、汽车和民 用工业 中，成为一种重要的加工材料 】。随着科学技术的发 展，薄板 铝合金在工业中的应用越来越广，其焊接量也在不断 地扩大。 提高焊接生产率、保证产品质量、实现焊接生产的自 动化、智 能化越来越得到焊接生产企业的重视，特别是对焊接 质量和精 度要求比较高的机器人焊接场合更是如此。加上现代 人工智能 技术、数字化信息处理技术、计算机视觉技术等高新 技术的融 入，也促使交直流焊技术正朝着焊接高速高效化、焊 接控制数 字化、控制系统智能化方向发展。 1 交直流弧焊原理及特点 交直流弧焊的主要特点是电流过零点的时间极短，通 过电 收稿日期：XX 一 Ol 一 29；修回日期：XX0720 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50575074)； 广东省科 技攻关项目(XXA105010) 子控制技术使正负半波通电时间比和电流的比值可以 自由调 节。因此把它用于铝及其合金焊接时，在焊接工艺上 有以下特 点：电源稳定， 电流过零点时重新引弧容易，不必加 稳弧高压 脉冲或高频电，受干扰的影响小，并可以通过调节正 负半波通 电时间比例来获得最佳的熔深和阴极雾化作用，提高 钨极的寿 命：调节工件上的热输入，更有效地利用电弧热和电 弧力作用 来满足某些弧焊工艺的特殊需要，不必采用消除直流 分量的装 置等等。 逆变式交直流弧焊电源，主要由普通直流弧焊电源和 逆变 器组成主电路通过逆变器把直流转变成交流，频率 可调，正 负半波通电时间比、正负半波电流比值也可以在一定 范围内自 由调节原理如图 l 所示。 + 图 1 交直流弧焊原理示意图 从图 l 可知， 当s ，s，触发导通，s2，s4 关 断时，直流电源 通电回路为：+一s，一电弧一s，从而在电弧获 得正半波的电 流，直流且焊丝为正极性时， 电弧稳定，焊缝熔深大， 通过对 电流进行有效控制，容易实现焊丝熔化及熔滴过渡。 当s ，s4 导通，s ，s，关断时，通电回路为一一s_+ 电弧一 s4，从而在电 弧获得负半波的电流，直流且焊丝为负极性时，电弧 沿焊丝上 爬，电弧不稳定，熔滴不易过渡，焊接熔池浅，具有 电弧沿焊 丝上爬促进焊丝熔化以及减小电弧对熔池的加热作用， 形成浅 熔深的特性。由此可见，只要控制 2 组电子元件轮流 导通，切 换电弧电流的方向并通过控制 2 组电力电子元件导 通时间的 长短和通电时间的相对比例就可得到频率和正负半 波通电时 WeldinTechnolo Vol-36 No5 OctXX 专题综 述 5 间比例可调节的交直流电。在焊接过程中，根据焊件 的尺寸要 求选择合适的焊接电流频率和正负半波通电时间比 率，便可 控制形成合适的焊缝质量，尤其是焊接薄板时形成浅 熔深，保 证不出现熔池形成失败现象，满足焊接质量的要求。 2 直流弧焊逆变技术 功率电子器件性能的提高和发展为逆变技术的迅速发 展提 供了最基本的物质基础，一种新的性能更优越的电力 电子器件 的出现必将引起逆变技术大发展，势必引起先进的 逆变技术 在交直流弧焊电源中的应用与发展。 我国自 1962 年试制成功晶闸管以来，以普通晶闸管和 硅整 流管为主体的变流技术、逆变技术有了很大的发展， 器件质量 有较大的提高，派生型晶闸管，如快速、双向、可关 断和逆变 导器件有较快的发展产品产量大幅度上升。近 10 多 年来，经 过精心设计，加上工艺、测试、可靠性以及装备等方 面的研 究，器件容量定额大大提高，静、动态特性得到改善。 我国已 自行设计和研制出 1 000 A，1 200 V，30 s 的快速晶 闸管； 100 A，600 V 以上的功率开关晶体管；40，60 A，1 000 V 以 上的快速二极管。此外，50100 A 的大功率场效应晶 体管、 IGBT 在 90 年代初也开始试制生产。同时，在变频调速、 稳压 电源、不间断电源、电镀电源、电阻焊、弧焊电源、 电子束电 源、中高频加热及热处理、电化学等方面已广泛应用 逆变技术 和产品，并拥有数十个系列和数百个规格的这类产品。 其 中包括单机容量为 250，350 kVA 的晶闸管变频器：单 机容量 为 1 000 kW 以上、工作频率为 50 kHz 的中频加热电 源装置： 200 kVA 以上的不间断电源装置：250 kVA 的 IGBT 式 电阻焊逆 变器；33 kVA 的 IGBT 式弧焊逆变器；15，30 kVA 的 场效应晶 体管式的弧焊逆变器等53。 上世纪 90 年代，国内外电力半导体器件和逆变技术在 不断 向功率化、快速化、模块化、组合化、智能化、廉价 和高可靠 性方向发展，新型的大功率场效应管用作弧焊逆变器 的快速开 关，比普通的双极型大功率晶体管更为优越。为此， 研制出了 这种新型的弧焊逆变器。以 IGBT、场效应晶体管为主 体的电 力半导体器件及逆变技术，将主导电力电子装置、电 源的蓬勃 发展，使其产生革命性的变化，并以高效节能、省材、 轻量 化、高性能和可靠性而愈来愈显著地体现它的优越性。 新型大功率电子元件的出现，推动了弧焊电源的发展。 可 控硅焊接逆变器的出现，就是一个例证。它具有体积 小、质量 轻、效率和功率因素以及工艺性能好等突出的优点。 双极型大 功率晶体管的问世，又促使逆变器的频率和性能进一 步提高。 从功率器件换流过程及其控制来看， 目前逆变技术正 由传 统脉宽调制硬开关技术和频率调制谐振技术转向脉宽 调制软开 关技术。上世纪 50 年代，随着脉宽调制硬开关技术的 出现，揭 开了逆变技术发展的序幕。许多国家就争先致力于功 率电子器 件、磁性材料、控制集成芯片和电路拓扑等方面的研 究。脉宽 调制硬开关技术经过上世纪 60 年代的成长期、上世纪 70 年代的 发展期和上世纪 80 年代的成熟期，迄今为止，已经获 得了最广 泛的应用。但是，它的开关频率不能太高，存在着换 流慢、开 关损耗相对较大、承受较高的 dudt 和 didt 等问 题，其安全性、 可靠性较差，并且会产生显著的电磁干扰6。 针对硬开关换流过程存在的问题，上世纪 70 年代中期， 频 率调制谐振技术应运而生，其技术关键在于应用电感 电容网络 的谐振原理， 迫使功率开关器件的电流或电压按正弦 规律变 化，当电流或电压过零时，使器件开通和关断， 因而 解决了开 关动态损耗、电流冲击、电压应力和电磁干扰等问题。 它从根 本上克服了传统脉宽调制硬开关变换器的缺点， 因而 迅速成为 功率电子学新的发展方向和研究热点。但是，频率调 制谐振变 换技术也带来以下新的问题：输出电压与频率有关， 为保持 输出电压在各种运行条件下基本不变，必须采用变频 控制，对 负载变化的适应性差，所以常用于负载基本不变或变 化不大的 场合；功率器件的容量需要更大； 开关频率大范 围变化导 致滤波器、变压器等磁性器件的设计难以优化 。 上世纪 80 年代末期，脉宽调制软开关技术(SPWM)的问 世，推动大功率逆变技术的研究与应用水平又上了一 个新的台 阶。脉宽调制软开关技术综合了传统脉宽调制技术和 谐振技术 的优点，仅在功率器件换流瞬间，应用谐振原理实现 零电压或 零电流转换，而在其余大部分时间采用恒频脉宽调 制方法，完 成对电源输出电压或电流的控制，因此开关器件承受 的电流或 电压应力少。近 10 a 来，脉宽调制软开关技术在功率 逆变电路 中逐渐占据主导地位8-10。目前，脉宽调制软开关 技术仍然是 功率电子学最重要的研究内容之一，应用前景十分广 阔。 3 交直流弧焊电源控制数字化 数字化焊接是指用计算机技术来控制焊接设备的运行 状 态，使其满足和达到焊接工艺所提出的要求， 以得到 完全合格 的焊缝。弧焊逆变电源控制系统在实现方式上主要经 历了模拟 控制系统和数字控制系统 2 个阶段。传统的模拟控制 系统进行 复杂处理的能力有限，元器件数量多，并且控制系统 的参数由 电阻、电容等分立元件的参数决定。控制系统调试复 杂、灵活 性差：同时电阻、电容的参数分布影响控制系统的一 致性参 数的稳定性差，如温度漂移影响控制系统的稳定性； 此外因硬 件实现上的局限性， 控制算法仅能采用 PID 调节等方 法一些 先进的控制算法因无法用模拟电路实现或实现起来非 常困难而 不被采用，因此在很大程度上限制了弧焊逆变电源的 发展。 近年来，随着大规模集成电路 ASIC、数字信号处理器 DSP、复杂可编程逻辑器件 CPLD、现场可编程门陈列 FPGA 等 6 专题综述 焊接技术 第 36 卷第 5 期 XX 年 10 月 新型半导体器件的应用与发展弧焊电源的控制电路 已由原来 的分立元件、简单集成电路发展成以单片机， DSP，CPLD， FPGA 为核心的数字化控制电路 主电路的数字化使焊 接电源 的功率损耗大大减少，效率可达到 90I“。另 外由于工作频 率的提高，回路输出电流的纹波更小响应速度更 快焊机可 以获得更好的动态响应特性。 目前弧焊电源数字控制系统主要包括：单片机控制系 统、 可编程逻辑器件 PLD 控制系统、ARM 芯片控制系统、基 于 DSP 的控制系统等。 单片机以其较高的灵活性和性价比。广泛应用于弧焊 电源 的数字化控制中。单片机控制的弧焊电源主要以 MCS 一 51 系列 或 MCS 一 96 系列单片机为中央处理器配合少量的接 口电路和 外围电路。由于单片机无法完成实时计算和高精度的 控制任 务。一般多用于简易控制系统中。另外单片机控制 系统中只 是部分实现数字化。其反馈信号和 PWM 仍然采用的是 模拟控 制电路，因此，数字化的特点在单片机控制的弧焊逆 变电源中 并没有得到充分体现。 基于 DSP 的控制系统与单片机相比其数据处理能力 强， 能实时完成复杂计算，单周期多功能指令，PWM 分辨率 高， 性价比高， 可实现更为理想的数字化控制。FRONIUS 公司的 Transplus synergic270040005000 系列产品在焊 机上实现了多种 电弧焊接方法，可存储几十个焊接程序，实时显示焊 接参数， 通过单旋钮给定焊接参数和电流波形参数，可实现熔 滴过渡和 弧长变化的精确控制。此类焊接电源还可以通过网络 进行工艺 管理和控制软件升级。 文献12在单片机控制的交直流焊电源的基础上，设 计了 以单片机 AT89C51 控制的多功能交直流方波电源。随 着模拟电 路和数字电路有机结合的模块电路的发展，它将逐步 取代分立 式模拟电路。 文献13采用 TI 公司的 TMS320F240 型 DSP 作为控制 系 统的核心芯片研制了基于数字信号处理器(DSP)进行了 数字 化 IGBT 逆变交直流方波脉冲 TIG 焊机的研制。 数字化控制技术在弧焊电源中的运用，使得先进的控 制算 法在弧焊电源运用中得以实现，弧焊电源可以采用更 先进的控 制算法，使其输出电能质量好，可靠性高，便于实现 智能控制。 数字化是弧焊电源的发展方向。逆变技术的应用实现 了电 源主电路的数字化。基于单片机，DSP 及 CPLDFPGA 等新型半 导体器件的控制系统实现了控制电路的数字化。 DSP，PLD FPGA 由于其强大的性能与极大的灵活性，将在弧焊电 源数字 化控制系统中具有广泛的应用前景和优势。可以预见， 采用 DSPCPLDFPGA 进行高精度高性能的弧焊逆变电源的 数字化 控制技术的研究将是今后弧焊电源的发展主流，必将 得到很大 的发展。 4 交直流弧焊控制的智能化 微机控制的弧焊电源，目前已广泛地应用于焊接领域 中。 逆变电源传统控制方法依赖于电源系统的数学模型和 参数的描 述。功率逆变技术的发展表明，逆变电源的模型结构 和参数与 许多复杂的因素密切相关。模型结构和参数的改变主 要是由于 逆变电源的连续或非连续方式、与工作温度有关的电 路参数、 输出电网的电压和随机的非线性负载等条件的变化而 引起的。 此外，焊接过程是一个复杂的过程，焊接电源输出特 性是非线 性、时变、不确定的受控对象，具有时变、非线性及 干扰因素 多等特点，因而很难建立起精确的数学模型。采用传 统控制理 论准确、全面地反映逆变电源系统静态和动态特性 的数学模 型常常难以建立。现代控制技术特别是智能控制技术 的发展为 解决这些问题提供了新的途径。目前，比较成熟的方 法主要有 专家系统、神经网络和模糊控制方法14,15。 专家系统是利用控制理论的专业知识和经验，采用人 工智 能专家系统的知识表示及推理技术得出动作控制系统。 从某种 意义来说专家系统就是一个知识获取和利用系统。 目前，它 在逆变电源的设计、建模、波形控制等方面取得了一 些成果。 但是它的获取比较慢难以满足快速时变系统的实时 控制要求。 神经网络控制方法可看作并行输入和并行输出分布的 计算 系统。由于采用特殊形式的非线性并行处理形式，因 而它最突 出的优点在于能逼近任意属于的 L2 非线性函数。采用 神经网络 方法。控制问题可以看成是模式识别问题。一般认为， 用神经 网络设计的系统，适应性、智能性、鲁棒性好，能处 理高维、 非线性、强干扰、不确定及难建模的复杂工业过程的 控制问题。 它已经在弧焊电源及焊接过程控制方面得到应用。所 面临的问 题主要是如何提高学习速度，避免局部最优而取得全 局最优等。 模糊控制理论与技术的迅猛发展为解决上述问题提供 了新 的有效工具。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变 量及模糊 逻辑推理为基础的一种计算机数字控制方法，是一种 非线性控 制属于智能控制的范畴，是实现智能控制的一种重 要而又有 效的形式。模糊控制的关键部分是模糊推理合成运算。 将模糊 自动控制技术应用于大功率逆变电源具有独特优势， 使设计过 程可以不依赖于电源系统的数学模型结构和参数来建 立模糊控 制规则等过程。能够简洁而有效地达到综合提高大功 率逆变电 源控制的快速性、稳定性、准确性和鲁棒性的目的。 美国、13 本、德国和中国都已相继推出模糊芯片、模糊微控制 器及相关 开发工具。这种实现方式直接通过硬件实现模糊逻辑 运算及推 理可以极大地提高推理速度和控制精度。但其性能 价格还不 够理想，模糊芯片的输入、输出以及模糊规则数目等 有限，与 软件实现相比还不够灵活。然而，随着模糊微处理器 技术的飞 跃发展必将为这种硬件实现方式带来生机和活力。 Weldinz TechnoloVo136 No5 OctXX 专题 综述 7 5 结论 计算机技术、网络技术、控制技术及电力电子技术的 发展 为智能型弧焊电源的发展提供了保证。利用计算机的 存储功能 和高速、高精度数据处理能力，可促使焊机向多功能 化和智能 化发展。 在弧焊电源中引入专家系统、神经网络控制、模糊控 制等 现代控制方法，进行参数的优化、焊接质量的控制等， 进一步 提高焊机的性能和适应性。通过数字化和智能化控制 技术来保 证弧焊电源的稳定性、可靠性、高效率及焊接质量是 现代交直 流弧焊电源发展的方向。 参考文献： 1XX 生现代焊接电源及设备M广东广州：华南 理工大学出版 社1993 2潘际銮现代弧焊控制MXX：机械工业出版社， XX 3殷树言，张九海气体保护焊工艺M黑龙江 *：*工 业大学出版社1989 4廖平，黄鹏飞，卢振洋，等变极性脉冲 MIG 焊控 制系统J焊 接学报，XX，7(3)：5356 5XX 生逆变理论与弧焊逆变器MXX：机械工业 出版社， 1995 6王振民，XX 生，薛家祥，等弧焊逆变技术的研究 现状与展望 J电焊机，XX，30(8)：3-6 7Hurley W GOptimized transformer design：inclusive of high-frequency efects AIEEE t