交直流弧焊逆变电源研究现状

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欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 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〔1〕。 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〔2、3〕。 近年来，铝合金等非金属以其低温特性、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〔4〕。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、控制系统智能化方面发展。 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是地，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1所示。 从图1可知，当S1，S3触发导通，S2，S4关断时，直流电源通电回路为：+→S1→电弧→S3，从而在电弧获得正半波的电流，直流且焊丝为正极性是地，电弧稳定，灶缝熔深大，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S2，S4导通，S1，S3关断时，通电回路为-→S2→电弧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注技术、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，职快速、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、动态特性午到改善。我国已自行设计和研制出1000A，1200V，30μs的快速晶闸管；100A，600V以上的功率开关晶体管；40，60A，1000V以上的快速二极管。此外，50，100A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、不间尖、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250，350kVA的晶闸管变频器；单机容量为1000kVA以上的不间断电源装置；250kVA的IGBT式电阻焊逆变器；33kVA的IGBT式弧焊逆变器；15，30kVA的场效应晶体管式的弧焊逆变器等〔5〕。 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，又促进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du/dt和di/dt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了以下新的问题：①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，必须采用变频率控制，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；②功率器件的容量需要更大；③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〔7〕。 上世纪80年代末期，脉宽调软开关技术（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年来，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，控制系统调度复杂、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90％〔11〕。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-51系列或MCS-96系列中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。FRONIU公司的Transplus synergic2700/4000/5000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CPLD/FPGA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DSP，CPLD/FPGA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、日本、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。 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化交直流弧焊电源发展的方向。 参考文献： 〔1〕黄石生。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〔M〕。北京：机械工业出版社，2000。 〔3〕殷树言，张九海。气体保护焊工艺〔M〕。黑龙江 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989。 〔4〕廖 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文章内容仅供参考 (投稿) (3/2/2008)