交直流弧焊逆變電源研究現(xiàn)狀

1、交直流弧焊逆變電源研究現(xiàn)狀    摘要： 闡述了交直流弧焊電源實現(xiàn)原理及特點并從交直流弧焊電源的逆變技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)、智能控制技術(shù)三方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的介紹指出了交直流弧焊電源沿高性能數(shù)字化與智能化方向發(fā)展的趨勢。關(guān)鍵詞：交直流；弧焊電源；數(shù)字化； 智能化中圖分類號：tg434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a鋁及其合金通常采用工頻交流正弦波鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接。但這種焊接電源的電弧穩(wěn)定性差，正負(fù)半波通電時間不可調(diào)，還要利用消除直流分量的裝置，而且不能用于堿性焊條電弧焊。特別是。它對于一些要求較高的焊接工作，如鋁薄件小電流焊接、單面焊雙面成形、高強度要求的焊接等，

2、都很難獲得滿意的焊縫質(zhì)量。隨著大功率半導(dǎo)體元件和電力技術(shù)的發(fā)展近年在國內(nèi)成功應(yīng)用了交直流弧焊工藝，并研制和生產(chǎn)出了相應(yīng)的弧焊電源.。交直流弧焊是一種薄板鋁合金較理想的電弧焊方法其既可以控制焊縫的熔深又可以提高焊接效率。其中交直流氬弧焊功能最適合于鋁及鋁合金、鎂及鎂合金的焊接。其具有霧化調(diào)節(jié)功能，能有效地破除工件表面的氧化膜；焊縫成形好、表面光亮美觀¨23。近年來。鋁合金等非鐵金屬以其低溫特性、質(zhì)量輕、比強度高等優(yōu)點，已被廣泛地應(yīng)用在航空航天、汽車和民用工業(yè)中，成為一種重要的加工材料 】。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，薄板鋁合金在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣，其焊接量也在不斷地擴大。提高焊接生產(chǎn)率、保證

3、產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)焊接生產(chǎn)的自動化、智能化越來越得到焊接生產(chǎn)企業(yè)的重視，特別是對焊接質(zhì)量和精度要求比較高的機器人焊接場合更是如此。加上現(xiàn)代人工智能技術(shù)、數(shù)字化信息處理技術(shù)、計算機視覺技術(shù)等高新技術(shù)的融入，也促使交直流焊技術(shù)正朝著焊接高速高效化、焊接控制數(shù)字化、控制系統(tǒng)智能化方向發(fā)展。1 交直流弧焊原理及特點交直流弧焊的主要特點是電流過零點的時間極短，通過電收稿日期：2007一ol一29；修回日期：20070720基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(50575074)；廣東省科技攻關(guān)項目(2001a105010)子控制技術(shù)使正負(fù)半波通電時間比和電流的比值可以自由調(diào)節(jié)。因此把它用于鋁及其合金焊接時，在

4、焊接工藝上有以下特點：電源穩(wěn)定， 電流過零點時重新引弧容易，不必加穩(wěn)弧高壓脈沖或高頻電，受干擾的影響小，并可以通過調(diào)節(jié)正負(fù)半波通電時間比例來獲得最佳的熔深和陰極霧化作用，提高鎢極的壽命：調(diào)節(jié)工件上的熱輸入，更有效地利用電弧熱和電弧力作用來滿足某些弧焊工藝的特殊需要，不必采用消除直流分量的裝置等等。逆變式交直流弧焊電源，主要由普通直流弧焊電源和逆變器組成主電路通過逆變器把直流轉(zhuǎn)變成交流，頻率可調(diào)，正負(fù)半波通電時間比、正負(fù)半波電流比值也可以在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)原理如圖l所示。+圖1 交直流弧焊原理示意圖從圖l可知， 當(dāng)s ，s，觸發(fā)導(dǎo)通，s2，s4關(guān)斷時，直流電源通電回路為：+一s，一電弧一s，從

5、而在電弧獲得正半波的電流，直流且焊絲為正極性時， 電弧穩(wěn)定，焊縫熔深大，通過對電流進(jìn)行有效控制，容易實現(xiàn)焊絲熔化及熔滴過渡。當(dāng)s ，s4導(dǎo)通，s ，s，關(guān)斷時，通電回路為一一s_+電弧一s4，從而在電弧獲得負(fù)半波的電流，直流且焊絲為負(fù)極性時，電弧沿焊絲上爬，電弧不穩(wěn)定，熔滴不易過渡，焊接熔池淺，具有電弧沿焊絲上爬促進(jìn)焊絲熔化以及減小電弧對熔池的加熱作用，形成淺熔深的特性。由此可見，只要控制2組電子元件輪流導(dǎo)通，切換電弧電流的方向并通過控制2組電力電子元件導(dǎo)通時間的長短和通電時間的相對比例就可得到頻率和正負(fù)半波通電時weldintechnolo vol-36 no5 oct2007 ·

6、專題綜述· 5間比例可調(diào)節(jié)的交直流電。在焊接過程中，根據(jù)焊件的尺寸要求選擇合適的焊接電流頻率和正負(fù)半波通電時間比率，便可控制形成合適的焊縫質(zhì)量，尤其是焊接薄板時形成淺熔深，保證不出現(xiàn)熔池形成失敗現(xiàn)象，滿足焊接質(zhì)量的要求。2 直流弧焊逆變技術(shù)功率電子器件性能的提高和發(fā)展為逆變技術(shù)的迅速發(fā)展提供了最基本的物質(zhì)基礎(chǔ)，一種新的性能更優(yōu)越的電力電子器件的出現(xiàn)必將引起逆變技術(shù)大發(fā)展，勢必引起先進(jìn)的逆變技術(shù)在交直流弧焊電源中的應(yīng)用與發(fā)展。我國自1962年試制成功晶閘管以來，以普通晶閘管和硅整流管為主體      的變流技術(shù)、逆變技術(shù)有了很大的發(fā)展，

7、器件質(zhì)量有較大的提高，派生型晶閘管，如快速、雙向、可關(guān)斷和逆變導(dǎo)器件有較快的發(fā)展產(chǎn)品產(chǎn)量大幅度上升。近10多年來，經(jīng)過精心設(shè)計，加上工藝、測試、可靠性以及裝備等方面的研究，器件容量定額大大提高，靜、動態(tài)特性得到改善。我國已自行設(shè)計和研制出1 000 a，1 200 v，30 s的快速晶閘管；100 a，600 v以上的功率開關(guān)晶體管；40，60 a，1 000 v以上的快速二極管。此外，50100 a的大功率場效應(yīng)晶體管、igbt在90年代初也開始試制生產(chǎn)。同時，在變頻調(diào)速、穩(wěn)壓電源、不間斷電源、電鍍電源、電阻焊、弧焊電源、電子束電源、中高頻加熱及熱處理、電化學(xué)等方面已廣泛應(yīng)用逆變技術(shù)和產(chǎn)品，

8、并擁有數(shù)十個系列和數(shù)百個規(guī)格的這類產(chǎn)品。其中包括單機容量為250，350 kva的晶閘管變頻器：單機容量為1 000 kw 以上、工作頻率為50 khz的中頻加熱電源裝置：200 kva以上的不間斷電源裝置：250 kva的igbt式電阻焊逆變器；33 kva的igbt式弧焊逆變器；15，30 kva的場效應(yīng)晶體管式的弧焊逆變器等53。上世紀(jì)90年代，國內(nèi)外電力半導(dǎo)體器件和逆變技術(shù)在不斷向功率化、快速化、模塊化、組合化、智能化、廉價和高可靠性方向發(fā)展，新型的大功率場效應(yīng)管用作弧焊逆變器的快速開關(guān)，比普通的雙極型大功率晶體管更為優(yōu)越。為此，研制出了這種新型的弧焊逆變器。以igbt、場效應(yīng)晶體管為

9、主體的電力半導(dǎo)體器件及逆變技術(shù)，將主導(dǎo)電力電子裝置、電源的蓬勃發(fā)展，使其產(chǎn)生革命性的變化，并以高效節(jié)能、省材、輕量化、高性能和可靠性而愈來愈顯著地體現(xiàn)它的優(yōu)越性。新型大功率電子元件的出現(xiàn)，推動了弧焊電源的發(fā)展?？煽毓韬附幽孀兤鞯某霈F(xiàn)，就是一個例證。它具有體積小、質(zhì)量輕、效率和功率因素以及工藝性能好等突出的優(yōu)點。雙極型大功率晶體管的問世，又促使逆變器的頻率和性能進(jìn)一步提高。從功率器件換流過程及其控制來看， 目前逆變技術(shù)正由傳統(tǒng)脈寬調(diào)制硬開關(guān)技術(shù)和頻率調(diào)制諧振技術(shù)轉(zhuǎn)向脈寬調(diào)制軟開關(guān)技術(shù)。上世紀(jì)50年代，隨著脈寬調(diào)制硬開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，揭開了逆變技術(shù)發(fā)展的序幕。許多國家就爭先致力于功率電子器件、磁性材

10、料、控制集成芯片和電路拓?fù)涞确矫娴难芯?。脈寬調(diào)制硬開關(guān)技術(shù)經(jīng)過上世紀(jì)60年代的成長期、上世紀(jì)70年代的發(fā)展期和上世紀(jì)80年代的成熟期，迄今為止，已經(jīng)獲得了最廣泛的應(yīng)用。但是，它的開關(guān)頻率不能太高，存在著換流慢、開關(guān)損耗相對較大、承受較高的dudt和didt等問題，其安全性、可靠性較差，并且會產(chǎn)生顯著的電磁干擾6。針對硬開關(guān)換流過程存在的問題，上世紀(jì)70年代中期，頻率調(diào)制諧振技術(shù)應(yīng)運而生，其技術(shù)關(guān)鍵在于應(yīng)用電感電容網(wǎng)絡(luò)的諧振原理， 迫使功率開關(guān)器件的電流或電壓按正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流或電壓過零時，使器件開通和關(guān)斷， 因而解決了開關(guān)動態(tài)損耗、電流沖擊、電壓應(yīng)力和電磁干擾等問題。它從根本上克服了傳統(tǒng)脈

11、寬調(diào)制硬開關(guān)變換器的缺點， 因而迅速成為功率電子學(xué)新的發(fā)展方向和研究熱點。但是，頻率調(diào)制諧振變換技術(shù)也帶來以下新的問題：輸出電壓與頻率有關(guān)，為保持輸出電壓在各種運行條件下基本不變，必須采用變頻控制，對負(fù)載變化的適應(yīng)性差，所以常用于負(fù)載基本不變或變化不大的場合；功率器件的容量需要更大； 開關(guān)頻率大范圍變化導(dǎo)致濾波器、變壓器等磁性器件的設(shè)計難以優(yōu)化 。上世紀(jì)80年代末期，脈寬調(diào)制軟開關(guān)技術(shù)(spwm)的問世，推動大功率逆變技術(shù)的研究與應(yīng)用水平又上了一個新的臺階。脈寬調(diào)制軟開關(guān)技術(shù)綜合了傳統(tǒng)脈寬調(diào)制技術(shù)和諧振技術(shù)的優(yōu)點，僅在功率器件換流瞬間，應(yīng)用諧振原理實現(xiàn)零電壓或零電流轉(zhuǎn)換，而在其余大部分時間采用

12、恒頻脈寬調(diào)制方法，完成對電源輸出電壓或電流的控制，因此開關(guān)器件承受的電流或電壓應(yīng)力少。近10 a來，脈寬調(diào)制軟開關(guān)技術(shù)在功率逆變電路中逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位8-10。目前，脈寬調(diào)制軟開關(guān)技術(shù)仍然是功率電子學(xué)最重要的研究內(nèi)容之一，應(yīng)用前景十分廣闊。3 交直流弧焊電源控制數(shù)字化數(shù)字化焊接是指用計算機技術(shù)來控制焊接設(shè)備的運行狀態(tài)，使其滿足和達(dá)到焊接工藝所提出的要求， 以得到完全合格的焊縫。弧焊逆變電源控制系統(tǒng)在實現(xiàn)方式上主要經(jīng)歷了模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)2個階段。傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜處理的能力有限，元器件數(shù)量多，并且控制系統(tǒng)的參數(shù)由電阻、電容等分立元件的參數(shù)決定?？刂葡到y(tǒng)調(diào)試復(fù)雜、靈活性差：同時電

13、阻、電容的參數(shù)分布影響控制系統(tǒng)的一致性參數(shù)的穩(wěn)定性差，如溫度漂移影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；此外因硬件實現(xiàn)上的局限性， 控制算法僅能采用pid調(diào)節(jié)等方法一些先進(jìn)的控制算法因無法用模擬電路實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)起來非常困難而不被采用，因此在很大程度上限制了弧焊逆變電源的發(fā)展。近年來，隨著大規(guī)模集成電路asic、數(shù)字信號處理器dsp、復(fù)雜可編程邏輯器件cpld、現(xiàn)場可編程門陳列fpga等6 ·專題綜述· 焊接技術(shù) 第36卷第5期2007年10月新型半導(dǎo)體器件的應(yīng)用與發(fā)展弧焊電源的控制電路已由原來的分立元件、簡單集成電路發(fā)展成以單片機，dsp，cpld，fpga為核心的數(shù)字化控制電路 主電路的數(shù)字

14、化使焊接電源的功率損耗大大減少，效率可達(dá)到90i“。另外由于工作頻率的提高，回路輸出電流的紋波更小響應(yīng)速度更快焊機可以獲得更好的動態(tài)響應(yīng)特性。目前弧焊電源數(shù)字控制系統(tǒng)主要包括：單片機控制系統(tǒng)、可編程邏輯器件pld控制系統(tǒng)、arm芯片控制系統(tǒng)、基于dsp的控制系統(tǒng)等。單片機以其較高的靈活性和性價比。廣泛應(yīng)用于弧焊電源的數(shù)字化控制中。單片機控制的弧焊電源主要以mcs一51系列或mcs一96系列單片機為中央處理器配合少量的接口電路和外圍電路。由于單片機無法完成實時計算和高精度的控制任務(wù)。一般多用于簡易控制系統(tǒng)中。另外單片機控制系統(tǒng)中只是部分實現(xiàn)數(shù)字化。其反饋信號和pwm仍然采用的是模擬控制電路，因此

15、，數(shù)字化的特點在單片機控制的弧焊逆變電源中并沒有得到充分體現(xiàn)?；赿sp的控制系統(tǒng)與單片機相比其數(shù)據(jù)處理能力強，能實時完成復(fù)雜計算，單周期多功能指令，pwm分辨率高，性價比高， 可實現(xiàn)更為理想的數(shù)字化控制。fronius公司的transplus synergic270040005000系列產(chǎn)品在焊機上實現(xiàn)了多種電弧焊接方法，可存儲幾十個焊接程序，實時顯示焊接參數(shù)，通過單旋鈕給定焊接參數(shù)和電流波形參數(shù)，可實現(xiàn)熔滴過渡和弧長變化的精確控制。此類焊接電源還可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工藝管理和控制軟件升級。文獻(xiàn)12在單片機控制的交直流焊電源的基礎(chǔ)上，設(shè)計了以單片機at89c51控制的多功能交直流方波電源。隨著模

16、擬電路和數(shù)字電路有機結(jié)合的模塊電路的發(fā)展，它將逐步取代分立式模擬電路。文獻(xiàn)13采用ti公司的tms320f240型dsp作為控制系統(tǒng)的核心芯片研制了基于數(shù)字信號處理器(dsp)進(jìn)行了數(shù)字化igbt逆變交直流方波脈沖tig焊機的研制。數(shù)字化控制技術(shù)在弧焊電源中的運用，使得先進(jìn)的控制算法在弧焊電源運用中得以實現(xiàn)，弧焊電源可以采用更先進(jìn)的控制算法，使其輸出電能質(zhì)量好，可靠性高，便于實現(xiàn)智能控制。數(shù)字化是弧焊電源的發(fā)展方向。逆變技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了電源主電路的數(shù)字化。基于單片機，dsp及cpldfpga等新型半導(dǎo)體器件的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了控制電路的數(shù)字化。dsp，pldfpga由于其強大的性能與極大的靈活性，

17、將在弧焊電源數(shù)字化控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景和優(yōu)勢?？梢灶A(yù)見，采用dspcpldfpga進(jìn)行高精度高性能的弧焊逆變電源的數(shù)字化控制技術(shù)的研究將是今后弧焊電源的發(fā)展主流，必將得到很大的發(fā)展。4 交直流弧焊控制的智能化微機控制的弧焊電源，目前已廣泛地應(yīng)用于焊接領(lǐng)域中。逆變電源傳統(tǒng)控制方法依賴于電源系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)的描述。功率逆變技術(shù)的發(fā)展表明，逆變電源的模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)與許多復(fù)雜的因素密切相關(guān)。模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的改變主要是由于逆變電源的連續(xù)或非連續(xù)方式、與工作溫度有關(guān)的電路參數(shù)、輸出電網(wǎng)的電壓和隨機的非線性負(fù)載等條件的變化而引起的。此外，焊接過程是一個復(fù)雜的過程，焊接電源輸出特性是非線性、時變、

18、不確定的受控對象，具有時變、非線性及干擾因素多等特點，因而很難建立起精確的數(shù)學(xué)模型。采用傳統(tǒng)控制理論準(zhǔn)確、全面地反映逆變電源系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型常常難以建立?，F(xiàn)代控制技術(shù)特別是智能控制技術(shù)的發(fā)展為解決這些問題提供了新的途徑。目前，比較成熟的方法主要有專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制方法14,15。專家系統(tǒng)是利用控制理論的專業(yè)知識和經(jīng)驗，采用人工智能專家系統(tǒng)的知識表示及推理技術(shù)得出動作控制系統(tǒng)。從某種意義來說專家系統(tǒng)就是一個知識獲取和利用系統(tǒng)。目前，它在逆變電源的設(shè)計、建模、波形控制等方面取得了一些成果。但是它的獲取比較慢難以滿足快速時變系統(tǒng)的實時控制要求。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法可看作并行輸入和并行輸出分布的計算系統(tǒng)。由于采用特殊形式的非線性并行處理形式，因