逆变焊接电源的发展及其可靠性研究_吴祥淼

收稿日期:2000-11-20作者简介:吴祥淼(1975-),男,浙江温州人,博士,主要从事逆变电源、电阻焊设备、焊接过程智能控制的研究工作。

逆变焊接电源的发展及其可靠性研究吴祥淼,黄石生,王志强,方　平,薛家祥(华南理工大学机电工程系焊接中心,广东广州510640)摘要:从功率器件、磁性材料、控制方式及智能控制方法等方面的发展介绍了逆变焊接电源的发展,并就逆变焊接电源设计中存在的问题进行了探讨。

关键词:逆变焊接电源;可靠性中图分类号:TG434.1 文献标识码:A 文章编号:1001-2303(2001)02-0008-05The development and reliability research of welding inverterWU Xiang -miao ,HUANG Shi -sheng ,W ANG Zhi -qiang ,FANG Ping ,XUE Jia -xiang(Welding Center ,Dept .of Mechatronic Engineering ,South China University of Technology ,Guangzhou 510640,China )A bstract :In this paper ,the develop ment of welding inverter is introduced in the field of the power s witch device ,magnetic materials ,control means and intelligent control .The reliability of the welding inverter is also covered .Key words :welding inverter ;reliability前　言21世纪的人类社会正经历着以计算机技术、网络技术、信息技术、电力电子技术、智能控制技术等为代表的技术新变革。

它们带动了各个科学技术领域的高速发展,各学科的研究方向和方法有了质的变化。

焊接作为一门交叉性强、应用广的边缘学科,它所受到的影响是巨大的。

新技术的发展不仅为焊接学科带来了机遇,还使焊接学科面临着新的挑战。

铝合金、钛合金等高强、难焊材料大量应用,焊接结构件朝着质量轻、体积小、强度高的方向发展;微电子技术、航天工业等领域要求焊接飞溅小、焊接过程稳定、质量可靠,对焊接电源及技术提出了新的要求。

1　逆变焊接电源的发展80年代以来各种自关断器件不断涌现,功率开关器件的性能不断完善、价格不断下降,各种功率器件的驱动、保护模块不断更新。

弧焊逆变器从晶体管弧焊逆变器发展到场效应晶体管弧焊逆变器,然后发展到I GBT 弧焊逆变器。

国际上著名的焊接设备公司,如瑞典的E SAB 公司,日本的大阪变压器厂,美国的MILLER 、LINC ON 公司等等,都将逆变焊机作为主流产品。

美、日、欧之间对逆变焊机市场的争夺十分激烈[1]。

我国目前生产的逆变焊机种类繁多,用晶闸管、晶体管、场效应晶体管和I GBT 等功率开关器件制成的弧焊逆变器广泛应用于手弧焊、TIG 焊、MI G 焊、C O 2焊、空气等离子切割等领域。

目前,IGB T 弧焊逆变器是发展的主流,其产品的可靠性有了很大的提高,已逐渐推广在生产中应用。

我国市场上出售的逆变焊机以中小功率居多,大功率弧焊逆变器的开发仍然是个难题。

国内的逆变电源无论是产品还是技术研究与国外相比还有一定的差距。

逆变技术应用于焊接另一领域是电阻焊电源。

逆变式点焊机焊接变压器小,控制精度高,可用于要求很高的精密焊接,发展潜力很大。

自从80年代中期出现了逆变式点焊机以来,日本、美国等国家先后推出逆变式电阻焊机产品,并应用于汽车、家电、电子行业,建立起以逆变点焊机器人为主的汽车车身焊装线,使逆变式电阻点焊机进入实际应用阶段。

目前,逆变电阻焊机主要用于中小功率焊机及点焊钳。

小功率的逆变点焊机在电子工业中的应用较·8·专题综述 电焊机,Vol .31,2001(2):8～11,19多。

在国内,目前逆变电阻焊电源的发展并不成熟,仍有待于进一步的研究与开发。

逆变式焊接电源体积小、质量轻、节能省材,由于工作频率高,具有很高的响应速度,易于实现复杂的输出特性,改善焊接工艺。

所以将来无论自动、半自动焊接设备,还是专用成套焊接设备的配套电源都必将更广泛地采用逆变焊接电源。

2　逆变焊接电源相关技术的发展焊接是一门涉及面很广的边缘学科。

逆变焊接电源技术的发展跟电力电子技术、控制技术、材料学科的发展关系密切。

逆变焊接电源的发展及研究主要集中在以下几个方面。

2.1　功率开关器件的更新换代功率开关器件是弧焊逆变器的核心器件,对逆变电源的电路设计、性能有很大的影响。

功率开关器件的不断发展和完善为弧焊逆变器的更新换代提供了保证;功率器件的多样化发展为开发各种容量、特性的逆变焊机提供了丰富的选择。

性能好、可靠性高的开关器件将大大地简化逆变电源的电路设计,解决目前大功率逆变焊机的设计难点,提高逆变电源的可靠性。

功率器件的发展水平是研究弧焊逆变器的主要考虑因素之一。

从器件的发展趋势来看,晶闸管与晶体管式弧焊逆变器将退出市场,并完全被I GBT式所替代;高频,中、小容量的MOSFE T逆变电源还具有一定的市场;IGBT已成为弧焊逆变器发展的主流器件。

当前,功率开关器件正朝着高压大容量化、集成化、全控化、高频化和多功能化的方向发展。

2.2　磁性材料的发展高频弧焊逆变器中使用的磁性器件有许多新的特点,激磁电流可能是非正弦的,磁化不一定对称。

在某些电路中需加去磁措施。

在高频下运行的磁性器件材料,结构、模型,设计、工艺,损耗、发热等多方面的问题,尚需探索研究。

在弧焊逆变器中,尤其在大功率弧焊逆变器中工作的高频变压器,其漏感、损耗及电路工作时磁化的不对称等,对变压器的要求很高;加上体积小、结构紧凑,变压器的温升将是一个很大的问题。

此外,高频变压器还是个很大的干扰源,其工作状态影响到开关管乃至控制电路的工作状况。

变压器的设计一直是弧焊逆变器的研究重点之一。

磁性材料的选择要考虑逆变电源的工作频率、结构设计和成本,必须根据具体的情况作出合理选择。

铁氧体的价格相对较低,制造工艺也较为成熟,是弧焊逆变器中应用最广泛的一种磁性材料。

但其饱和磁通密度低,温度特性不好,居里温度低且易碎,制造大规格的磁心有一定困难,不适于超高频、超大功率的逆变器。

非晶和微晶合金的价格较高,而且U型磁心的磁感应强度大大降低,环形磁心绕制线圈比较困难,在国内弧焊逆变器中的应用还较少。

在大功率逆变电源的饱和电感、磁缓冲器(也称尖峰抑制器)和电流互感器等体积较小、要求高的场合,从设计和经济的角度考虑,可采用非晶或微晶纳米软磁材料。

非晶材料和微晶纳米材料其电阻率高、温度系数小、矫顽力小、损耗小,是高频变压器的理想材料。

随着非晶和微晶合金性能的提高、成本的下降,它们将会在弧焊逆变器中得到更加广泛的应用[2]。

2.3　功率器件控制方式的发展弧焊逆变器的开关器件控制中,主要有以下方式可供选择:(1)脉宽调制硬开关控制。

电路采用固定逆变频率、调节占空比的方式,强迫开关器件在高电压下开通、大电流下关断。

PW M(脉宽调制)控制逆变电源控制电路简单可靠,易于设计不同的电源外特性,容易实现电压和电流的大范围无极平滑调节,具有良好的电气性能和动态特性,是目前应用得较为成熟的一种控制方式。

缺点是在开关器件开通和关断期间,具有较大的电流冲击和电压应力,开关损耗大。

因而硬开关电路的工作频率一般不会很高。

另外,过高的电压和电流变化率,使电磁干扰(E MI)和射频干扰(RFI)大大增加,影响电源电路工作的可靠性并对周围设备造成电磁污染。

(2)频率调制谐振电路。

最初的频率调制谐振电路是为了解决晶闸管不能自动关断的问题,采用固定脉冲宽度、调节逆变频率的方式,通过谐振换流,控制弧焊逆变器的输出特性。

80年代中期,频率调制谐振技术被用来克服脉宽调制硬开关电路的缺点。

在采用全控型开关器件的弧焊逆变器中,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,实现器件的零电压或零电流开关。

器件的开关损耗、电流应力和电压应力小。

但由于对负载的变化适应性差,开关频率的大范围变化导致滤波器、变压器难以优化,难以获得大功率的输出。

频率调制谐振已渐渐被软开关·9·专题综述 电焊机,Vol.31,2001(2)PWM控制技术替代。

(3)软开关脉宽调制变换器技术。

PW M软开关仅在功率器件的换流期间应用谐振原理,实现功率器件的零电压或零电流开关,其他大部分时间采用恒频脉宽调制方式,完成对电源输出电压或电流的控制。

将器件的换流过程和能量转换、控制过程分时加以区别处理。

该电路综合了脉宽调制硬开关电路和频率调制谐振电路的优点,同时又克服了两者的缺点,应用前景非常广阔,是目前研究的热点和主流。

2.4　自动化及智能控制技术的应用计算机技术的成熟和普及使弧焊逆变电源的控制变得容易和灵活,既能对外特性进行控制,还可兼顾动特性。

弧焊逆变电源的功能和操作也变得简单、丰富,可以实现人机对话、参数自动优化、存储、故障分析及焊机状态的自动监控,从而实现整个系统的协调运作,最终实现无人监控的自动化运行。

智能电源已成为未来电源的发展方向。

焊接电源的群控技术也被提上日程,实现多台焊机的集中监控,使焊机能够更有效、安全地运行。

弧焊逆变电源是个多输入、多输出、强耦合、非线性的时变系统,很难建立准确的数学模型或用确定的物理参数来加以描述。

经典控制和自适应控制对不确定因素和高度非线性问题的适应能力差,建模时使用很多的假设条件,模型的精度、准确度和适应性较差。

智能控制系统主要利用人的经验、知识和推理技术以及控制系统的某些信息和性能得出相应的控制动作,不需要精确的数学模型,因而在不确定性、非线性过程的控制中具有更好的鲁棒性。

目前,运用得较成熟的智能控制方法有专家系统控制、模糊控制和神经网络控制等3种。

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控制动作的控制系统。

但是,专家系统需要有充分的控制知识和被控过程的数据,且学习较慢,难以满足快速时变系统的实时控制要求。

目前,它在弧焊逆变器的设计、建模、仿真、波形控制中运用得较多[3]。

模糊控制吸取了人的思维具有模糊性的特点,使用隶属函数、模糊关系、模糊推理和决策等工具得出控制动作。

但模糊规则的建立依赖专家知识和经验,在研究不成熟的领域较难应用。

其自身的学习能力差,在较复杂的不确定控制中往往精度较低,控制效果不理想。

模糊控制是目前应用比较广的一种智能控制方法,在焊接质量控制、焊缝跟踪和外特性控制方面取得了较大成果。