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¨2．3]。

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：2007一ol一29；修回日期：2007～07—20

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(2001a105010)

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

weldin

technolo

vol-36 no．5 oct．2007 ·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12全文查看的变流技术、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，50．100 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。

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2007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90％i“]。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 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。

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vo1．36 no．5 oct．2007 ·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：

[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**：**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，2006，7(3)：53—56．

[5]黄石生．逆变理论与弧焊逆变器[m]．北京：机械工业出版社，

1995．

[6]王振民，黄石生，薛家祥，等．弧焊逆变技术的研究现状与展望

[j]．电焊机，2000，30(8)：3-6．

[7]hurley w g．optimized transformer design：inclusive of high-frequency

efects [a]．ieee transactions on powerelectronics [c]．1998，13

(4)：651—659．

[8]gui·chao hua．an improved full—bridge zem—voltage—switched pwm

converter using a satiable inductor[a]．ieeet transactions on power

electmnics[c]．1993，8(4)：530-534．

[9] bhat a k s．a fixed-frequency modified series·resonant converter：．

analysis，design and results[a]．ieeet transactions on power elec—

tronics[c]．1995，10(6)：766—775．

[10] jung-goo cho．zem-vohage and zero-current·switching full bridge

pwm converter for high—power applications[a]．ieee transactions

on power electronics[c]．1996，11(4)：622—627．

[11]吴开源，黄石生，李阳，等．弧焊电源的数字化控制技术[j]．

设计与开发，2005，30(1)：72—75．

[12]李本亮，孙仁云，孙春燕．基于单片机控制的多功能交直流方波

焊接电源[j]．四川工业学院学报，2004，23(1)：48—50．

[13]李春旭，王珊，郭学良．数字化逆变交直流方波脉冲tig焊机

研制[j]．电焊机，2006，36(10)：31—35．

[14]黄石生，薛家祥，余文松，等．新型弧焊电源及其智能控制[j]．

中国工程科学，2oo0，2(4)：71-74．

[15]李士勇．模糊控制、神经控制和智能控制论[m]．黑龙江**：

**工业大学出版社。1996．12全文查看摘要：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