點焊逆變電源的現狀與發展 (2007年發表)
點焊逆變電源的現狀與發展 (2007年發表)
張 勇 馬鐵軍 楊思乾 劉金合
（西北工業大學 材料學院 陜西西安 710072）
摘 要：采用逆變技術的點焊電源是目前發展的重要方向。本文綜述了點焊逆變電源的技術優勢和國內外點焊逆變電源的發展現狀，指出了我國點焊逆變電源存在的主要問題，詳細介紹了提高我國點焊逆變電源可靠性和控制性能的軟開關及智能控制技術。（廣州藍能電子點焊機，最先進的中頻逆變點焊機廠家）
關鍵詞：點焊；逆變；軟開關；智能控制
焊接電源作為焊接生產的能源供給裝置，其性能直接影響到焊接質量，因此對焊接電源的研究長期以來受到人們的高度重視。逆變技術在焊接電源中的應用為焊接電源的發展帶來了革命性的變化。隨著科技的迅猛發展，為適應新材料、新工藝不斷提出的應用要求，點焊電源也在不斷的發展與完善之中，經歷了從單相到三相，從不整流到整流的演變。采用逆變技術的次級整流點焊電源是目前發展的重要方向[1]。
1點焊逆變電源的技術優勢
傳統的點焊電源重量大、耗料多、效率低、動態響應速度較慢。相對于傳統的點焊電源，逆變點焊電源顯示出了很多優點。首先，焊接變壓器小型輕量化。因此，可將焊鉗和變壓器連同二次整流器一體化，用于點焊機器人。這種點焊機器人所需驅動的功率和裝配重量都比較小，從而使其焊接工作循環周期縮短，裝置壽命延長。應用這種逆變點焊機器人焊接復雜的板金裝配工件時，因無二次電纜，故一個機器人可以分別使用2~3把焊鉗，提高了投資效率，工位面積也縮小了[2]。其次，逆變點焊電源可進行高速精密控制。傳統的交流點焊機，輸入電源頻率為50～60HZ，限制了響應速度，控制分解能力也低。而逆變點焊機，由于逆變頻率是工頻的數倍至幾十倍，故整個反饋控制系統的響應速度和控制分解能力較工頻點焊機優越得多，從而有利于焊接質量的控制。此外，逆變點焊電源功率因數高，節能經濟性好[3,4]。
在焊接工藝方面，逆變點焊更具有形成穩定熔核的電流范圍擴大、電極壽命長、電磁影響小、無交流“集膚”作用以及可以廣泛點焊異種金屬等優勢[5,6]。（廣州藍能電子點焊機，最先進的中頻逆變點焊機廠家）
2逆變點焊電源發展現狀及存在的主要問題
2.1 逆變點焊電源的發展現狀
逆變點焊電源所具有的上述突出優點，從其誕生之日起就一直是焊接設備領域研究的熱點，國內外的企業、高校和研究所投入極大的熱情和精力進行研究、開發，并取得了許多令人矚目的成果。（廣州藍能電子點焊機，最先進的中頻逆變點焊機廠家）
自從上世紀80年代中期，美、日兩國分別推出第一臺逆變式點焊樣機以來，逆變點焊電源已有了長足的發展，其應用主要集中在汽車、家電、電子等行業的中小功率焊機及點焊鉗上。國外主要汽車制造公司均已建立起以逆變點焊機器人為主的汽車車身焊裝線，而小功率的逆變點焊機在電子行業中更是成為不可或缺的關鍵設備[7]。
目前，在逆變電阻點焊機領域，日本、德國和美國處于領先地位，各自均有多家公司推出了多種實用機型，并且在某些領域部分地取代了傳統的單相點焊機和懸掛式交流點焊機[8,9,10,11]。日本AVIONICS株式會社生產的NRW-IN8000A型逆變點焊機，逆變頻率2000Hz，配備標準RS-232接口，可記憶保存15種焊接條件，具有0.4～8000A恒電流調節范圍以及恒電壓和恒功率（電壓×電流）控制方式，該公司的NRW-IN4000A型逆變點焊機通過使用焊接變壓器切換器可使一臺焊機最大對應8臺焊接變壓器。日本米亞基公司生產的系列逆變點焊機，具有多種控制方式，功率和電流自動觸發2種監測內容可選，時間可以ms和 CYC（周波）為單位設定，逆變頻率可選擇 600Hz、800Hz和1000Hz，可存儲7~15種焊接規范。日本木村制作所開發了TD1-1200T型逆變控制器等產品，并將其用于懸掛式點焊機和固定式焊機；日本宮地美國分公司生產的精密逆變點焊機電源和配套的焊接變壓器，采用恒功率控制，保證焊接質量，通過1個名為WELDCARD的RAM系統與PC機相連，分析處理焊接程序和數據，采用MA-600A的4個焊接變壓器；韓國的TAESUNG電子公司生產的精密逆變點焊機系列產品TST-105、TST-300和TST-5000，采用IGBT全橋逆變式主電路，恒流控制，4行LCD顯示，鍵盤輸入，可調節電流的上升、下降斜率，其中TST－105逆變頻率為4000HZ，最大輸出電流1500A；TST-300逆變頻率為2000Hz，最大輸出電流3000A；TST5000逆變頻率1000Hz，最大輸出電流5000A[12,13,14,15,16]。（廣州藍能電子點焊機，最先進的中頻逆變點焊機廠家）
在歐洲，也正在致力于逆變一體式機器人點焊鉗的推廣應用，以號稱世界最大的中頻電阻焊接系統制造商——德國Rexroth Bosch公司為代表的阻焊中頻逆變電源及控制技術，其典型產品為多功能中頻焊接控制器PSI63S，這款中頻控制器已經不是傳統意義的中頻控制器，而是集成了普通中頻控制器PSI6300，焊接監測控制器PSQ6000（IQR恒功率控制技術和UQR超聲波控制技術）和伺服運動控制器（氣動元件或電子馬達）的全能控制器，它可以對焊接電流、焊接時間、焊接功率、焊接熔核大小、焊接的位置、焊接的位移、焊接的壓力等進行全閉環控制，這是世界上首套可以對全部焊接參數進行控制的焊接控制器，是電阻焊接控制系統的發展方向之一[17]。
近年來，逆變點焊機的功率也在逐步的提高，其發展與電力電子技術和器件的發展密切相關。米亞基公司的IS-120B型逆變點焊機最大焊接電流達到20000A。而美國的WTC焊接技術公司和RoMan變壓器制造公司已使額定容量170KVA的中頻逆變電阻焊機實現了產品化。德國NIMAK公司生產的X和C型中頻逆變直流懸掛點焊機，額定功率已經達到250KVA。逆變點焊機功率的提高有利于擴大其應用范圍[18,19,20]。
在國內，開展逆變點焊研究工作較早的單位有上海交通大學、華南理工大學、吉林大學、哈爾濱工業大學、西北工業大學、上海工程技術大學、天津707所和成都電焊機研究所等等�，F已見報道的有上海交通大學研制的GTR阻焊逆變電源；華南理工大學開發研制的作為國家“七五”攻關項目的“DN6-26”型機器人用CMOS逆變式點焊機；吉林大學研制的IGBT逆變式點焊機；成都電焊機研究所研制的懸掛式逆變次級整流點焊鉗；哈爾濱工業大學研制的用IGBT作為開關器件的新型零電壓軟開關逆變點焊機，等等[21,22,23,24,25,26]。（廣州藍能電子點焊機，最先進的中頻逆變點焊機廠家）
盡管我國開展逆變點焊電源的研究工作起步不算太晚，但大多還停留在樣機階段，產業化進程緩慢，擁有自主知識產權并實現批量化產品制造的企業更是不多。由華南理工大學曹彪教授等創辦的廣州市精源電子設備有限公司(廣州市藍能電子科技有限公司為精源電子銷售公司)，經過多年的潛心研究，自主開發成功可量產的JY系列逆變直流電阻焊電源。該電源采用IGBT逆變技術和單片微機控制技術，其中JYD-04額定容量12KVA，最大輸出電流4000A，代表了目前我國逆變點焊電源產品的最高水平，并在珠江三角洲占領了部分市場[27]。在長江三角洲，南京新研科技有限公司也自主研發了逆變頻率2000Hz、最大焊接電流2000 A的微機控制逆變點焊機；上海梅達、上海永志以及鎮江精工、鎮江清華等公司，分別與美、德、日等國公司合資，開始了逆變點焊電源的引進生產工作。上海梅達公司引進美國WTC焊接技術公司和RoMan變壓器制造公司的先進技術，生產TDM-170等型中頻逆變電阻焊機，配套的Medweld4000S型控制器可設定31套焊接程序，具有電網電壓自動補償，恒電流觸發模式，連網等功能，可設定預熱電流、焊接電流和焊后熱處理電流，并可設置額定電網電壓，以達到最佳電網電壓補償效果等。日本精工也在鎮江全額投資新建了（日本）鎮江精工焊接設備公司，主要生產小功率逆變點焊機。鎮江清華焊接設備有限公司結合日本、韓國技術，生產采用定電流控制的系列中頻逆變電阻焊機[28,29,30,31]。（廣州藍能電子點焊機，最先進的中頻逆變點焊機廠家）
2.2存在的主要問題
綜觀國內外逆變點焊機的發展及現狀，可以看出，國外逆變點焊機的研究較成熟，商品化程度也較高。國內目前基本上都處于研究探索階段，仍有待于進一步的研究和開發。
造成國內外逆變點焊機存在較大差距的原因是多方面的。眾所周知，功率開關器件是焊接逆變器的核心器件，對逆變電源的電路設計、性能有很大的影響。在國內進行逆變點焊機早期的研究工作中，由于國內功率開關器件的發展水平和受國際貿易的限制，使功率開關器件的性能得不到保障，這在客觀上影響了點焊逆變電源研究工作。在逆變點焊電源研究經費的投入方面，國外主要是依托應用企業的大量投入，經費充足，而國內的多數單位則都是自籌資金研發，資金的缺乏常常導致研究工作的中斷。此外，國內的應用基礎研究與產品化研究相對脫節，加之我國大功率開關器件國產化很低，致使電源工作的可靠性及穩定性問題長期得不到根本解決，制約了產業化的實現[32]。
應該說上述的幾點因素，只是存在的外在表面現象。從本質上看，由于點焊焊接熱源屬于內部熱源，焊接所需電流小則幾百安培，大則幾千甚至達數萬安培，這種低電壓、大電流的特點使逆變點焊電源的研究在技術上面臨著許多尖銳的問題[33,34]：
1）可靠性問題。導致逆變點焊機可靠性問題的主要因素有幾點：
（1）目前，市場上的逆變點焊機其功率開關管基本為硬開關工作方式，功率開關管在開關工作過程中承受較高的電壓應力、電流應力。功率回路存在寄生器件導致的寄生振蕩，使得電壓應力、電流應力進一步增高，隨著功率的增大，這些消極作用益發明顯；
（2）在大功率、高頻逆變的情況下，功率器件的發熱增加，降低了器件工作的安全裕度，增加了設計的難度；
（3）逆變焊機自身產生的電磁干擾，會對控制系統的穩定可靠性構成威脅。
2）諧波干擾。工作在硬開關方式的逆變電源，不僅使開關管在開關工作過程中承受較高的電壓、電流應力，而且在開關工作過程中產生的諧波會回饋給電網，對電網造成污染。（廣州藍能電子點焊機，最先進的中頻逆變點焊機廠家）
3）效率問題。在硬開關工作方式下的逆變電源，開關管在工作過程中存在較大的開關損耗，加上采用緩沖吸收電路的損耗，降低了電源的效率。
4）焊機的控制性能。點焊過程具有高度的非線性、時變性和不確定性，存在大量隨機不確定因素，難以建立精確的數學模型。目前逆變點焊機幾乎仍舊局限于傳統的經典控制理論模式，缺乏自適應能力。
3點焊逆變電源的主要技術發展
逆變點焊電源的研究涉及焊接、電力電子、磁性材料、計算機、控制理論等相關學科，其發展更是與電力電子學科的逆變電源技術息息相關。近年來，功率開關器件的多樣化發展為開發各種容量、特性的逆變電源提供了豐富的選擇。磁性材料的發展為研究更高頻率的逆變器提供了保證。功率開關器件和磁性材料的技術支撐，使得電源技術的關注重點從單純的注重器件和電路單元的保護研究，逐漸轉向更深層次的軟開關技術、電磁兼容、智能控制及計算機仿真等技術的研究成為可能[35,36]。（廣州藍能電子點焊機，最先進的中頻逆變點焊機廠家）
軟開關技術的出現和智能控制技術的興起，為解決逆變點焊機的諸多問題提供了新的思路。軟開關技術可以降低功率開關器件的開關應力和損耗，降低電磁干擾，改善器件和控制系統的工作環境等等，是近10年來國際電力電子領域研究的熱點[37,38]。而智能控制技術更是在許多領域包括焊接行業得到了充分的重視、研究和應用，如將其引入到逆變點焊機的控制系統中，必將極大的提高逆變點焊機的整體控制水平和性能[39,40]。
3.1軟開關技術
在目前使用的絕大多數逆變式電阻焊機的逆變電路中，通常采用保持功率開關管的開關頻率固定，而靠改變功率開關管接通時間長短（即脈沖的寬度）的方法，來調節焊機的輸出能量，這種控制方法被稱為脈寬調制法（PWM）[41]。在這種情況下，由于功率開關管按照外加的控制脈沖寬度來實現通斷，而控制脈沖的發出又與功率開關管上流過的電流、兩端所加的電壓無關，因此稱為“硬開關”[42]。
采用硬開關控制的逆變電路，由于在功率開關管上同時存在電流與電壓的交疊，因而產生了很高的開關損耗。同時，電路的寄生電感和功率器件的寄生電容在高頻工作時將產生嚴重的電壓尖峰和浪涌電流，為消除其影響，通常在開關兩側設置緩沖電路。但是緩沖電路會消耗能量，逆變器工作頻率越高，能量消耗越大，因而會使整個逆變器的整體效率變低[43]。（廣州藍能電子點焊機，最先進的中頻逆變點焊機廠家）
鑒于硬開關逆變電源存在的問題，在20世紀80年代以后，人們開始了軟開關逆變電源的研制工作。所謂軟開關技術，實質是在主電路上增加儲能元件電感和電容，利用諧振原理與合適的控制方法，使功率開關在其兩端電壓為零或使流過功率開關的電流為零時開通或關斷。諧振參數中吸收了高頻變壓器的漏抗、電路中寄生電感和功率器件的寄生電容，可以消除高頻產生的電壓尖峰和浪涌電流，降低器件的開關應力，從而可大大地提高逆變焊接電源的可靠性，功率器件的開通、關斷損耗理想值為零[44,45,46]。
移相PWM控制變換器由于具有電壓過零（或電流過零）控制的軟開關和恒頻調寬的優點，近20年來，吸引了國內外學者的廣泛關注。這種變換器將器件的換流過程和控制過程區別處理，使變換器在一個周期內的功率器件換流期間按零電流開關（ZCS，Zero-Current-Switching）或者零電壓開關（ZVS，Zero-Voltage-Switching）準諧振變換器工作，其余時間按PWM變換器工作，前者稱為ZCS-PWM變換器，后者稱為ZVS-PWM變換器。在移相零電壓開關全橋電路的基礎上，發展了移相控制的全橋零電壓零電流（ZVZCS）軟開關，這種軟開關的超前橋臂采用零電壓開關，滯后臂換流時通過原邊電流的復位實現零電流開關。
逆變點焊電源軟開關技術的研究有其特殊性。由于電源輸出電流大及工作頻率為1000Hz左右的中頻，因而利用阻斷電容實現原邊電流快速復位的ZVZCS軟開關技術是不適用的，目前已見報道的文獻均采用ZVS技術。王清等研制了基本移相零電壓開關全橋點焊電源，得出了實現零電壓開通的條件[47]。華南理工大學采用變壓器初級串聯飽和電感的方法，研究了移相零電壓開關全橋點焊電源 [48]。西北工業大學和吉林大學根據點焊特點，采用輔助網絡移相控制零電壓開關全橋變換器，既保證了零電壓開關，又最大限度地減小了副邊占空比丟失[49,50]。此外，南昌航空工業學院也在開展軟開關逆變點焊電源的研究工作[51]。
3.2控制技術
3.2.1 常規控制
逆變電源的控制技術是功率電子學的重要組成部分。脈沖寬度調制（PWM）相對脈沖頻率調制（PFM）而言，可以簡化控制補償網絡的設計，降低功率變壓器和輸出濾波器的體積，已成為逆變電源控制技術的主流。帶變壓器的中大功率全橋DC/DC變換器的PWM控制技術可以分成四類，即電壓型同步式、電流型同步式、電壓型移相式和電流型移相式。電壓型控制僅采用單電壓環進行校正，容易實現，常用在性能要求不高的場合。電流型控制也稱為雙閉環控制，含有電壓外環和電流內環兩個控制環路，可使開關管的瞬態電流峰值跟隨誤差信號的變化，從而保證全橋變換器保持動態磁平衡，是比較理想的新型控制方法。同步式控制保持橋臂兩條對角線上的功率開關器件分別同步開通和截止，在硬開關場合應用。移相控制時，固定橋臂（領先橋臂）開關驅動信號的上升和下降時刻保持恒定不變，調節移動橋臂（滯后臂）開關驅動信號的上升和下降時刻，同一橋臂的上下兩只開關管的換相時間恒定，這一特點保證了實現軟開關諧振的時間條件，因此，在ZVS和ZVZCS全橋變換器中全都采用的是移相PWM控制技術[52]。
在早期的控制電路研究中，多以分離元件構成，完成程序控制和PWM調節，但它們的抗干擾性能和控制的靈活性遠遠不能滿足要求[53]。集成模塊式控制國內的研究主要是用集成電路控制逆變輸出及焊接過程，由數字集成電路構成焊接過程控制和PWM控制電路，實現全數字化逆變電阻焊控制。隨著專用PWM集成模塊的出現，使得PWM的控制更穩定、更可靠。目前商品化的專用模塊(如：TL494、SG3524、TDA4718、UC2875、UC3846、UC3875、UC3879等)，除具有PWM控制功能外，還有過流、過壓、欠壓保護和軟啟動等功能。而UC3879等芯片除具有上述功能外，還有電流PWM的功能，用它來實現點焊逆變電源的電流型控制，可以彌補電壓型控制的不足。這些專用集成模塊的出現和應用，使得逆變點焊電源的控制穩定性和可靠性得到提高，逆變器的保護措施更完善。（廣州藍能電子點焊機，最先進的中頻逆變點焊機廠家）
3.2.2 計算機控制
計算機控制技術在點焊控制方面已表現出明顯的優勢，將計算機的高速運算特點與逆變點焊高的動態特性的優點有機結合，不僅可以實現電流的精確計算，而且可以實現輸出電流的緩升、緩降和波形調整，從而滿足不同材料、不同厚度零件的點焊工藝要求。目前，微機在逆變點焊控制中的研究可以分成兩個層次：一是部分控制，只利用微機進行焊接程序、恒流、保護和焊接電流顯示等方面的控制，充分發揮微機控制的靈活性，擴大焊機的應用范圍，但PWM調制仍采用集成芯片，這使得電流控制的靈活性和電流波形變換受到限制。二是全控系統，采用微機實現主電路逆變過程和焊接時序等全部控制要求，通過軟件編程產生兩組相差180°的PWM控制信號，用以控制焊接電流，同時實現了逆變點焊焊接電流遞增、衰減控制，并能獲得多種焊接波形，且易于擴展，這樣充分發揮了微機控制的廣泛性，擴大了點焊機的應用范圍[54,55]。
與工頻阻焊相同，逆變點焊的質量控制研究和成功應用也主要集中在恒流控制方面。恒流控制技術在焊接過程中保證焊接電流峰值或有效值在一定的控制精度內變化，從而保持焊接區熱輸入量基本不變，確保焊點的質量。以恒流控制為基礎，利用計算機實現恒功率控制，通過對次級電流和次級電壓進行監控，調整焊接時間和焊接電流保證每一個焊接熔核的輸入功率相等，它可以有效補償焊接分流、焊接裝配不良、焊接母材成分變化等非機器擾動因素。超聲波控制技術在德國Rexroth Bosch公司多功能中頻焊接控制器中也得到了應用，該技術通過超聲波發射和接收裝置對焊接時熔核成長的狀況檢測來自動調整焊接電流，它是完全對焊接熔核大小的監控，超越了焊接電參數調整的研究，是真正的焊接熔核閉環控制。超聲波監控精度高，但設備復雜、價格昂貴，探頭易損。
3.2.3 智能控制
近年來，以模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control—FLC）、人工神經網絡（Artificial Neural Network—ANN）、專家系統（Expert System—ES）為標志的人工智能技術的應用研究方興未艾。智能控制技術在解決高度非線性和嚴重不確定性系統的控制方面顯示出巨大的潛力，為許多難以建立精確數學模型的控制對象帶來了新的希望。電阻點焊過程是一個高度非線性、有多變量耦合作用和大量隨機不確定因素的過程，其焊點核心的形成過程極短且處于封閉狀態，無法觀測，特征信號提取比較困難，因此，點焊質量的監控難度較大。原有的點焊質量控制方法大多數都是基于一定的假設條件下建立數學模型的控制，難以達到滿意的適應效果，這是基于數學模型控制方法本身的局限性所決定的。人工智能技術可在不作任何假設條件的情況下完成對過程的建模和控制，且具有自學習功能。因此，開展點焊質量控制和檢測的智能技術研究異�；钴S[56]。華南理工大學應用模糊理論研究了逆變點焊的恒流控制[57]。（廣州藍能電子點焊機，最先進的中頻逆變點焊機廠家）
但是，在神經網絡及模糊理論的研究逐漸深入的情況下，它們各自的缺點也顯現出來。神經網絡雖有學習、自適應、自組織、容錯和修正等能力的優點，但很難實現邏輯思維，無法把形象思維轉化為語言表達；模糊理論雖以模糊邏輯為基礎，能實現人類思維的模糊性，但無學習能力。目前，單純使用神經網絡控制技術的研究有停滯不前的趨勢[58]。究其原因，除了神經網絡本身的問題（如泛化能力不能夠達到控制系統魯棒性的要求）之外，最主要的原因就是神經網絡的黑箱式的知識表達方式使其不能夠利用先驗知識進行學習。同時，模糊邏輯的應用也遇到了模糊規則難于確定的問題[59,60]。因此，把具有學習能力和容錯能力的神經網絡技術，與具有形象思維和邏輯推理的模糊理論結合起來的模糊神經網絡技術應運而生。模糊神經網絡結合了模糊邏輯與神經網絡的優點，避免了二者的缺點，既可以具有模糊邏輯的不確定信息處理能力，又可以有神經網絡的自學習能力，因此在控制領域有很廣泛的應用前景。在逆變點焊領域，西北工業大學已開展了這一新的探索性研究方向，以期提高逆變點焊機的控制性能和自適應能力[61]。（廣州藍能電子點焊機，最先進的中頻逆變點焊機廠家）
4結論
逆變點焊電源有許多突出的優點，是點焊電源重要的發展方向。我國的逆變點焊電源受可靠性和控制性能等問題的困擾，目前與國外存在較大的差距。深入開展逆變點焊電源軟開關和智能控制技術的研究，是有效的解決途徑。
注：現我司“精源牌逆變直流焊接電源”穩定性有顯著提高，已在眾多行業得到了客戶的首選，可代替日本米亞基等品牌。在標準自動化焊接設備比較成熟的電光源、電容器、智能卡、微型電機、電感等行業，已經得到了自動化設備企業高度認可，首選配套電源。（廣州藍能電子點焊機，最先進的中頻逆變點焊機廠家）