点焊逆变电源的现状与发展 (2007年发表)
点焊逆变电源的现状与发展 (2007年发表)
张 勇 马铁军 杨思乾 刘金合
（西北工业大学 材料学院 陕西西安 710072）
摘 要：采用逆变技术的点焊电源是目前发展的重要方向。本文综述了点焊逆变电源的技术优势和国内外点焊逆变电源的发展现状，指出了我国点焊逆变电源存在的主要问题，详细介绍了提高我国点焊逆变电源可靠性和控制性能的软开关及智能控制技术。（广州蓝能电子点焊机，最先进的中频逆变点焊机厂家）
关键词：点焊；逆变；软开关；智能控制
焊接电源作为焊接生产的能源供给装置，其性能直接影响到焊接质量，因此对焊接电源的研究长期以来受到人们的高度重视。逆变技术在焊接电源中的应用为焊接电源的发展带来了革命性的变化。随着科技的迅猛发展，为适应新材料、新工艺不断提出的应用要求，点焊电源也在不断的发展与完善之中，经历了从单相到三相，从不整流到整流的演变。采用逆变技术的次级整流点焊电源是目前发展的重要方向[1]。
1点焊逆变电源的技术优势
传统的点焊电源重量大、耗料多、效率低、动态响应速度较慢。相对于传统的点焊电源，逆变点焊电源显示出了很多优点。首先，焊接变压器小型轻量化。因此，可将焊钳和变压器连同二次整流器一体化，用于点焊机器人。这种点焊机器人所需驱动的功率和装配重量都比较小，从而使其焊接工作循环周期缩短，装置寿命延长。应用这种逆变点焊机器人焊接复杂的板金装配工件时，因无二次电缆，故一个机器人可以分别使用2~3把焊钳，提高了投资效率，工位面积也缩小了[2]。其次，逆变点焊电源可进行高速精密控制。传统的交流点焊机，输入电源频率为50～60HZ，限制了响应速度，控制分解能力也低。而逆变点焊机，由于逆变频率是工频的数倍至几十倍，故整个反馈控制系统的响应速度和控制分解能力较工频点焊机优越得多，从而有利于焊接质量的控制。此外，逆变点焊电源功率因数高，节能经济性好[3,4]。
在焊接工艺方面，逆变点焊更具有形成稳定熔核的电流范围扩大、电极寿命长、电磁影响小、无交流“集肤”作用以及可以广泛点焊异种金属等优势[5,6]。（广州蓝能电子点焊机，最先进的中频逆变点焊机厂家）
2逆变点焊电源发展现状及存在的主要问题
2.1 逆变点焊电源的发展现状
逆变点焊电源所具有的上述突出优点，从其诞生之日起就一直是焊接设备领域研究的热点，国内外的企业、高校和研究所投入极大的热情和精力进行研究、开发，并取得了许多令人瞩目的成果。（广州蓝能电子点焊机，最先进的中频逆变点焊机厂家）
自从上世纪80年代中期，美、日两国分别推出第一台逆变式点焊样机以来，逆变点焊电源已有了长足的发展，其应用主要集中在汽车、家电、电子等行业的中小功率焊机及点焊钳上。国外主要汽车制造公司均已建立起以逆变点焊机器人为主的汽车车身焊装线，而小功率的逆变点焊机在电子行业中更是成为不可或缺的关键设备[7]。
目前，在逆变电阻点焊机领域，日本、德国和美国处于领先地位，各自均有多家公司推出了多种实用机型，并且在某些领域部分地取代了传统的单相点焊机和悬挂式交流点焊机[8,9,10,11]。日本AVIONICS株式会社生产的NRW-IN8000A型逆变点焊机，逆变频率2000Hz，配备标准RS-232接口，可记忆保存15种焊接条件，具有0.4～8000A恒电流调节范围以及恒电压和恒功率（电压×电流）控制方式，该公司的NRW-IN4000A型逆变点焊机通过使用焊接变压器切换器可使一台焊机最大对应8台焊接变压器。日本米亚基公司生产的系列逆变点焊机，具有多种控制方式，功率和电流自动触发2种监测内容可选，时间可以ms和 CYC（周波）为单位设定，逆变频率可选择 600Hz、800Hz和1000Hz，可存储7~15种焊接规范。日本木村制作所开发了TD1-1200T型逆变控制器等产品，并将其用于悬挂式点焊机和固定式焊机；日本宫地美国分公司生产的精密逆变点焊机电源和配套的焊接变压器，采用恒功率控制，保证焊接质量，通过1个名为WELDCARD的RAM系统与PC机相连，分析处理焊接程序和数据，采用MA-600A的4个焊接变压器；韩国的TAESUNG电子公司生产的精密逆变点焊机系列产品TST-105、TST-300和TST-5000，采用IGBT全桥逆变式主电路，恒流控制，4行LCD显示，键盘输入，可调节电流的上升、下降斜率，其中TST－105逆变频率为4000HZ，最大输出电流1500A；TST-300逆变频率为2000Hz，最大输出电流3000A；TST5000逆变频率1000Hz，最大输出电流5000A[12,13,14,15,16]。（广州蓝能电子点焊机，最先进的中频逆变点焊机厂家）
在欧洲，也正在致力于逆变一体式机器人点焊钳的推广应用，以号称世界最大的中频电阻焊接系统制造商——德国Rexroth Bosch公司为代表的阻焊中频逆变电源及控制技术，其典型产品为多功能中频焊接控制器PSI63S，这款中频控制器已经不是传统意义的中频控制器，而是集成了普通中频控制器PSI6300，焊接监测控制器PSQ6000（IQR恒功率控制技术和UQR超声波控制技术）和伺服运动控制器（气动元件或电子马达）的全能控制器，它可以对焊接电流、焊接时间、焊接功率、焊接熔核大小、焊接的位置、焊接的位移、焊接的压力等进行全闭环控制，这是世界上首套可以对全部焊接参数进行控制的焊接控制器，是电阻焊接控制系统的发展方向之一[17]。
近年来，逆变点焊机的功率也在逐步的提高，其发展与电力电子技术和器件的发展密切相关。米亚基公司的IS-120B型逆变点焊机最大焊接电流达到20000A。而美国的WTC焊接技术公司和RoMan变压器制造公司已使额定容量170KVA的中频逆变电阻焊机实现了产品化。德国NIMAK公司生产的X和C型中频逆变直流悬挂点焊机，额定功率已经达到250KVA。逆变点焊机功率的提高有利于扩大其应用范围[18,19,20]。
在国内，开展逆变点焊研究工作较早的单位有上海交通大学、华南理工大学、吉林大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、上海工程技术大学、天津707所和成都电焊机研究所等等。现已见报道的有上海交通大学研制的GTR阻焊逆变电源；华南理工大学开发研制的作为国家“七五”攻关项目的“DN6-26”型机器人用CMOS逆变式点焊机；吉林大学研制的IGBT逆变式点焊机；成都电焊机研究所研制的悬挂式逆变次级整流点焊钳；哈尔滨工业大学研制的用IGBT作为开关器件的新型零电压软开关逆变点焊机，等等[21,22,23,24,25,26]。（广州蓝能电子点焊机，最先进的中频逆变点焊机厂家）
尽管我国开展逆变点焊电源的研究工作起步不算太晚，但大多还停留在样机阶段，产业化进程缓慢，拥有自主知识产权并实现批量化产品制造的企业更是不多。由华南理工大学曹彪教授等创办的广州市精源电子设备有限公司(广州市蓝能电子科技有限公司为精源电子销售公司)，经过多年的潜心研究，自主开发成功可量产的JY系列逆变直流电阻焊电源。该电源采用IGBT逆变技术和单片微机控制技术，其中JYD-04额定容量12KVA，最大输出电流4000A，代表了目前我国逆变点焊电源产品的最高水平，并在珠江三角洲占领了部分市场[27]。在长江三角洲，南京新研科技有限公司也自主研发了逆变频率2000Hz、最大焊接电流2000 A的微机控制逆变点焊机；上海梅达、上海永志以及镇江精工、镇江清华等公司，分别与美、德、日等国公司合资，开始了逆变点焊电源的引进生产工作。上海梅达公司引进美国WTC焊接技术公司和RoMan变压器制造公司的先进技术，生产TDM-170等型中频逆变电阻焊机，配套的Medweld4000S型控制器可设定31套焊接程序，具有电网电压自动补偿，恒电流触发模式，连网等功能，可设定预热电流、焊接电流和焊后热处理电流，并可设置额定电网电压，以达到最佳电网电压补偿效果等。日本精工也在镇江全额投资新建了（日本）镇江精工焊接设备公司，主要生产小功率逆变点焊机。镇江清华焊接设备有限公司结合日本、韩国技术，生产采用定电流控制的系列中频逆变电阻焊机[28,29,30,31]。（广州蓝能电子点焊机，最先进的中频逆变点焊机厂家）
2.2存在的主要问题
综观国内外逆变点焊机的发展及现状，可以看出，国外逆变点焊机的研究较成熟，商品化程度也较高。国内目前基本上都处于研究探索阶段，仍有待于进一步的研究和开发。
造成国内外逆变点焊机存在较大差距的原因是多方面的。众所周知，功率开关器件是焊接逆变器的核心器件，对逆变电源的电路设计、性能有很大的影响。在国内进行逆变点焊机早期的研究工作中，由于国内功率开关器件的发展水平和受国际贸易的限制，使功率开关器件的性能得不到保障，这在客观上影响了点焊逆变电源研究工作。在逆变点焊电源研究经费的投入方面，国外主要是依托应用企业的大量投入，经费充足，而国内的多数单位则都是自筹资金研发，资金的缺乏常常导致研究工作的中断。此外，国内的应用基础研究与产品化研究相对脱节，加之我国大功率开关器件国产化很低，致使电源工作的可靠性及稳定性问题长期得不到根本解决，制约了产业化的实现[32]。
应该说上述的几点因素，只是存在的外在表面现象。从本质上看，由于点焊焊接热源属于内部热源，焊接所需电流小则几百安培，大则几千甚至达数万安培，这种低电压、大电流的特点使逆变点焊电源的研究在技术上面临着许多尖锐的问题[33,34]：
1）可靠性问题。导致逆变点焊机可靠性问题的主要因素有几点：
（1）目前，市场上的逆变点焊机其功率开关管基本为硬开关工作方式，功率开关管在开关工作过程中承受较高的电压应力、电流应力。功率回路存在寄生器件导致的寄生振荡，使得电压应力、电流应力进一步增高，随着功率的增大，这些消极作用益发明显；
（2）在大功率、高频逆变的情况下，功率器件的发热增加，降低了器件工作的安全裕度，增加了设计的难度；
（3）逆变焊机自身产生的电磁干扰，会对控制系统的稳定可靠性构成威胁。
2）谐波干扰。工作在硬开关方式的逆变电源，不仅使开关管在开关工作过程中承受较高的电压、电流应力，而且在开关工作过程中产生的谐波会回馈给电网，对电网造成污染。（广州蓝能电子点焊机，最先进的中频逆变点焊机厂家）
3）效率问题。在硬开关工作方式下的逆变电源，开关管在工作过程中存在较大的开关损耗，加上采用缓冲吸收电路的损耗，降低了电源的效率。
4）焊机的控制性能。点焊过程具有高度的非线性、时变性和不确定性，存在大量随机不确定因素，难以建立精确的数学模型。目前逆变点焊机几乎仍旧局限于传统的经典控制理论模式，缺乏自适应能力。
3点焊逆变电源的主要技术发展
逆变点焊电源的研究涉及焊接、电力电子、磁性材料、计算机、控制理论等相关学科，其发展更是与电力电子学科的逆变电源技术息息相关。近年来，功率开关器件的多样化发展为开发各种容量、特性的逆变电源提供了丰富的选择。磁性材料的发展为研究更高频率的逆变器提供了保证。功率开关器件和磁性材料的技术支撑，使得电源技术的关注重点从单纯的注重器件和电路单元的保护研究，逐渐转向更深层次的软开关技术、电磁兼容、智能控制及计算机仿真等技术的研究成为可能[35,36]。（广州蓝能电子点焊机，最先进的中频逆变点焊机厂家）
软开关技术的出现和智能控制技术的兴起，为解决逆变点焊机的诸多问题提供了新的思路。软开关技术可以降低功率开关器件的开关应力和损耗，降低电磁干扰，改善器件和控制系统的工作环境等等，是近10年来国际电力电子领域研究的热点[37,38]。而智能控制技术更是在许多领域包括焊接行业得到了充分的重视、研究和应用，如将其引入到逆变点焊机的控制系统中，必将极大的提高逆变点焊机的整体控制水平和性能[39,40]。
3.1软开关技术
在目前使用的绝大多数逆变式电阻焊机的逆变电路中，通常采用保持功率开关管的开关频率固定，而靠改变功率开关管接通时间长短（即脉冲的宽度）的方法，来调节焊机的输出能量，这种控制方法被称为脉宽调制法（PWM）[41]。在这种情况下，由于功率开关管按照外加的控制脉冲宽度来实现通断，而控制脉冲的发出又与功率开关管上流过的电流、两端所加的电压无关，因此称为“硬开关”[42]。
采用硬开关控制的逆变电路，由于在功率开关管上同时存在电流与电压的交叠，因而产生了很高的开关损耗。同时，电路的寄生电感和功率器件的寄生电容在高频工作时将产生严重的电压尖峰和浪涌电流，为消除其影响，通常在开关两侧设置缓冲电路。但是缓冲电路会消耗能量，逆变器工作频率越高，能量消耗越大，因而会使整个逆变器的整体效率变低[43]。（广州蓝能电子点焊机，最先进的中频逆变点焊机厂家）
鉴于硬开关逆变电源存在的问题，在20世纪80年代以后，人们开始了软开关逆变电源的研制工作。所谓软开关技术，实质是在主电路上增加储能元件电感和电容，利用谐振原理与合适的控制方法，使功率开关在其两端电压为零或使流过功率开关的电流为零时开通或关断。谐振参数中吸收了高频变压器的漏抗、电路中寄生电感和功率器件的寄生电容，可以消除高频产生的电压尖峰和浪涌电流，降低器件的开关应力，从而可大大地提高逆变焊接电源的可靠性，功率器件的开通、关断损耗理想值为零[44,45,46]。
移相PWM控制变换器由于具有电压过零（或电流过零）控制的软开关和恒频调宽的优点，近20年来，吸引了国内外学者的广泛关注。这种变换器将器件的换流过程和控制过程区别处理，使变换器在一个周期内的功率器件换流期间按零电流开关（ZCS，Zero-Current-Switching）或者零电压开关（ZVS，Zero-Voltage-Switching）准谐振变换器工作，其余时间按PWM变换器工作，前者称为ZCS-PWM变换器，后者称为ZVS-PWM变换器。在移相零电压开关全桥电路的基础上，发展了移相控制的全桥零电压零电流（ZVZCS）软开关，这种软开关的超前桥臂采用零电压开关，滞后臂换流时通过原边电流的复位实现零电流开关。
逆变点焊电源软开关技术的研究有其特殊性。由于电源输出电流大及工作频率为1000Hz左右的中频，因而利用阻断电容实现原边电流快速复位的ZVZCS软开关技术是不适用的，目前已见报道的文献均采用ZVS技术。王清等研制了基本移相零电压开关全桥点焊电源，得出了实现零电压开通的条件[47]。华南理工大学采用变压器初级串联饱和电感的方法，研究了移相零电压开关全桥点焊电源 [48]。西北工业大学和吉林大学根据点焊特点，采用辅助网络移相控制零电压开关全桥变换器，既保证了零电压开关，又最大限度地减小了副边占空比丢失[49,50]。此外，南昌航空工业学院也在开展软开关逆变点焊电源的研究工作[51]。
3.2控制技术
3.2.1 常规控制
逆变电源的控制技术是功率电子学的重要组成部分。脉冲宽度调制（PWM）相对脉冲频率调制（PFM）而言，可以简化控制补偿网络的设计，降低功率变压器和输出滤波器的体积，已成为逆变电源控制技术的主流。带变压器的中大功率全桥DC/DC变换器的PWM控制技术可以分成四类，即电压型同步式、电流型同步式、电压型移相式和电流型移相式。电压型控制仅采用单电压环进行校正，容易实现，常用在性能要求不高的场合。电流型控制也称为双闭环控制，含有电压外环和电流内环两个控制环路，可使开关管的瞬态电流峰值跟随误差信号的变化，从而保证全桥变换器保持动态磁平衡，是比较理想的新型控制方法。同步式控制保持桥臂两条对角线上的功率开关器件分别同步开通和截止，在硬开关场合应用。移相控制时，固定桥臂（领先桥臂）开关驱动信号的上升和下降时刻保持恒定不变，调节移动桥臂（滞后臂）开关驱动信号的上升和下降时刻，同一桥臂的上下两只开关管的换相时间恒定，这一特点保证了实现软开关谐振的时间条件，因此，在ZVS和ZVZCS全桥变换器中全都采用的是移相PWM控制技术[52]。
在早期的控制电路研究中，多以分离元件构成，完成程序控制和PWM调节，但它们的抗干扰性能和控制的灵活性远远不能满足要求[53]。集成模块式控制国内的研究主要是用集成电路控制逆变输出及焊接过程，由数字集成电路构成焊接过程控制和PWM控制电路，实现全数字化逆变电阻焊控制。随着专用PWM集成模块的出现，使得PWM的控制更稳定、更可靠。目前商品化的专用模块(如：TL494、SG3524、TDA4718、UC2875、UC3846、UC3875、UC3879等)，除具有PWM控制功能外，还有过流、过压、欠压保护和软启动等功能。而UC3879等芯片除具有上述功能外，还有电流PWM的功能，用它来实现点焊逆变电源的电流型控制，可以弥补电压型控制的不足。这些专用集成模块的出现和应用，使得逆变点焊电源的控制稳定性和可靠性得到提高，逆变器的保护措施更完善。（广州蓝能电子点焊机，最先进的中频逆变点焊机厂家）
3.2.2 计算机控制
计算机控制技术在点焊控制方面已表现出明显的优势，将计算机的高速运算特点与逆变点焊高的动态特性的优点有机结合，不仅可以实现电流的精确计算，而且可以实现输出电流的缓升、缓降和波形调整，从而满足不同材料、不同厚度零件的点焊工艺要求。目前，微机在逆变点焊控制中的研究可以分成两个层次：一是部分控制，只利用微机进行焊接程序、恒流、保护和焊接电流显示等方面的控制，充分发挥微机控制的灵活性，扩大焊机的应用范围，但PWM调制仍采用集成芯片，这使得电流控制的灵活性和电流波形变换受到限制。二是全控系统，采用微机实现主电路逆变过程和焊接时序等全部控制要求，通过软件编程产生两组相差180°的PWM控制信号，用以控制焊接电流，同时实现了逆变点焊焊接电流递增、衰减控制，并能获得多种焊接波形，且易于扩展，这样充分发挥了微机控制的广泛性，扩大了点焊机的应用范围[54,55]。
与工频阻焊相同，逆变点焊的质量控制研究和成功应用也主要集中在恒流控制方面。恒流控制技术在焊接过程中保证焊接电流峰值或有效值在一定的控制精度内变化，从而保持焊接区热输入量基本不变，确保焊点的质量。以恒流控制为基础，利用计算机实现恒功率控制，通过对次级电流和次级电压进行监控，调整焊接时间和焊接电流保证每一个焊接熔核的输入功率相等，它可以有效补偿焊接分流、焊接装配不良、焊接母材成分变化等非机器扰动因素。超声波控制技术在德国Rexroth Bosch公司多功能中频焊接控制器中也得到了应用，该技术通过超声波发射和接收装置对焊接时熔核成长的状况检测来自动调整焊接电流，它是完全对焊接熔核大小的监控，超越了焊接电参数调整的研究，是真正的焊接熔核闭环控制。超声波监控精度高，但设备复杂、价格昂贵，探头易损。
3.2.3 智能控制
近年来，以模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control—FLC）、人工神经网络（Artificial Neural Network—ANN）、专家系统（Expert System—ES）为标志的人工智能技术的应用研究方兴未艾。智能控制技术在解决高度非线性和严重不确定性系统的控制方面显示出巨大的潜力，为许多难以建立精确数学模型的控制对象带来了新的希望。电阻点焊过程是一个高度非线性、有多变量耦合作用和大量随机不确定因素的过程，其焊点核心的形成过程极短且处于封闭状态，无法观测，特征信号提取比较困难，因此，点焊质量的监控难度较大。原有的点焊质量控制方法大多数都是基于一定的假设条件下建立数学模型的控制，难以达到满意的适应效果，这是基于数学模型控制方法本身的局限性所决定的。人工智能技术可在不作任何假设条件的情况下完成对过程的建模和控制，且具有自学习功能。因此，开展点焊质量控制和检测的智能技术研究异常活跃[56]。华南理工大学应用模糊理论研究了逆变点焊的恒流控制[57]。（广州蓝能电子点焊机，最先进的中频逆变点焊机厂家）
但是，在神经网络及模糊理论的研究逐渐深入的情况下，它们各自的缺点也显现出来。神经网络虽有学习、自适应、自组织、容错和修正等能力的优点，但很难实现逻辑思维，无法把形象思维转化为语言表达；模糊理论虽以模糊逻辑为基础，能实现人类思维的模糊性，但无学习能力。目前，单纯使用神经网络控制技术的研究有停滞不前的趋势[58]。究其原因，除了神经网络本身的问题（如泛化能力不能够达到控制系统鲁棒性的要求）之外，最主要的原因就是神经网络的黑箱式的知识表达方式使其不能够利用先验知识进行学习。同时，模糊逻辑的应用也遇到了模糊规则难于确定的问题[59,60]。因此，把具有学习能力和容错能力的神经网络技术，与具有形象思维和逻辑推理的模糊理论结合起来的模糊神经网络技术应运而生。模糊神经网络结合了模糊逻辑与神经网络的优点，避免了二者的缺点，既可以具有模糊逻辑的不确定信息处理能力，又可以有神经网络的自学习能力，因此在控制领域有很广泛的应用前景。在逆变点焊领域，西北工业大学已开展了这一新的探索性研究方向，以期提高逆变点焊机的控制性能和自适应能力[61]。（广州蓝能电子点焊机，最先进的中频逆变点焊机厂家）
4结论
逆变点焊电源有许多突出的优点，是点焊电源重要的发展方向。我国的逆变点焊电源受可靠性和控制性能等问题的困扰，目前与国外存在较大的差距。深入开展逆变点焊电源软开关和智能控制技术的研究，是有效的解决途径。
注：现我司“精源牌逆变直流焊接电源”稳定性有显著提高，已在众多行业得到了客户的首选，可代替日本米亚基等品牌。在标准自动化焊接设备比较成熟的电光源、电容器、智能卡、微型电机、电感等行业，已经得到了自动化设备企业高度认可，首选配套电源。（广州蓝能电子点焊机，最先进的中频逆变点焊机厂家）
