逆变弧焊电源的发展现状与发展趋势研究

杨文忠

摘 要：本文通过对逆变弧焊电源近年来在国内外的发展现状进行探究，总结逆变弧焊电源显著优点，并对逆变弧焊电源的发展前景进行展望，即在电路设计、开关选择和微机控制技术方面的改进将是弧焊电源的发展突破口，具有一定的研究价值。

关键词：逆变弧焊电源;发展现状;发展趋势

中图分类号：TG434.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）31-0129-03

Development Status and Development Trend of Inverter Arc

Welding Power Source

YANG Wenzhong

（Baotou Vocational & Technical College， Baotou Inner Mongolia 014035）

Abstract： In this paper， the development status of inverted arc welding power source at home and abroad in recent years was explored， the remarkable advantages of inverted arc welding power source were summarized， and the development prospect of inverted arc welding power source was prospected. That is to say， the improvement of circuit design， switch selection and computer control technology will be the breakthrough of arc welding power source， which has certain advantages. Research value.

Keywords： inverter arc welding power source;development status;development trend

普通的弧焊电源需要单相或三相工频变压器，其作用是降低电压和实现安全隔离。逆变弧焊电源的工作原理是电流通过整流桥之后将工频交流电通过逆变器转变成几百至几万赫兹的中频交流电，通过变频器实现降压过程，进入输出回路。目前，新型材料不断出现，制造技术也不断革新，因此，焊接技术的革新也必须跟上时代的脚步。弧焊逆变器可以实现弧焊电源的动态特性和良好的工艺性能，提高焊接过程的准确性、高效性和安全性，适用于各种不同的焊接方法，在焊接成型的过程中具有良好的焊接效果。

1 逆变弧焊电源的发展过程及特点

逆变器技术本身并不是一项新技术。19世纪初，国外学者就观察到了电弧放电的现象。电弧在工业生产中的应用首先开始于金属电极电弧焊的发明，特别是在1930年前后，科学家发明了涂层电极，此后，金属电极电弧焊进入了新的时代。首先，在应用领域中出现了交流弧焊变压器。后来，弧焊电源发展十分迅速，各种类型的弧焊整流器不断被引进和改进，许多脉冲弧焊电源也相继被引进。直到1978年才有少数公司推出将逆变器应用于弧焊电源的方法。逆变弧焊电源在技术和经济性能上具有一系列的优势，虽然起步较晚，但发展迅速。1981年，参加第十届埃森国际焊接展的厂家屈指可数，都是手工电弧焊电源。但在1985年的第11届埃森国际焊接展上展出的逆变弧焊电源的数量及各种规格都令人印象深刻。近年来，逆變弧焊电源技术取得了长足的进步。

首先，逆变弧焊电源的控制技术逐渐趋于全面发展，控制更加精准[1]。随着电子技术的发展，控制技术也随之提升，更为精密的控制技术应运而生。在这样的情况下，弧焊电源的优势使得焊接技术也有了很大的发展，一般的弧焊电源都具有控制电流的设施，这可以提高焊接质量。有些产品还可以是低频脉冲或中频脉冲输出。低频脉冲电弧焊的优点是众所周知的，具有高效率、可控范围宽的优点。日立公司新开发的中频脉冲弧焊技术正在申请专利。这种弧焊电源能使低电流的电弧指向性达到良好的效果，并且能大大提高弧焊电源在薄板焊接中的技术性能。在电流较大的情况下，电弧浓度较好，可以得到薄而均匀的角焊缝，熔池流动性好，不会引起焊缝收缩，适合高速焊接。

其次，逆变电源向着舒适安全的方向发展。为了使操作人员舒适，移动方便，各工厂努力实现逆变弧焊电源的轻、小型化。目前，最小的逆变电弧焊电源是西德联合变频器公司的逆变电源130，重量只有6.5kg，这个公司的逆变电源180也只有15kg。对于30kg以上的逆变电源，搬运比较辛苦，因此，需要为其配搬运车。为了准确读取焊接电流，在每个电源面板上都安装了直流电流计，有的设备还配备了数字电流计。为提高无设备逆变弧焊机的安全性，各种逆变弧焊机都具有较为全面的保护线路。例如，Carryweld350等具有过载和过电压保护，在温升过高时，可以保护部分线路。其主要通过指示灯检测、停止输出并报警。对于单相连接错误，可联锁，使机器不能启动。

采用超高频逆变器，大大提高了逆变器的性能。在过去，可控硅通常用作逆变器。可控硅具有输出电流大、成本低的优点，但控制特性差、工作频率低。近年来，晶体管技术迅速发展，且成本不断降低。日本等国为了实现高工作频率和高控制特性，开始使用晶体管作为逆变器。当环境条件有所变化时，这种逆变电源会及时响应，从而产生稳定的焊接电流。超高频率还有利于电弧点火、无电弧冲击，可安全用于薄板焊接，电弧柔软，可保证焊缝的整齐完好。

最后，当前的逆变弧焊电源具有采用微机控制的特点，在电弧点火时，微机控制可使热输入自动适应所选焊丝的直径，并选择最佳的保护气体流量，避免在焊接过程中发生电弧爆裂、焊丝失效等情况。微机控制也可以实现所谓的“电子反应器”功能，大大减少二氧化碳焊接时的飞溅，且金属颗粒微小，焊缝美观，能取代高成本的MAG焊接。微机控制焊机可以记忆50种焊接规范，能熟练地对各种工件进行焊接，即使是第一次操作，也可以复制相应的规格参数，因此可以确保焊接质量。

2 逆变弧焊电源的国内发展现状

随着科学技术的发展，弧焊逆变电源逐渐实现了商业化，成为高新技术的标志之一，成为行业内部广泛认可的最有发展空间的焊接设备。许多国家纷纷竞争弧焊逆变电源市场。根据相关资料可知，在美国，15%的整流器焊机都采用了逆变焊机。我国逆变焊机的发展起步较晚，有大约一半的国内市场被外国占领。因此，开发我国高性能的弧焊逆变器是迫在眉睫之事[2]。

1982年，华南理工大学首次成功研制出一种新型的弧焊逆变器。1983年，成都电焊机研究所成功研制出晶闸管弧焊逆变器。之后，许多国内高校一直致力于电弧焊逆变器的开发，并取得了一些研究成果。由晶体管、场效应管和GIBT组成的电弧焊逆变器已被广泛应用于各种焊接领域。20世纪80年代初，国内一些厂家已经能生产晶闸管逆变弧焊电源。1992年，逆变弧焊机生产工厂已经有许多，数目增长态势十分明显，而且还在不断增加。目前，晶闸管逆变电源技术相对成熟，可靠性高，批量大（每年约4 000台）。此外，场效应管和IGBT逆变电源在批量生产和可靠性方面日益成熟。

3 逆变弧焊电源的国外发展现状

随着电力电子技术的飞速发展，以功率场效应晶体管和IGBT为代表的自动控制电源得到了较大发展。1982年，瑞典公司开发了晶闸管弧焊逆变器，日本变压器公司首先生产出逆变弧焊电源。1993年在德国埃森焊接展上，芬兰的Kemppi公司首次发布了在国际焊接领域进行数字化设计的焊接系统。随后，大量的焊机厂家开始跟进，对数字逆变电源进行重点研发。1998年，奥地利弗鲁纽斯公司采用计算机控制和逆变技术，成功研制出数字型焊机。随后，全数字技术的弧焊逆变TPS系列成为行业中最重要的一部分[3]。

4 逆变弧焊电源发展趋势

弧焊电源自发明以来，经过了许多重大创新。每一次技术革命都与时代的技术水平密切相关。随着工业领域的分工越来越精细，要求焊接设备要有更强的专业性，进一步提高和稳定逆变弧焊电源的性能、工作效率和减轻逆变弧焊电源的重量都是需要研究的重点。目前，我国弧焊电源和弧焊机的制造和研究现状还不能满足国民经济的需要，产品的品种、数量、质量、性能和自动化水平远远不能满足各部门的需求。为了满足我国社会主义现代化建设的需要，相关技术人员有必要充分利用相关技术和电子元器件，不断完善和提高产品的质量、可靠性和稳定性，从而实现逆变弧焊电源性能的提升。在焊机设计方面，要进一步实现产品的简洁设计，形成统一的行业标准，研制出一种特殊的集成焊机，以满足特定行业的焊接需求;进一步提高开关设备的频率，采用高规格的元件材料，改善焊机结构，降低功耗，提高焊机整体稳定性;采用数字信号处理器等进行数字化处理，减少电磁干扰，提高控制精度。与此同时，绿色弧焊电源也是发展的一个重要方向，有利于经济发展与环境保护的协同进行。

第一，逆变弧焊电源将向自动化和智能化方向发展，微机技术将在逆变弧焊电源的发展中发挥更大的作用，如调节送丝速度，发挥人机预置、存储、故障分析等功能，协调整个系统的动作，实现自动化。如果结合高性能处理器，如采用模糊控制芯片和模糊传感器硬件来控制弧焊逆变电源，会使逆变弧焊电源的外部特性调整非常方便，同时也会获得良好的动态特性，大大降低手工焊接对焊工熟练程度的要求。振颤是逆结构系统中的一个常见问题，振颤会使系统的过渡时间超过正常范围，从而导致系统不稳定、静态指标较低等问题的出现，加入模糊控制可以较好地改善常规变结构控制器在控制过程中解决不了的抖动现象，且模糊变结构算法操作实现的过程比较简单，容易实现[4]。此外，逆变弧焊电源的一般控制电路是基于集成电路的模拟控制技术。采用控制算法控制逆变弧焊电源可以消除传统电子电路的缺点，且硬件电路简单，软件设计灵活。随着单片机的发展及其相关技术不断革新，在单片机上实现在线编程和升级已经成为可能，这样极易修改原程序和更新电源程序，以满足不同焊接工艺的要求，提高焊接的灵活性和适应性。微机控制技术以其高可靠性、高性价比将深入焊接控制的各个领域。随着微电脑技术、DSP芯片技术等数字信号处理技术的进一步发展，弧焊电源将向数字化方向发展，焊机的性能和适应性将进一步提高。单片机控制的弧焊逆变电源正逐渐成为面向广大用户的产品。基于微机技术的数字焊接电源将成为今后弧焊逆变电源的主要研究对象。

第二，电路的拓扑结构更加多元化，逆变弧焊电源中的逆变器主电路根据变压器的工作状态和电源开关连接方式的不同而不同。但一般可分为两类，即利用电感和电容谐振现象的谐振型和利用半导体开关切断电流的非谐振型。谐振式的电路是一种高效、高性能的新型电路。但是，由于系统的高频运行，其工作受到了一定限制。这对PWM变频器电路在甚高频工作的工作效果有很大的影响[5]。

第三，具有更多的外特性，能够满足不同的焊接需求。通过电子电路和电弧电压电流反馈信号的配合，可以改变电力电子器件的开关频率和开关时间随着电流变化的规律。因此，弧焊逆变电源已经被应用于手工焊接氢AC/DC电弧焊接、切割、超声波焊接、熔化极气体保护焊、电阻焊、电源等领域。

第四，在逆变弧焊电源的设计过程中，也会加入软开关技术的使用。对软开关中零电压、零电流开关（ZVZCS-PWM）的研究是弧焊逆变器的另一个发展趋势，目的是降低开关器件的功率损耗。软开关模式包括零电压开关模式、零电流开关模式这两种模式的组合。软开关技术进一步提高了逆变焊机工作频率，大大降低了开关设备的功率损耗，与硬开关电弧焊逆变器进行比较，明显具有体积小、效率高、噪声低、成本低的优势[6]。

第五，智能控制算法的应用能进一步提升逆变弧焊电源的性能。现代控制理论较为成熟，特别是智能控制理论的发展，为逆变弧焊电源的智能化开辟了广阔的前景。模糊控制、人工神经网络和变结构控制理论在弧焊逆变电源中的应用将大大提高逆变弧焊电源的性能。

5 结语

近年来，我国市场竞争日益激烈。在激烈的市场竞争中，提高焊接的技术水平与效率，保证产品質量，是提升我国焊接产品市场竞争力的关键所在，因此，焊接设备的自动化和智能化越来越多地得到各个企业的广泛关注。随着现代高新技术互相渗透，高效率、人性化、智能化、数字化和机械化等成为逆变弧焊电源发展的主要趋势。此外，运用新型的开关技术，改变电路设计，进行全方位创新，都有利于逆变弧焊电源的发展。

参考文献：

[1]常云龙，张恒洋，孙伟强，等.基于逆变技术的200A弧焊电源变压器的设计[J/OL].（2018-04-19）[2018-09-01].http：//kns.cnki.net/KCMS/detail/21.1189.t.20180418.1024.004.html？uid=WEEvREdxOWJmbC9oM1NjYkZCbDZZZ21kRzdtSnpBWkpnblBtb1ZuL1pQYXU=$R1yZ0H6jyaa0en3RxVUd8df-oHi7XMMDo7mtKT6mSmEvTuk11l2gFA！！&v=MjQxOTAwPU5qVE1kN0c0SDluTXE0NU5aT3NOWXc5TXptUm42ajU3VDNmbHFXTTBDTEw3UjdxZWIrZHVGQ25sVjdySkpW.

[2]宋家泰.智能控制逆变弧焊电源的研究与设计[D].天津：天津大学，2014.

[3]张光先，尹海，苗华伟，等.一种采用多重化整流技术的低谐波逆变弧焊电源[C]//2011中国电工技术学会学术年会论文集.2011.

[4]李强.半桥逆变弧焊电源系统建模和仿真技术研究[D].青岛：青岛大学，2007.

[5]李蕴泽.逆变弧焊电源嵌入式控制系统的建模与仿真[D].合肥：合肥工业大学，2007.

[6]刘金涛.模糊控制逆变弧焊电源的研究与设计[D].天津：天津大学，2005.