逆變弧焊電源的發展現狀與發展趨勢研究

楊文忠

摘 要：本文通過對逆變弧焊電源近年來在國內外的發展現狀進行探究，總結逆變弧焊電源顯著優點，并對逆變弧焊電源的發展前景進行展望，即在電路設計、開關選擇和微機控制技術方面的改進將是弧焊電源的發展突破口，具有一定的研究價值。

關鍵詞：逆變弧焊電源;發展現狀;發展趨勢

中圖分類號：TG434.1文獻標識碼：A文章編號：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

普通的弧焊電源需要單相或三相工頻變壓器，其作用是降低電壓和實現安全隔離。逆變弧焊電源的工作原理是電流通過整流橋之后將工頻交流電通過逆變器轉變成幾百至幾萬赫茲的中頻交流電，通過變頻器實現降壓過程，進入輸出回路。目前，新型材料不斷出現，制造技術也不斷革新，因此，焊接技術的革新也必須跟上時代的腳步。弧焊逆變器可以實現弧焊電源的動態特性和良好的工藝性能，提高焊接過程的準確性、高效性和安全性，適用于各種不同的焊接方法，在焊接成型的過程中具有良好的焊接效果。

1 逆變弧焊電源的發展過程及特點

逆變器技術本身并不是一項新技術。19世紀初，國外學者就觀察到了電弧放電的現象。電弧在工業生產中的應用首先開始于金屬電極電弧焊的發明，特別是在1930年前后，科學家發明了涂層電極，此后，金屬電極電弧焊進入了新的時代。首先，在應用領域中出現了交流弧焊變壓器。后來，弧焊電源發展十分迅速，各種類型的弧焊整流器不斷被引進和改進，許多脈沖弧焊電源也相繼被引進。直到1978年才有少數公司推出將逆變器應用于弧焊電源的方法。逆變弧焊電源在技術和經濟性能上具有一系列的優勢，雖然起步較晚，但發展迅速。1981年，參加第十屆埃森國際焊接展的廠家屈指可數，都是手工電弧焊電源。但在1985年的第11屆埃森國際焊接展上展出的逆變弧焊電源的數量及各種規格都令人印象深刻。近年來，逆變弧焊電源技術取得了長足的進步。

首先，逆變弧焊電源的控制技術逐漸趨于全面發展，控制更加精準[1]。隨著電子技術的發展，控制技術也隨之提升，更為精密的控制技術應運而生。在這樣的情況下，弧焊電源的優勢使得焊接技術也有了很大的發展，一般的弧焊電源都具有控制電流的設施，這可以提高焊接質量。有些產品還可以是低頻脈沖或中頻脈沖輸出。低頻脈沖電弧焊的優點是眾所周知的，具有高效率、可控范圍寬的優點。日立公司新開發的中頻脈沖弧焊技術正在申請專利。這種弧焊電源能使低電流的電弧指向性達到良好的效果，并且能大大提高弧焊電源在薄板焊接中的技術性能。在電流較大的情況下，電弧濃度較好，可以得到薄而均勻的角焊縫，熔池流動性好，不會引起焊縫收縮，適合高速焊接。

其次，逆變電源向著舒適安全的方向發展。為了使操作人員舒適，移動方便，各工廠努力實現逆變弧焊電源的輕、小型化。目前，最小的逆變電弧焊電源是西德聯合變頻器公司的逆變電源130，重量只有6.5kg，這個公司的逆變電源180也只有15kg。對于30kg以上的逆變電源，搬運比較辛苦，因此，需要為其配搬運車。為了準確讀取焊接電流，在每個電源面板上都安裝了直流電流計，有的設備還配備了數字電流計。為提高無設備逆變弧焊機的安全性，各種逆變弧焊機都具有較為全面的保護線路。例如，Carryweld350等具有過載和過電壓保護，在溫升過高時，可以保護部分線路。其主要通過指示燈檢測、停止輸出并報警。對于單相連接錯誤，可聯鎖，使機器不能啟動。

采用超高頻逆變器，大大提高了逆變器的性能。在過去，可控硅通常用作逆變器。可控硅具有輸出電流大、成本低的優點，但控制特性差、工作頻率低。近年來，晶體管技術迅速發展，且成本不斷降低。日本等國為了實現高工作頻率和高控制特性，開始使用晶體管作為逆變器。當環境條件有所變化時，這種逆變電源會及時響應，從而產生穩定的焊接電流。超高頻率還有利于電弧點火、無電弧沖擊，可安全用于薄板焊接，電弧柔軟，可保證焊縫的整齊完好。

最后，當前的逆變弧焊電源具有采用微機控制的特點，在電弧點火時，微機控制可使熱輸入自動適應所選焊絲的直徑，并選擇最佳的保護氣體流量，避免在焊接過程中發生電弧爆裂、焊絲失效等情況。微機控制也可以實現所謂的“電子反應器”功能，大大減少二氧化碳焊接時的飛濺，且金屬顆粒微小，焊縫美觀，能取代高成本的MAG焊接。微機控制焊機可以記憶50種焊接規范，能熟練地對各種工件進行焊接，即使是第一次操作，也可以復制相應的規格參數，因此可以確保焊接質量。

2 逆變弧焊電源的國內發展現狀

隨著科學技術的發展，弧焊逆變電源逐漸實現了商業化，成為高新技術的標志之一，成為行業內部廣泛認可的最有發展空間的焊接設備。許多國家紛紛競爭弧焊逆變電源市場。根據相關資料可知，在美國，15%的整流器焊機都采用了逆變焊機。我國逆變焊機的發展起步較晚，有大約一半的國內市場被外國占領。因此，開發我國高性能的弧焊逆變器是迫在眉睫之事[2]。

1982年，華南理工大學首次成功研制出一種新型的弧焊逆變器。1983年，成都電焊機研究所成功研制出晶閘管弧焊逆變器。之后，許多國內高校一直致力于電弧焊逆變器的開發，并取得了一些研究成果。由晶體管、場效應管和GIBT組成的電弧焊逆變器已被廣泛應用于各種焊接領域。20世紀80年代初，國內一些廠家已經能生產晶閘管逆變弧焊電源。1992年，逆變弧焊機生產工廠已經有許多，數目增長態勢十分明顯，而且還在不斷增加。目前，晶閘管逆變電源技術相對成熟，可靠性高，批量大（每年約4 000臺）。此外，場效應管和IGBT逆變電源在批量生產和可靠性方面日益成熟。

3 逆變弧焊電源的國外發展現狀

隨著電力電子技術的飛速發展，以功率場效應晶體管和IGBT為代表的自動控制電源得到了較大發展。1982年，瑞典公司開發了晶閘管弧焊逆變器，日本變壓器公司首先生產出逆變弧焊電源。1993年在德國埃森焊接展上，芬蘭的Kemppi公司首次發布了在國際焊接領域進行數字化設計的焊接系統。隨后，大量的焊機廠家開始跟進，對數字逆變電源進行重點研發。1998年，奧地利弗魯紐斯公司采用計算機控制和逆變技術，成功研制出數字型焊機。隨后，全數字技術的弧焊逆變TPS系列成為行業中最重要的一部分[3]。

4 逆變弧焊電源發展趨勢

弧焊電源自發明以來，經過了許多重大創新。每一次技術革命都與時代的技術水平密切相關。隨著工業領域的分工越來越精細，要求焊接設備要有更強的專業性，進一步提高和穩定逆變弧焊電源的性能、工作效率和減輕逆變弧焊電源的重量都是需要研究的重點。目前，我國弧焊電源和弧焊機的制造和研究現狀還不能滿足國民經濟的需要，產品的品種、數量、質量、性能和自動化水平遠遠不能滿足各部門的需求。為了滿足我國社會主義現代化建設的需要，相關技術人員有必要充分利用相關技術和電子元器件，不斷完善和提高產品的質量、可靠性和穩定性，從而實現逆變弧焊電源性能的提升。在焊機設計方面，要進一步實現產品的簡潔設計，形成統一的行業標準，研制出一種特殊的集成焊機，以滿足特定行業的焊接需求;進一步提高開關設備的頻率，采用高規格的元件材料，改善焊機結構，降低功耗，提高焊機整體穩定性;采用數字信號處理器等進行數字化處理，減少電磁干擾，提高控制精度。與此同時，綠色弧焊電源也是發展的一個重要方向，有利于經濟發展與環境保護的協同進行。

第一，逆變弧焊電源將向自動化和智能化方向發展，微機技術將在逆變弧焊電源的發展中發揮更大的作用，如調節送絲速度，發揮人機預置、存儲、故障分析等功能，協調整個系統的動作，實現自動化。如果結合高性能處理器，如采用模糊控制芯片和模糊傳感器硬件來控制弧焊逆變電源，會使逆變弧焊電源的外部特性調整非常方便，同時也會獲得良好的動態特性，大大降低手工焊接對焊工熟練程度的要求。振顫是逆結構系統中的一個常見問題，振顫會使系統的過渡時間超過正常范圍，從而導致系統不穩定、靜態指標較低等問題的出現，加入模糊控制可以較好地改善常規變結構控制器在控制過程中解決不了的抖動現象，且模糊變結構算法操作實現的過程比較簡單，容易實現[4]。此外，逆變弧焊電源的一般控制電路是基于集成電路的模擬控制技術。采用控制算法控制逆變弧焊電源可以消除傳統電子電路的缺點，且硬件電路簡單，軟件設計靈活。隨著單片機的發展及其相關技術不斷革新，在單片機上實現在線編程和升級已經成為可能，這樣極易修改原程序和更新電源程序，以滿足不同焊接工藝的要求，提高焊接的靈活性和適應性。微機控制技術以其高可靠性、高性價比將深入焊接控制的各個領域。隨著微電腦技術、DSP芯片技術等數字信號處理技術的進一步發展，弧焊電源將向數字化方向發展，焊機的性能和適應性將進一步提高。單片機控制的弧焊逆變電源正逐漸成為面向廣大用戶的產品。基于微機技術的數字焊接電源將成為今后弧焊逆變電源的主要研究對象。

第二，電路的拓撲結構更加多元化，逆變弧焊電源中的逆變器主電路根據變壓器的工作狀態和電源開關連接方式的不同而不同。但一般可分為兩類，即利用電感和電容諧振現象的諧振型和利用半導體開關切斷電流的非諧振型。諧振式的電路是一種高效、高性能的新型電路。但是，由于系統的高頻運行，其工作受到了一定限制。這對PWM變頻器電路在甚高頻工作的工作效果有很大的影響[5]。

第三，具有更多的外特性，能夠滿足不同的焊接需求。通過電子電路和電弧電壓電流反饋信號的配合，可以改變電力電子器件的開關頻率和開關時間隨著電流變化的規律。因此，弧焊逆變電源已經被應用于手工焊接氫AC/DC電弧焊接、切割、超聲波焊接、熔化極氣體保護焊、電阻焊、電源等領域。

第四，在逆變弧焊電源的設計過程中，也會加入軟開關技術的使用。對軟開關中零電壓、零電流開關（ZVZCS-PWM）的研究是弧焊逆變器的另一個發展趨勢，目的是降低開關器件的功率損耗。軟開關模式包括零電壓開關模式、零電流開關模式這兩種模式的組合。軟開關技術進一步提高了逆變焊機工作頻率，大大降低了開關設備的功率損耗，與硬開關電弧焊逆變器進行比較，明顯具有體積小、效率高、噪聲低、成本低的優勢[6]。

第五，智能控制算法的應用能進一步提升逆變弧焊電源的性能。現代控制理論較為成熟，特別是智能控制理論的發展，為逆變弧焊電源的智能化開辟了廣闊的前景。模糊控制、人工神經網絡和變結構控制理論在弧焊逆變電源中的應用將大大提高逆變弧焊電源的性能。

5 結語

近年來，我國市場競爭日益激烈。在激烈的市場競爭中，提高焊接的技術水平與效率，保證產品質量，是提升我國焊接產品市場競爭力的關鍵所在，因此，焊接設備的自動化和智能化越來越多地得到各個企業的廣泛關注。隨著現代高新技術互相滲透，高效率、人性化、智能化、數字化和機械化等成為逆變弧焊電源發展的主要趨勢。此外，運用新型的開關技術，改變電路設計，進行全方位創新，都有利于逆變弧焊電源的發展。

參考文獻：

[1]常云龍，張恒洋，孫偉強，等.基于逆變技術的200A弧焊電源變壓器的設計[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.智能控制逆變弧焊電源的研究與設計[D].天津：天津大學，2014.

[3]張光先，尹海，苗華偉，等.一種采用多重化整流技術的低諧波逆變弧焊電源[C]//2011中國電工技術學會學術年會論文集.2011.

[4]李強.半橋逆變弧焊電源系統建模和仿真技術研究[D].青島：青島大學，2007.

[5]李蘊澤.逆變弧焊電源嵌入式控制系統的建模與仿真[D].合肥：合肥工業大學，2007.

[6]劉金濤.模糊控制逆變弧焊電源的研究與設計[D].天津：天津大學，2005.