新型磁心材料電抗器的脈沖焊接控制方法

陳 超，王 新

唐山松下產業機器有限公司，河北 唐山 063000

0 前言

智能電焊機的逆變電源總的發展趨勢是向著大容量、輕量化、高效率、模塊化、智能化發展，并以提高可靠性、性能及拓寬用途為核心，效率和高功率密度（小型化）是國際弧焊逆變器追求的主要目標之一，實現輕量化、小型化的最有效方式是提高逆變頻率。如果逆變頻率從40 kHz提高到100 kHz，電焊機電源的主變壓器體積和電抗器體積都可以減小一半。但是逆變頻率的升高也會帶來很多問題，如：焊機電源成本的升高，從40 kHz到100 kHz，單從逆變器角度成本會升高40%，而且隨著逆變頻率升高，焊機的加工工藝必須提高，需要增加更多抗干擾措施，所以提高逆變頻率實現焊接電源的輕量化、小型化往往不是最佳方案［6］。

隨著焊接電源性能的不斷提高改善，電抗器磁心所使用的材質也不斷變化。早期焊接電源電抗器鐵心大部分采用0.5 mm厚無取向硅鋼片，成本較低、應用范圍廣，但體積大、質量重。后期逆變電源發展較快，體積小、重量輕的電抗器被廣泛采用，首先是0.3 mm 無取向薄硅鋼片，后來是0.2 mm 有取向薄硅鋼片等封閉電抗器鐵心被一些小型化逆變焊接電源采用［1］。隨著對焊接性能要求的進一步提高和新型磁心材料的發展，高磁導率、低損耗的鐵氧體磁心、非晶、納米晶以及均勻分布氣隙的磁粉心等磁心被采用，它們具有體積小、重量輕、磁性能優越等優點。為了減小電抗器鐵心的尺寸，實現逆變電源的輕量化、小型化，且進一步提高電弧的跟隨性，提高電流、電壓的響應速度?，F有脈沖焊接控制算法是基于開環和閉環電抗器基礎上提出來的，均采用電流單閉環控制，若采用兩個電抗器，將無法解決電流跟隨差的問題，為此，在焊接電源中引入一種新型材料的電抗器磁心和脈沖控制算法是非常必要的。

1 電抗器的性能分析

電抗器的主要作用是濾波，保證焊接電流平穩，即：在小電流焊接時，電抗器起到維持電弧的作用，避免焊接過程中發生斷弧。電抗器還有儲能作用，即在脈沖的死區給負載提供能量，并且平滑濾波，抑制電流的峰值。此外，電抗器的性能指標影響電弧的跟隨性。電弧跟隨性好的電抗器容易引弧，而且焊接過程中電弧突然變長也不容易導致斷弧，飛濺也較少［5］。電弧跟隨性差的電抗器，引弧時，焊絲容易粘在工件上，焊絲干伸長稍大一些就不能引弧，焊接過程中電弧偶然變長或焊絲干伸長發生變化時，就容易斷弧，有時飛濺較嚴重［3，10］。

1.1 現有材料電抗器的性能分析及優缺點

現有40 kHz 的逆變電源一般采用一個閉環電抗器和一個開環電抗器進行串聯使用。閉環電抗器指磁心可以形成閉環回路的電抗器，可以是UU、UI、EI等磁心組合形成的閉環電抗器。開環電抗器指磁心沒有形成環路、單一開放磁心的電抗器。電感量計算公式為：

式中N為線圈匝數，S為磁心截面積，μ為磁心磁導率，lm為有效磁路長度。

如圖1、圖2 所示，從兩個電抗器的電感量和電流的關系可以看出。小電流（0～100 A）時，閉環電抗器起主要作用，其電感量較大，可以起到小電流維持電弧的作用。大電流（300～550 A）時，閉環電抗器飽和，基本沒有電感量，開環電抗器起主要作用，電流越大，其電感量越大，能保證電流的穩定性，不會出現微小震蕩。

圖1 閉環電抗器的電感量和電流的曲線Fig.1 Curve of inductance and current of closed loop reactor

圖2 開環電抗器的電感量和電流的曲線Fig.2 Curve of inductance and current of open loop reactor

脈沖焊接時，現有電抗器方案在電流的動態響應上也存在問題。采用開環、閉環電抗器串聯結構時的預置電流和實際電流的脈沖焊接波形如圖3所示，電流爬升過程中，實際電流的爬升速度遠遠滯后于預置電流的爬升速度，最大差值可達90 A，實際電流的下降速度也滯后于預置電流的下降速度。造成這種現象的主要原因是：脈沖電流從基值往峰值爬升的過程中，閉環電抗器起主要作用，小電流時電感量大，對電流的爬升抑制作用比較明顯，導致實際電流上升斜率遠低于預置電流。脈沖電流從峰值到基值下降過程同理，導致脈沖焊接電流波形的動態響應速度慢，進而影響電弧的跟隨性［9］。

圖3 開環、閉環電抗器串聯結構脈沖焊接波形Fig.3 Pulse welding waveform of open loop and closed loop reactor series structure

現有開環和閉環電抗器都采用了硅鋼片鐵心，質量和體積非常大，兩個電抗器的總質量為15 kg，而且兩個電抗器需要串聯安裝在焊機內部使用，還需要考慮電抗器和機殼的絕緣問題和電纜連接問題，占據的空間大，不符合今后焊機發展的輕量化、小型化的要求。

針對使用現有電抗器在焊接過程中存在的問題，需要找到一種新型材料的電抗器，既能實現焊機輕量化、小型化的要求，還可以提高脈沖電流的響應速度和電弧的跟隨性。

1.2 新型材料電抗器的性能分析

通過不斷的探索和研究找到了一種NS類鐵硅鋁磁粉心，該磁粉心由鐵硅鋁合金粉末與全無機絕緣劑組成，飽和磁通密度可以達到1 T以上，具有優異的直流疊加特性，卓越的儲能能力，損耗功率低等特點。而且該磁心采用環形結構，可以通過疊加環形磁心的個數或改變繞制圈數來滿足電感量的要求，磁心質量更輕、體積更小，滿足了輕量化、小型化的要求。

新型材料電抗器的電流和電感量曲線圖如圖4所示，新型材料電抗器電感量隨著電流的增加而減小。新型材料電抗器和原有閉環、開環電抗器串聯結構相比具有以下特點：①小電流（0～100 A）時，新型材料電抗器電感量要遠遠小于原有方式電抗器的電感量；②大電流時新型材料電抗器電感量也非常小［2］。通過對實測的動態電感量分析，新型材料電抗器在脈沖焊接過程中的脈沖電流動態響應比較好，電感量整體較小，對電流的抑制作用較小，但是可能會出現以下問題：①小電流時電感量較小，脈沖焊接時，基值電流維弧困難，可能會斷??；②大電流時電感量也小，峰值電流濾波效果不好。

圖4 新材料電抗器電流和電感量的曲線Fig.4 Curve of current and inductance of new material reactor

將新型材料的電抗器裝入整個焊接電源系統中，進行實際焊接測試，焊接過程中實際電壓電流波形和預置電流波形如圖5 所示。分析可知，新材料電抗器電流爬升階段的動態響應很快，實際電流上升斜率和預置電流上升斜率基本重合，電弧跟隨性非常好，解決了使用原有電抗器電流動態響應慢，電弧跟隨性差等問題。但在焊接過程中，焊絲干伸長發生變化或電壓不穩定時，峰值電流會有異常情況，針對該異常問題提出了新的脈沖控制算法。

圖5 新材料電抗器預置電流和實際電流的脈沖焊接波形Fig.5 Pulse welding waveforms of preset current and actual with new material reactor

2 新型脈沖控制算法

2.1 脈沖焊接的過程分析

在脈沖焊接時，定電流控制分為4個階段：①電流爬升階段，使電流能快速的從基值爬升到峰值，保證電流上升斜率夠快；②峰值電流穩定階段，保證實際峰值電流穩定在預置峰值電流大小，不產生震蕩；③電流下降階段，電流從峰值下降到基值，保證下降斜率足夠快；④基值穩定階段，保證實際基值電流穩定在預置基值電流大?。?，7-8］。

焊絲標準干伸長下穩定焊接時的焊接電流、電壓波形如圖6所示。

圖6 預置電流、實際電流、輸出電壓波形Fig.6 Waveform of preset current，actual current，output voltage

2.2 使用新型材料電抗器焊接異常點分析

如圖7所示，在脈沖峰值電流穩定階段，由于電流大，電壓也很高，當焊絲不純、外電突然變化，或者焊絲干伸長發生變化時，都會引起焊接電壓的波動，電壓的異常變化必然引起電流波動，由于新型材料電抗器在焊接電流較大時，電感量小，濾波作用弱，峰值電流會出現震蕩，造成焊接異常。

圖7 產生異常電壓波形和焊絲干伸長變化時，峰值電流震蕩波形Fig.7 Peak current oscillation waveform when abnormal voltage waveform occurs and wire extension changes

從焊接控制角度分析峰值電流震蕩的原因：脈沖焊接為恒電流控制，只對電流做運算，如果電流降低，為了維持恒流輸出，需要增加PWM 開通大小，使電流升高。如果電流升高，為了維持恒流輸出，需要減小PWM開通大小，使電流減小。脈沖峰值電流穩定階段，電流很大，電壓也高，當峰值電壓產生異常情況時，如果使用原有開環、閉環電抗器串聯結構，峰值電流時電感量比較大，能夠提供足夠的能量來抑制異常電壓情況下對電流產生的波動，保證峰值電流的穩定。但是新型材料的電抗器在峰值電流時，電感量非常小，對電流波動的抑制作用弱。由于峰值電壓沒有參與反饋，輸出PWM的大小還是按照電壓變化前進行開通，則必然會引起電流的變化，因為是恒電流控制，只有當電流發生變化時，輸出PWM才會做出調整，電流控制響應速度慢，所以會產生峰值電流震蕩。

針對峰值電流震蕩的異?，F象，提出將峰值電壓反饋和電流反饋共同作用于脈沖峰值電流穩定階段的新型控制算法，來避免異?，F象的發生。

2.3 新脈沖控制算法的時序分析

根據預置峰值電流大小，設定該峰值電流下的標準峰值電壓U峰值標準、峰值電壓下限值U峰值min、峰值電壓上限值U峰值max、電壓電流可能會產生三種情況的波動，如圖8所示。

圖8 峰值電流產生震蕩的三種情況Fig.8 Three cases in which peak current produces oscillation

情況1：實際峰值電壓U峰值實際在U峰值標準上下微小波動，且U峰值min

情況2：U峰值實際突然升高，且U峰值實際>U峰值max，電流會突然下降。

情況3：U峰值實際突然下降，且U峰值實際

針對峰值電流震蕩的三種情況，在脈沖峰值電流穩定階段，峰值異常電壓出現時的控制流程如圖9所示。

控制算法時序說明：

（1）根據預置脈沖峰值電流大小，確定該峰值電流條件下的U峰值標準、U峰值min、U峰值max。

（2）當焊接進入脈沖峰值電流穩定階段后，開啟電壓反饋，采集U峰值實際，與U標準峰值進行比較，如果比較結果相等，則按照原有控制方式進行恒電流控制，若不相等則判定U峰值實際屬于哪個范圍值。

（3）當U峰值min

（4）當U峰值實際U峰值max時，采集I峰值實際，若I峰值實際等于I峰值預置，則按原有控制方式進行恒電流控制，不相等則計算預輸出功率=U峰值實際*I峰值預置，使PWM 開通大小等于預輸出功率所對應的值，增大PWM的輸出，保證焊接電流的穩定。

使用新型材料電抗器的焊機采用該新算法，進行實際焊接測試時，實際焊接電流、電壓波形如圖10 所示。采用新算法后，實際電流波形的跟隨性好，電流上升階段和下降階段與預置電流波形基本重合，沒有出現嚴重滯后的現象，而且電流峰值階段很穩定，沒有出現微小震蕩情況。

圖10 采用新型材料的電抗器和新脈沖控制算法后的脈沖焊接波形Fig.10 Pulse welding waveform withnew material reactor and new pulsecontrol algorithm

3 結論

（1）通過對新型材料電抗器磁心的電感量動態測試，該磁心能滿足工業電源的相關設計要求。和原有兩個電抗器串聯方案相比，該新型材料電抗器質量減小20%。滿足了焊接電源輕量化、小型化的要求，對新型材料的電抗器進行了大量的焊接實驗，沒有出現異常波形的情況，后期還需要對該材料的電抗器進行溫升測試和耐久性測試來滿足后期量產的要求。

（2） 通過對該新材料電抗器進行實際脈沖焊接測試，電流上升、下降響應速度快，測試了不同峰值電流與基值電流的組合情況，均能滿足電流上升斜率和下降斜率的要求，焊接時電弧狀態穩定、跟隨性好，很好的提高了焊接性能。

（3） 原有脈沖控制算法均采用電流單閉環控制，當采用新型電抗器后，若采用原有控制算法會產出異常電流波形，如：當有異常電壓出現或焊絲干伸長變化時，峰值電流會微小震蕩或產出大的異常波動，通過使用脈沖焊接新算法，保證了峰值電流的穩定性，進而提升了整個脈沖焊接電弧的穩定性。