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1、弧焊电源的发展与展望 冯瀚徐德鸿汪楠生 浙江大学 摘要;电 弧焊作为一种基本的金属处理方法， 广泛用于 在国民 经济的各部门。为电弧 焊提 供能量的弧焊电源从诞生起 己取得了很大的发展。文章综述了弧焊系统的特性及弧焊电源 的发展过程、逆变弧焊电源随电力电子技术和新磁芯材料技术的发展、逆变弧焊电源控制 技术的 发展， 简单分析了 逆变弧焊电源目 前存在的问 题以及 今后的发展展望。 一、引言 焊接是一种最基本的金属加工方法，与国民经济的各部门 ( 如冶金、国防、 机械、 石 油化工等)的 发展有着紧密的联系。据统计， 工业发达的国 家的钢产量有 5 0 %左右是以焊 接形式用于生 产的 P ，
2、在我国， 每年钢产量超过一亿吨， 其中 有2 6 %以 上的金属需要通过焊 接加工2 1 ， 其中决大多数是以各种形式的电弧焊进行的， 而电弧焊设备中最核心的部分就是 弧焊电 源。 弧焊电 源的好坏直接影响焊接的工艺和质量。 二、弧焊电源的发展 自 本世纪加 年 代人们将电 弧用于金 属焊接以来，弧焊电源的发展大致经历了交流弧 焊变压器、直流弧焊发电机、整流弧焊电源和逆变弧焊电源等几个阶段。这些阶段虽然在 时间上有交叉，但各个阶段都有其鲜明的技术特征。 交流弧焊变压器是最早采用的弧焊电源之一。 它通过变压器 将电网电压降至 适合弧焊 的电 压， 直接用于电 弧焊。这种弧焊电源的特点是结构简单、
3、便于制造、易于维修、价格 低廉。 它的局限性是:电弧不稳定，体积大， 浪费材料，功耗大。交流弧焊变压器目 前仍 应 用广泛，适用于手工弧焊、埋弧焊和钨极氢弧焊等。 直流弧焊发电机也是 应用较早的弧 焊电源， 它通过直流发电 机以直流电的 形式为电弧 提供能量。 这类弧焊电 源耗能多、费材料、体积大、噪音大、难于维修、 制造复杂， 动态 特性不好。 直流弧焊发电 机虽然在历史上起过重要的 作用，但目 前己 处在被淘汰之列。目 前只有少量以 柴油 ( 汽油)机为原动 机的直流弧焊发电 机用于边远少电 的地区。 整流弧焊电 源是出 现于本世纪4 0 年代， 它将电网电 压先 经过变压器降至适合电弧焊
4、 的电压，然后经过整流器将交流整流成直流，并为电 弧提供能量 进行焊接。 这类弧焊电源 的特点是易于制造、易于维修、节省材料、效率较高、控制特性较好、噪音小。特别是大 功率的晶闸管 ( S C R) 的出 现和引入， 晶闸 管整流弧焊电 源由 于具有良 好的可控性和动态 特性，立即在直流弧焊电源中脱颖而出。这类弧焊电源在各国都有重要的地位，我国也正 在推广和普及。 整流弧焊电 源虽然具有这些优点， 但是它仍 然工作在工频，不论 在材料消 耗、电能损耗、体积、重量等都有待于提高和改进。 1 0 8 逆变弧焊电源是随 着电力电子 技术发展。 大功率、 可控、 快速开关器件的出 现而出 现 的。 他
5、的工作原 理是先将电网电 压整流成直流，然后逆变成中频或高频交流电， 通过中 频 ( 高 频)变压器，获得 适合电弧 焊的电 压，在此 之后有三种选择:一是直接提供交流弧焊 所需的能量; 二是再 经过整流， 将中 频 ( 高频) 交流变为 直流， 提供直流焊所需 的能量; 三是经过整流后再逆变成方波交 流用于焊接。 逆变弧焊电 源具有良 好的性能: 工作频率高， 铜、 铁损耗大大减小， 体积、 重量显 著下降， 功率因 数高( 可达9 9 0/ 0 ) ， 效 率高( 可达8 0 - 9 0 %) , 控制特性大为改善，因此逆变弧焊电源正 在成为弧焊电源发展的趋势。在其出 现后的 短短 十几年
6、内，已 成为工业发达国家的主导 弧焊电源产品，我国也正 在推广， 其发展速度惊人。 在1 9 9 3 年世界焊接与切割博览 会上， 几乎 所有大公司都展出了自己的逆变弧焊电 源产品4 1 到 1 9 9 7 年， 日立公司的I G B T逆变弧焊电源己占MI G / MAG焊的 7 0 %， 占T I G焊的9 5 %, 占 切 割 的1 0 0 % p 1 . 表1 各种直流弧焊电 源主要 性能比 较 s 1 电源种类 每安电 流重量K g / A效率%功率因数 弧焊发电 机 1 . 2一1 .34 7一 5 4 0 . 8 6 一 0 .8 8 晶闸管整流电 源0 .3 8一 0 . 97
7、 0 一7 80 . 6 8一 0 .7 5 逆变弧焊电 源0 . 1一 0 . 1 67 2一 9 00 . 9 6 一0 . 9 9 三、逆变弧焊电源主电路的发展 逆变弧焊电 源自7 0 年代末出 现以来己取得了巨 大的发展。 它的发 展是与电 力电子器 件、电力电子电路拓扑、新材料和控制技术的发展密不可分的。 逆变弧焊电源随电力电子器件的发展 最早用于逆变弧焊电 源的开关器件是晶闸管 (S C R)，它的特点 是容量大，通 态压 降小。 但是它不能靠门 极关断，且开关速 度只能达到5 k H z 。G T O也具有容量大的特点， 电压可达6 0 0 0 V，电流 可达3 5 0 0 A，
8、 而且门极可关断。但是其关断增益小，开关 频率也只 有l O k H z . S C R和G T O 都属于电 流控制器件， 驱动电路复杂，要求的驱动功率大. 其次引 人逆 变弧焊电源的 开关器 件是大 功率晶体管 ( G T R) ， 它是一种双极性器件， 导通压降小，开关速度较快，开关频率可 达 5 0 k H z， 容量大。目 前已 成功地用于 逆变弧 焊 电源中， 用它做的弧焊电 源逆变频率己 达2 0 k H z , 基本消除了噪声。 但是G T R仍 然属于电 流 控制型器件， 要求的驱动功率大，驱 动电路复杂， 而且还存在二次击穿的问题，因 此虽 然目 前它仍在弧焊电源中占有一定
9、的 地位， 但是不会有太大的发展。 另一个成功引 入逆变弧 焊电 源中的 开关器件是MO S F E T， 它是一 种电压控制型器件， 开关频率高， 可 达 l O O k H z ， 驱动功率小， 驱动电 路简单， 串并联容易。 但由于结构的原因， 其 容量较小，通态压降较高，目 前只用在中、 小功率的 逆变弧焊电源中。M O S F E T由 于其 本身的优点，它仍将是今后 逆变 弧焊电 源中的主 要开关器件之一。 8 0 年代末引入和推广的逆变弧焊电源的开关器件是I G B T。它具有MO S F E T和G T R 的 优点， 容量大、导 通压降小、电 压控制、驱动电路简单、开关频率较
10、高，可 达 3 G k H z 。 由 于 I G B T具有快速和容量大的优点.目 前正 用在大容 量的逆变弧 焊电 源中， 并将成为与 M O S F E T 并举的逆变弧焊电 源的主要开关器件。 除了 上述这些已 成功引 入逆变弧 焊电源中的开关器件之外， 新型器 件如S I T , MG T. S I T H等，在逆变弧焊电源也 将有美好的前景。目 前己有将M C f 用到小 功率单端正 励逆变 弧焊电 源中 的报道，从实验来 看， 其性能较好.完全可用在逆变弧焊电源中 1 4 1 G TRGT OMOS F E T I GB TS IT S I T HMCI 控制方式电流电流电压 电
11、压电压 电压电压 正向阻断电压V1 6 0 06 0 0 01 0 0 0 2 5 0 01 5 0 0 4 5 0 02 0 0 0 正向电流A 1 0 0 0叨 0 04 0 0 1 5 0 02 0 0 2 2 0 03 0 0 最大开关 频率5 0 k Hz l O k Hz2 0 MHz5 0 k Hz 2 0 0 MHzl O O k Hz 2 0 k Rz 2 、逆变弧焊电 源随磁芯 材料的 发展 逆变弧焊电源中的中( 高) 频变压器起着隔 离和功率传输的 作用， 它的 性能 好坏， 直 接关系到弧 焊电 源的 性能。逆变弧焊电源也随磁芯材料的发展而发展。 最早用于逆变弧焊电源的
12、 变压器磁芯 材料是 传统的硅 钢片， 因 其电 阻率小， 高频损耗 大， 故其只使用于低频逆变弧 焊电 源中。 在高 频逆变弧焊电源中它不适 用. 现在广泛开展 采用的磁芯 材料是铁氧体 材料， 其特点是电阻率高， 高频 损耗小。 但是 它 的 饱 和 感 应 强 度凡小 ， 使 得 铁芯 结 构 变大 ， 影 响了 44 合 系 数 ， 且 增大 了 整 机 体 积 . 目 前正在研究 和逐步引 入逆变弧焊电 源中的铁芯材料是非晶态合 金， 它是 近二十年发 展起来的。 其特点 是:电 阻率高，对涡流的阻力大，饱和感应强度大，能 耗低。 它将是高 频逆变弧焊电源的理想磁芯材料。 表m各种磁
13、心材料主要性能比 较川 B s 劝H e ( A / m )阮 ( G g / O c ) p阁 - c m 非晶态 合金1 .63 2 3 0 0 ,0 0 0 1 2 5 铁氧体0 . 41 . 6 7 , 0 0 0 1 3 0 超薄硅钢片1 名 3 6/5 7 3 、 逆变弧焊电源随电力电子电路拓扑的发展 逆变弧焊电 源的 拓扑结构对整 个电源的运行、 控制、 触发以 及整机性能都 有重要的影 响，不同的拓扑结构 对器件和变压器有不同的要求， 而且输出 功率的能力也不同。 逆变弧焊电 源由电网 输入电 压， 先经过二极管不可 控整流、 滤波， 再 经过逆变器变为 中 ( 高)频交流，然
14、后通过中 ( 高)频变压器降至适合电弧焊的电压，直接用于焊接 ( 交 流焊) ，或再经过整流获得直流用于焊接 ( 直流焊)。在 这个结构中，最核心的部件是弧 焊逆 变器 。 1 1 0 图一逆变弧焊电 源原理框图 己 成功用于逆变弧焊电 源的逆变器主电路结构有单端正励逆变电路、 双重正励单端逆 变电 路、半桥逆变电路和全桥逆变电 路。由于 推挽 ( 并联)逆变电路要求开关器件承受较 高的电压，因此在弧 焊逆变器中不常用，只偶尔用于功率较大的场合。 单端正励电 路只需 要一个 ( 或两 个) 开关器件，因 而成本较低， 而且不存在桥式电 路 中 桥劈直通的问题， 控制简单.但这种结构中的变压器只
15、工作在磁滞回线的一个象限， 变 压器利用 率不高，因 此这种结构只用在小功率场合。 双重正励单端逆变电路是在单端正励电 路的 基础上发展起来的， 由 两个独立的 单端正 励电 路组成。与单端正 励电路相比， 其开关频率提高了 一倍，因而滤波器的体积可以 减小， 而且可使变压器工作在磁滞回线的两 个象限，变压器的 利用率和效率都有提高， 输出功率 可以提高一倍。这种主电路使用于中小功率的场合。 半桥逆变电 路结构简单， 开关管只承受电 源电 压， 变压器承受二分之一电源电 压， 它 的最大优点是具有抗不平衡功能，一般适用于中等功率输出 的场合。 全桥逆变电 路， 开关管也只需承受电源电压， 但变
16、压器承受全电 源电压， 因而输出 功 率 较半桥逆变电路可以提高一倍。它主要用于需要较大弧焊功率的场合。 单端正励双重正 励推蛾并脚 半桥 全桥 开关管上电压 2 Ud 2 Ud2 U dUd Ud 同输出功率时电 流 k I cIc 2 kI c 高频变 压器上电 压 Ud UdUd1 1 2 UdUd 开关管数量1 22 24 同样电流输出功率 P fP fP fI 1 2 P f P f 输出功率 . f 中 小大中等大 上述四种电 路拓扑己成功用于弧焊逆变器中， 但传统电 路由于开关条件不理想， 存在 较大的开关损耗，且其随开关频率的提高 而增大，因 此阻 碍了弧焊逆变器工作 频率的进一 步提高，同时也限制了电源效率的提高。近年来发展起来的谐振变流技术和零电 流变换 ( Z C T) 和零电压变换 ( Z V T) 技术正 逐步引入 弧焊逆变器中。 它们的应用， 必将对逆变 频率和电源效率的 进一步提高提供可能性， 使电源性能进一步改善。 谐振变流电 路主 要包括负载谐振电 路， 谐振开关电路和谐 振直流环变换电 路。 这类电 路的主要原理是在电 路中增
