弧焊逆变电源发展方向

弧焊逆变电源发展方向
据统计，每年世界钢产量的一半以上是用焊接工艺把它制成钢制品的。

2007年我国的粗钢产量为4.9亿吨，2008年为5.02亿吨，预计2009年的钢产量与2008年基本持平，略有下降。

但从1901年—2006年的106年间，美国累计钢产量为76.5亿吨。

俄国等独联体各国累计钢产量为62.1亿吨，日本累计钢产量为44.9亿吨；而我国累计钢产量仅仅为35.6亿吨，还不到美国的一半。

各国的累计钢产量，可以大体看做各国基础设施和制造业的刚才累计量。

按照我国为完成工业化和城镇化进程，有专家为我国的刚才产量累计产量至少还要增加40亿吨以上。

这也说明今后几十年内相关的焊接工作量，将持续增加。

由于焊接设备的需求与钢产量有着极为密切的依附关系，因此，2009年我国焊接设备行业也不会有太大的波动。

自从改革开放以来，我过的国民经济发生了翻天覆地的变化。

钢铁的年产量已达到5亿吨，成为了世界钢铁大国。

而焊接主要是钢铁作为对象。

同时近年来我国电焊机的出口不断增加，这些都推动可我国电焊机还也的快速发展。

回顾过去，我国电焊机行业亿有50多年的历史。

从最初的机械控制，发展到今天的电子控制，产品结构发生了根本性的变化。

焊接方法从亿手工电弧焊为主。

逐步转移半自动和自动焊接，尤其是气体保护焊接方法得到可长足的发展。

从上个世纪70年代开始，模拟控制的逆变焊机相继出现并得到迅速推广。

逆变电源被称为‘明天的电源’，其在焊接设备中的应用为焊接设备的发展带来了革命性的变化。

首先，逆变式焊接电源与工频焊接电源比节能20％～30％，效率可达80％～90％；其次，逆变式焊接电源体积小、重量轻，整机重量仅为传统工频整流焊接电源的1/5～1/10，减少材料消耗80％～90％。

特别是逆变焊接电源有着动态反应速度快的优势，其动态反应速度比传统工频整流焊接电源提高了2～3个数量级，有利于实现焊接过程的自动化和智能控制。

这些都预示着逆变焊接电源有着广泛的应用前景和市场潜力。

目前，日本松下公司、大阪变压器公司的电弧焊机中，逆变焊机都超过了50％。

美国的主要焊机生产厂家生产的逆变焊机已经超过了30％。

其他工业发达国家逆变焊接电源的发展速度也很快。

我国逆变焊机的研究开发起步于20世纪70年代末期，于20世纪80年代开始发展。

1982年，成都电焊机研究所开始了对晶闸管逆变式弧焊整流器的研究，于1983年研制出我国第一台商品化的ZX7-250逆变式弧焊电源，并通过了该项
目的部级鉴定。

随后，清华大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学和时代公司等单位相继推出了采用各种开关元件的逆变式焊机。

现在，我国焊机逆变电源已形成4代产品：第一代是以可控硅SCR为主攻率器件的逆变器；第二代是晶体管逆变器；第三代是场效应管逆变器；第四代是IGBT逆变器，其逆变频率高，饱和压降低，功耗小，效率高，无噪声，与前3代逆变器相比，优势更明显。

逆变焊机代表了极大的生命力，其总的发展趋向是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并以提高可靠性、性能及拓宽用途为核心，愈来愈广泛应用于各种弧焊方法、电阻焊、切割等等工艺；高效和高功率密度(小型化)是国际上弧焊逆变器追求的主要目标之一。

高频化和降低主要器件的功耗是实现这一目标的主要技术途径。

当前，在日、美、欧等国和地区，20kHz左右的弧焊逆变器技术已经成熟，产品的质量较高且产品已系列化。

弧焊逆变技术正朝以下方向发展：
(1)沿20kHz的技术路线开发研制50kHz，100 kHz级的弧焊逆变器。

(2)探讨旨在降低电力电子器件开关功耗，提高开关频率的零电压，零电流开关(软开关)技术，其中包括电路拓扑结构和工程实现。

(3)研制和生产大容量的逆变式焊机。

(4)研制和生产智能控制的逆变式焊机。

(5)研究功率因数校正和减少电网谐振干扰
逆变技术和软开关技术的结合使得弧焊电源实现了高频化、轻量化、大容量化;而数字信号处理器(DSP)的采用则使电源真正迈向了数字化,使电源的抗干扰能力、运算能力、实时性、集成度在很大程度上得到了改善。

软开关技术的发展，随着电力电子技术向着高频率、高功率密度方向发展,
硬开关工作方式的开关损耗及
谐波干扰问题日益突出。

从提高
变换效率、器件利用率, 增强电
磁兼容性以及装置可靠性着眼,
软开关技术对任何开关功率变
换器都是有益的。

在某些特殊情
况(如有功率密度要求或散热条
件限制场合)下尤为必要。

在无源
与有源两大类软开关技术中,不
使用额外开关元件、检测手段和
控制策略的无源方式有着附加
成本低,可靠性、变换效率及性能
价格比高等诸多优势,在工业界
单端变换器制造领域基本确立了主流地位。

对拓扑结构而言,串电感和并电容的方法是唯一的无源软开关手段,由此演变而来的所谓无源软开关技术,实际上就是无损耗吸收技术。

就桥式逆变电路而言,从早期的耗能式吸收到后来提出的部分馈能式、无损耗方案,都存在负载依赖性强,工作频率范围窄,附加应力高,网络过于复杂等问题,实用性较差。

同时在开关功率器件模块化潮流下,可供放置吸收元件的空间越来越小,适于逆变模块的无损耗吸收技术也很少见诸文献。

总的来看,适用于逆变模块化的无源吸收技术因其特殊结构和难度而仍处在进一步研究和发展中。

数字化弧焊技
术是一种新兴的技
术,数字化弧焊电源
是指焊机主要的控
制电路由数字控制
技术替代传统的模
拟控制技术,且在控
制电路中的控制信
号也由模拟信号过
渡到0 /1编码的数
字信号。

数字系统与
模拟系统相比有着
明显的优势,数字系
统具有系统灵活性
好、控制精度高、稳定性与产品一致性好、接口兼容性好以及系统功能升级方便等特点。

数字化是弧焊电源的发展方向。

逆变技术的应用实现了电源主电路的数
字化，基于单片，DSP及CPLD/FPGA
等新型半导体器件的控制系统实现
了控制电路的数字。

1994年,国外Fronius公司的
Lahnsteiner.Robert指出,现代GMAW
焊接电源应满足多方面的不同需求,
如:适合于短路过渡焊接、脉冲焊接、
射流过渡焊接和高熔敷率焊接等焊
接工艺,合理的焊接电源外特性可以
通过原边工作于开关状态的逆变电
源实现;大量的焊接规范参数的设计
必须实现Synergic控制(一元化控制)
以使焊接电源便于操作;为满足新的
质量控制要求,焊接电源必须实时记
录焊接规范参数、识别偏差量。

基
于上述思想,伴随着新型的功能强大
的数字信息处理器DSP的出现,Fronius公司推出了全数字化焊接电源,随后Panosonic等公司也推出了各自的数字化焊接电源产品,并相继进入中国市场。

数字化焊接电源实现了柔性化控制和多功能集成,具有控制精度高、系统稳定性好、产品一致性好、功能升级方便等优点。

如Fronius公司的Transplus synergic 2700 /4000 /5000系列产品在一台焊机上实现了MIG/MAG、TIG和手工电弧焊等多种焊接方法,可存储近80个焊接程序,实时显示焊接规范参数,通过单旋钮给定焊接规范参数和电流波形参数,可以实现熔滴过渡和弧长变化的精确控制,同时,此类焊接电源还可以通过网络进行工艺管理和控制软件升级。

DSP，PLD/FPGA由于其强大的性能与极大的灵活性，将在弧焊电源数字化控制系统中具有广泛的应用前景和优势。

可以预见，采用DSP，CPLD/FPGA进行高精度高性能的弧焊逆变电源的数字化控制技术的研究将是今后弧焊电源的发展主流，必将得到很大的发展。

随着焊接工艺研究的深入以及焊接生产自动化和柔性化的发展，对弧焊电源本身的精确控制和柔性化提出了更为紧迫的需要。

由于弧焊逆变电源的逆变频率一般在20K-100KHz的范围，在焊机体积和重量减小的同时，其输出电感明显减小，因此弧焊逆变电源在时间的精确控制上具备了良好的基础。

但是，由于目前弧焊逆变电源多采用模拟电路进行控制，使得弧焊电源的输出信号的幅值控制精度并没有实质性的提高，同时焊接电源的柔性化更是无从谈起。

传统上的弧焊电源控制是采用模拟电路进行的，而模拟控制与数字控制是存在差异的。

因此进行数字控制必须从研究数字控制的特点开始。

从60年代开始，随着计算机和信息科学的发展，数字信号处理和数字控制技术应运而生，得到了飞速的发展。

因此，研究弧焊逆变电源的数字控制的实质就是结合弧焊逆变电源的特点，研究数字控制与模拟控制的不同点，在设计数字控制的控制策略的同时，研究控制效果的差异，最终得到一套能够满足弧焊逆变电源控制应用需要的数字控制器参数。

计算机技术、网络技术、控制技术及电力电子技术的发展为智能型弧焊电源的发展提供了保证。

利用计算机的存储功能和高速、高精度数据处理能力，可促使焊机向多功能化和智能化发展。

在弧焊电源中引入专家系统、神经网络控制、模糊控制等现代控制方法，进行参数的优化、焊接质量的控制等，进一步提高焊机的性能和适应性。

通过数字化和智能化控制技术来保证弧焊电源的稳定性、可靠性、高效率及焊接质量是现代化弧焊电源发展的方向。

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