新技术、新工艺、新材料的发展不仅为焊接学科带来了机遇 ,还使焊接学科面临着新的挑战。铝合金、钛合金等高强、难焊材料大量应用 ,焊接结构件朝着重量轻、体积小、强度高的方向发展 ;微电子技术、航天工业等领域要求焊接飞溅小、焊接过程稳定、质量可靠 ,对焊接电源及技术提出了新的要求。逆变式焊接电源具有高效节能、轻巧省料、控制性能好等特点 ,在消除网侧电流谐波、改善网侧功率因素、逆变输出波形控制、提高系统的动态响应性能方面有很大的发展 ,已成为现代焊接电源发展的主流之一。跟传统焊接电源相比 ,现代焊接电源的控制方法、性能已发生质的变化 ,其研究内容与研究重点也发生了新的转变。脉宽调制软开关电路、功率因素校正 (ＡＰＦＣ)、电磁兼容和电磁干扰设计、仿真研究及智能控制技术的应用已成为当前焊接电源研究 的新热点。1 软开关电路的研究目前广泛应用的硬开关逆变器具有功率器件的开关损耗及开关应力大,电路的寄生电感和功率器件的寄生电容在高频时产生严重的电压尖峰和浪涌电流的缺点。为了克服硬开关逆变器的上述缺点 ,软开关变流技术应运而生。该技术利用谐振原理 ,使功率器件两端的电压或电流呈区间性正弦变化 ,而且电压、电流波形错开 ,以使功率器件的开关接近零损耗。同时谐振参数中吸收了高频变压器漏抗、电路中寄生电感和功率器件的寄生电容 ,可以消除高频产生的电压尖峰和浪涌电流 ,降低器件的开关应力 ,从而可大大地提高逆变焊接电源的可靠性<1> 。1 .1 软开关电路拓扑结构弧焊逆变器的主要电路拓扑有单端逆变、半桥逆变和全桥逆变电路 3种 ,在此基础上衍生发展的软开关电路拓扑也有3大类。其中单端与半桥实现零电压或零电流软开关变换多采用变频控制 ,而变频控制带来了诸多的问题 ,如控制电路复杂 ,易受干扰 ;不同的负载条件工作模式不同 ,电路设计和分析较为困难 ;开关频率变化范围大 ,使得变压器、滤波器和反馈控制电路的设计难以优化。因而目前研究的软开关弧焊逆变器多数采用全桥变换电路。目前适合采用软开关技术的全桥电路 ,有全桥串、并联谐振变换电路 ;高频直流谐振环电路 ;移相控制全桥变换电路。其中移相控制全桥变换电路把软开关电路跟ＰＷＭ移相控制技术有机地结合在一起 ,在大范围内实现ＰＷＭ控制 ,而在开关瞬间则利用谐振达到功率器件零电压开通 ,实现了固定开关频率下的软开关 ,是目前应用最广、最有前途的一种软开关电路拓扑结构。移相控制全桥变换电路利用变压器的漏感和电路中分布电感以及功率器件分布电容和并联电容谐振 ,实现功率器件零电压开通。该变换电路中 ,领先桥臂利用输出滤波电感中的能量实现零电压变换 ,软开关范围很宽 ,而滞后桥臂换流时 ,变压器次级处于短路续流 ,滞后桥臂只能利用变压器漏感中的能量实现零电压变换 ,软开关范围窄 ,在轻载或电感量小时 ,往往难以实现零电压开通。为了拓宽移相控制全桥变换电路滞后桥臂软开关范围 ,减小占空比损失及初级环流损耗 ,众多学者提出了改进型的移相控制电路。Ｈｕａ等<2 > 提出在增加饱和电感和电抗器的方法来减少其占空比损失 ,但该电路拓扑没解决零电压软开关范围窄的问题 ;Ｋｕｔｋｕｔ等<3> 提出采用双电抗器整流的移相控制电路 ,利用电抗器储能实现滞后臂的零电压开关 ,并且有效地减少了占空比损失 ,但要解决上下桥臂的直通问题和变压器的偏磁问题ｈｏ等<4 > 采用辅助电路拓宽滞后臂软开关范围。Ｃｈｅｎ等<5> 提出移相控制的零电压零电流开关电路 ,利用领先桥臂中ＩＧＢＴ的反向击穿 ,实现滞后臂的零电流开关。在此基础上 ,Ｃｈｏ<6 > 提出初级串联阻塞电容和饱和电感的改进方案。改进型的移相控制软开关电路拓扑的研究取得了很大的进展 ,在实际的应用中 ,要根据输出功率、应用场合 ,选择合适的电路拓扑或加以改进。1 .2 脉宽调制控制技术的发展脉冲宽度调制 (ＰＷＭ )相对脉冲频率调制(ＰＦＭ)而言 ,可以降低功率变压器和输出滤波器的体积 ,简化控制补偿网络的设计 ,它已成为逆变电源控制技术的主流。带变压器的全桥ＤＣ/ＤＣ变换器的ＰＷＭ控制技术可以分成 4类 ,即电压型同步式ＰＷＭ技术、电流型同步式ＰＷＭ技术、电压型移相式ＰＷＭ技术、电流型移相式ＰＷＭ技术<7> 。其中电流型相移式ＰＷＭ控制技术是开发大功率全桥逆变电源最有前途的控制方法。电流型控制将开关管电流信号跟误差信号(参考电压与输出反馈信号之间误差 )进行比较 ,被调制脉冲的宽度跟开关管瞬态电流到达峰值的时刻相关 ,从而保证开关管的瞬态电流峰值跟随误差信号而变化。电流型控制属于双闭环控制 ,既有形成误差信号的外环 ,又有开关管瞬态电流控制的内环 ,输出电流或电压控制的精度高 ,反应速度快 ,是一种理想的ＰＷＭ控制方式。它的优点如下 :①能够对网压的变化立即进行补偿 ,对负载变化的干扰也能进行快速反应。②具有内在的瞬时限流调整能力 ,可以最迅速地对比较脆弱的电力电子器件进行过流保护。③自动保持高频功率变压器动态磁平衡。④在多电源模块并联时 ,可提供自动均流功能。电流型控制跟移相ＰＷＭ技术结合 ,在软开关的控制技术上取得突破性的进展 ,可以改善器件的工作状态 ,提高快速的过流保护 ,减少器件开关带来的电磁辐射和电磁干扰 ,全面改善弧焊逆变器的性能。这对于开发高频、大功率弧焊电源意义尤其重大。国内关于软开关弧 焊逆变器的研究基本集中在高校。其中华南理工大学、清华大学、天津大学均有相关的研究成果报道。华南理工大学开发的3 0ｋＶＡ弧焊逆变器采用电流峰值注入控制技术与移相控制技术相结合 ,利用磁开关实现滞后桥臂的零电压开关。2 功率因素校正对于目前的逆变焊机来说 ,网侧输入电流的流通时间很短 ,输入电流是尖峰状 ,输入相电流呈现严重非正弦特征。畸变的输入相电流不仅向电网注入大量的谐波 ,也降低了逆变焊机的功率因数。功率因数定义为有功功率与视在功率之比。当网压波形为正弦时 ,功率因素为ＰＦ =Ｐ有Ｐ视 =1Ｔ∫Ｔ0 ｕｉｎ(ｔ)ｉｉｎ(ｔ)ｄｔＵｒｍｓＩｒｍｓ =Ｕ1 Ｉ1Ｕ1 Ｉ21 +Ｉ22 +…ｃｏｓφ =11+ (ＴＨＤ) 2 ｃｏｓφ =ＤＦｃｏｓφ式中 ,Ｕ、Ｉ分别为基波电压和基波电流的有效值 ;Ｕｒｍｓ、Ｉｒｍｓ 分别为输入电压和输入电流的总有效值 ;ＴＨＤ(ｔｏｔａｌｈａｒｍｏｎｉｃｄｉｓｔｏｒｉｓｔｏｒｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ)为总谐波失真 ,是输入电流畸变分量的有效值与基波电流有效值之比 ;ＤＦ(ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ)是失真因子 ,输入电流基波有效值与总输入电流有效值之比 ;φ为基波电压与基波电流的相位差<8> 。逆变焊机的功率因数随输入滤波电容容量的增大而减小 ,随输出功率的增大而增大。因此逆变焊机设计时不应过分追求较小的直流纹波而选取很大的输入滤波电容。对于逆变焊机 ,其标称功率因数大都为额定输出容量的数值 ,实际运行时的功率因数较之要小。目前提高功率因素的方法主要有多脉冲整流、无源滤波器、有源滤波器和功率因素校正。ＡＰＦＣ直接利用有源开关式ＡＣ-ＤＣ变换技术 ,使电流成为与电网电压同相的正弦波 ,消除了谐波和无功电流 ,因而可将功率因素提高到近似为 1。ＡＰＦＣ是目前提高逆变焊机功率因素最有效的一种方法 ,是国内外研究的热点。实现ＡＰＦＣ的基本方法方法有 3种 ,即电流峰值控制、电流滞环控制及平均电流控制。许多国家已对逆变焊接电源的功率因素以及对电网的谐波干扰进行了规定 ,单相和三相功率因素校正技术在工业中运用相对比较成熟。国内对逆变焊接电源的功率因素校正装置的研究相对较少 ,清华大学、西安交通大学、浙江大学、华南理工大学等高校已有相关的研究报道。3 电磁兼容和抗干扰设计3 .1 电磁兼容的考核标准随着电工技术和电力电子技术在各行业、各领域的广泛应用 ,以及对电磁环境要求的日益提高 ,电磁兼容 (ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ,ＥＭＣ)已成为国际上被普遍关注的问题。电磁兼容性的含意是 ,设备或系统在其电磁环境中能正常工作 ,且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁骚扰不仅干扰广播、电视、通讯的接收 ,而且还造成机电设备、电子仪器工作失常 ,甚至损坏 ,同时还危及人体健康。由此相关的一些国际标准组织及国家制定了一系列的ＥＭＣ标准 ,其中有些技术文件已经成为通用的国际标准。 1 996年 ,欧共体规定所有进入市场的电器、电子产品都必须满足其规定的ＥＭＣ要求。ＥＭＣ设计引起了各国电子及相关设备制造商的重视。我国国家技术监督局和有关部委也参照国际标准制定了国家标准,如对应ＩＥＣ61 0 0 0 -3 -2的国家标准ＧＢ/ 1 763 5 .1— 1 998于 1 999年 1 2月 1日起强制实施 ,同时有关部门也正积极筹划在我国实施电气、电子产品的ＥＭＣ认证措施。ＧＢ482 4-1 996对焊接设备也做了相应的规定。开关电源、管子焊接设备、塑料焊接设备、阻焊设备、射频激励的弧焊设备等设备被列为电磁骚扰比较严重的设备。随后 ,ＣＩＳＰＲ1 1的修订草案又增加了“适用于弧焊设备”的有关内容 ,并单独给出考核焊接设备的电磁骚扰限值和测试时应使用约定负载的规定。ＩＥＣ/ＴＣ2 6公布的弧焊设备ＥＭＣ要求标准草案对弧焊设备的电磁骚扰限值和抗扰度以及试验方法做了详细规定<9> 。3 .2 逆变焊接电源的ＥＭＣ设计逆变焊接电源通常在 2 0ｋＨｚ以上的开关频率下工作 ,功率往往达到几十千伏安 ,电源线路内的ｄＶ/ｄｔ、ｄｉ/ｄｔ很大 ,高频功率开关器件在开关过程中会产生大量的谐波及干扰信号 ,形成很强的电磁干扰源 ,干扰其它设备的正常运行并污染电网。此外 ,焊接
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