電阻焊焊接電源發展方向之探討

文/王清

【摘要】電阻焊焊接工藝是當今世界上應用最廣的焊接方法之一。本文對電阻焊焊接電源今后發展趨勢進行了探討。提出了新世紀電阻焊焊接電源的主要發展方向，即繼續開發高效節能三相均衡的電阻焊焊接電源將仍是21世紀的主題；各種以軟開關為特征的逆變式電阻焊機將得到長足的發展；并對電阻焊電源的新技術原理和市場前景進行了詳細地介紹。

【關鍵詞】電阻焊電源  預測

電阻焊焊接電源經過100多年的發展，已經成為當今工業生產中不可缺少的焊接設備之一。其發展也經歷了一個從簡單到復雜，從原始到完善的發展過程，電阻焊焊接電源的研究已經取得了巨大的成就。盡管如此，隨著社會的不斷進步與發展，無論是在節能節材方面，還是在進一步提高焊接質量和擴大電阻焊應用領域方面，對電阻焊焊接電源均提出了更高的要求，也要求電阻焊焊接電源不斷的進一步完善與提高。未來，電阻焊焊接電源將向何處發展，是值得認真思考和討論的問題。

1、繼續開發高效節能三相均衡的電阻焊焊接電源將仍是未來的主題

目前在國內外應用面最廣的電阻焊焊接電源仍是單相工頻電阻焊機，但從能源的角度來看，單相工頻電阻焊機是一種很不理想的電源。首先，單相工頻電阻焊機的功率因數很低，如FN1系列縫焊機的額定功率因數為0.35；DN2系列點焊機的額定功率規定因數為0.65，但如果焊機臂伸出長度大于1×103mm時，其功率因數就下降至0.30以下。其次，由于其為單相供電，當功率較大的焊機焊接時，將對供電電網造成很大沖擊，例如一臺100kVA、以額定功率工作的單相工頻電阻點焊機，在380V電壓供電的情況下，其焊接瞬時的初級電流可達數百安培，通常點焊機的焊接時間都很短，大約幾個或幾十個周波即可以行成一個焊點，故在焊接時一定會給電網造成很大沖擊，對供電電網造成嚴重污染。再者，單相工頻電阻焊機在焊接時存在著焊接電流每秒鐘100次過零點的問題，將造成焊接加熱的不連續。因此，不利于采用此類焊機進行鋁、鈦等用途廣泛的輕金屬的焊接。

針對單相工頻電阻焊機存在的問題，人們一直在尋求一種理想的電阻焊焊接電源，并取得了很大的成就。從20世紀40年代起，人們在開發研制采用三相電源供電的焊接電源方面進行了大量的工作，先后研制出三相低頻電阻焊機、次級整流電阻焊機、電容儲能電阻焊機和逆變式電阻焊機，雖然這些焊機已經成功地解決了單相工頻電阻焊機存在的問題，但其本身都存在有尚待完善之處。因此，繼續開發高效節能三相均衡的電阻焊焊接電源將仍舊是21世紀的主題。

2、各種以軟開關為特征的逆變式電阻焊機將得到長足的發展

逆變式電阻焊機是各項技術指標最優秀的電阻焊機之一。但是，在目前使用的絕大多數逆變式電阻焊機的逆變電器中，通常采用保持功率開關管的開關頻率固定，而靠改變功率開關管接通時間長短（即脈沖的寬度）的方法，來調節焊機輸入能量，這種控制方法被稱為脈寬調制法（PWM)。在這種情況下，由于功率開關管按照外加的控制脈沖而通斷，而控制脈沖的發出又與功率開關管上流過的電流、兩端所加的電壓無關，因此，此類功率開關管被稱為“硬開關”。

采用硬開關控制的逆變電路，當工作頻率較高時，由于在功率開關管上同時存在電流與電壓的交疊，因而產生了很高的開關損耗電流和電壓應力。有關資料表明，處于硬開關狀態下的工作頻率為20kHz,采用IGBT功率開關管的弧焊逆變電源，其功率開關管的開關損耗占總損耗的60%～70%，甚至更大。同時，電路的寄生電感和功率器件的寄生電容在高頻工作時將產生嚴重的電壓尖峰和電流尖峰，為消除其影響，通常在開關兩側設置緩沖電路。但緩沖電路會消耗能量，逆變器工作頻率越高，能量消耗越大，因而會使整個逆變器的整體效率變低。

鑒于硬開關逆變器電源存在一些問題，在20世紀80年代以后，人們開始了軟開關逆變電源的研制工作。所謂軟開關，是指用控制方法使功率開關在其兩端電壓為零時導通，或使流過功率開關的電流為零時關斷，此開關稱為軟開關。軟開關的開通、關斷損耗理想值為零。在軟開關逆變電路的研制過程中，人們也經歷一個不斷完善的過程。

為了滿足功率開關上的電壓或電流為零的條件，可以采用諧振（Resonance）的方法。事實上，由于焊接主電路上正向與反向LC回路值不一樣，將造成正反向的震蕩頻率不同，震蕩電流幅值也不同，形成震蕩不對稱，這種震蕩稱為準震蕩，利用準震蕩的方法，以創造零電壓開通或零電流關斷條件的逆變器稱為準諧振逆變器。在實際電路中，無論是串聯LC還是并聯LC，都會產生準諧振。

諧振逆變器和準諧振逆變器都是利用調整開關頻率來調節輸出電壓和輸出電流的，故稱之為調頻系統。多年來人們對利用準諧振逆變器研制逆變焊接電源進行了大量的工作，取得了一定的進展。但是，準諧振逆變器存在許多不足，首先，與PWM相比控制復雜；其次，諧振電路中產生的諧振電壓（或諧振電流）峰值高，功率開關元件上所承受的壓力大小；再者，輸出調節范圍小，為了獲得較大的調整范圍，要求開關頻率在很大的范圍內變化，就使得焊接變壓器、濾波器的設計十分困難且減少了磁性元件的利用率。

20世紀90年代，人們已經將研究的熱點移向了零開關-PWM變壓器和零轉換-PWM變換器。

零轉換-PWM變換器是指在準諧振變換器中增加一個輔助開關控制電路，使變換器在一個周期內，一部分時間按零電流開關（ZCS,Zero-Current-Switching)或零電壓開關（ZVS,Zero-Voltage-Switching)準諧振變換器工作，另一部分時間按PWM變換器工作。前者稱為ZCS-PWM變換器，后者稱為ZVS-PWM變換器。這樣，變換器即有電壓過零（或電流過零）控制的軟開關特點，又有恒頻調寬的特點。這時諧振網絡中的電感是與主開關串聯的。人們在利用零開關-PWM技術研制逆變焊接電源方面取得了許多成果，國內外文獻均有報道。但是，由于這類軟開關的諧振電感串聯在主回路里，因此零開關的條件與電源電壓和負載電流的變化范圍有關，在輕載下有可能失去零開關的條件。

零轉換-PWM變換器與零開關-PWM變換器在本質上并無差別，也是軟開關與PWMR的結合，只不過其諧振回路與主電子開關是相并聯的，從而改善了零開關的條件。分析和實驗表明：零轉換-PWM變換器的導電損耗和開關損耗最小，能實現零開關特性而不增大開關的電流和電壓應力，適用于較高電壓和大功率變換器。近年來，人們對零轉換-PWM變換器技術在焊接電源中的應用進行了理論和實驗研究，取得了很多研究成果。另一方面，該電路也存在著占空比損失和ZVT范圍不能過寬的問題。

鑒于軟開關逆變電路的日趨成熟和其本身所具有的優點，可以確信，以零轉換-PWM變換器或零開關-PWM變換器為主的逆變式電阻焊機將成為21世紀研究的熱點和主流。

3、減小或消除由次級整流產生的種種弊端

次級整流電阻焊機是20世紀70年代以后發展起來的，并且成為了電阻焊接電源的主要發展方向之一。次級整流電阻焊機又可以分為單相次級整流和三相次級整流兩種。雖然單相次級整流電阻焊機較之單相工頻電阻焊機在節能和提高功率因數等方面有了長足的進步，但是該類焊機還是不能解決單相供電而產生的對供電電網的沖擊和污染。采用三相次級整流電阻焊機雖然可以做到三相電源供電，并且可以大大減小供電電源各相的線電流，但是由于采用了大功率次級整流二極管，又將帶來新的能量損耗。一般來說，用于次級整流的二次管有1.5V左右的管壓降。一般電阻焊機的次級電壓為5V左右，也就是說，在次級1.5V左右被用來克服由整流二級管產生的壓降，該損耗約占整個輸出能量的32%。另外為了防止整流二級管的損壞，還需增加相應的過載保護，這樣不僅增加了整臺焊機的成本，而且還增加了焊機的維修難度。

逆變式電阻焊機是20世紀80年代以后發展起來的新型電阻焊焊接電源，但是也同樣面臨著同樣的次級整流問題，眾所周知，在其他條件相同的條件下，焊接變壓器的鐵芯截面與其輸入電壓的頻率成反比，為了最大限度的發揮逆變式電阻焊機的優勢，人們總是希望該焊機工作時的逆變頻率盡可能地高。但是另一方面，電路中的感抗大小與其輸入電壓的頻率成正比。逆變式電阻焊機工作時，其次級回路與被焊工件一起，組成了一個匝數為一匝的大線圈，當焊機的逆變頻率提高時，也勢必把次級回路中的感抗成倍的加大。為了消除次級感抗的影響，通常要在次級回路中接入整流元件，只有在次級回路中所包圍的面積較小，焊機逆變工作頻率小于400Hz時，才可以不經次級整流直接使用，這樣就大大限制了焊機工作范圍。加入次級整流回路后，不僅帶來了次級整流元件的能量消耗問題，而且因為電阻焊機的工作電流一般為數千、數萬安培，遠遠大于弧焊電源的電流，受次級整流元件di/dt的限制，電阻焊逆變電源也不可能做到象弧焊逆變電源的逆變頻率那么高。

鑒于次級整流存在的不足，可以預見在21世紀人們必將會在如何克服其缺點，從而使電阻焊電源更加完善等方面開展深入地研究工作。解決由于在次級接入整流元件而產生的上述弊端有兩種途徑：其一為從整流元件本身入手，盡可能地減小其管壓降，但是這種方法并不能從根本上解決問題；其二為設計新型電阻焊機，在保持次級整流焊機主要優點的情況下，實現電阻焊機的無次級整流。

4、各種專用電阻焊機將會得到廣泛地應用

專用電阻焊機是為了滿足某一特定的生產目的而專門研制的電阻焊機的總稱。由于專用電阻焊機可以把優質的焊接工藝與電阻焊本身所具有的易于機械化和自動化等優點的機地結合在一起，充分發揮各自的長處，以達到提高焊接質量和勞動生產率的效果。在美、日等發達工業國家，特別在德國，由于其國內的勞動成本較高，同時更是為了提高勞動生產率和焊接質量，各種電阻焊焊接專機達到了很高的比例。

反觀我國的電阻焊機市場，電阻焊機占整個電焊機市場的份額不高，約為10%，而其中電阻焊專機所占的比例則更小。因而可以確信，在21世紀各類電阻焊專機將在我國擁有廣闊地發展前景。

5、電阻焊機產生的高次諧波將得到抑制

工程上所遇到的周期函數，一般都可以展開成頻率為f(t)以及頻率為該頻率整數倍的一系列正弦量之和。在電路分析中，稱上式中的常數項為直流分量；稱角頻率為ω的正弦量為基波或一次諧波，它的頻率與f(t)的頻率相同；稱角頻率為2ω、3ω、4ω…等的正弧量為二次諧波、三次諧波、四次諧波…等，其中二次及其以上的諧波統稱為高次諧波。

在各種電阻焊機中，或者是通過調節焊接主電路可控硅導通角，或者是通過調節焊接生變壓器輸入方波的脈沖寬度或頻率來調節焊接輸入功率的大小，即采用的焊接電壓及電流波形都不是標準的正弦波形，因此必將伴隨著大量高次諧波分量的產生。加之電阻焊機輸入功率大，焊接時間短的特點，其在焊接過程中產生的高次諧波污染問題將更加嚴重。

高次諧波對電力系統將會造成嚴重的污染，具體體現在：

⑴嚴重污染公共電網，干擾其它設備的正常運轉和安全；

⑵諧波含量的增加，將使設備的功率因數降低，并且增加前級設備的功率容量，造成功率容量的浪費；

⑶造成電能計算的誤差，從而損害用電戶利益。

目前諧波已被稱為一種電力公害，為消除其影響，不少國家已經指定了電力系統諧波和用電設備諧波限制水平的標準。國際電工委員會（IEC)和國際電氣與電子工程師委員會（IEEE)都成立了專門的工作組，制定了諧波限制標準（IEC61000-3-2和IEEEE519-92),并從1996年起在歐共體國家內開始執行。我國從1998年起開始制定用電設備諧波的限制標準，并且首先在家電及郵電通訊行業開始執行。如果將來強制執行諧波限制標準，現在使用和生產的各類焊機大多數屬于不合格產品。因此，研制新型低諧波電阻焊電源勢在必行。

6、電力電子仿真技術將廣泛地應用到各種電阻焊機的研制過程中

根據實際電路（或系統）建立模型，通過對模型的計算機分析、研究和試驗，以達到研制和開發實際電路（或系統）的目的，這一過程稱為計算機仿真。由于計算機仿真的高效、高精度、高經濟和高可靠性，因此倍受人們重視，近20年來，已廣泛地應用于電力電子電路（或系統）的分析中，成為了開展這方面研究的必不可少的重要工具。

在電力電子電路的設計中，計算機仿真主要用于驗證設計方案、預測系統的性能、發現新產品的潛在問題和評價解決問題的方法等。
電路的計算機仿真技術主要要解決如何建立電路方程（即建立仿真數學模型）和如何求解電路方程。

電阻焊焊接電源為非線性的時變系統，要準確地分析其穩態和動態性能往往是非常困難的。建立精確數學模型一直是電力電子學領域的一個難題。通常只有假設一定的條件，而忽略一些次要的因素，才能得到在一定范圍內適用的數學模型，為分析和設計電路提供幫助。

自70年代至今，電路仿真所用的分析建模方法主要有：狀態變量法、節點分析法、改進的節點分析法和狀態空間平均法等。這些建模方法各自均有其和不足，都有自己的使用范圍。在具體使用時，要根據具體的目的采用相應的方法建立具體的仿真模型。

電力電子仿真的難點和關鍵之處在于電力電子器件模型的建立，模型的精確性是計算機仿真可靠性的保證，電子電力電路的仿真分為3個級別。

⑴研究電路微觀特性和器件工作狀態的器件級仿真；

⑵研究電路拓撲結構和其暫態過程的電路級仿真和。

⑶電路系統低頻率性的系統級仿真。仿真的級別不同，也可以說是研究問題的重點不同，考慮到仿真的速度和收斂性，要采用不同精度的模型。近年來，國內外學者針對逆變電路中常用的功率開關元件和磁性器件的細節模型做了大量的研究工作，發表了許多研究成果。

隨著計算機仿真技術的廣泛應用出現了各種各樣仿真軟件，如Virginia電力電子中心開發的面向系統的開關變換器仿真軟件Pspice、Analgy公司的Saber軟件和電力系統瞬態分析軟件EMTP、用于功率變換器和電力傳動的仿真軟件ATP及專門用于電力電子閉環系統分析的仿真軟件PECAN等等。1980年，美國的Cleve Moler博士研制的MATLAB語言對后來的控制系統理論以及計算機輔助設計技術起到了巨大的推動作用，近年來隨著MATLAB語言的不斷地豐富與完善，對國際控制界產生了巨大的影響。目前，該語言已經成為國際控制界最重要和最流行的語言。MATLAB語言使用起來非常方便，而且功能強大，它除了傳統的交互式編程之外，還得出了豐富可靠的矩陣運算、圖形繪制、數據處理、圖像處理和方便的Windows編程等便利工具。

可以堅信，隨著電子仿真技術的應用，必將大大加快新一代電阻焊機的研制進程。

7、結語

可以預見，上述各項新技術的開發將在未來有著巨大的發展潛力與市場。與此同時，一些傳統的電阻焊研究技術，如焊接質量的無損檢測等，也將得到進一步的發展。總之，電阻焊技術即將面臨著新的發展機遇與挑戰，每一位從事電阻焊技術研究的科技工作者，對此都應有一個清醒的認識。