电阻焊焊接电源发展方向之探讨

文/王清

【摘要】电阻焊焊接工艺是当今世界上应用最广的焊接方法之一。本文对电阻焊焊接电源今后发展趋势进行了探讨。提出了新世纪电阻焊焊接电源的主要发展方向，即继续开发高效节能三相均衡的电阻焊焊接电源将仍是21世纪的主题；各种以软开关为特征的逆变式电阻焊机将得到长足的发展；并对电阻焊电源的新技术原理和市场前景进行了详细地介绍。

【关键词】电阻焊电源  预测

电阻焊焊接电源经过100多年的发展，已经成为当今工业生产中不可缺少的焊接设备之一。其发展也经历了一个从简单到复杂，从原始到完善的发展过程，电阻焊焊接电源的研究已经取得了巨大的成就。尽管如此，随着社会的不断进步与发展，无论是在节能节材方面，还是在进一步提高焊接质量和扩大电阻焊应用领域方面，对电阻焊焊接电源均提出了更高的要求，也要求电阻焊焊接电源不断的进一步完善与提高。未来，电阻焊焊接电源将向何处发展，是值得认真思考和讨论的问题。

1、继续开发高效节能三相均衡的电阻焊焊接电源将仍是未来的主题

目前在国内外应用面最广的电阻焊焊接电源仍是单相工频电阻焊机，但从能源的角度来看，单相工频电阻焊机是一种很不理想的电源。首先，单相工频电阻焊机的功率因数很低，如FN1系列缝焊机的额定功率因数为0.35；DN2系列点焊机的额定功率规定因数为0.65，但如果焊机臂伸出长度大于1×103mm时，其功率因数就下降至0.30以下。其次，由于其为单相供电，当功率较大的焊机焊接时，将对供电电网造成很大冲击，例如一台100kVA、以额定功率工作的单相工频电阻点焊机，在380V电压供电的情况下，其焊接瞬时的初级电流可达数百安培，通常点焊机的焊接时间都很短，大约几个或几十个周波即可以行成一个焊点，故在焊接时一定会给电网造成很大冲击，对供电电网造成严重污染。再者，单相工频电阻焊机在焊接时存在着焊接电流每秒钟100次过零点的问题，将造成焊接加热的不连续。因此，不利于采用此类焊机进行铝、钛等用途广泛的轻金属的焊接。

针对单相工频电阻焊机存在的问题，人们一直在寻求一种理想的电阻焊焊接电源，并取得了很大的成就。从20世纪40年代起，人们在开发研制采用三相电源供电的焊接电源方面进行了大量的工作，先后研制出三相低频电阻焊机、次级整流电阻焊机、电容储能电阻焊机和逆变式电阻焊机，虽然这些焊机已经成功地解决了单相工频电阻焊机存在的问题，但其本身都存在有尚待完善之处。因此，继续开发高效节能三相均衡的电阻焊焊接电源将仍旧是21世纪的主题。

2、各种以软开关为特征的逆变式电阻焊机将得到长足的发展

逆变式电阻焊机是各项技术指标最优秀的电阻焊机之一。但是，在目前使用的绝大多数逆变式电阻焊机的逆变电器中，通常采用保持功率开关管的开关频率固定，而靠改变功率开关管接通时间长短（即脉冲的宽度）的方法，来调节焊机输入能量，这种控制方法被称为脉宽调制法（PWM)。在这种情况下，由于功率开关管按照外加的控制脉冲而通断，而控制脉冲的发出又与功率开关管上流过的电流、两端所加的电压无关，因此，此类功率开关管被称为“硬开关”。

采用硬开关控制的逆变电路，当工作频率较高时，由于在功率开关管上同时存在电流与电压的交叠，因而产生了很高的开关损耗电流和电压应力。有关资料表明，处于硬开关状态下的工作频率为20kHz,采用IGBT功率开关管的弧焊逆变电源，其功率开关管的开关损耗占总损耗的60%～70%，甚至更大。同时，电路的寄生电感和功率器件的寄生电容在高频工作时将产生严重的电压尖峰和电流尖峰，为消除其影响，通常在开关两侧设置缓冲电路。但缓冲电路会消耗能量，逆变器工作频率越高，能量消耗越大，因而会使整个逆变器的整体效率变低。

鉴于硬开关逆变器电源存在一些问题，在20世纪80年代以后，人们开始了软开关逆变电源的研制工作。所谓软开关，是指用控制方法使功率开关在其两端电压为零时导通，或使流过功率开关的电流为零时关断，此开关称为软开关。软开关的开通、关断损耗理想值为零。在软开关逆变电路的研制过程中，人们也经历一个不断完善的过程。

为了满足功率开关上的电压或电流为零的条件，可以采用谐振（Resonance）的方法。事实上，由于焊接主电路上正向与反向LC回路值不一样，将造成正反向的震荡频率不同，震荡电流幅值也不同，形成震荡不对称，这种震荡称为准震荡，利用准震荡的方法，以创造零电压开通或零电流关断条件的逆变器称为准谐振逆变器。在实际电路中，无论是串联LC还是并联LC，都会产生准谐振。

谐振逆变器和准谐振逆变器都是利用调整开关频率来调节输出电压和输出电流的，故称之为调频系统。多年来人们对利用准谐振逆变器研制逆变焊接电源进行了大量的工作，取得了一定的进展。但是，准谐振逆变器存在许多不足，首先，与PWM相比控制复杂；其次，谐振电路中产生的谐振电压（或谐振电流）峰值高，功率开关元件上所承受的压力大小；再者，输出调节范围小，为了获得较大的调整范围，要求开关频率在很大的范围内变化，就使得焊接变压器、滤波器的设计十分困难且减少了磁性元件的利用率。

20世纪90年代，人们已经将研究的热点移向了零开关-PWM变压器和零转换-PWM变换器。

零转换-PWM变换器是指在准谐振变换器中增加一个辅助开关控制电路，使变换器在一个周期内，一部分时间按零电流开关（ZCS,Zero-Current-Switching)或零电压开关（ZVS,Zero-Voltage-Switching)准谐振变换器工作，另一部分时间按PWM变换器工作。前者称为ZCS-PWM变换器，后者称为ZVS-PWM变换器。这样，变换器即有电压过零（或电流过零）控制的软开关特点，又有恒频调宽的特点。这时谐振网络中的电感是与主开关串联的。人们在利用零开关-PWM技术研制逆变焊接电源方面取得了许多成果，国内外文献均有报道。但是，由于这类软开关的谐振电感串联在主回路里，因此零开关的条件与电源电压和负载电流的变化范围有关，在轻载下有可能失去零开关的条件。

零转换-PWM变换器与零开关-PWM变换器在本质上并无差别，也是软开关与PWMR的结合，只不过其谐振回路与主电子开关是相并联的，从而改善了零开关的条件。分析和实验表明：零转换-PWM变换器的导电损耗和开关损耗最小，能实现零开关特性而不增大开关的电流和电压应力，适用于较高电压和大功率变换器。近年来，人们对零转换-PWM变换器技术在焊接电源中的应用进行了理论和实验研究，取得了很多研究成果。另一方面，该电路也存在着占空比损失和ZVT范围不能过宽的问题。

鉴于软开关逆变电路的日趋成熟和其本身所具有的优点，可以确信，以零转换-PWM变换器或零开关-PWM变换器为主的逆变式电阻焊机将成为21世纪研究的热点和主流。

3、减小或消除由次级整流产生的种种弊端

次级整流电阻焊机是20世纪70年代以后发展起来的，并且成为了电阻焊接电源的主要发展方向之一。次级整流电阻焊机又可以分为单相次级整流和三相次级整流两种。虽然单相次级整流电阻焊机较之单相工频电阻焊机在节能和提高功率因数等方面有了长足的进步，但是该类焊机还是不能解决单相供电而产生的对供电电网的冲击和污染。采用三相次级整流电阻焊机虽然可以做到三相电源供电，并且可以大大减小供电电源各相的线电流，但是由于采用了大功率次级整流二极管，又将带来新的能量损耗。一般来说，用于次级整流的二次管有1.5V左右的管压降。一般电阻焊机的次级电压为5V左右，也就是说，在次级1.5V左右被用来克服由整流二级管产生的压降，该损耗约占整个输出能量的32%。另外为了防止整流二级管的损坏，还需增加相应的过载保护，这样不仅增加了整台焊机的成本，而且还增加了焊机的维修难度。

逆变式电阻焊机是20世纪80年代以后发展起来的新型电阻焊焊接电源，但是也同样面临着同样的次级整流问题，众所周知，在其他条件相同的条件下，焊接变压器的铁芯截面与其输入电压的频率成反比，为了最大限度的发挥逆变式电阻焊机的优势，人们总是希望该焊机工作时的逆变频率尽可能地高。但是另一方面，电路中的感抗大小与其输入电压的频率成正比。逆变式电阻焊机工作时，其次级回路与被焊工件一起，组成了一个匝数为一匝的大线圈，当焊机的逆变频率提高时，也势必把次级回路中的感抗成倍的加大。为了消除次级感抗的影响，通常要在次级回路中接入整流元件，只有在次级回路中所包围的面积较小，焊机逆变工作频率小于400Hz时，才可以不经次级整流直接使用，这样就大大限制了焊机工作范围。加入次级整流回路后，不仅带来了次级整流元件的能量消耗问题，而且因为电阻焊机的工作电流一般为数千、数万安培，远远大于弧焊电源的电流，受次级整流元件di/dt的限制，电阻焊逆变电源也不可能做到象弧焊逆变电源的逆变频率那么高。

鉴于次级整流存在的不足，可以预见在21世纪人们必将会在如何克服其缺点，从而使电阻焊电源更加完善等方面开展深入地研究工作。解决由于在次级接入整流元件而产生的上述弊端有两种途径：其一为从整流元件本身入手，尽可能地减小其管压降，但是这种方法并不能从根本上解决问题；其二为设计新型电阻焊机，在保持次级整流焊机主要优点的情况下，实现电阻焊机的无次级整流。

4、各种专用电阻焊机将会得到广泛地应用

专用电阻焊机是为了满足某一特定的生产目的而专门研制的电阻焊机的总称。由于专用电阻焊机可以把优质的焊接工艺与电阻焊本身所具有的易于机械化和自动化等优点的机地结合在一起，充分发挥各自的长处，以达到提高焊接质量和劳动生产率的效果。在美、日等发达工业国家，特别在德国，由于其国内的劳动成本较高，同时更是为了提高劳动生产率和焊接质量，各种电阻焊焊接专机达到了很高的比例。

反观我国的电阻焊机市场，电阻焊机占整个电焊机市场的份额不高，约为10%，而其中电阻焊专机所占的比例则更小。因而可以确信，在21世纪各类电阻焊专机将在我国拥有广阔地发展前景。

5、电阻焊机产生的高次谐波将得到抑制

工程上所遇到的周期函数，一般都可以展开成频率为f(t)以及频率为该频率整数倍的一系列正弦量之和。在电路分析中，称上式中的常数项为直流分量；称角频率为ω的正弦量为基波或一次谐波，它的频率与f(t)的频率相同；称角频率为2ω、3ω、4ω…等的正弧量为二次谐波、三次谐波、四次谐波…等，其中二次及其以上的谐波统称为高次谐波。

在各种电阻焊机中，或者是通过调节焊接主电路可控硅导通角，或者是通过调节焊接生变压器输入方波的脉冲宽度或频率来调节焊接输入功率的大小，即采用的焊接电压及电流波形都不是标准的正弦波形，因此必将伴随着大量高次谐波分量的产生。加之电阻焊机输入功率大，焊接时间短的特点，其在焊接过程中产生的高次谐波污染问题将更加严重。

高次谐波对电力系统将会造成严重的污染，具体体现在：

⑴严重污染公共电网，干扰其它设备的正常运转和安全；

⑵谐波含量的增加，将使设备的功率因数降低，并且增加前级设备的功率容量，造成功率容量的浪费；

⑶造成电能计算的误差，从而损害用电户利益。

目前谐波已被称为一种电力公害，为消除其影响，不少国家已经指定了电力系统谐波和用电设备谐波限制水平的标准。国际电工委员会（IEC)和国际电气与电子工程师委员会（IEEE)都成立了专门的工作组，制定了谐波限制标准（IEC61000-3-2和IEEEE519-92),并从1996年起在欧共体国家内开始执行。我国从1998年起开始制定用电设备谐波的限制标准，并且首先在家电及邮电通讯行业开始执行。如果将来强制执行谐波限制标准，现在使用和生产的各类焊机大多数属于不合格产品。因此，研制新型低谐波电阻焊电源势在必行。

6、电力电子仿真技术将广泛地应用到各种电阻焊机的研制过程中

根据实际电路（或系统）建立模型，通过对模型的计算机分析、研究和试验，以达到研制和开发实际电路（或系统）的目的，这一过程称为计算机仿真。由于计算机仿真的高效、高精度、高经济和高可靠性，因此倍受人们重视，近20年来，已广泛地应用于电力电子电路（或系统）的分析中，成为了开展这方面研究的必不可少的重要工具。

在电力电子电路的设计中，计算机仿真主要用于验证设计方案、预测系统的性能、发现新产品的潜在问题和评价解决问题的方法等。
电路的计算机仿真技术主要要解决如何建立电路方程（即建立仿真数学模型）和如何求解电路方程。

电阻焊焊接电源为非线性的时变系统，要准确地分析其稳态和动态性能往往是非常困难的。建立精确数学模型一直是电力电子学领域的一个难题。通常只有假设一定的条件，而忽略一些次要的因素，才能得到在一定范围内适用的数学模型，为分析和设计电路提供帮助。

自70年代至今，电路仿真所用的分析建模方法主要有：状态变量法、节点分析法、改进的节点分析法和状态空间平均法等。这些建模方法各自均有其和不足，都有自己的使用范围。在具体使用时，要根据具体的目的采用相应的方法建立具体的仿真模型。

电力电子仿真的难点和关键之处在于电力电子器件模型的建立，模型的精确性是计算机仿真可靠性的保证，电子电力电路的仿真分为3个级别。

⑴研究电路微观特性和器件工作状态的器件级仿真；

⑵研究电路拓扑结构和其暂态过程的电路级仿真和。

⑶电路系统低频率性的系统级仿真。仿真的级别不同，也可以说是研究问题的重点不同，考虑到仿真的速度和收敛性，要采用不同精度的模型。近年来，国内外学者针对逆变电路中常用的功率开关元件和磁性器件的细节模型做了大量的研究工作，发表了许多研究成果。

随着计算机仿真技术的广泛应用出现了各种各样仿真软件，如Virginia电力电子中心开发的面向系统的开关变换器仿真软件Pspice、Analgy公司的Saber软件和电力系统瞬态分析软件EMTP、用于功率变换器和电力传动的仿真软件ATP及专门用于电力电子闭环系统分析的仿真软件PECAN等等。1980年，美国的Cleve Moler博士研制的MATLAB语言对后来的控制系统理论以及计算机辅助设计技术起到了巨大的推动作用，近年来随着MATLAB语言的不断地丰富与完善，对国际控制界产生了巨大的影响。目前，该语言已经成为国际控制界最重要和最流行的语言。MATLAB语言使用起来非常方便，而且功能强大，它除了传统的交互式编程之外，还得出了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理和方便的Windows编程等便利工具。

可以坚信，随着电子仿真技术的应用，必将大大加快新一代电阻焊机的研制进程。

7、结语

可以预见，上述各项新技术的开发将在未来有着巨大的发展潜力与市场。与此同时，一些传统的电阻焊研究技术，如焊接质量的无损检测等，也将得到进一步的发展。总之，电阻焊技术即将面临着新的发展机遇与挑战，每一位从事电阻焊技术研究的科技工作者，对此都应有一个清醒的认识。