陳 超，王 新

唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司，河北 唐山 063000

0 前言

智能電焊機(jī)的逆變電源總的發(fā)展趨勢(shì)是向著大容量、輕量化、高效率、模塊化、智能化發(fā)展，并以提高可靠性、性能及拓寬用途為核心，效率和高功率密度（小型化）是國(guó)際弧焊逆變器追求的主要目標(biāo)之一，實(shí)現(xiàn)輕量化、小型化的最有效方式是提高逆變頻率。如果逆變頻率從40 kHz提高到100 kHz，電焊機(jī)電源的主變壓器體積和電抗器體積都可以減小一半。但是逆變頻率的升高也會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題，如：焊機(jī)電源成本的升高，從40 kHz到100 kHz，單從逆變器角度成本會(huì)升高40%，而且隨著逆變頻率升高，焊機(jī)的加工工藝必須提高，需要增加更多抗干擾措施，所以提高逆變頻率實(shí)現(xiàn)焊接電源的輕量化、小型化往往不是最佳方案［6］。

隨著焊接電源性能的不斷提高改善，電抗器磁心所使用的材質(zhì)也不斷變化。早期焊接電源電抗器鐵心大部分采用0.5 mm厚無(wú)取向硅鋼片，成本較低、應(yīng)用范圍廣，但體積大、質(zhì)量重。后期逆變電源發(fā)展較快，體積小、重量輕的電抗器被廣泛采用，首先是0.3 mm 無(wú)取向薄硅鋼片，后來(lái)是0.2 mm 有取向薄硅鋼片等封閉電抗器鐵心被一些小型化逆變焊接電源采用［1］。隨著對(duì)焊接性能要求的進(jìn)一步提高和新型磁心材料的發(fā)展，高磁導(dǎo)率、低損耗的鐵氧體磁心、非晶、納米晶以及均勻分布?xì)庀兜拇欧坌牡却判谋徊捎?，它們具有體積小、重量輕、磁性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。為了減小電抗器鐵心的尺寸，實(shí)現(xiàn)逆變電源的輕量化、小型化，且進(jìn)一步提高電弧的跟隨性，提高電流、電壓的響應(yīng)速度?，F(xiàn)有脈沖焊接控制算法是基于開(kāi)環(huán)和閉環(huán)電抗器基礎(chǔ)上提出來(lái)的，均采用電流單閉環(huán)控制，若采用兩個(gè)電抗器，將無(wú)法解決電流跟隨差的問(wèn)題，為此，在焊接電源中引入一種新型材料的電抗器磁心和脈沖控制算法是非常必要的。

1 電抗器的性能分析

電抗器的主要作用是濾波，保證焊接電流平穩(wěn)，即：在小電流焊接時(shí)，電抗器起到維持電弧的作用，避免焊接過(guò)程中發(fā)生斷弧。電抗器還有儲(chǔ)能作用，即在脈沖的死區(qū)給負(fù)載提供能量，并且平滑濾波，抑制電流的峰值。此外，電抗器的性能指標(biāo)影響電弧的跟隨性。電弧跟隨性好的電抗器容易引弧，而且焊接過(guò)程中電弧突然變長(zhǎng)也不容易導(dǎo)致斷弧，飛濺也較少［5］。電弧跟隨性差的電抗器，引弧時(shí)，焊絲容易粘在工件上，焊絲干伸長(zhǎng)稍大一些就不能引弧，焊接過(guò)程中電弧偶然變長(zhǎng)或焊絲干伸長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，就容易斷弧，有時(shí)飛濺較嚴(yán)重［3，10］。

1.1 現(xiàn)有材料電抗器的性能分析及優(yōu)缺點(diǎn)

現(xiàn)有40 kHz 的逆變電源一般采用一個(gè)閉環(huán)電抗器和一個(gè)開(kāi)環(huán)電抗器進(jìn)行串聯(lián)使用。閉環(huán)電抗器指磁心可以形成閉環(huán)回路的電抗器，可以是UU、UI、EI等磁心組合形成的閉環(huán)電抗器。開(kāi)環(huán)電抗器指磁心沒(méi)有形成環(huán)路、單一開(kāi)放磁心的電抗器。電感量計(jì)算公式為：

式中N為線(xiàn)圈匝數(shù)，S為磁心截面積，μ為磁心磁導(dǎo)率，lm為有效磁路長(zhǎng)度。

如圖1、圖2 所示，從兩個(gè)電抗器的電感量和電流的關(guān)系可以看出。小電流（0～100 A）時(shí)，閉環(huán)電抗器起主要作用，其電感量較大，可以起到小電流維持電弧的作用。大電流（300～550 A）時(shí)，閉環(huán)電抗器飽和，基本沒(méi)有電感量，開(kāi)環(huán)電抗器起主要作用，電流越大，其電感量越大，能保證電流的穩(wěn)定性，不會(huì)出現(xiàn)微小震蕩。

圖1 閉環(huán)電抗器的電感量和電流的曲線(xiàn)Fig.1 Curve of inductance and current of closed loop reactor

圖2 開(kāi)環(huán)電抗器的電感量和電流的曲線(xiàn)Fig.2 Curve of inductance and current of open loop reactor

脈沖焊接時(shí)，現(xiàn)有電抗器方案在電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)上也存在問(wèn)題。采用開(kāi)環(huán)、閉環(huán)電抗器串聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)的預(yù)置電流和實(shí)際電流的脈沖焊接波形如圖3所示，電流爬升過(guò)程中，實(shí)際電流的爬升速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于預(yù)置電流的爬升速度，最大差值可達(dá)90 A，實(shí)際電流的下降速度也滯后于預(yù)置電流的下降速度。造成這種現(xiàn)象的主要原因是：脈沖電流從基值往峰值爬升的過(guò)程中，閉環(huán)電抗器起主要作用，小電流時(shí)電感量大，對(duì)電流的爬升抑制作用比較明顯，導(dǎo)致實(shí)際電流上升斜率遠(yuǎn)低于預(yù)置電流。脈沖電流從峰值到基值下降過(guò)程同理，導(dǎo)致脈沖焊接電流波形的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，進(jìn)而影響電弧的跟隨性［9］。

圖3 開(kāi)環(huán)、閉環(huán)電抗器串聯(lián)結(jié)構(gòu)脈沖焊接波形Fig.3 Pulse welding waveform of open loop and closed loop reactor series structure

現(xiàn)有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)電抗器都采用了硅鋼片鐵心，質(zhì)量和體積非常大，兩個(gè)電抗器的總質(zhì)量為15 kg，而且兩個(gè)電抗器需要串聯(lián)安裝在焊機(jī)內(nèi)部使用，還需要考慮電抗器和機(jī)殼的絕緣問(wèn)題和電纜連接問(wèn)題，占據(jù)的空間大，不符合今后焊機(jī)發(fā)展的輕量化、小型化的要求。

針對(duì)使用現(xiàn)有電抗器在焊接過(guò)程中存在的問(wèn)題，需要找到一種新型材料的電抗器，既能實(shí)現(xiàn)焊機(jī)輕量化、小型化的要求，還可以提高脈沖電流的響應(yīng)速度和電弧的跟隨性。

1.2 新型材料電抗器的性能分析

通過(guò)不斷的探索和研究找到了一種NS類(lèi)鐵硅鋁磁粉心，該磁粉心由鐵硅鋁合金粉末與全無(wú)機(jī)絕緣劑組成，飽和磁通密度可以達(dá)到1 T以上，具有優(yōu)異的直流疊加特性，卓越的儲(chǔ)能能力，損耗功率低等特點(diǎn)。而且該磁心采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)疊加環(huán)形磁心的個(gè)數(shù)或改變繞制圈數(shù)來(lái)滿(mǎn)足電感量的要求，磁心質(zhì)量更輕、體積更小，滿(mǎn)足了輕量化、小型化的要求。

新型材料電抗器的電流和電感量曲線(xiàn)圖如圖4所示，新型材料電抗器電感量隨著電流的增加而減小。新型材料電抗器和原有閉環(huán)、開(kāi)環(huán)電抗器串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比具有以下特點(diǎn)：①小電流（0～100 A）時(shí)，新型材料電抗器電感量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原有方式電抗器的電感量；②大電流時(shí)新型材料電抗器電感量也非常小［2］。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)的動(dòng)態(tài)電感量分析，新型材料電抗器在脈沖焊接過(guò)程中的脈沖電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較好，電感量整體較小，對(duì)電流的抑制作用較小，但是可能會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：①小電流時(shí)電感量較小，脈沖焊接時(shí)，基值電流維弧困難，可能會(huì)斷弧；②大電流時(shí)電感量也小，峰值電流濾波效果不好。

圖4 新材料電抗器電流和電感量的曲線(xiàn)Fig.4 Curve of current and inductance of new material reactor

將新型材料的電抗器裝入整個(gè)焊接電源系統(tǒng)中，進(jìn)行實(shí)際焊接測(cè)試，焊接過(guò)程中實(shí)際電壓電流波形和預(yù)置電流波形如圖5 所示。分析可知，新材料電抗器電流爬升階段的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快，實(shí)際電流上升斜率和預(yù)置電流上升斜率基本重合，電弧跟隨性非常好，解決了使用原有電抗器電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，電弧跟隨性差等問(wèn)題。但在焊接過(guò)程中，焊絲干伸長(zhǎng)發(fā)生變化或電壓不穩(wěn)定時(shí)，峰值電流會(huì)有異常情況，針對(duì)該異常問(wèn)題提出了新的脈沖控制算法。

圖5 新材料電抗器預(yù)置電流和實(shí)際電流的脈沖焊接波形Fig.5 Pulse welding waveforms of preset current and actual with new material reactor

2 新型脈沖控制算法

2.1 脈沖焊接的過(guò)程分析

在脈沖焊接時(shí)，定電流控制分為4個(gè)階段：①電流爬升階段，使電流能快速的從基值爬升到峰值，保證電流上升斜率夠快；②峰值電流穩(wěn)定階段，保證實(shí)際峰值電流穩(wěn)定在預(yù)置峰值電流大小，不產(chǎn)生震蕩；③電流下降階段，電流從峰值下降到基值，保證下降斜率足夠快；④基值穩(wěn)定階段，保證實(shí)際基值電流穩(wěn)定在預(yù)置基值電流大?。?，7-8］。

焊絲標(biāo)準(zhǔn)干伸長(zhǎng)下穩(wěn)定焊接時(shí)的焊接電流、電壓波形如圖6所示。

圖6 預(yù)置電流、實(shí)際電流、輸出電壓波形Fig.6 Waveform of preset current，actual current，output voltage

2.2 使用新型材料電抗器焊接異常點(diǎn)分析

如圖7所示，在脈沖峰值電流穩(wěn)定階段，由于電流大，電壓也很高，當(dāng)焊絲不純、外電突然變化，或者焊絲干伸長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起焊接電壓的波動(dòng)，電壓的異常變化必然引起電流波動(dòng)，由于新型材料電抗器在焊接電流較大時(shí)，電感量小，濾波作用弱，峰值電流會(huì)出現(xiàn)震蕩，造成焊接異常。

圖7 產(chǎn)生異常電壓波形和焊絲干伸長(zhǎng)變化時(shí)，峰值電流震蕩波形Fig.7 Peak current oscillation waveform when abnormal voltage waveform occurs and wire extension changes

從焊接控制角度分析峰值電流震蕩的原因：脈沖焊接為恒電流控制，只對(duì)電流做運(yùn)算，如果電流降低，為了維持恒流輸出，需要增加PWM 開(kāi)通大小，使電流升高。如果電流升高，為了維持恒流輸出，需要減小PWM開(kāi)通大小，使電流減小。脈沖峰值電流穩(wěn)定階段，電流很大，電壓也高，當(dāng)峰值電壓產(chǎn)生異常情況時(shí)，如果使用原有開(kāi)環(huán)、閉環(huán)電抗器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，峰值電流時(shí)電感量比較大，能夠提供足夠的能量來(lái)抑制異常電壓情況下對(duì)電流產(chǎn)生的波動(dòng)，保證峰值電流的穩(wěn)定。但是新型材料的電抗器在峰值電流時(shí)，電感量非常小，對(duì)電流波動(dòng)的抑制作用弱。由于峰值電壓沒(méi)有參與反饋，輸出PWM的大小還是按照電壓變化前進(jìn)行開(kāi)通，則必然會(huì)引起電流的變化，因?yàn)槭呛汶娏骺刂?，只有?dāng)電流發(fā)生變化時(shí)，輸出PWM才會(huì)做出調(diào)整，電流控制響應(yīng)速度慢，所以會(huì)產(chǎn)生峰值電流震蕩。

針對(duì)峰值電流震蕩的異?，F(xiàn)象，提出將峰值電壓反饋和電流反饋共同作用于脈沖峰值電流穩(wěn)定階段的新型控制算法，來(lái)避免異?，F(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 新脈沖控制算法的時(shí)序分析

根據(jù)預(yù)置峰值電流大小，設(shè)定該峰值電流下的標(biāo)準(zhǔn)峰值電壓U峰值標(biāo)準(zhǔn)、峰值電壓下限值U峰值min、峰值電壓上限值U峰值max、電壓電流可能會(huì)產(chǎn)生三種情況的波動(dòng)，如圖8所示。

圖8 峰值電流產(chǎn)生震蕩的三種情況Fig.8 Three cases in which peak current produces oscillation

情況1：實(shí)際峰值電壓U峰值實(shí)際在U峰值標(biāo)準(zhǔn)上下微小波動(dòng)，且U峰值min

情況2：U峰值實(shí)際突然升高，且U峰值實(shí)際>U峰值max，電流會(huì)突然下降。

情況3：U峰值實(shí)際突然下降，且U峰值實(shí)際

針對(duì)峰值電流震蕩的三種情況，在脈沖峰值電流穩(wěn)定階段，峰值異常電壓出現(xiàn)時(shí)的控制流程如圖9所示。

控制算法時(shí)序說(shuō)明：

（1）根據(jù)預(yù)置脈沖峰值電流大小，確定該峰值電流條件下的U峰值標(biāo)準(zhǔn)、U峰值min、U峰值max。

（2）當(dāng)焊接進(jìn)入脈沖峰值電流穩(wěn)定階段后，開(kāi)啟電壓反饋，采集U峰值實(shí)際，與U標(biāo)準(zhǔn)峰值進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果相等，則按照原有控制方式進(jìn)行恒電流控制，若不相等則判定U峰值實(shí)際屬于哪個(gè)范圍值。

（3）當(dāng)U峰值min

（4）當(dāng)U峰值實(shí)際U峰值max時(shí)，采集I峰值實(shí)際，若I峰值實(shí)際等于I峰值預(yù)置，則按原有控制方式進(jìn)行恒電流控制，不相等則計(jì)算預(yù)輸出功率=U峰值實(shí)際*I峰值預(yù)置，使PWM 開(kāi)通大小等于預(yù)輸出功率所對(duì)應(yīng)的值，增大PWM的輸出，保證焊接電流的穩(wěn)定。

使用新型材料電抗器的焊機(jī)采用該新算法，進(jìn)行實(shí)際焊接測(cè)試時(shí)，實(shí)際焊接電流、電壓波形如圖10 所示。采用新算法后，實(shí)際電流波形的跟隨性好，電流上升階段和下降階段與預(yù)置電流波形基本重合，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重滯后的現(xiàn)象，而且電流峰值階段很穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)微小震蕩情況。

圖10 采用新型材料的電抗器和新脈沖控制算法后的脈沖焊接波形Fig.10 Pulse welding waveform withnew material reactor and new pulsecontrol algorithm

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)新型材料電抗器磁心的電感量動(dòng)態(tài)測(cè)試，該磁心能滿(mǎn)足工業(yè)電源的相關(guān)設(shè)計(jì)要求。和原有兩個(gè)電抗器串聯(lián)方案相比，該新型材料電抗器質(zhì)量減小20%。滿(mǎn)足了焊接電源輕量化、小型化的要求，對(duì)新型材料的電抗器進(jìn)行了大量的焊接實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有出現(xiàn)異常波形的情況，后期還需要對(duì)該材料的電抗器進(jìn)行溫升測(cè)試和耐久性測(cè)試來(lái)滿(mǎn)足后期量產(chǎn)的要求。

（2） 通過(guò)對(duì)該新材料電抗器進(jìn)行實(shí)際脈沖焊接測(cè)試，電流上升、下降響應(yīng)速度快，測(cè)試了不同峰值電流與基值電流的組合情況，均能滿(mǎn)足電流上升斜率和下降斜率的要求，焊接時(shí)電弧狀態(tài)穩(wěn)定、跟隨性好，很好的提高了焊接性能。

（3） 原有脈沖控制算法均采用電流單閉環(huán)控制，當(dāng)采用新型電抗器后，若采用原有控制算法會(huì)產(chǎn)出異常電流波形，如：當(dāng)有異常電壓出現(xiàn)或焊絲干伸長(zhǎng)變化時(shí)，峰值電流會(huì)微小震蕩或產(chǎn)出大的異常波動(dòng)，通過(guò)使用脈沖焊接新算法，保證了峰值電流的穩(wěn)定性，進(jìn)而提升了整個(gè)脈沖焊接電弧的穩(wěn)定性。