#$%&’() *$+,(-%-). /-%0 !1 2-0 " 3+40 5665 文章编号：1665765"C D 5665 E 6"766!"76! ·焊接设备与材料· !" $%&’ 超音频感应加热电源用于发电机绕组焊接的研究 沈锦飞，惠 晶，吴 雷 D 江南大学 信控学院，江苏 无锡 5186!F E 摘要：在大功率发电机生产行业，发电机绕组焊接工艺主要采用阻焊，其缺点是热效率低，焊接时间长，并且加热的温度不均匀， 影响焊接质量。感应加热焊接法具有精确的加热深度和加热表面积，不需要外部热源，因而热量损耗低、工作环境清洁，且容易实 现功率密集，因而加热时间短，容易实现生产过程的自动化。本文介绍的超音频感应逆变电焊机采用直流斩波调压方式，输出功率 可从零开始调节。逆变器输出频率采用频率跟踪控制，:;<* 工作在软开关状态，减小了 :;<* 的开关损耗，提高了整机的功率因 数，加热效率大大提高。 关键词：超音频感应加热；电焊机；:;<* 中图分类号：*;8!G0 G 文献标识码：< ! 概述 频感应逆变电焊机输出功率连续可调。为了适应在焊接过程 中 参 数 的 变 化 ， 感 应 线 圈 内 的 电 流 频 率 自 动 跟 踪 参 数 的 变 大功率发电机绕组焊接工艺是发电机生产的一个重要环 化，使感应线圈始终工作在最高效率状态。 节，焊接质量的好坏直接影响到发电机的寿命。目前国内在 大 功 率 发 电 机 生 产 行 业 ， 发 电 机 绕 组 焊 接 工 艺 主 要 采 用 阻 " 超音频感应逆变电焊机系统设计 焊，其缺点是热效率低，焊接时间长，并且加热的温度不均 匀，影响焊接质量。随着我国发电行业的飞速发展，对发电 图 5 是超音频感应逆变电焊机系统框图。图中交流电压 通过单相不可控整流电路转换为直流电压，通过直流斩波电 机的质量要求也越来越高，提高发电机绕组焊接工艺是发电 路进行功率调节，电流检测和电压检测信号通过模拟乘法器 机生产的一个重要环节。感应加热焊接法加热深度和加热表 转换成功率检测信号，和功率给定信号进行比较，其偏差通 面积精确，不需要外部热源，因而热量损耗低、工作环境清 洁，被焊接的铜排不需要和感应器接触，且容易实现功率密 集，因而加热时间短，容易实现生产过程的自动化。上世纪 96 年代起，随着大功率器件的发展，各国都竞相研制以半导 体功率器件为开关元件的逆变式高频感应加热电源。目前， 作为超音频感应逆变电焊机的功率开关器件主要有 :;<*。本 文 设 计 的 超 音 频 感 应 逆 变 电 焊 机 ， 应 用 先 进 的 电 力 电 子 技 术，选用国际著名公司生产的电子器件，采用功率因数高、 功率自动调节、频率自动跟踪的控制技术，具有体积小、效 率高、加热速度快等优点。 过 @:A 调节器进行调节，控制 @#B 的输出脉宽，从而改变直 流斩波电路的输出功率，形成功率闭环控制。@#B 移相控制 器产 生 高频 触 发 脉冲 ， 通过 驱 动电 路 驱 动 :;<* 的 导 通 与关 断 ， 将 直 流 电 压 逆 变 为 高 频 交 流 电 压 ， 通 过 高 频 变 压 器 耦 合，输出到感应器负载。 图 ! 发电机绕组焊接工艺示意图 图 1 为发电机绕组焊接工艺示意图。数 16 根发电机绕组 铜排端点固定在一起，中间嵌入焊片，然后放入超音频感应 图 " 超音频感应逆变电焊机系统框图 # 主电路设计 超音频感应逆变电焊机主电路如图 !。主电路分成功率调 节和功率逆变两部分。功率调节由二极管整流电路、@#B 斩 波电路、功率控制电路组成，功率逆变由 :;<* 逆变器、驱动 电路、频率跟踪控制电路及保护电路组成。为了得到高质量 的、稳定的直流电源，设计中采用了二极管整流，以实现从 逆变电 焊 机 的 感 应 线 圈 内 。 当 逆 变 电 焊 机 的 感 应 线 圈 通 过 交流电至直流电的转换。为了减小波纹系数，采用三相桥式 1 666 = 以 上 的 超 音 频 电 流 ， 发 电 机 绕 组 铜 排 连 同 焊 片 一 起 在 感 应 涡 流 的 作 用 下 迅 速 加 热 ， 56 > 左 右 ，铜排连同焊 片加热到 966 ? 左右，焊片熔化，然后经短时间保温自然冷 却，焊接完成。为了适应对各种规格铜排焊接的要求，超音 整流电路。虽然串联谐振逆变器的功率调节可以通过改变逆 变器的输出频率实现，但是实际应用中，这样做会使实际调 节 功 率 的 范 围 缩 小 ， 而 且 由 于 逆 变 器 工 作 在 非 谐 振 工 作 状 态，功率因数低，实际输出有功功率小，大大影响了加热效 收稿日期：5665768751 

·焊接设备与材料· !" 焊接技术 #$$# 年 %$ 月第 !% 卷第 & 期 果。本文研制的超音频感应逆变电焊机采用直流斩波，加大 调压范围，以实现通过调节电压来控制功率，调压主回路的 功 率 器 件 采 用 ’()*。 为 了 方 便 地 调 节 电 压 ， 设 计 中 采 用 了 +,- 调 压 方 式 ， 应 用 专 用 芯 片 来 产 生 不 同 占 空 比 的 方 波 信 号 ， 可 将 从 控 制 电 路 送 来 的 调 节 信 号 转 换 成 相 应 的 斩 波 信 号 。 ’()* 的 栅 极 驱 动 电 路 在 整 个 电 路 中 具 有 非 常 重 要 的 地 位，栅极驱动电路性能不好，常常造成 ’()* 的损坏，设计中 采用 ’()* 专用驱动电路，具有退饱和压降保护和过流保护功 能，与采用光耦或脉冲变压器相比，采用本驱动电路具有可 靠性高、受环境因素影响小、性能优良等优点。 得 $ * % #")%( 9 $4 #: #; # * %( #") 9 $4 #5! <7。 图 ! 直流斩波调压控制电路 在焊接过程中，随着铜排温度的升高，等效电阻 ( 在增 加，同时 # 变小，谐振频率增加，因此触发频率必须跟踪变 化，才能保证逆变器始终工作在谐振状态。 逆变器 控制驱动电路如图 &。 ’()* !%2 !#2 !!2 !1 上承受 图 # 超音频感应逆变电焊机主电路 超音频感应逆变电焊机的逆变器采用 ’()* 作为主电路开 关，运用单相逆变桥结构和 ./ 串联谐振电路，将直流逆变成 交流，并用高频变压器耦合输出，将电能转换成为热能。图 中， !% 0 !1 管， #$ 、 $$ 振逆变器工作在感性状态时，工作频率总是高于负载的谐振 为 ’()* 开关器件， !"% 0 !"1 为等效串联谐振负载。 在焊接过程中，当串联谐 为快恢复续流二极 频率。由于工作温度的变化，负载线圈的电参数将随时间而 变2 这将使逆变器偏离最佳工作点，因而不仅使逆变桥上 ’(3 )* 关断电流增加，引起关断损耗增大，而且当逆变器工作点 高于负载谐振点较远时，在一定的 % 值下，还会使负载阻抗 增大，逆变器的功率容量不能充分利用，因此本装置的逆变 控制电路具备频率跟踪功能，使逆变器的工作点保持在谐振 点附近，从而实现合理利用逆变器的功率容量。 ! 控制电路设计 14 % 直流斩波调压控制电路设计 直流斩波调压控制电路如图 1。图中 &’% 组成功率调节 组成电流调节器，限制逆 组成电流、功率双闭环控制系 器，稳定逆变器的输出功率， &’# 变器的动态电流， &’% 统。电流调节器 &’# 过 ’()* 驱动电路，控制 ’()* 的占空比。 14 # 逆变器控制与驱动电路 和 &’# 的输出控制 +,- 电路的输出脉宽，通 根据发电机绕组焊接工艺要求，逆变器的谐振频率定为 %5 678，考虑谐振回路元件的耐压，取谐振回路的品质因数 % 9 5，谐振回路等效电阻 ( 为 1 !，由 % ) * #" "#$ #" $ % ( % * 、 !# 、 +!1 、 +!# 、 !1 为 方 波 ， 电 流 是 正 弦 。 如 果 给 的 电 压 +!% 、 !! 、 +!! 驱动信号的周期与 #， $ 谐振周期一致，则 在电流过零 !% 电压与电流的相位差为零，’()* !% 时进行开关切换，可实现 =/> 动作，’()* 的开关损耗可大大 减小。当驱动信号频率高于谐振频率时，电流相位将滞后于 、 !1 、 !# 、 !! 电压，在 ’()* 的电压上升之前可关断 ’()*，实际上是零电 压关断。为了使超音频感应逆变电焊机在焊接过程中逆变器 始终工作在谐振状态，保证 ’()* 触发频率和 #， $ 谐振频率 始终一致，即谐振回路的电压和电流同相位，必须采取频率 ， !! 、 $# 跟踪措施。在图 & 中，由 +,- 专用芯片发出起动触发信号， 和 !# 经驱动电路进行功率放大，轮流触发 ’()* !% ， !1 导通。互感器 ,# 检测谐振回路的电流，经 (% 组成的相 位补偿电路，到零电压比较器 &’% 电流从正半波过零时，比较器 &’% 用芯片和驱动电路，触发 ’()* !% 输出低电平，经 +,- 专 电流从负半波过零时，比较器 &’% 导通。这样 ’()* 的驱 用芯片和驱动电路，触发 ’()* !# 动频率完全由谐振回路电流的频率决定。当在焊接过程中谐 输出高电平，经 +,- 专 导通。当谐振回路的 进行比较。当谐振回路的 ， !! ， !1 振回路的参数发生变化时，振荡频率跟随变化，经电流互感 器检测，频率跟踪电路及时调节触发频率，达到频率跟踪的 目的。 图 " 逆变器控制驱动电路 

#$%&’() *$+,(-%-). /-%0 !1 2-0 3 4+50 6776 文章编号：17768763T Q 6776 R 73877!"87! ·焊接设备与材料· !" 数 字 信 号 处 理 器 在 $%" 焊 接 中 的 应 用 张 勇 1，华学明 1，吴毅雄 1，于乾波 6 （10 上海交通大学 焊接工程研究所，上海 6777!7；60 南通三九焊接设备有限公司，江苏 南通 66:77: R 摘要：阐述了焊接过程信息数字处理控制思想。对数字信号处理器 （@AB）在 ;46 节、引弧和收弧模式、焊接参数的一元化自调节等方面进行了探讨。通过研究和样机试验，建立了一套焊接电源的数字化、信息 气体保护焊机中的应用：送丝系统的柔性化调 化、柔性化控制平台，并探讨了数字信号处理器（@AB）在 ;46 较好地满足了工艺性能，基本实现了焊机控制的数字化。 关键词：数字信号处理器；信息化；焊接过程 中图分类号：*F9990 "! 文献标识码：G 焊接领域中的应用优点和前景。试验证明，该系统工作稳定可靠， ! 前言 大、信息变化速度快，而且易受外界干扰的特点，存在很大 的不确定性，造成焊接过程的不稳定。为使控制系统能够适 上世纪末，现代焊接技术的发展引人注目，其中 ;46 气 应外界干扰，保证焊接过程稳定而生产出较好的焊缝，关键 体保护焊接技术的进步最为突出。由于电力电子技术、微电 问题是如何正确、迅速检测表征焊接过程稳定性的信号，并 子技术、计算机技术的广泛应用， ;46 为 典 型 的 机 电 一 体 化 产 品 。 有 的 工 业 发 达 国 家 ， 焊 接 机 械 气体保护焊机一跃成 能够采用一定的信号处理算法进行实时控制。据文献 >3 C D ? 报 道，可以通过分析电弧传感器的焊接电流、电弧电压信号来评 化、自动化程度已经达到 :7< 以上，电弧焊机中自动、半自 动焊机的构成比例已高达 =3< ，其中 ;46 气体保护焊机居主 导地位 > 1 ?。 @AB 芯片自 67 世纪 =7 年代出现以来，就以数字器件的 稳定性、可重复性、可大规模集成，特别是可编程和易于实 价引弧质量、电弧的稳定性、气体流量的稳定性、送丝的稳定 性、焊枪与工件的距离变化、装配间隙的变化、焊丝的对中 以及导电嘴的磨损状况等问题。 60 6 焊接过程信息的 @AB 实时提取与处理 为了能够保证焊接过程的稳定和达到良好的焊接工艺性 现实时处理等特点给数字信号处理的发展提供了技术基础。 能，就必须对焊接过程信息进行实时的提取与处理，形成闭 随着 @AB 运算速度的不断提高，能够实时处理的信号带宽不 断增大，数字信号处理也为高速实时控制提供了可能 > 6 ?。可 以预见将 @AB 芯片应用到焊接领域中将有着广阔的前景。 环系统进行实时控制。这就要求控制系统有足够的速度、反 应精度和灵敏性，而采用高速、高运算量的 @AB 芯片正好适 应了这一迫切的需求。实现这种信息化控制关键是信息的实 " 焊接过程信息数字信号处理的控制思想 60 1 焊接过程信息的多样性与不确定性 时采集和信息的实时处理方法等方面问题的解决。 信号处理的实质是对信号进行提取，目的是获取信号中 包 含 的 有 用 信 息 ， 采 用 如 功 率 谱 分 析 、 时 域 分 析 、 频 域 分 焊机控制的最终目的是获得优质的焊缝，与其他加工工 析、统计分析、小波变换、快速傅立叶变换等数字信号处理 艺相比焊接过程由于控制参数的交互作用以及模型的不确定 方法。实时信号处理就是必须在有限的时间内对外面输入信 性，往往很难精确地描述焊接过程，使得焊缝很难达到一致 号完成指定的处理，即要求信号处理的速度必须大于或等于 性，焊接过程稳定性较差。传统的焊接控制方法是通过试验 输入信号的更新速度。 确定焊接工艺参数，然后在生产中限制这些工艺参数变化在 一 定 范 围 内 来 保 证 焊 接 质 量 。 但 实 际 焊 接 过 程 具 有 信 息 量 60 ! 以 @AB 为基的 ;46 短路过渡焊接过程信息化控制系统 由于 ;46 短路过渡气保护焊的焊接电流和电弧电压蕴藏 收稿日期：677687986: ################################################################################################# 参考文献： # 结论 > 1 ? 吴兆麟，林 刚，兰 奎 0 串联逆变式高频感应加热电源 > O ? 0 电 本文介绍的超音频感应逆变电焊机，采用了直流斩波调 力电子技术P 1DD9P Q 1 R 0 压方式，输出功率可从零开始调节。逆变器输出频率采用频 > 6 ? 曲稳太，诸 静 0 大功率 EFG* 高频逆变电焊机的研究 > O ? 0 电力 率跟踪控制， EFG* 工作在软开关状态，减小了 EFG* 的开关 损耗，提高了整机的功率因数，加热效率大大提高。通过对 67 根 6 排 ， 每 根 规 格 为 = HH I 3 HH 的 电 动 机 绕 组 铜 排 进 行焊接试验，试验结果表明，当逆变器输入直流电压为 977 / 时 ， 谐 振 回 路 中 的 电 流 达 到 "3 J， 谐 振 频 率 为 1=0 : KLM， 焊 接 时 间 为 61 N， 功 率 因 数 达 到 70 D 以 上 ， 满 足 了 设 计要求。 电子技术，6771， Q 6 R 0 > !?刘志儒P 卢锦宝 0 金属感应热处理>S?0 北京：机械工业出版社，1D=30 > 9 ? 叶慧 贞，杨兴洲 0 新颖开关 稳压电源 > S ? 0 北京 ：国防工业 出版 社 0 1DDD0 作 者简 介：沈 锦飞 Q 1D33 — R ，男 ，副 教授 ，硕 士， 主要 从事 电力 电 子技术和电气控制的教学与科研工作 0