（材料加工工程专业论文）igbt式动态电弧电子模拟负载的研究.pdf

摘要 摘要 弧焊电源动特性直接影响到电弧的稳定燃烧和焊缝的成形、飞溅， 因此动特性的评定是一个关键性的问题。然而，迄今为止仍没有一个理 想的数量化的国际标准。论文分析了当前动特性的评定方法，并提出了 一种新的评定方法。该方法是采用绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 作为可变电 阻来模拟实际焊接过程中电弧的动态变化，然后再通过对电源的动态参 数进行特征信息的提取来进行综合评判。 论文通过分析了焊接电弧的特性，尤其是具有短路过渡的熔化极电弧 焊电弧的动态特性与i g b t 的特性，对两者的匹配性进行比较，确定了用 i g b t 来模拟焊接电弧动态过程的可行性。同时，还给出两种i g b t 的性 能测试方法以及讨论了给定信号u 。和i g b t 的阻值r 之间的对应关系。 整个实验分成二步进行：首先是采集电源施焊时的电流、电压波形以 及单片机的给定与i g b t 阻值之间的关系；其次就是通过单片机的编程， 模拟实焊时的电流、电压波形。 通过大量的实验证明，用i g b t 可以模拟焊接电弧的电流、电压动态 变化。 关键词：电子模拟负载；i g b t ；动特性 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co ft h ear c w e l d i n gp o w e r s o ur c e a f f e c t st h es t e a d yb u r n i n go fw e l d i n ga r ca n dt h e f i g u r a t i o no fw e l d i n g i i n ed ir e c t s ot h ee v a i u a t i o no ft h ed y n a m i cc h a r a c t er i s t j ci sak e y p r o b l e m i th a s n oi d e a ld i g i t a ls t a n d a r du n t i ln o w 。i ti sa n a l y z e da b o u t t h ee v a l u a t i o nm e t h o dn o wa n db r o u g h ta w a r d an e wm e t h o d i ti su s e d t h a ti g b ta sr h e o s t a tc a ns i m u l a t ea c t u a lc h a n g eo ft h ew e l d i n ga r c a n de v a l u a t e dt h ed y n a m i cc h a r a c t er i s t i c b y e x t r a c t i n g t h ed y n a m i c e l e c t r o n i cp a r a m e t e ro ft h ea r cw e l d i n gp o w e rs o ur c e 。 t h em a t c h i n gp e r f or m a n c eb e t w e e nt h ew e l d i n ga r ca n dt h ei g b t i sp r e p a r e db ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t er i s t i co ft h ew e l d i n ga r ca n dt h e i g b t e s p e c i a l l yt h ec h a r a c t er i $ t i co ft h em e t a lw e l d i n ga r cw i t hs h o r t t r a n s i t i o n 。i tl sd e c i d e dt h ef e a s i b i l i t yt h a tu s e dt h eig b ts i m u l a t i n g t h ew e l d i n ga r c i ti s g i v e nt w om e t h o d st h a tt e s tt h ep e r f or m a n c eo f t h ei gb ta n dd i s c u s s e dt h ee o f r e s p o n c l i n g r e l a t i o nb e t w e e n 拶落a n d r t h e e x p e r i m e n t h a st w o s t e p s ：f i r s t ，w e a r e c o l l e c t i n g t h e w a v e f o r mo ft h ec u r r e n ta n d v o l t a g e i n w e l d i n g a n d f i n d i n g t h e e o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n b e t w e e ne v a l u a t ea n d昱；t h es e c o n d ，w ea r e s i m u l a t i n g t h ew a v e f or mo ft h ec u r r e n ta n d v o l t a g e i n w e l d i n gb y p r o g r a m m i n g 。 i ti s p r o v e dt h a tt h ei g b t c a ns i m u l a t et h ew a v e f o r mo ft h ec ur r e n t a n dv o l t a g ei nw e l d i n g 。 k e y w o r d s ：e l e c t r o n i ca n a l o gl o a d ，i g b t ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c 兰垒兰兰垦型竺至塑 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 带蛳 日期：。n ；年月6 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：沸坼 导师签名： 萋压也 日期：o n ；年6 月5 日 日期：j 。3 年月7 日 篱一章鼙逾 第一章绪论 。 本襟趣援出的鹜罴及实际意袋 警今，辫棱露为撬馘餐逡王犍孛一门莲懿瓣餐遗搜拳，亵簧王藏溪 串鄂占有彗礤霹或凝鹣璧灏蟪穗。蒋粼姆电源又是缀袋媸攘系统豹挟， 部努，繇嚣魄瀛戆特浚获霆蔫簿接过鬟鼹誉麟懿黪逡褥，戆囊获褥瀵惑 瓣王麓效果，缳诞辫接袋爨，艨驻蔼 究其姆矬豢是瀑按磷巍中豹 个鬟娶溱惩。辩邀添黪经鹣攮述一黢氆蓬溪方瑟匏武澄，勰魄源靛豁特 性帮龄糁戮) 霸毫源静动特糖，电源搏特瞧黝撼述琏：较簿攀，耐对予激 源瀵黪犍懿攘遮鬟 l 滋较霭髌，戮毽藤失史遥来意理想黪数凝饶的溪瓣檬 准。 鞭烽瞧滚秘特性黪定义蘧：辑谬摊浮邀滁戆凌将疑，憝搔惑撩受装 敞杰羧叟突熬变毒毂嚣寸，弧浑魄溅输患电嚣与魄滚麴啭藏过程“3 ，褥戳掰 弧簿曦源靛辍感瞧溅黎壤耀辩孵鬻瓣关系，帮鼯，= ，抟、 ，一，鳓来袭零。 它说骥了弧辫电源瓣受载辫燮鹃遥庭缝力，弼j l 重予基裔熔游瓣踌过渡麴 薅豫壤壤弧爆，毫援受鼗楚个空鼗一短鼹一燃瓤一番路不辩重复捺动 态负载，因她对弧挥电源麴渤态特馁静报离酌要求，它褥囊接影嚷劐辫 按j 霪稷懿稳定瞧帮辫攘袋爨、效率乃至成本。 霸兹，敬毯对瓤辫魄源动静性好蕊瓣译定，一鼹技耩雄撩祷进行， 毽鸯不j 少文献捺懋篡黪不缝壤确媲爱软邀澡煞动态蠖戆；二怒睡窍经骚 的斑工经试爝薏徽漱谨价，掰谓渤特矬好，就是弹接过程稳定、飞溅小、 簿缝成形好，懿是迭耱方法艇封寝大戆个太主鼹成分：三是痰撵工试游 器，遗遥提取电蕊中与鞭焊电滚的旗黪瞧相荧辩褥镪髅惑求避行褥定， 戴釉方法较受密蕊，键是试验驰旗荣羹囊瞧嫠。阕对，方法= 窝方法三 都楚褥要赢接避葺予试辫，送榉不莰会浪费入力竣及甥力，褥慧遥会蹙弱 终赛的若干主蕊及寮溪戳索瓣影喻。蹲予成批生产辫撬酶工厂，采麓这 两耪方法，强熬崧经济土霖麓了一定筑恁力。 鞋蔫，凌我霞纳汽萃舒靛，辩汽车性熊( 包括零辘静旗淼将瞧) 瓣 灞试形成了一懿套瀵静方法，其中龟括道潞旗摇安验台* 邋路模瓠癸 验台簸罨将熬车嚣予试黢螽穗士，使絮辆产生与赣瑟行驶条静稳同敬掇 动。糙弼遮辩试验系娩哥麓车辆工程栽拳天爨撬镶一个可控褥、可瓣爨 复斡搬秘筇壤，这释扳动较绥邋实率王佟条髂。霞i ；| i 霹癸臻辩终密每邀 黯试羧室内纯，霞予攀赣工疆拽零天员在试验中溪察车辆耪穗帮靛麓， 华南理工大学工学弼4 士学位论文 达到测试汽车性能的目的3 。借鉴此恩想，本课题提出了模拟负载的概 念，酆不雳= i | 妻接进纷焊接，采用电子器件取代电弧，模拟焊接中电弧静 实际变化，来达至评定弧焊电源动特歉的目的。在这样的条件下，实骏 翦重复性好，不仅滤掉了外界的各釉于扰因素，同对还具有良好的客观 性。此外，述节省了相应的入力以及裙力。而在实际生产过程中，利用 动态电子模拟负载可以建立动特性的评定标准，同时排除了评定时送致 机、电缆等非电源的外界干扰，为评溆大批澄焊机的动特性提供了极大 的方便。 1 2 弧焊电源动特性评定的研究现状 考查目前电源渤特性酶灏定方法，一般大致可分为二萃串： 1 2 1 直接测定法 逝接测定法中宥主观和客观之分。主观髓接测定法，郾由有经验的 焊工贼工程技术人员在试焊后根据实隧效果来做出评价，所谓动特性好， 一般指焊接过程稳定、飞溅小、焊缝成形好等，但评定的结果暴有很大 的主观成分和不确定性，因此采用这种方法采评定弧焊电源的动态性能 并不科学“。 客观直接测定法是指从实琢焊接过程中崽接测得的电弧电流和电聪 等动态参数中提取反映弧焊电源动态髓能的特征信慧，献而对电源做磁 判断。客观测定法的关键在于焊接过糕中电信号的准确采集和有效特，征 信息孵提取。随着电子技术、计算祝技术静发展，辩弧辉电源奄信号静 高速准确采集慢慢成为现实。豳内外融经出现了以微型计算机为核心的 铡试分析仪器，英中良德国汉诺威大学的汉诺藏弧绎分轿便为代表，它 具有采样速率及糙鹰高，数据处理方法科学的特点。而国内华南理工大 学税城工程学院研究开发静孤孵过程惫弧分轿系统瓷同群兵有采样t 陕、 精度高的特点，同时还具有实时监测的功能，能做到对焊接过程中的每 一小袋细节乃至每一次熔漓过渡帮哥强遂行精确分轿，获i 嚣为臻纯挥羧 工艺参数提供了可靠的依据“1 。而对有效特征信息的提取，由予焊接过 程的复杂往，缝戒弹接系统静嚣释霞豢砉器会j 萋接袋鞫接穗彩稳蘩滓接避 程电信号变化，因此寻找合适的信号处理方法以提取所需的信恩便成为 这凡年动特往蛩 究过程审瓣难点与重淼。国内癸学嚣提出了不少戆方法， 但是多数都较为简单，对整个焊接过程信息的提取不够全面。下面介绍 豹是袋运足年提出稳有效姆薤攘愚提取方法。 2 第一章绪论 1 2 1 1 统计分析法 统计分析法是对焊接过程电信号的各种参数进行统计，找出参数的 概率分布规律，将各种参数的分布规律与人的经验相结合，对统计结果 进行分析，提取电弧的各种特征信息“1 。统计分析法主要应用在对c o 。保 护焊的短路过渡过程。 对于熔滴短路过渡的c 0 。焊，进行统计分析的变量主要有：电孤电压 瞬时值“( f ) ；焊接电流瞬时值i ( t ) ：短路时间t l ；燃弧时间t ，；周期时间t ，。 图1 1 是上述焊接过程电信号的时间变量的定义及其瞬时值统计方法的 示意图，图中左边部分为电弧电压瞬时值的概率密度分布直方图，其中 各方柱反映了电弧电压值落在各分组中的采样点数占总采样点数的百分 率，总和为1 。这些变量进行统计分析后能够得到：电弧电压的概率分布； 焊接电流的概率密度分布；短路时间的频率分布；周期时间的频率分布 等”1 。通过这些概率分布所提取的特征信息有：重燃弧电压特征信息u 。： 小焊接电流特征信息屯。；短路峰值电流过大特征信息l ；瞬时短路频率 特征信息e ；正常短路特征信息k 、0 ，。、e 。由于影响弧焊电源实际焊 接效果的各因素之间的关系是相互的，因此所提取的各特征信息之间也 是相关的，不可绝对地分开。因此，综合所提取的各特征信息，可以得 到一个统计特征向量d ，每一焊接过程都可以用这一特征向量来表征， r 一 1 q = 。，l 。，c ，j a 正 r 。d 。弋= 图卜l时间变量的定义及信号瞬时值统计方法示意图 f i g 1 1 s k e t c hm a po fd e f i n i t i o no ft h et i m ev a r i a t i o n sa n ds t a t i s t i c a l a n a l y s i sm e t h o d o ft h es i g n 8 1 18 1 m p i _ t u d e 实验研究结果表明，通过b 的变化可以评定电源的动特性。当动特 s_u警号2 华南理工大学工学硕士学位论文 性变化时，备特征倍息的擞著性大小也发生交化，总的变化趋势悬当f 。、 、名、鬈、薯抽豹鬟著挂较夺，瓠豹显餮性在3 0 0 0 罄s 左右，墨静 湿著性较大时，焊接过程越稳定，飞溅越小，焊缝成形越好，弧焊电源 的动特性越好；反之，则电源的动特散越差。另外，通过实验证明，嘏 弧电羼的概率密度分布、焊接电流的概率密废分布、短路时间的频率分 布对动特性的变忧较敏感1 。 1 。2 ，1 。2 子波分枣 法 子波分析又称为小波分析，疑基本慝想是糟一予波函数毪。( f ) 代替傅 里时交换中靛正交基8 ”去表示或逼近一信号。与傅羼叶变换、窗口傅里 叶变换相比，子波分析更适于俯号的局部分析，如滤波、检测、特征摄 取等“3 。 在焊接电源特性分析中，子波分析可用于电源电信号的滤波、消噪等 预处瑗“1 “。如图l 2 ( a ) 为c o 。焊电弧电臌原始波形示慧图，图l 一2 ( b ) 为采用子波变换法对e o 。烯电孤电压滤波后得鄯的电捱波形。如圈 所示，采用子波变换消嗓不仅滤除了信号中的噪声，而且保留了信号中 的特征信息。 另终，用子波变换模极大值，不仅能够检测信号的局部奇异性，而且 还可以将其作为信号的信息特征提取出来“。匿l 一3 为c o 。焊接电流髂 号经5 级子波交换膳所褥的结果。 萋1 2 子渡燮撰滤波电基波缪圈 f i g 。1 - 2f i l t e rw a v e f o r m o fa r cv o l t a g ew i t hw a v e l e tt r a n s f or m 4 第一章绪论 二丕习 图卜3 焊接电流子波变换示意图 f i g 1 - 3s k e t c hm a p o fc u r r 8 n tw a v e f o r mw i t hw a v e l e tt r a n s f o r m 比较这两种方法，统计分析的方法直观性好，但提取特征信息多依赖 于人的经验，同时还会丢信号的时变信息，不能反映信号随时问变化的 特征，对于动特性评定而言，这一信息又是非常重要的；子波分析法通 过子波变换系数模极大值对信号奇异性的检测能有效地提取信号局部信 息，但是会丢失信号在幅值域与时间域内缓变的特征信息。另外，不论 是用专家系统，模糊推理，还是人工神经网络系统在对特征信息处理后 的评价只能是定性的，而不能定量，因此评价的量化还有待解决。 1 2 1 3谱分析法 谱分析是通过傅里叶变换，将时域上信号转换到频域里来研究弧焊过 程中电信号的某些特征随频率的分布，如幅度谱、功率谱等。 通过信号的谱分析，可用于焊接电流、电弧电压等信号的滤波、消噪 等预处理。还可以利用傅里叶变换从焊接过程中的焊接电流、电弧电压 信号中间检测出高次谐波信号或提取信号在频域上分布的特征信息。 虽然傅里叶变换是一种较成熟的信号处理，但由于傅里叶变换不能对 信号进行局部分析，因此不能提取焊接过程中的局部信息。同时，利用 傅里叶变换进行滤波、消噪等预处理时，还会把有用的高频信息和干扰 一起滤掉。 1 2 2间接测定法 即不进行实际的焊接，而是采用某些装置模拟焊接过程中的负载， 只对弧焊电源本身进行研究，用某些特定的指标描述电源的动特性。这 些模拟负载的电气性能与真实电弧一样，但是避免掉了熔滴过渡等随机 因素的干扰”3 。 把弧焊电源本身作为一个独立的系统来考察，研究其特性，这样能 华南理工大学工学硪士学位论文 够对弧焊电源本身的特性作全面的了解。间接测定法中，按测试方法又 可分淹聪域滚_ 季珏频域法。 1 2 2 1时域法 鼯蹬跃喧瘟溺试方滚。测建电源凌空载一短路，受载一短路等过程 中的电流或电压的响应，并以某些特定的时域指标来描述电源的动特 性。翅由于其撵椽爨建立大多怒一耪经验豹选择恧苓具毒严辏豹辏理意 义，因而对电源特性缺乏全面的了解。如我国目前常用j 。，j ，这一特征 参数来搓遽援爆媳源麴波特性。对姥指标热潋分掇，见图1 4 。强枣 所示的是两种不同焊机的负载歪短路时的电流波彤，由图中可以看出两 静姆机的特征参数f 。，f ，是一栉的，然两其湖特性却有很大差别。由此 说明，。，这一指标是不能准确地反映电源渤态性能的。对此，国内外 豹学者擞了丈量躲实验研究来慰原有的指搽避雩亍修正，希望能绘出新的 更能反映实际焊接效果的指标。然而，新的指标仍是采用实验研究的方 法按经验确立的，并不麟准确表明弧焊电滚的动态品质“。 1 l _ 圈l 一4 电流波形示意瞬 f i g 。1 4s k e t c hm a p o fc u r r e n tw a v e f o r m 1 2 2 2籁域法 该方法是通过弱抟递函数来描述电源瓣羚、旗特性。传递丞数攒 述了输入与输出之间的关系，表征了系统的动、静懑性能，若把弧焊电 源豹输出电攫视燕羧入镑号，电流视淹输出傣号，则可借用传迸函数的 概念来研究电源输出电雁与电流之间的关系，把电源外特性曲线与传递 函数的概念媚结合，裁可形残一套比较科学的电源撼述方法。 频域法中是采用试验方法测试电源传递函数的，试验中通过控制照 控受载上豹邀压降在某王终点上按正弦援律变化，熙频率从0 。h z 缓 慢变化，观祭其电流的响应，分别测出幅值比与相位差，以得到电源盼 蝠频特性帮捆颡特性，对不周电源的测试结浆一频率特性曲线如图1 5 6 下，；一 第一章绪论 所示。然后应用自动控制原理中的有关理论，对测试结果进行拟合，从 而得到表征弧焊电源特性的传递函数。拟合的传递函数可以比较准确、 全面地描述弧焊电源的特性。但是传递函数不易获得，而且运用实验测 试法获取频率曲线也较复杂。同时，对传递函数与焊接工艺性能之间的 联系缺乏了解，还有待进一步的研究工作。因此，频域法的应用还存在 着一定的局限性。 图卜5实测的不同弧焊电源频率特性曲线 f i g 1 5a c t u a lt e s t e df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cc u r y e so fv a r l o u sa r c w e i d i n gp o w e r8 0 u r c e 1 3 电子模拟负载的研究现状 凡是能够消耗能量的器件都可以统称为负载。而电子负载即为能消耗 电能的负载油1 ，传统上一般为静态负载( 如电阻、电阻箱、滑线变阻器 等) ，而由于实际负载的形式较为复杂，通常都是动态的，即负载随时问 在不断地变化，如焊接过程中，电弧作为一个感性负载，阻值是随时间 不断地变化的，且阻值变化有其自身的规律。所以近些年国内外学者研 究出多种可模拟动态负载的电子负载。以下简略介绍几种有代表性的电 子负载： 一、晶体管式电子模拟负载 文献 1 0 中利用大功率晶体管作为一个电子负载，见图1 6 。如图 所示，晶体管作为负载连接电池和光电装置，u 。是加在晶体管基极和集 电极的电压，u 。，是光电装置上的压降。通过触发单元来调节，从而达 到调节u 。的目的，使得u 。的变化接近短路和开路两种工作状态。参见式 】一1 。 u p = u k u m 沪 华南理工犬学工学硕士学位论文 圈1 6 负载示意固 f i g 1 - 6s c h e m a t l co fl o a d 在文麸【i i 孛，耀襻爨塞鑫抟善终为邀子受载，邋过毫浚反缓皋实觋 一个恒流放电负载。见图i 一7 。 图1 - 7电子负载电路原理图 f i g 。1 - 7p r i n c i p l es c h e m a t i co fe l e c t r o n i cl o a dc i r c u i t 夜文献 9 中，由大功率晶体管构成的功率恒流源充当负载，通过吸 牧电滚提供豹丈龟滚，扶嚣模数复杂豹受载澎式。鄹透过姆煌基、癯凌、 恒阻误差信号经过放大，再送入逻辑或控制电路，用选中的误差信号来 疆整鹣俸警爨奄囊鏊，数这翻搂l 彗l 变纯受载戆霆粒。瞧是该邀子受载主要 是针对仪表测试行业的研究工作，模拟的负溅变化舰则，一般呈线性变 纯，瓣予龚线牲变他戆受载列不逶弱。 从以上的文献中可知，他们的共同点就是采用晶体管作为电子负载， 苓嚣程予实凌豹方茂苓震。魏多 ，晶豁营还存在豹耀题在予它懿渥度系 数为负，因此在使用过程中需要考虑的问题逐有温度的补偿。 二、溺效应篱式霹变毫阻 场效应晶体管( m o s f e t ) 工作在不饱和区时，漏极与源极之间的伏安 第一章绪论 特性可以看作是一个受栅源电压控制的可变电阻。伏安特性曲线的斜率 基本取决于栅源电压，阻值可跨越3 5 个数量级。因此，该区域又可称 为可调电阻区。用m o s f e t 做可变电阻具有工作速度快，可靠性好和控制 灵敏度高等优点，而且既无机械触点，也无运动部件，噪声低，寿命长1 。 但是w o s f e t 的通态电阻较大，且负载电流较小。 文献 1 3 中，给出了传统的以m o s f e t 作为电子负载的原理图，见图 1 8 。由图可以看出，通过运放及反馈来控制m o s f e t 的栅极电压，从而 达到其内阻变化的目的。 b tp a _ e ， s _ p p 妇 一 l o 咧t 鳓 黼ri + 亍 图卜8电子负载模拟图 f i g 1 - 8s k e t c hm a po fe l e c t r o n i cl o a d 三、能馈式电子模拟功率负载 文献 1 4 中模拟负载的主要功能是完成通信电源的出厂试验。图1 9 为电子负载试验系统示意图。 以 且谳母臻【刚】 b 广呻 被试通信电源 ， 。 负载模拟单元 c 能量流动方向 图1 - g电子负载试验系统示意图 f l g 1 - 9s k e t c hm a p o fe l e c t r o n i ci o a ds y s t e m 图中的“负载模拟单元”所模拟的负载可以等效为电感和电阻的串联， 可以分别模拟阻感负载和电阻负载。其原理在于，先建立阻感负载和电 阻负载的数字模型，见式l 一2 和1 3 。 9 羽辑螗倒吕8c 辖蟪倒b n 华南理工大学工学顿士学位论文 f 一! 生( 1 十e _ )( 1 2 ) 置 j ：堕( 1 - 3 ) 震 然后设定直流侧电压玑恒定，电网电压在一定范围内悔定，按照l 三 上 遁式，逶过控制逆变电源豹电流输出，从两达到控制电阻的变化。虽然 该负载有节约能源的目的，但是前提条件在予必须掌握可变电阻的数字 模型，对一然数学摸型尚朱清楚的可变电阻磁言，驻然监方法鲍应用裔 些困难。同时，对于模拟负载的变化率在文献中并没有箍殿。 。4 本课题的研究态容 融1 2 分析可见，采用直接测定法评定弧焊电源动特性，一是不能 兼顾魄弧在时域和颁域的变纯分析，二是量化的闻越还没有得到很好的 解决；如果采用间接测定法评定动特性，则照评定指标不够客观，不熊 完全反映电源的动态特德，二怒传递鬣数的测量帮获取都十分复杂，覆 且传递函数与工艺性能之问的关系还缺乏了解。鉴于这种现状，借鉴汽 车行簸酶现行瓣试方法趱出了一种薪静评定方法，该方法攘采焉绝缘瓣 双极晶体管( i g b t ) 作为w 变电阻来模拟实际焊接过程中电弧的动态变 纯，然后霉邋过对邀源酶虢态参数遴行特征穰惠的撬敬来进行综念评鬟。 如图1 1 0 所示，在测试过程中用i g b t 作为负载取代实际中的电弧，通 过控稍电臻经i g b t 嚣端翁毫歪、电流交往完会按爨彀孤在蜜舔孛豹变豫。 嘲l - i 0电子模拟负载结构框嘲 f i g 1 - 10b l o c kd i a g r a mo fe l e c t r o n i ca n a l o gl o a d 焊接电弧是接程电源上的2 个电极之间产生的气体介殿的强烈放电现 象“。对予任一毫弧，冀嚣端帮有一定的毫蘧及京一定静电滚遴过，灏 此，电弧可以看成是一个动态变化的电阻。以c o 。气体保护焊为例，下面 1 0 第一章续论 是焊接过程中电弧电压和电流的实测波形( 聚用弧焊过程电信号分析系 统澍褥) 。 图卜l lc o * 焊实测电流、电压波形 f i g 。1 - 1 1w a v a f o r mo fa ( ：t u a la r cc u r r e n ta n dv o l t a g eo fc 0 2 出图l l l 可以看出，在焊接过程中，一赢能测到电弧两端的电压以 及通过电弧的电流。因此，就可以通过实测波形得到把它看成麓电阻时 的阻值变化。( n b c 一2 0 0 ) i g b t 是m o s f e t 和晶体管技术结合而成的复合型器件，属于甑压控谁9 型器件，响应速度非常快。当1 6 b t 工作在不饱和区时，射极与集极之间 豹茯安待毪冒戳著作是一个受稀援电藤移。羧制静可变电隧，因魏可鞋将 该区域称为可调电阻区。图1 1 2 为1 6 b t 的转移特性，由图可知，随精 u 。翡增大，i g b t 的隰德是逐渐藏小瀚。当邋过徽飘给定信号控潮u 。变 化时，可以使得i g b t 的阻值变化与焊接过程中电弧的阻傲变化栩同。 t - u l - ，v 鹜l 1 2i g b t 转移符牲 f i g 1 12t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co fi g b t 这样，i g b t 硬w 潋俸为一个模拟负载取代实际毫弧霜予动特穗测试电 路中。如图1 1 0 所示，将事先已测得的电弧阻值变化通过可编程波形 华南理工大学工学硕士学位论文 发生器控制i g b t 的阻值变化，再采用实时测试与分析系统测出模拟负载 的实际电流、电压波形，再对波形进行分析，从而可以判断出弧焊电源 的动态特性。 通过设定、模拟不同焊接条件下的负载变化动态曲线，可以测定分析 出弧焊电源对不同焊接方法的动态反应。建立起标准动态特性数据库， 可为弧焊电源动态特性提供参考和评判标准。 该方法与客观直接测试法相比，这种新方法将电源看作是个独立的 系统，滤掉各种随机因素的干扰，使得实验结果的重复性和直观性都很 好；与间接测试法相比，时域法只能模拟“空载一短路”，“短路一空载” 这两个瞬时的过程，而且选取的电阻阻值和变化时间等参数是人为选取 的，具有一定的主观性，而该方法则通过微机控制可以模拟整个弧焊的 实际过程，不会丢失弧焊过程中时域和频域上的变化信息，同时也可以 避免复杂的传递函数的测定过程。另外，该方法还可以作为个客观评 定依据，对焊机进行性能测试。所以，这种思路应该会有良好的前景。 1 2 电子模拟负载与焊接电弧的匹配性分析 第二章电子模拟负载与焊接电弧的匹配性分析 2 1焊接电弧动态特性分析 2 1 1 焊接电弧动态特性分析 电弧是电弧焊接的热源，是在一定条件下电荷通过两电极间气体空间 的一种导电过程。它作为一种物理现象是在1 9 世纪初被发现的，虽然经 过2 个多世纪的发展，焊接已成为一种材料加工的主要手段，但是其数 学模型均是在忽略很多影响因素下给出的，而且是针对不同的焊接过程 给出不同的数学模型，缺乏统一性。多数情况下只能对电弧的电特性进 行分析，电弧的电特性包括静特性和动特性。 焊接电弧的静特性是指一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压u ， 与电弧电流，之间的关系，用公式表示为：u ，= f ( i ，) 。焊接电弧的静特 性曲线近似呈u 形曲线，分别有下降特性段，平特性段，和上升特性段。 而影响电弧静特性的因素有：电弧长度的影响；周围气体种类的影响； 周围气体介质压力的影响。 焊接电弧的动特性是指在一定的弧长下，当电弧电流很陕变化的时 候，电弧电压与电流瞬时值之间的关系，用公式表示为：u ，= f ( i ，) 。当 电流变化很快时，由于电弧热惯性的作用( 所谓热惯性是指随着电流的 增加，使电弧空间的温度升高，由于后者变化总是慢于前者，因此称这 种现象为热惯性) ，电压略高或略低于静特性的电压值。当电流上升时， 动特性曲线上的电压高于静特性曲线上的电压；反之，当电流下降时， 动特性曲线上的电压低于静特性曲线上的电压。所以动特性的曲线取决 于电流变化的速率，电流变化速率越小，电弧的静、动特性曲线越接近。 由焊接电弧的电特性曲线可知，虽然焊接电弧是一个非线性负载，但 是“，和i ，之间存在有一一的对应关系，那么我们模拟电弧时可以跳过建立 电弧数学模型的过程，直接寻求电弧的外在表现，即其作为负载时阻值 的变化。换句话来说，就是无论电弧是一个什么负载，只要对应有一定 的“，和f ，就会有一定的阻值，然后通过对阻值的模拟来达到模拟电弧的 目的。 2 1 2 具有短路过渡的熔化极焊的电弧动态特性分析 设计模拟电子负载最主要的目的就是为了评定弧焊电源的动特性，而 对电源动特性要求最高则是具有短路过渡的熔化极焊，所以模拟电子负 电子模拟负载与焊接电弧的匹配性分析 易重燃。 之后，出现了开关管整流式及逆变式等电子控制的弧焊电源。整流型 弧焊电源的工作频率较低，对于可控硅三相全控整流，仅为3 0 0 h z ，控制 的最大滞后时间为3 3 m s ，与熔滴短路时间相近，因此其动特性的控制 不能运用电子电抗器进行，而是靠输出电感进行控制，通过调节电感可 以改变短路时的电流上升率d i l d t ，对于熔滴过渡，d i l d t 的值不能过大或 过小，过大则当熔滴刚与熔池接触时，容易迅速分离，出现瞬时短路， 造成大量的飞溅；过小时，金属液桥不易断裂，熔滴不易过渡，引起焊 丝固体短路，带来更大的飞溅。所以，对于一定直径的焊丝、一定的焊 接规范，就有其合适的d i l d t 值，而整流弧焊电源的输出电抗器是一个由 铁芯和线圈组成的固定元件，难以任意调整，即使在d i l d t 合适的情况下， 动特性还与电流的瞬时最大值。和瞬时最小值f 。有关。当。和f 。减小 时，d i l d t 也会减小，此时会减小飞溅；但当燃弧时，增加l 。时，会减少 飞溅和改善焊缝成形。 弧焊逆变电源的工作频率高，系统动态响应速度快，对输出的可控性 好，弗易于实现微机控制，这样使得其控制方法较多，比如模拟负载反 馈、电子电抗器、复合外特性和波形控制等方法。对应每一种控制方法， 解决的问题不同，那么所得的外特性曲线也不同。最近，还有采用可饱 和输出电感可以很大的提高输出电流的上升及下降速度( 接近 3 0 0 0 a m s ) ，而传统的2 5 0 a 恒压平特性c o 。焊接电源的短路电流上升率 约为3 5 a m s ，一般的模拟式晶体管电源的短路电流上升率不超过8 0 0 m s ，这很大的提高了电源的动态性能。由上可见，弧焊电源的动特性 不但与短路时d i l d t 、短路峰值电流有关，还与焊接过程中控制方法以及 整个弧一源系统的稳定工作有关。所以对不同的弧焊电源，有着不同的 动特性，对动特性的评定就是一个至关重要的过程。 电弧的动特性是指在一定弧长的条件下，电流与电压的关系，而电源 的动特性是指电弧负载突变时( 即弧长突变时) ，电压与电流的响应过程。 在焊接过程中，电弧是不断变化的，因此只有考察电源的动特性才有实 际意义。在一定的焊接条件下，焊接中的电弧弧长变化规律是一定的， 这为我们采用电子负载模拟电弧提供了一个客观的依据。 2 2ig b t 的特性分析 绝缘栅晶体管，也称绝缘栅双极型晶体管，简称i g b t ( i n s u l a t e dg a t e b i p o l a rt r a ns i s t o r ) ，是由m o s f e t ( 功率场效应晶体管) 和晶体管( g t r ) 华南理工大学工学硕士学位论文 技术结合而成的复合器件，是8 0 年代出现的新型复合器件，主要应用在 电机控制、中频和开关电源，以及要求快速、低损耗等领域。具有输入 阻抗高、工作速度快、通态电阻低、阻断电压高、承受电流大等优点。 i g b t 是由m o s f e t 和晶体管结合而成，集成了m o s f e t 和g r t 的 优点。从结构上看，i g b t 相当于一个由m o s f e t 驱动的厚基区g t r 。 参见图2 1 。因此，i g b t 的开通和关断是由门极电压u 。来控制的。门 极施以正向电压时，m o s f e t 内形成沟道，并为p n p 晶体管提供基极电 流，从而使i g b t 导通。在门极施以负电压时，m o s f e t 内的沟道消失， p n p 晶体管的基极电流被切断，i g b t 即为关断。所以i g b t 属于压控型 器件，开关速度快，而且电流容量大，完全符合弧焊过程中对电流变化 的要求。 3 j d g c ( d ) l e ( s ) s a )b ) 图2 - 1i g b t 的简化等效电路与n i g b t 的图形符号 a ) 等效电路b ) 图形符号 f i g 2 - 1 p r e d i g e s te q u i v a l e n tc i r c u i ta n df i g ur es y m b o lo fi g b t 2 2 1if i b t 的静态特性 i g b t 的静态特性包括伏安特性、饱和电压特性、转移特性和静态开 关特性。 电子模拟负载与焊接电弧的匹配性分析 2 2 3 ig b t 的性能测试 i g b t 作为一种复合的电子器件，它的损坏率是较高。如何判断i g b t 的好坏，是非常重要的环节。判断的方法一般有两种，一种是用万用表 做简易判断；一种是采用专用仪表进行判断。 2 2 3 1 用万用表判断 一般采用指针万用表来判断。这是因为i g b t 的阀值电压通常在5 7 伏，而指针万用表所采用的电源电压为9 伏，数字万用表的电源电压为 6 伏，所以对于一般的i g b t ，采用指针式万用表较能准确的判断它的好 坏。 将指针万用表拨在r 1 0 kq 档，用黑表笔接i g b t 的集电极( c ) ， 红表笔接i g b t 的发射极( e ) ，此时万用表的指针在零位，用手指同时触 及栅极( g ) 和集电极( c ) ，这时i g b t 被触发导通，万用表的指针摆向 阻值较小的方向，并能站住指示在某一位置，然后再用手指同时触及一 下栅极( g ) 和发射极( e ) ，这时i g b t 被阻断，万用表的指针回到零， 由此可判断所测量的i g b t 为好的。 2 2 3 2 专用仪器的测定 由索尼一泰克公司生产的模块测试仪一可编程特性曲线图示仪( t e x 3 7 1 a ) 是专门测量三极管、i g b t 、m o s f e t 等模块特性曲线的仪器。见图 2 6 ，为实测的i g b t 的伏安特性，与厂家所给出的特性曲线相对照，完 全符合。由此则可以判断该i g b t 为好的。 图2 - 6 伏安特性曲线( t e x3 7 i a 高功率图示仪测得) f i g 2 - 6v o l t - 8 m p e r ec h a r a c t e r i s t i co fl g b t 将图2 6 与图2 2 相比较，可以看出，该模块测试仪可以实际测 1 9 华南理工大学工学硕士学位论文 得模块的特性曲线，首先可以确定模块的可用性，其次还可以在缺乏资 料的情况下，详细取得一些相关技术参数，如：饱和电压、【，。和，。之间 的关系，等等。 2 3 电子模拟负载与焊接电弧的动态特性匹配分析 由1 3 分析可知，电子模拟负载有很多种，但均是针对某类待测试 的电源而设计，因此都有各自的局限性。功率m o s f e t 是电压驱动器件， 具有工作速度快、输入阻抗高、热稳定性好以及驱动电路简单等优点， 但是导通时的电阻偏大，通常在1q 左右，用来模拟弧焊过程的电阻( 以 c 0 2 焊为例，通常短路时的阻值在0 0 1q 0 0 3q 之间，焊机型号n b c 一2 0 0 ) ，从数量级上看是不行的。g t r 和g t o 是双极型电流驱动器件， 共阻断电压高，载流能力强，虽然通态电阻很小，但是开关速度慢，驱 动电流大，而且具有负的温度系数，即当温度越高时电阻越小，模拟焊 接电弧会产生很多问题。而能馈式电子模拟功率负载的变化速率不能达 到焊接中电弧的变化。 从上面关于电弧和i g b t 的特性分析，可以找到几点匹配之处： 一、参见图1 1 l 的c 0 。焊实测电流、电压波形，由分析可知，在短 路瞬间时的电弧阻值大约在2 + 4 2 0 = o 0 5 q ，而i g b t 的通态电阻由图2 2 可知，一般在0 0 1 2q 之间，这说明i g b t 和电弧两者的阻值数量级相 同，用i g b t 来模拟电弧是可行的。 二、同样由图】一1 l 可知，短路时焊接电流的上升率为6 6 0 a s ，而 对于i g b t ，它的上升时间加开通时间仅为2 儿s ( 东芝m g 2 5 n 2 s 1 ) ，也就 说用i g b t 来模拟空载到短路的时间可以达到2 u s ，那么电流的上升率可 达到1 2 5 x 1 0 6 a s 。说明i g b t 模拟电弧完全可以达到短路过渡时的电流上 升率。至于d i l d t 大小的调节将通过单片机给定值输出的时间长短来控制。 三、同样参看图l 1 1 ，可知短路时的瞬态电流可达4 2 0 a ，而目前 i g b t 的容量已经达到1 6 0 0 a ，说明i g b t 模拟电弧时可以通过的电流达 到】6 0 0 a ，远远满足短路过渡时的电流。至于d i l d t 大小的调节将通过单 片机给定值输出的时间长短来控制。 2 4ig b t 作为负载，给定值u 。与r 的对应关系 参看图2 4 ，由图可知，i g b t 的转移特性曲线分为- - - - 段：非线性段、 线性段。因此u 。与j c ( 当u 。一定时) 的对应关系是变化的，这就使我 逛予骥攮受簸蓐簿接窀弧魏题瑟性势褥 锅举熊袁接瀵遐，搿控傣4 r = 盯理t l c ( 2 - 1 ) ，以下就食鳃鼹静方法来瓣决这 个弼糕。 一、疆昝方法 鞭释她爨就是溪过爱l 串设诗凑搜褥秽。与r 豹辩溉关系保持不变。潮 澹i g b t 蹩m o s f e t 鹈g t r 缝台露藏躲复合器撵，鼷鞋掰骐参卷g t r 簸鞠搴放大魂路，瀵避舟热r c 鼹残靛爱镄魄鼹謇镁玎。与r 豹对瘟关甍 探撩不交。出予零实验越袋蠲软传舅法，鼹姥在照并不详缨奔绍。 = 、羧终方法 较髂处理建蹩避过数谯努爨寨撬爨u c e 霆这个变馥黪瓣鏖奖系，辩 我懋二毅鹣辩应蘧数关系。令彰为x ，r 为y ，斓蠢y = ，并) ( 2 - 2 ) e 霞绫犍段时，我懿誉雅蚕惑乓= 妇( k 为豢数) ( 2 3 ) 。崮或2 一l 裙2 m 3 联立掰褥，y = 拶鼎k x 2 - 4 ) ( 秽姆不变) * 致瓣；溅2 - 2 崧线热段时鹣翼 落裳达式鼗爨交2 碡。 糍慰予黪线没鼗豹娥联，凌予是鼗线，疆藏鸯喜莘旁豹她疆方涟。下鬻 奔缓a 静方法： 1 ) 鼹津羧经段分段线性彼。褪怒分段煮鹣选瑕灏分羧熬蘩袭瓣戆都 是嶷黢造辍熬潞嚣，势誉十势辩擎。 ( 2 ) 采惩数辏甥鞭嚣鏊汰求群遥 攘激靛。擞筐法楚溪数滠逡懿一秘畿 簿犟翁重要方法。裁爰撬蕊法胃戳邋遗爱数褒誊耀个蠡凳熬联蕊状撬绩 冀懑镶丞羧搓其窀纛处熟禳。 我镌遗过己溅褥y 与x 丧赣线渡送熊蓑予缝爨瓣蕊，翼 ，涎，嵌；， 沁，靠 魏爵爨拣遮瓣在# 蠛瞧嚣辩，y 与x 魏辩应菊数关系或。 乓唼y i 高热( 2 - 5 ) 其中， 蛾+ 。f 蛰。i i ( x - - x j 2 - 6 ) ( 2 + 7 ) 2 。s本耄小缩 零牵遴过努羲了瀑蒗避蔽楚将毪，燕荚蹩鬟套鬟路遥浚的熔浅壤亳溉 而 一 秘 。疆磐 。 玲 时 茹 华南理工大学工学硕士学位论文 焊的电弧的特性和i g b t 的特性，对两者的匹配性进行比较，确定了用 i g b t 来模拟焊接电弧的可行性。一是i g b t 和电弧两者的阻值数量级相 同；二是i g b t 所能做到的电流上升率超过短路过渡时的电流上升率；三 是i g b t 的容量满足短路过渡时瞬态电流。同时，还给出两种i g b t 的性 能测试方法以及讨论了给定信号u c e 年ur 的对应关系。 第三章电子模拟负载系统的设计 第三章电子模拟负载系统的设计 3 1 电子模拟负载系统的主要组成 由图卜1 0 所