（电力电子与电力传动专业论文）逆变式交流方波埋弧焊系统研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ep r e f a c eo ft h i sp a p e r ，t h ef e a t u r e s ，h i s t o r y ，p r e s e n ts i t u a t i o no fr e s e a r c h i n go f s u b m e r g e da r cw e l d i n ga r ei n t r o d u c e d ；t h ea d v a n t a g e so fs o f t s w i t c hi n v e r t e dc i r c u i t a n dd i f f e r e n c e sb e t w e e na n a l o g u ec i r c u i tc o n t r o l l i n gs y s t e ma n dd i g i t a lc i r c u i t c o n t r o l l i n gs y s t e ma r ea n a l y z e d ，t h e ni n d i c a t et h a td i g i t a lc o n t r o l l i n gi st h ed e v e l o p i n g d i r e c t i o no ft h ei n v e r t e rs u b m e r g e da r cw e l d i n g w h a tf o l l o w sn e x ti st h ei n t r o d u c t i o n o fo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo fs u b m e r g e da r c w e l d i n ga n d a d v a n t a g e so fa cs q u a r es a w ，d i s s e r t a t i o no ft h e o r ya n di m p a c t i n gr e a s o n so f s p e e d - c h a n g e dw i r e f e e ds y s t e m ，a n a l y s i st h es t a b i l i t yo ft h ew e l d i n ga r ci nt h e s i t u a t i o no fs p e e d c h a n g e dw i r e f e e d ，a n dt h e s ep r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e d e s i g no f i n v e r t e ra cs q u a r es u b m e r g e da r cw e l d i n gs y s t e m t h ed i g i t a lc o n t r o l l i n gi st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft h ei n v e r t e rs u b m e r g e da r c w e l d i n g t h i sp a p e re m p l o y st h em c u + d s pt oc o n t r o lt h ee n t i r ew e l d i n gp r o c e s s e x a c t l y t h ed e s i g ns t r a t e g i e sa n dp o w e rs u p p l y i n gc i r c l e ，c u r r e n ta n dv o l t a g e f e e d b a c kc i r c l e ，m i n i m i z e ds y s t e mo fc o n t r o l l i n gc h i p s ，c o m m u n i c a t i o nc i r c l e ， p r o t e c t i n g c i r c l e o fm a i nb o a r da r ei n t r o d u c e di nd e t a i li nt h e p a p e r e l e c t r o m a g n e t i s md i s t u r b a n c e sc a n tb ea v o i d e di nt h ep r o c e s so fw e l d i n gm a c h i n e r e l i a b i l i t ya n dn o i s ed e s i g n sa r ec o v e r e di nt h ec i r c l e sa n dm a n u f a c t u r i n gp c bb o a r d s o f t w a r ed e s i g ni sac r u c i a lf a c t o ro ft h es t a b i l i t yo fw e l d i n g i nt h ep a p e r ，s o f t w a r e d e s i g nt h i n k i n ga n dc i r c u i t so fc o n t r o l l i n gs y s t e ma lei n t r o d u c e da n ds e v e r a lm e t h o d s a r ee m p l o y e dt of i g h tt h en o i s e a tl a s t ，e x p e r i m e n t so ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e ma r ed o n ei nt h i sp a p e r t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t si n d i c a t e st h a tt h ec o n t r o l l i n gc a nm e e tt h er e q u e s to fp o w e r s o u r c ea n d p r o c e s sc o n t r o l l i n go fs a w a n dt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s s i m p l ec i r c u i t ，h i g hc o n t r o lp r e c i s i o n ，s t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y ，i n t e l l i g i b l e d i a l o g u eb e t w e e np e o p l ea n dm a c h i n ea n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e c o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c eo ft h ew e l d i n gm a c h i n ea n da u t o m a t i cd e g r e ea r ei m p r o v e d t h ei n v e r t e ra cs q u a r es u b m e r g e da r cw e l d i n gs o u r c ed e s i g n e db yt h i s p a p e r d i s p l a y st h eg o o do u t p u tc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c ea n d i tc a nb eu s e d 2 山东大学硕士学位论文 f o rs u b m e r g e dr r cw e l d i n ga n dh a n d o r ew e l d i n g t h ep o w e rs o u r c eu s et h ea c s q u a r ea n dr e a lt i m ec o n t r o l l i n go ft h ee n t i r ew e l d i n gp r o c e s s ，t h e nt h eo r ei ss t e a d y a n dt h eq u a l i t yo f w e l d i n gi sg o o d k e yw o r d s ：s u b m e r g e da r cw e l d i n g ；a cs q u a r ew a v e ；i n v e r t e r ；s o f t s w i s h 3 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丧廷龄日期：坐呈：坌：竺 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印 刷件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以 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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：童墨坠导师签名：7 么垒易日 期：兰竖 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 埋弧焊概述 埋弧焊( 含埋弧堆焊及电渣堆焊等) 是一种效率较高的重要焊接方法。 埋弧焊出现较早，最初由l i n d e 联合碳化公司于19 3 5 年提出1 1 1 。从各种熔 焊方法的熔敷金属重量所占份额的角度来看，埋弧焊约占1 0 左右，且多 年来一直变化不大。不同焊接方法出现的时间如图1 1 所示1 2 1 。 工艺 种类 2 0 1 5 1 0 5 o 焊 1 8 0 0 2 0 0 0 年代 图1 1 不同焊接方法的出现时间 埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的一种方法。焊丝在焊剂层的 保护下与工件之间产生电弧并产生热量，使焊丝、工件和一部分焊剂熔化， 发生化学物理反应形成焊缝，连接工件。焊剂使电弧在焊接过程中不与空 气接触，形成的渣壳使熔化金属在冷却过程中不致氧化。焊丝作为填充焊 缝的金属。 埋弧焊与其他的焊接方法相比有很多优点【3 1 。( 1 ) 焊接效率高。一方 面埋弧焊焊接电流大，电流密度高，熔深和熔敷率大大提高。( 不开坡口单 5 山东大学硕士学位论文 面一次熔深可达2 0 m m ，焊丝熔化速度可以达到4 5 k g h ，薄板高速焊接可达 5 m m i n ) ；( 2 ) 焊缝质量高。焊接过程和熔化金属固化过程中分别由焊剂和 渣壳隔绝空气，并降低焊缝冷却速度，力学性能好；( 3 ) 劳动条件好。由 于焊剂的存在，埋弧焊飞溅和弧光辐射极少。自动焊和半自动焊的焊接方 法极大降低了焊接人员的劳动强度。 埋弧焊的缺点是限于焊接铁和镍基合金、不能用于立焊和仰焊等焊接 方式、短焊缝相对效率不高、焊剂熔化产生气体有害、需要清理熔渣。总 体而言，埋弧焊应用范围广泛。在造船，锅炉，化工容器，桥梁，起重机 械及冶金机械制造业等大型钢结构焊接中应用比例较高【4 1 【5 1 。 1 2 数字化逆变弧焊电源的优点和发展现状 数字化逆变弧焊电源包括逆变主回路，数字控制电路以及人机交互。其中主 回路和控制电路是实现弧焊电源数字化的核心，人机交互是数字化弧焊电源的外 在表现。 1 2 1 逆变化的主回路 弧焊电源从变压器、整流器到逆变器，已经形成了数字化的跨越。逆变化的 主回路使得弧焊电源的特性有了巨大的提升：( 1 ) 电源的损耗大大降低，使得整 机效率达到9 0 以上；( 2 ) 随着频率的升高，输出电流纹波减小，提高了输出电 弧的特性。其中软开关技术代替硬开关技术成为弧焊电源发展的主要方向。 采用p w m 硬开关控制方式的主电路，功率开关器件在较高电压下承载较大 电流，产生很大的开关损耗，并且随着频率的提高成比例增加。这不仅降低了变 换器的效率，而且严重的发热温升使开关器件的寿命急剧缩短，此外还会产生严 重的电磁噪声【酬。 为了解决硬开关存在的缺点，软开关技术应运而生。软开关技术是使功率变 换器得以高频化的重要技术之一，它应用谐振原理，使开关器件中的电流( 或电 压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时，使器件关断( 或电压为零时， 使器件开通) ，从而减少开关损耗。它不仅可以解决了硬开关变换器中的开关损 耗、容性开通以及感性关断问题，而且还能解决由硬开关引起的e m i 问题7 1 ， 从而大大提高逆变焊接电源的可靠性，在焊接领域得到了大规模的应用。 6 山东大学硕士学位论文 软开关主电路的常用拓扑形式有单端逆变、半桥、全桥等方式。其中单端电 路仅有一个功率开关器件而且只能工作于一个象限，所以功率不易做大，适用于 小功率电路；半桥电路由两个功率开关器件组成，电流定额比桥式电路高一倍， 倾向于将半桥电路应用于中小功率电路；同半桥电路相比，全桥逆变电路功率开 关器件多一倍，电流定额却小一半，容易做成较大功率的逆变焊接电源，输出 4 0 0 a 以上的焊接电源基本都采用这种电路结构1 8 j 。 1 2 2 数字化的控制电路 焊接过程存在强非线性、强耦合性、时变性。这要求采用数字控制技术代替 传统的模拟控制技术。这可以拓展电源功能、改善动态性能、增加电源的稳定性， 提高电源质量。随着大规模专用集成电路( a s i c ) 、数字信号处理器( d s p ) 及 复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 、现场可编程门阵列( f p g a ) 等新型半导体器件 的发展，弧焊电源的控制电路由过去的分立元件、简单集成电路发展到以单片机、 d s p 、c p l d f p g a 为核心的数字化控制电路f 9 】。在控制电路中采用大量的逻辑、 数字处理芯片可以实现以上要求。 一般的模拟逆变弧焊电源的控制电路是由无源或有源器件组成的模拟系统。 焊接电流、电压等参数通过传感器采样反馈到控制回路。反馈量与给定信号比较， 经过p i 控制器输出到p w m 控制芯片，p w m 信号经过功率放大、隔离来触发功 率开关元件的导通关断，完成系统的闭环控制【1 0 1 。模拟控制器的性能由分立元 件的参数决定，受温度等外界参数影响较大，调试比较复杂而且一致性较差。 单片机控制的逆变弧焊电源中，单片机主要完成了控制信号的给定以及焊机 的总体管理。逆变弧焊电源采用波形控制技术，对熔滴过渡过程更加精确。在单 片机控制的逆变弧焊电源中，它的控制核心即p i 控制器和p w m 控制电路是由 模拟元件构成的，p i 控制器以运算放大器为核心，p w m 控制电路多采用s g 3 5 2 5 或u c 3 8 4 6 。 单片机控制电路在信号的给定部分实现了数字化，但是受到单片机自身处理 能力的限制，电源的p i 控制器和p w m 模块仍然采用了模拟电路。因此，数字 化的特点在单片机控制的逆变弧焊电源中没有得到充分体现。 在全数字化控制的弧焊电源中，通常采用d s p 来实现系统的闭环控制。控 制系统的核心控制环节( 例如p i d 控制器) 通过内嵌在d s p 中的控制算法来实 7 山东大学硕士学位论文 现，其性能完全取决于控制算法的结构和参数，从而使得系统的稳定性、精度、 可重复性得到大大的提高。采用m c u + d s p 的控制方式。利用m c u 强大的事件 管理能力来负责焊接参数的给定、显示以及焊接状态判定并和d s p 进行数据交 换；d s p 通过a d 模块接收实际焊接电流和电压，利用自身较强的数据处理能力 进行焊接电流、焊接电压的双环运算，保证弧长的恒定，同时负责短路、燃弧以 及引弧、收弧处理、输出产生合适的p w m 脉冲去开关主电路的i g b t ，实现功 率的转换。 焊接专家系统是在焊接领域中运用的专家系统，它用一种比较理想的方式来 封装从焊接领域专家处获取的知识，建成相应的知识库，并通过推理机的控制来 实现对知识库的不同操作。从工艺参数选择、缺陷分析、质量评定以及焊条设计 等专家系统都使焊接过程越来接近智能和网络控制，从而大大提高了生产效率。 只有实现了反馈控制环节数字化、信息输入和输出数字化、p w m 控制脉冲 数字化的弧焊电源系统才是真正的全数字化焊接电源。数字化控制弧焊电源实现 了由硬件控制向软件控制的过渡，具有灵活的控制策略，可以获得更快的控制速 度和更高的控制精度，从而提高焊接质量和生产效率。 1 2 3 数字化的人机交互 人机交互是最直接的操作界面，是操作者向计算机输入信息、发出指令及观 察现场参数和信息的窗口，它应具有友好性、灵活性、功能性、明确性、可靠性 等特点。 数字化人机界面系统作为数字化埋弧焊机的重要组成部分，实现了参数输 入、修改、实时参数显示等功能，使整个焊接过程参数更加精确、操作更加便捷、 界面友好性更强。现在应用最多的人机界面系统是按钮和旋钮输入、数码管显示。 一些国内研究单位已经以液晶屏和键盘作为界面设计出了样机。国外的一些公司 已经推出了液晶屏和键盘人机交互的产品。 1 3 埋弧焊发展现状 埋弧焊主电源的发展经历了四个阶段【】：机械调节型电源、磁饱和放大器电 源、晶闸管整流电源和i g b t 逆变电源。目前我国埋弧焊电源中除了磁饱和放大 器电源之外，另外三种都还占有一定的比例。随着逆变电源的不断发展和成熟以 r 山东大学硕士学位论文 及大容量i g b t 开关管的出现，i g b t 逆变电源在焊机应用越来越多，已占到主 要地位。i g b t 逆变焊机效率和功率因数高、重量轻、特性调节和控制灵活精确， 数字化i g b t 逆变焊机已经成为发展趋势。 在电源控制方面，埋弧自动焊机的控制系统的发展经历了三个阶段：机械控 制、分离元件控制、大规模集成电路数字控制。目前，单片机和d s p 控制的弧 焊电源在国内外都大量应用。数字化控制的优点是【1 2 】【1 3 】：( 1 ) 数字化焊机实现 了柔性化控制和多功能集成。系统的控制策略通过软件的方式加以实现( 以软代 硬) ，系统的控制是柔性的，利于进行控制系统的优化设计与多功能集成；( 2 ) 控制精度高。数字系统的控制精度取决于系统的位数。以一个1 6 位系统来说， 它的精度可以达到2 1 5 。随着系统位数的增加，如3 2 位、6 4 位，系统的控制 精度还将进一步提高；( 3 ) 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温 度以及噪声的影响较小、可靠性高；( 4 ) 产品的一致性好。模拟系统的性能受元 器件参数性能变化的影响较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测 试、调试和大规模生产；( 5 ) 接口兼容性好。d s p 系统与其他的现代数字技术 为基础的系统或设备都是相互兼容的；( 6 ) 焊机功能升级方便。d s p 系统中的 可编程芯片可使设计人员在开发过程中能灵活方便地对软件进行修改和升级。 数字化弧焊电源技术优势还是在欧美，其中奥地利的f r o n i u s 的t p s 系列数 字化弧焊电源最具代表性。另外芬兰k e m p p i ，德国e w m ，美国m i l l e r 、l i n c o l n 公司以及日本的松下、o t c 都有相关的系列产品。对于数字化焊接设备的研究， 国内高校的研究主要集中在北京工业大学、山东大学、上海交通大学、华南理工 大学等单位，国内企业则以山大奥太、唐山松下、北京时代为代表，目前已有很 多数字化产品进入市场【1 4 】。国内的数字化弧焊电源的研究虽然起步较晚，但是 发展迅速，在硬件电路上与国外差距大大缩小，但是在控制策略以及工艺控制方 面还有不小的差距。 1 4 课题研究背景和意义 埋弧焊在工业上应用十分广泛，特别是在船舶、钢铁、石化、大型装备制造 中都大量使用埋弧焊机，对埋弧焊机的研究具有现实意义。它具有生产效率高、 焊缝质量高、劳动条件相对较好等优点。但是传统的埋弧焊机与现代电力电子技 术发展很不协调。 9 山东大学硕士学位论文 自从上世纪5 0 年代美国研制出具有电力电子器件里程碑意义的晶闸管后， 电力电子器件飞速发展。7 0 年代后，先后出现了电力晶体管( g t r ) 、可关断晶闸 管( g t o ) 、功率场效应晶体管( m o s e t ) 等自关断、全控型器件i l5 1 。近年来，电力 电子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展，如绝缘栅双极型晶体管 ( i g b t ) 就是这种发展的产物。i g b t 是m o s f e t 和g t r 的混合集成，是目前最 具活力的电力电子器件，经过工艺上不断改进与技术创新，己经发展到第四代。 而每一次新器件的出现，都会给电力电子行业带来新的变化。现在以i g b t 作为 开关元件的焊接电源成为发展方向。 随着微控制器( m i c r oc o n t r o lu n i t ) 、数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 和大规模专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的 发展，焊接电源设备与工艺的控制电路，已经由过去的分立元件、简单集成电路 发展到以m c u 、d p s 和c p l d f g p a 为核心的数字化控制电路，即向数字化方 向发展。单片机具有较强的事件处理能力，中断、i o 资源丰富。d p s 是在硬件、 软件和指令集等方面经过优化适应数字信号处理的微控制器，它面向高性能、重 复性、数值运算密集型的实时处理，在高速实时应用的场合，d s p 更能满足大量、 快速的运算。 逆变式交流电源在埋弧焊电源中还比较少见。进入市场的有m i l l e r 公司生产 的s u m m i ta r c1 0 0 0 和l i n c o l n 公司生产的p o w e rw a v ea c d c1 0 0 0 两种埋弧焊 机。它们的一次逆变部分都是采用多个单端正激电路并联以得到希望的容量。采 用单个桥式逆变电路的1 0 0 0 a 交流埋弧焊电源还未见上市。 本课题所研究的埋弧焊机数字化控制系统，采用单片机与d s p 相结合的双 机控制方案。单片机主要负责参数设置、焊接参数实时显示、电压和电流采样等； d s p 主要负责故障判断、电机驱动和焊接过程控制。采用此控制方案的焊机具 有良好的输出特性，可以实现非线性控制满足埋弧焊手工焊等工艺要求，实现一 机多用。引弧、焊接和收弧过程完全由软件控制，具有电弧稳定、焊接质量好等 特点，具有焊接数据存储和故障自诊断功能。 1 5 本论文主要研究内容 本文以交流方波埋弧焊为研究对象，应用双逆变结构的主回路实现方法；采 用i g b t 作为主回路功率器件；采用“m c u + d s p 双控制芯片对焊接电源进行 l o 山东大学硕士学位论文 控制以实现焊接参数的软件p i 调节，精确控制引弧、焊接、收弧等焊接过程， 稳定调节送丝和行车速度；选择电流型p w m 控制芯片u c 3 8 4 6 输出驱动脉冲并 抑制变压器偏磁；选用集成驱动芯片e x b 8 4 1 驱动二次半桥逆变电路；对i g b t 采取相应的过流、过压保护措施并对整机进行热设计；对主回路结构和软开关工 作方式进行详细分析；分析控制电路进而设计整机方案。 通过焊接试验，调试交流方波参数，研究参数变化对焊接效果的影响：对焊 接电流、焊接电压、送丝速度波形进行分析，验证埋弧焊电源对焊接过程的实时 控制，并检验了焊接效果。 山东大学硕士学位论文 第二章埋弧焊工作原理和电弧稳定性分析 2 1 埋弧焊工作原理 埋弧焊是通过保持在焊丝和工件之间的电弧将金属加热熔化，形成金属连 接。电弧由一层覆盖在焊接区上的颗粒状可熔材料保护。焊接金属由焊丝、有时 由补加焊丝或其他的金属添料获得【1 酬。如图2 1 所示，焊接时，电源的两极分别 接在导电嘴和工件上；焊丝从焊丝盘通过送丝机构和导电嘴与工件接触；颗粒状 焊剂从焊剂漏斗经软管堆覆在焊缝接口区；其中焊丝盘、送丝机构、焊剂漏斗和 控制箱都加装在焊接小车上以实现电弧的移动。接通电源后，电流经过导电嘴、 焊丝与工件构成焊接回路。焊接时，焊机的唐动、引弧、送丝、机头( 或焊件) 移动等全由焊机进行机械化控制，焊工只需按动相应的按钮即可完成工作【l 7 1 。 图2 1 埋弧焊系统结构图 焊丝在预先堆覆的颗粒状焊剂层下燃烧电弧，如图2 2 所示。在电弧区由金 属及焊剂的蒸汽形成一个空腔，电弧就在该空腔内稳定燃烧。空腔的底部是焊丝 与母材金属熔化形成的液态熔池【1 8 】。空腔的顶部为熔融态焊剂形成的熔渣。熔 池中进行着激烈而复杂的焊接冶金反应，形成的气泡快速逸出熔池表面。同时覆 盖在高温液体金属上面的熔渣也不断冷却、凝固，最终覆盖在焊缝金属上而形成 渣壳。所以埋弧焊的冶金过程是包括液态金属、液态熔渣与各种气体之间的相互 作用。 1 2 山东大学硕士学位论文 图2 2 埋弧焊焊接图 2 2 交流方波埋弧焊的优点 在传统的埋弧焊技术中，虽然早在1 0 年前已经开始采用方波交流电源焊接 特种铬钼低合金钢或用于双丝串列电弧埋弧焊，例如美国m i l l e r 公司生产的 s u m m i ta r c1 0 0 0 方波交流埋弧焊电源，但是当时并没有完全利用交流埋弧焊的 优势【1 9 】。 与普通的埋弧焊技术相比，交流方波埋弧焊的可调参数多i 枷，如图2 3 所示。 每个参数的调节对焊接的稳定、焊缝的形成、焊接的效率有不同的影响。多个参 数协调控制，可以得到最佳的焊接过程和焊接效果。 电流 时间 图2 3 交流方波埋弧焊可调参数 1 交流频率的控制。对于方波交流电，频率改变了电弧在峰值电流的时间， 如图2 4 所示。当频率降低时，电弧在峰值的时间增加，同时正负半波转折区的 一5 0 0 减小 增大 图2 4 交流频率控制 2 方波交流平衡率的控制。平衡率表征正负半波在一个周期之内所占比例 的大小，如图2 5 所示。增加平衡率，则增大熔深，降低熔敷率；减小平衡率， 则减小熔深，增大熔敷率。正确设置交流平衡率，可以得到合适的熔深和熔敷率， 减少焊接接头填充的层数。 1 4 5 0 0 o 5 0 0 标准平衡率增加平衡率减小平衡率 l i | 图2 5 方波交流平衡率控制 3 直流偏置的控制。直流偏置表征正负半波幅值的比例，如图2 6 所示。 正常偏置增加正向偏置减小正向偏置 图2 6 直流偏置控制 山东大学硕士学位论文 调节直流偏置也可以控制熔深和熔敖率。增加正偏置，可以增大熔深，降低 熔敷率；减小正偏置，则减小熔深，增加熔敷率。 4 相位的控制。埋弧焊经常组成双丝或者多丝焊接系统，如图2 7 所示，其 中粗实线和细实线分别代表两个不同的电弧。当相位关系为0 度时电弧相互吸 引，当相位关系为1 8 0 度时电弧相互排斥。应用交流方波可以方便地改变多个电 弧之间的相位关系，解决电弧偏吹，改善焊接效果。另外，增加频率也可以降低 电弧之间的相互作用。 0 度9 0 度1 8 0 度 拉推 坏好 坏 图2 7 相位控制 通过以上各种参数的综合调试可以使焊接可以达到最佳效果。 2 3 埋弧焊电弧稳定性分析 2 3 1 送丝方式和影响因素 u n u a 平特性i ab 缓降特性 i a u c 陡降特性 i a d 垂降特性 i a 图2 8 常用电源外特性 山东大学硕士学位论文 电源外特性与电弧静特性的交点为焊接过程中的静态工作点，电弧电压及焊 接电流是由静态工作点确定的。在如图2 8 所示的四种常用电源外特性中，埋弧 焊电源一般采用垂降特性，也就是恒流特性。 凡是影响电源外特性曲线和电弧静特性曲线位置的干扰因素，都会影响到焊 接电流和电弧电压的稳定性。这些干扰因素主要有：弧长波动、电弧气氛的成分 变化、网压波动等。其中，弧长波动引起的干扰最为严重。电弧之所以能够持续 燃烧，主要原因是在焊丝熔化过程中存在自动调节过程，弧长的自动调节方式分 为等速送丝调节系统的自身调节和变速送丝系统的电弧电压反馈调节【2 2 1 。 电弧自身调节适用于细丝，采用此调节方式时，焊丝以恒定的速度送进，弧 长波动时，熔化速度发生变化，依靠熔化速度的变化调节弧长，使其恢复到原来 的长度。比如当弧长减小时，在静外特性曲线中，静态工作点右移，焊接电流增 大，熔化速度加快，使电弧回复到稳定状态。 而不同的电源和电弧特性，自身调节的灵敏性不同。焊丝的熔化速度圪与 焊接电流，电弧电压u 的关系可用以下公式表示：匕= k i k u 系统的 调节作用是通过弧长的变化影响到弧压的变化引起电流的改变，使熔化速度增加 或降低来保证弧长不变。因此，弧长变化引起的焊丝熔化速度变化越大，调节恢 复越快，系统灵敏度越高。对焊丝的熔化速度求微分可以得到 盟d u = k 堕d u k ( 一2 1 ) 。 (1 ) 由此可见，系统调节灵敏度受到一下几个方面的影响【9 】： 1 k 值的影响 焊丝直径越细或焊丝中的电流密度越大，弧长变化所引起的焊丝熔化速度的 变化也就越大，调节灵敏度提高。 2 孚值 d 甜 弧长变化即电压变化所引起的电流变化越大，则焊丝熔化速度的变化也就越 大，可以使系统调节灵敏度提高。采用平特性或缓降特性电源比采用下降特性电 源产生更大的电流变化量，系统调节灵敏度提高。在电弧静特性呈上升特性时， 采用上升特性电源可以获得更大的系统调节灵敏度。 1 6 山东大学硕士学位论文 3 弧柱电场强度 弧柱电场强度大，意味着电弧单位长度变化所引起的电弧电压变化量大，所 以可使系统调节灵敏度提高。 2 3 2 埋弧焊电弧稳定性 以上分析可以得到，在采用细丝、缓降或者平特性的情况下，电弧的自身调 节能力较好。 i 设置电压叱， i 直流供电电源u 图2 9 变速送丝调节原理框图 而埋弧焊电源使用垂降特性，并且焊接时通常用妒3 2 一妒6 的粗焊丝。此时， 仅仅依靠电弧的自身调节作用是不够的，需要依靠外力来改变送丝速度，使弧长 在受扰动时强迫弧长恢复。由于电弧电压能够间接反映出电弧长度而且又容易取 出，因此，变动送丝调节系统一般采用电弧电压眈。作为反馈的变速送丝调节系 统的反馈量，其原理框图如2 9 所示。 可以看出这是一个闭环控制系统，电弧电压采样与给定值比较后的差值，经 过放大后去控制送丝电机，通过调节送丝速度达到调节电弧长度的目的。为提高 控制精度，采用光栅进行速度反馈。光栅产生脉冲信号，经压频变换器后变成 电压信号。此信号与给定电压比较后由误差放大器放大，再与锯齿波相比产生 p w m 信号，经光耦隔离驱动场效应管带动电机转动。 参照图中标注，定义v 为送丝速度，为焊接电流，为弧长，咖为送丝 电机电压，为给定电压，为电弧电压，两者之差经误差放大器放大后通 1 7 山东大学硕士学位论文 过p w m 发生器产生p w m 信号u p 。嘲。根据以上定义，各参数之间的关系如下。 1 送丝机驱动电机采用直流励磁电机，送丝速度，与砜咖之间成线性关系 【2 4 】，即 v = 乞口埘 ( 2 - 2 ) 式中k 是一个比例常数。 2 在电弧区，电弧电压与弧长及电弧电流都成正比，即：眈。= k ，r + b 由 于利用了焊接电源的垂降( 恒流) 外特性，电弧电压的变化率为2 5 】 翌坠：缸，望 ( 2 3 ) d td t 式中，岛、b 都是常数。 根据图2 9 中弧长和送丝方向的定义，从运动学角度出发，可以得到 v = 一警 c 2 4 ， 式中，1 1 0 是初始速度，符号表示弧长的变化与送丝速度的变化是相反的， 如果弧长变短，送丝速度有所加快。 从式2 2 到式2 4 可以推出 撕= i v = i v o i 西1 _ d v 矿a r c ( 2 - 5 ) 在图2 9 中所示的闭环系统中，比例放大器是可以设计的。为了得到比较好 的控制效果，不妨设计比例放大器的最终输出量”由两个输入量、 线性组合而成，即 砜咖= k i ( 0 一卢吧) ( 2 - 6 ) 对比式2 5 、2 - 6 并引入式( 2 3 ) ，可得到焊接过程中焊丝控制的微分方程为 百d l ( t ) + r a l ( f ) = + 毛屯( 卢一a 6 ) ( 2 7 ) 式中，y = i k 。屯屯，根据k i 乞，k 3 的量纲，推断出它的倒数具有时间量纲， 实际上从式2 7 也可以看出，1 脾恰好是系统的时间常数，该时间常数与控制 山东大学硕士学位论文 电路特性毛、送丝机特性乞、电弧特性毛有关；j 6 i 是的系数，该系数表示给 定电压介入的多少，它只出现在电弧控制方程的右侧，仅影响电弧的稳定值；a 是的系数，该系数反映电弧电压的反馈深度，该系数也影响系统的时间常数； v 0 是给定的初始速度。 光栅、误差放大器、p w m 生成和光耦可共同认为是一个比例系统，不妨取 3 为o 1 ，当电弧电压在0 到6 0 v 变化时，输入到放大器中的电压为0 到6 v 。毛 主要由送丝电机的特性决定，在设计的试验中，采用标称电枢电压为1 i o v 的直 流励磁电机，设计原则是当为6 0 v 时，。研不超过1 i o v 。 式2 7 的通解可以表示为 j o ) = 【( o ) 一气m 】p 一雄+ 乙曲 ( 2 - 8 ) 式2 8 中，k ：， ) ：立- t - 生型卫堡正兰盟是系统弧长的稳定值。 、 、 、 一二歹| | _ | | _ 。一 。 1 02 03 04 05 06 0 图2 1 0 电弧长度变化曲线( 横轴为时间；纵轴为弧长) 图2 1 0 是根据式2 - 8 做出固定的叱，、不同初始值时弧长，( f ) 的变化曲线， 可以看出，无论初始值多少，经过一段时间的过渡，最后都稳定在一个只与u 。甜 1 9 4 2 d 名 屉 4 2 0 1 1 1 0 0 o 0 山东大学硕士学位论文 有关的量上。图2 1 0 中归一化弧长为1 ，短虚线、实线、长虚线的初始弧长分别 为1 2 、0 6 、0 2 。 电弧长度的稳定过程还可以简单解释如下：当某种扰动使电弧长度增大( 或 者减小) ，电弧电压也随之增大( 或者减小) ，该电压经采样与给定电压比较并放 大后，通过p w m 信号发生器调节场效应管的关断开通时间比例，使送丝速度加 快( 或者减慢) ，从而调节电弧长度回到原来的值。 2 4 小结 本章主要介绍了埋弧焊的基本工作原理和交流埋弧焊的优点所在，分析了埋 弧焊需要变动送丝的原因以及变动送丝下埋弧焊电弧的稳定性，为埋弧焊数字化 控制系统的设计提供理论依据。 山东大学硕士学位论文 第三章主回路系统设计与分析 主回路设计主要包括主回路形式选择、功率器件选择、工作方式确定和滤波 电路、保护电路等。根据所设计焊机要求，先选取主回路形式及整流元件，再根 据需要设计其它电路。主回路是焊机工作的基础。电力电子器件快速发展，功率 器件的容量不断增大，稳定性提高，使主回路结构有了更大的选择空间。主回路 的工作方式的发展，使主回路的工作状态从硬开关过渡到软开关，大大减小了功 率器件的损耗。 3 1 主回路拓扑结构分析 3 1 1 主回路拓扑结构的选择 交流埋弧焊电源有三种：单相变压器、三相晶闸管相控式和逆变式。传统的 交流埋弧焊电源以串联电抗器式和增强式漏磁式为主，它们的缺点是：控制精度 低、电流过零时间长，造成电弧不稳定，单相供电，一次电流大，功率因数小， 对电网损害大【2 6 1 。 晶闸管整流交流方波埋弧焊机的原理是，三相工频降压变压器的副边设有两 组绕组，将整流器分为两组，一组工作在正半波，一组工作在负半波，通过两组 晶闸管正负两个方向分时导通来实现交流的输出。调节晶闸管的触发延时角，可 以分别调整正负半波的输出电流。m i l l e r 公司生产的s u m m i t1 0 0 0 1 2 5 0 就是采用 这样的结构【2 刀。 逆变式交流方波埋弧焊是在逆变直流埋弧焊的基础上，增加了一个二次逆变 环节，输出方波电流，市场上成熟的逆变交流方波埋弧焊是林肯的p o w e rw a v e a c d c1 0 0 0 。为了提高容量，p o w e rw a v ea c d c1 0 0 0 焊机一次逆变采用多个单 端正激电路串并联，二次逆变采用半桥结构，为了提高方波过零点速度，输出电 感采用自耦式电感，主变压器采用同轴变压器，得到了较高的输出能量和转换效 率。p o w e rw a v ea c d c1 0 0 0 的主回路图如图3 1 所示【2 8 】。 2 l 山东大学硕士学位论文 三l 3 1 0 t 图3 1l i n c o l n 交流埋弧焊的主回路原理图 夫 图3 2 逆变式交流方波埋弧焊主同路简图 本文设计的主回路简图如图3 2 所示，输入滤波与保护电路未列出。由于设 计中的焊接电源电流较大( 1 0 0 0 1 2 5 0 a ) ，所以本文设计的交流方波埋弧焊主回 路一次逆变采用两个全桥逆变结构并联，二次逆变采用两个半桥结构并联；采用 大功率i g b t ，以满足实际应用的需要；主回路的工作方式较为简单。 单个电路输入三相3 8 0 v 交流电，经滤波、整流后，形成5 3 8 v 左右的高压 直流，经全桥逆变器变成高频交流，经变压器降压到变压器的副边，高频变压器 的副边采用全波整流电路，其后两个功率开关管组成半桥逆变电路，交替工作输 出交流方波，两个独立逆变回路并联组成主回路。为吸收输出电感回馈的能量， 每个全波整流电路中分别还设有电压尖峰及能量吸收电路。由于半桥电路仅有两 山东大学硕士学位论文 只功率管，效率较高，故本方波电源采用半桥式电路。 3 1 2 逆变电路的并联 一次逆变桥2 e e 图3 3 一次逆变回路和二次逆变回路的并联 大功率电源一般采用桥式电路并联，并联单元有半桥和全桥电路。本设计中 的逆变埋弧焊中采用桥式电路进行并联，一次逆变和二次逆变并联电路结构如图 3 3 所示。 两个逆变桥的并联要解决均流问题，一般是每个功率单元采用独立的电流反 馈电路，由均流电路进行均流，并设有并联电路的均流保护电路【9 】，如图3 4 所 示。 图3 4 并联电路均流处理 3 2 主回路软开关工作方式 在采用p w m 硬开关控制方式的主回路中，功率器件开关损耗高，降低了变 换器效率，发热会使开关器件寿命缩短，产生严重电磁噪声。 3 2 1 一次逆变软开关工作方式 主回路的一次逆变采用全桥相移谐振式软开关电路。 为了降低开关管的开关应力而提出的相移谐振式软开关电路，基本结构形式 与桥式逆变电路基本相同，由四个功率开关管构成，相对桥式电路，不同点是在 每个开关器件两端都有电容并联。电路结构如图3 5 所示。 d 】。1 宇d 午 d 2 lq 【丰 jj厂 li l l 吗】 d 3iq q 2 d 4ic a 【丰【丰 li1j t 图3 5 全桥相移谐振电路 相移谐振电路的工作时序同桥式电路有较大不同，电路结构中分超前臂和滞 后臂，在图3 5 中q l 、q 3 为超前臂，q 2 、q 4 为滞后臂。通过控制超前臂和滞后 臂导通的相位差来调节输出功率，由于超前臂和滞后臂的上下一对开关管导通与 关断相位上互差1 8 0 0 且死区不变，每个桥臂上都有并联的电容，可实现超前臂 与滞后臂的零电压关断，在电流连续时可实现各桥臂的零电流开通的软开关过 程。控制方式如图3 6 所示。 q 1 厂 厂q 1 一jii q3厂厂 q 2 厂 厂 q 4 厂厂 图3 6 全桥相移谐振主回路的驱动脉冲 由于超前臂是负载换流，换流充分，超前臂易实现零电压关断与零电流开通。 滞后臂由变压器漏抗形成的环流电流来换流，换流能量受负载影响较大，负载轻 时不易实现软开关，负载重时存在占空比丢失，通态损耗大等问题，许多学者提 出了变压器原边串联饱和电感和谐振电容的方法来解决此问题，电路如图3 7 所 2 4 山东大学硕士学位论文 不。 图3 7 串联饱和电感和电容的相移主电路 改进的移相谐振电路中在变压器原边回路中串联谐振电容和饱和电感。由于 谐振电容上的电压可将环流期的电流衰减，降低通态损耗；串入的饱和电感将产 生固定的换流能量以及固定的占空比丢失，而不会随负载电流的增加而增加。 当空载时变压器原边电流很小，超前臂换流失败，超前臂i g b t 开通时其并 联的电容剩余电压较高，并联电容直接向i g b t 放电，造成i g b t 损坏。山东大 学奥太公司提出另一种相移谐振电路的拓扑形式，获国家科技进步奖和发明专 利，如图3 8 所示，图3 8 中q l 、q 3 是超前臂，q 2 、q 4 为滞后臂。 t 图3 8 改进的相移软开关主电路 q 1 厂厂 q 3 厂厂 q2厂厂 q 4 厂 厂 图3 9 改进的相移软开关主电路的驱动脉冲 驱动脉冲如图3 9 所示。超前臂调脉宽，滞后臂不调脉宽，每个桥臂上的功 率开关导通相位相反，超前臂上并联有电容，滞后臂上不并电容，超前臂是零电 压关断，滞后臂是零电流关断，由于此电路中在负载电压很低时，超前臂换流时 间加长，扩展了超前臂软开关申流工作范围。 山东大学硕士学位论文 3 2 2 二次逆变软开关工作方式 二次逆变详细单路结构如下图所示。由q l 、q 2 的交替开通，负载两端得到 正负交替的交流波形，交流电流的大小和形状是由一次逆变器来控制的，电容 c 1 、c 2 并联在