（电力系统及其自动化专业论文）逆变直流弧焊电源的仿真及实验研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e rs u p p l yd e v e l o p sa c c o m p a n y i n gw i t ht h er e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y , e f f i c i e n c ya n de l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yp r o b l e m sa n ds oo n p e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o no fa r cw e l d i n gp o w e rs u p p l yi sa ne t e r n a lt o p i c t h e r e f o r e ，as y s t e m a t i c m o d e l i n g ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ei n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e rs u p p l y h a v eb e e na c c o m p l i s h e df o c u s e so nt h ea b o v ep r o b l e m s t h ec o n t e n t so f t h ep a p e ri sl i s t e d a sf o i l o w s ： ( 1 ) t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fm a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ， a r cp r o p e r t i e sa n d r e q u i r e m e n t sf o ra r cw e l d i n gp o w e rs u p p l y t h e nu s i n gm a t l a b s i m u l i n k a n ds i m p o w e r s y s t e m s ，t h es i m u l a t i o nm o d e lb a s e db o t ho nd e v i c e sa n dm a t h e m a t i c sh a s b e e ne s t a b l i s h e df o rm a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i ta n da r cl o a d b a s e do nt h e s em o d e l s ， s y s t e m a t i ca n dc o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o ns t u d yf o rt h ee n t i r es y s t e mc a nb ec o n d u c t e d ( 2 ) s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fi n v e r t e ra r c w e l d i n gp o w e rs u p p l yh a sb e e nc o m p l e t e d t h eo u t p u ti n d u c t o ri sc l o s e l yr e l a t e dt ot h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fi n v e r t e ra r c w e l d i n gp o w e rs u p p l y , s of i r s t l y t h e f r e q u e n c y - d o m a i na n a l y s i sb a s e do nt r a n s f e rf u n c t i o n st h e o r yh a sb e e nd o n e e f f e c t so f i n d u c t o ro nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e n a n a l i z e d a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h es e l e c t e di n d u c t o rp a r a m e t e ri sr e a s o n a b l e a tt h es a m et i m e o t h e rc i r c u i tp a r a m e t e r s h a v eb e e nd e t e r m i n e da c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y , e x p e r i m e n t st e s th a v eb e e n c a r r i e do u tu n d e rt h ec o n d i t i o n so fo p e nl o a d ，w e l d i n gp r a c t i c e s ，o p e nl o a dt os h o r tc i r c u i t ， l o a dt os h o r tc i r c u i ta n ds h o r tc i r c u i tt ol o a d ，a n de x p e r i m e n t a lw a v e f o r m sh a v eb e e n o b t a i n e d e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a sg o o dw e l da b i l i t ya n df a v o r a b l e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sw h i c hm e e tt h en e e d o fw e l d i n gt e c h n o l o g y m o r e o v e r ，t h e e x p e r i m e n t a l w a v e f o r m sa r ec o n s i s t e n tw e l lw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h i c hf u r t h e r v e r i f yt h ee x a c t n e s so ft h ep a r a m e t e r so b t a i n e df r o ms i m ul a t i o na n dt h e o r y s ot h em o d e l w ee s t a b l i s h e da n dt h er e s e a r c hm e t h o dw eu s e dp r o v er e a s o n a b l e ( 3 ) i m p r o v e m e n t sf o rm a i nc i r c u i to fi n v e r t e r - w e l d i n gp o w e rs u p p l yh a sb e e np r o p o s e d a n dv e r i f i e dt h r o u g he x p e r i m e n t s t h ec o n v e n t i o n a lh a l f - b r i d g ec i r c u i ti ni n v e r t e rw e l d i n g p o w e rs u p p l yc o n t a i n st w ol a r g ee l e c t r o l y t i cc a p a c i t o r sa n ds o f t - s t a r tc i r c u i tf o rr e s t r a i n i n g i n r u s hc u r r e n t ，s ot h ec i r c u i ti sm u c hb u l k y i t sk n o w nt h a tt h ee l e c t r o l y t i cc a p a c i t o ri sn o t s u i t a b l ef o rh i g hf r e q u e n c yc o n v e r t e r ，s oi tp r o h i b i t st h ei n v e r t e rw e l d i n gp o w e rs u p p l y f r o mh i g h f r e q u e n c ya p p l i c a t i o n s f o rt h i sr e a s o n ，w eh a v ei m p r o v e dt h em a i nc i r c u i t t h e p r o p o s e dm a i nc i r c u i tr e m a r k a b l yr e d u c e st h ec a p a c i t a n c eo fc a p a c i t o r s ，a d o p t si n p u te m i 摘要 f i l t e r , r e m o v e ss o f t s t a r tc i r c u i t ，t h u st h ev o l u m ea n dt h ec o s to ft h es y s t e mi sf u r t h e r r e d u c e d c o m p a r a t i v ea n a l y s i sa n de x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u t ，a n dt h er e s e a r c h r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dc i r c u i th a sm a n yo t h e ri m p r o v e m e n t si n i n c r e a s i n gt h e p o w e r f a c t o ra n de f f i c i e n c y , r e s t r a i n i n gi n r u s hc u r r e n ta n dt h eh a r m o n i cd i s t o r t i o n ( 4 ) p r e l i m i n a r ys i m u l a t i o ns t u d yo nn o n l i n e a rp h e n o m e n ai ni n v e r t e rw e l d i n gp o w e r s u p p l yh a sb e e nd o n e f i r s t l y , t h ee q u i v a l e n tb u c kc i r c u i tt o p o l o g yo fh a l f - b r i d g ec i r c u i t h a sb e e nd e r i v e d ，w h i c hv e r yc l e v e r l ys i m p l i f i e st h em o d e l i n go f h a l f - b r i d g ec i r c u i t s ot h e e x i s t i n gs t u d ym e t h o dc a nb eu s e di nt h i sr e s e a r c h s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ta tt h e o p e r a t i n gp o i n t2 4 v 10 0 a ，w h e nv a l u eo fi n p u tv o l t a g e ，f i l t e ri n d u c t o ra n de q u i v a l e n t w e l d i n gc a p a c i t o rv a r i e d ，s i m u l a t i o n sh a v eb e e nd o n ea n dt h ec h a n g eo fs y s t e md y n a m i c b e h a v i o r si so b t a i n e da n dp r o v et h ee x i s t e n c eo fc h a o t i cp h e n o m e n a a f t e ra n a l y z i n gt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o nc a nb ed r o w n ：t h ew i d ef l u c t u a t i o no fi n p u t v o l t a g e ，t h ei m p r o p e rt r a n s f o r m e rr a t i o ，a n dt h el a r g ev a r i a t i o no fw e l d i n ge q u i v a l e n t c a p a c i t o ra n du n f i tf i l t e ri n d u c t o rp a r a m e t e r sc a nb r i n gt h ec o n v e r t e ri n t oc h a o t i co p e r a t i o n e x t e n t t h er e s e a r c hc o n c l u s i o n sh a v e i m p o r t a n td i r e c t i v et o t h es e l e c t i o no fc i r c u i t p a r a m e t e r s t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ra f f o r d sb e n e f i tf o ri n c r e a s i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h ei n v e r t e r a r c w e l d i n gp o w e rs u p p l y t h i ss t u d yc o n f o r m st ot h ed e v e l o p m e n tt r e n do f h i g h f r e q u e n c ya n dg r e e nw e l d i n gm a c h i n e ”，a n dp r o v i d e st h ep o t e n t i a lf o rt h ef u r t h e r i m p r o v e m e n to f t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fw e l d i n gm a c h i n e k e yw o r d s ：i n v e r t e ra r cw e l d i n gp o w e rs u p p l y ；m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ；d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ；p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n ；n o n l i n e a rp h e n o m e n a 学位论文独创性声明与知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已 属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。 本人如违反上述声咀，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：互开芋乙日期：w 舜月啪 蒜篓黟”日舻咯彳月尹日，论文作者签名：互囊孑易 日期：p 咯彳月广日 导师签名： 步务汤日期：p 孵f 月矿日 第一章绪论 1 1 逆变弧焊电源的发展 第一章绪论弟一旱三：百下匕 自2 0 世纪7 0 年代逆变弧焊电源出现以来，其发展可以说是日新月异。逆变弧 焊电源的发展总是伴随着电力电子技术、计算机技术、焊接技术以及控制技术的发 展。我国对逆变焊机的研究始于2 0 世纪8 0 年代初，到目前总共经历了3 代【2 j 。第 l 代是以晶闸管为主开关器件的弧焊逆变器( 1 9 8 2 年) ，其逆变频率为2 0 0 0 5 0 0 0 h z ； 第2 代是以g t r 或m o s f e t 为主开关器件的弧焊逆变器( 1 9 8 2 年) ，其逆变频率为 2 0 - - - 5 0 k h z ；第3 代为i g b t 弧焊逆变器( 1 9 9 0 年) ，逆变频率为2 0 3 0 k h z 。在此期间， 我国许多院校和科研机构都致力于弧焊逆变电源的研究开发，在理论和实际应用等 方面取得了很人的成绩。由于逆变焊机性能好、节材、节电，所以倍受欢迎，产量 逐渐提高，已成为主导产品，经济发达国家的逆变焊机产量已达到弧焊机总产量的 3 0 以上，有的甚至已超过5 0 。 之后，随着信息技术和计算机技术在弧焊电源中的广泛应用，弧焊电源实现了 智能控伟j l j 3 4 ，进而实现了焊接工艺过程的自动化，焊接质量的智能化，比如说焊接 机器人的问世以及微机控制逆变焊机的研制等 s - 7 。 2 0 世纪9 0 年代初，数字化弧焊电源在欧洲问世，它采用数字控制技术代替了 模拟控制技术，随着数宁信息处理器d s p 的出现，f r o n i u s 、p a n a s o n i c 等公司推出 了各自的数字化焊接电源产品，并相继进入中国市场【8 j 。数字化弧焊电源具有柔性 控制和多功能集成的特点，具有更强的稳定性和一致性，控制精度高、接口兼容性 好，通用性好，便于升级【9 1 ，但处理速度慢是数字化弧焊电源的主要缺剧1 0 j 。目前， 我国高校也有学者对逆变弧焊电源的数字化控制技术等进行了研究一7 。 近年米，逆变弧焊电源中采用了不少新技术i ，包括软开关技术 1 8 - 2 2 】、c 0 2 气 体保护焊波形控制技术2 3 刀1 、电磁兼容技术口5 筇1 、功率凶数校正技术2 7 挪1 、节能技 术等，使逆变弧焊电源的性能得到进一步的提高。 当前，伞球资源与能源订渐紧缺，人们的环保意识不断加强，“绿色”概念已 深入人心，早在2 0 0 0 年就有人提出绿色焊机的概念1 2 9 1 ，环保、节能、污染小的绿色 焊机将是未来焊机的发展方向【8 j 。 1 2 本课题的意义 焊接t 艺已广泛应用于矿t l i 、冶金、机械、石油化工、造船、航空、航天、国 防i , i k 不a 海洋工程等领域，与国民经济的发展息息相关。据悉，工业发达国家钢产 量的一半左右是通过焊接工艺完成的。我国核电站中的压力壳、三峡水电站水轮机 青岛大学硕士学位论文 的转子都是由焊接而成的。许多工业、军事、以及生活中的装备的连接离开焊接是 无法完成的 1 0 , 3 0 , 3 1 】。可见焊接工艺在国民经济发展中的重要性。 众所周知，焊接工艺是依靠号称“工业缝纫机”的焊接设备来完成的p 引。据了 解【3 3 1 ，受中国经济高速增长及工业化、城市化、现代化进程加快的拉动，铁路、造 船、石油管道、建筑、汽车等一批关乎国计民生的行业对钢材需求强劲，为焊接设 备市场创造了巨大商机。据中国焊接协会专家介绍，按每万吨钢材需求2 5 台焊机 计算，中国2 0 0 9 年钢产量将达到5 4 亿吨，总计需要约1 3 5 万台电焊机。但是受国 内生产技术和工艺所限，约占每年国内市场总额一半、价值1 0 亿美元的中高档自动 和半自动电弧焊机、电阻焊机、特种焊机和专用成套设备仍然依靠进口。可见，中 国的电焊机市场蕴藏着巨大的商机和发展空间。 弧焊电源是焊接设备巾的主要部分，只有性能优良、工作稳定的弧焊电源才能 保证先进焊接工艺的实现【3 0 。逆变弧焊电源便是一种性能优良的焊接电源，d 仃二它 所具备的诸多潜在优点，使其为焊接设备的发展带来了革命性的变化，已成为当前 焊接电源发展的主流 8 , 3 4 - 3 6 1 。 随着计算机技术的飞速发展，电路仿真技术及仿真软件f 1 趋完善，已经广泛的 戍用于电力电子系统中，仿真技术的麻用可以克服硬件实验方法中存在的困难，节 省产品开发费用及时问【3 。7 1 。逆变弧焊电源是一种大功率装置，工作频率高、工作环 境恶劣，如果在设计巾直接进行硬件调试，避免刁了付出巨资解决功率器件烧毁的 问题。使用仿真技术对弧焊电源进行模拟，可将繁琐的设计调试工作利用计算机进 行，达到理想的性能之后再进行实际的安装调试，从而使调试时间和烧管数量达到 最少【3 8 枷】，可见，在弧焊电源的优化设计巾计算机仿真的意义重大，对系统参数选 择起到很重要的指导意义。 本课题需要建立逆变弧焊电源系统的模型，进行大量仿真及实验研究，利用仿 真指导实践，达到对系统进行参数优化的目的，对弧焊电源的设计以及性能的优化 起到一定的指导作用。 1 3 本课题的选题背景 逆变焊机已成为焊接设备发展的主流。目前部分国产中、低档逆变焊机己接近 国际先进水平，在高档产品市场，则基本上是进口产品的天下。中国焊接科研力量 薄弱，极大的影响了焊接产品质量和可靠性以及在市场竞争中的实方而且目前市 场上的产品存在着可靠性差、返修率高、经常发生功率电子器件损坏等问题，可靠 性和稳定性一直制约着它的生产应用和进一步发展1 4 。口前，随着管线钢级的提高， 必然对焊接技术的要求越来越高，尤其是对焊接材料和焊接设备的性能要求，因此 国内在焊接技术方面还有很大的提升空间。 2 第一章绪论 逆变弧焊电源正朝着大功率、高频化、小型化的方向发展，带来了可靠性、谐 波干扰、电磁兼容性、效率等一系列问题【4 2 - 4 4 1 ；焊机工作环境的复杂性和恶劣性对 焊机性能的要求越来越高：电弧负载的特殊性亦对逆变弧焊电源提出了高于一般逆 变电源的新要求，可见，对其性能的优化迫在眉睫。鉴于我国焊接设备的发展现状， 我们有必要在这一方面做一些有意义的研究。当前的电路仿真软件功能越来越强大， 仿真已成为弧焊电源设计中必不可少的步骤；此外，我们的电力电子重点实验室具 备研究逆变弧焊电源的实验条件，而且前几届毕业的学生已完成电路的设计工作， 基于此，我的课题定为逆变直流弧焊电源的仿真及实验研究，顺应焊机的绿色化发 展方向，完成与逆变弧焊电源的可靠性、稳定性以及性能优化相关的一系列仿真及 实验研究，并月首次对逆变弧焊电源中的非线性现象作了初步的探讨。 1 4 本课题的研究内容 本文完成了与逆变弧焊电源可靠性、稳定性及焊接质量相关的一系列仿真及实 验研究，对逆变弧焊电源的主电路进行了改进及实验验证，并且首次探讨了弧焊电 源的非线性现象。具体内容如下： ( 1 ) 逆变弧焊电源系统的建模：在深刻理解逆变弧焊电源工作原理、焊接电弧 特性及其对焊接电源要求的基础上，建立了系统仿真模型。仿真软件采片j m a t l a b 中 的s i m u l i n k 和s i m p o w e r s y s t e m s 模块库，根据模块库的特点以及研究问题的需要，分 别建立了逆变弧焊电源主电路、控制系统、电弧负载的器件级模型和数学模犁，用 于对系统进行全面完整的仿真研究。 ( 2 ) 逆变弧焊电源动特性的仿真及实验研究：首先建立了基于传递函数的弧焊 电源的数学模型，从理论上分析了主电路主要元件参数对弧焊电源动特性的影响规 律，在此规律的指导下，对逆变弧焊电源大信号模型进行仿真调试，选定使输出仿 真结果理想的参数作为元件参数取值的指导值，然后进行实验，发现仿真结果和实 验结果相吻合，证明所选参数的合理性以及所建模型的正确性。对电弧负载跳变过 程进行了仿真及实验研究，验证电源动特性的优良。发现焊接过程稳定，焊机性能 较理想，同时得到了和仿真市丌吻合的比较理想的结果。 ( 3 ) 逆变弧焊电源主电路的改进及实验验证：对传统主电路进行了改进，主要 是输入e m i 滤波电路以及整流后滤波电路部分的改进。由于作了这部分改进，主电 路中可以省掉软启动电路，另外使得滤波电容的容晕和体积大大减小。对两套主电 路进行了一系列的对比分析、仿真及实验研究，结果表明改进的丰电路与传统书电 路相比，在效率、功率因数、抑制冲击电流、降低谐波畸变率方面也有所改进，使 焊机的性能得到了优化，这样为逆变焊机更完美地控制焊接工艺过程、满足电弧的 各种物理特性、外特性和动特性的要求创造了条件。该研究顺应了逆变弧焊电源高 3 青岛大学硕士学位论文 频化和绿色化的发展方向。 ( 4 ) 逆变弧焊电源非线性现象的初步探讨：由于主电路中半桥逆变器的存在以 及电弧负载的非线性，推断逆变弧焊电源中存在非线性现象。对逆变弧焊电源在输 出2 4 v 1 0 0 a 时的非线性现象进行了初步的仿真探讨。在利用m a t l a b s i m u l i n k 建模的 过程中，通过推导出连续模式下半桥变换器的等效b u c k 电路拓扑，巧妙的简化了对 半桥变换器的建模，可以采用已有的建模方法对其建模仿真。通过仿真，发现在相 应的电路参数比如输入电压、电感和焊接等效电容值变化时出现了倍周期及混沌相 图，验证了在输出2 4 w 1 0 0 a 的情况下非线性现象的存在性。但是本文的研究是初步 的，需要深层次的理论验证以及更全面深入的研究。 4 第二章逆变弧焊电源系统组成及原理 第二章逆变弧焊电源系统组成及原理 弧焊电源是为焊接电弧提供电能的装置。随着现代电力电子技术的发展，逆变弧 焊电源已成为广泛应用的电子控制型弧焊电源，其优良的性能和显著的特点得到人们 的重视，在最近十几年，逆变弧焊电源得到了快速发展【m 】。 2 1 焊接工艺对弧焊电源的基本要求 2 1 1 焊条电弧焊的动态过程 本课题所研究的弧焊电源用于焊条电弧焊。焊条电弧焊是熔化极电弧焊的一种， 是利用金属焊丝作为熔化电极进行焊接的电弧焊方法，在焊接电弧燃烧过程中，作为 电弧一极的焊条( 丝) 不断熔化并过渡到焊接熔池去。图2 1 所示是焊条电弧焊时，弧焊 电源输出电压和电流变化示意图 1 0 , 3 9 。 尉 u o o l i 办 ， f 图2 1 弧焊电源输出电压和电流变化示意图 t 。是短路阶段。焊条电弧焊往往采用短路引弧，首先使焊条与工件短路，弧焊电 源输m 电压由空载电压u o 迅速下降至短路电压u d ，而输m 电流迅速由o 增至短路电流 的最大值l 。d ，然后又逐渐下降到稳定短路电流i 。d 。 t 2 是引弧阶段。待焊条迅速提起，离开工件之后，电源输出电压迅速上升，电流 迅速下降，形成了电弧放电，引燃电弧。 t 3 是燃弧阶段。电弧稳定燃烧之后，焊条端部将形成熔滴并逐渐长大，电弧弧长 5 青岛大学硕士学位论文 逐渐变短，电弧电压逐渐下降，而电弧电流逐渐上升。 t 4 是短路过渡阶段。当熔滴足够大时，会使焊条与熔池短路，电弧瞬时熄灭，电 压下降，电流增至热态短路电流的最大值i 用，此时金属熔滴在重力和电磁压缩力作用 下进入熔池，这是短路过渡阶段。 当熔滴脱落以后，又会进入电弧重新引燃阶段，如此周而复始，电弧电压和电弧 电流就出现周期性的变化。上述过程可以概括为“空载短路负载”的引弧过程和“负 载短路负载”的熔滴过渡过程。在焊条电弧焊这种经常被熔滴短路的电弧，不仅弧 长发生剧烈的变化，还有熔滴短路并向熔池过渡之后的重新引燃电弧的问题。由此可 见，焊条电弧焊是一个变化极快的动态负载。f f l 于熔滴短路使电弧变得更加不稳定， 因此对弧焊电源的动态特性提出更高的要求1 0 3 9 1 。 2 1 2 焊接电弧及其特性 电弧是弧焊电源的负载，其特性将决定弧焊电源的特性。焊接电弧的物理本质是 一种气体导电现象，义是一种自持放电现象。 2 1 2 1 电弧静特性 一定长度的电弧在稳定状态下，电弧电压断与电弧电流厅之间的关系，称为焊 接电弧的静态伏安特性，简称静特性。可用式2 ( 1 ) 表示： u f = 苁i f )2 一( 1 ) 焊接电弧的静特性概念可以用于直流电弧、交流电弧以及脉冲电弧等任何电弧。 直流电弧的电压是近乎不变的甲均值；交流电弧的电流与电压是有效值；对于脉冲电 弧，其电弧电流与电压则为平均值。 将电弧静特性在直角坐标系l f j 用曲线表示出来，该曲线称为电弧静特性曲线。由 此可以分析电弧电流与电弧电压之问的规律。一般情况下，金属电阻可以认为是线性 负载，其伏安特性表现为线性曲线，而焊接电弧是在高温状态下由气体的带电粒子导 电，其物理过程复杂多变，其电导率和电导值也不是常数，而是随内外部条件的变化 而变化。当电弧电流在很人范围内从小到人变化时，通过实测得到的焊接电弧静特性 如图2 2 所示。该f f 1 线形状类似于“u ”形，故称为“u 形曲线”。由于焊接电弧电 流与电压之间的关系是非线性的，所以焊接电弧是非线性负载。 根据电弧静特性曲线的形状，可将其分为a 、b 、c 三段，如图2 2 所示。在a 段，电流较小，电弧电压随着电流的增加而减小，电弧具有负阻特性，即下降特性； 当电流增大到一定值以后，电流再增加，电压几乎不变，电弧呈平特性，即b 段； 在c 段，电流较大，电压随电流的增加而升高，电弧呈卜升特性。电弧静特性受电 弧长度和电极直径的影响。图2 2 显示了三种不同弧长的电弧静特性。 6 第二章逆变弧焊电源系统组成及原理 不同的焊接方法，在其正常使用范围内，其电弧静特性曲线只是整个电弧u 形 特性曲线中的某一部分，因此通常将工作于特定状态下的电弧简化为电阻性负载。 2 1 2 2 电弧动特性 乏 i f a 图2 2 电弧的静特性曲线 当电弧两端施加以高速变动的电压时，电弧中带电粒子的密度以及弧柱半径和温 度等都随之变化，使电弧达不到稳定状态，因而电弧的电压和电流都是时间的函数， 它们之间的关系可以采用电弧动特性来描述。 一定弧长的电弧，当电弧电流以很快的速度连续变化时，电弧电压瞬时值与电流 瞬时值之问的关系称为电弧动态伏安特性，简称为电弧动特性，可用式2 ( 2 ) 表示： 圻= 以i f )2 - ( 2 ) 电弧动特性包含电弧电压、电弧电流和时间三个变量。直角坐标系中的电弧动特 性曲线是一闭合曲线，称为电弧动特性闭合回线。图2 3 ( a ) 所示为电压、电流随时问 变化的波形，图2 3 ( b ) 所示为电弧动特性曲线图。 l 陡 拶厂 , fj 忿 i 彳 0 i _ f 刘 ( a ) 电压电流随时间变化波形( b ) 动特性曲线 图2 3 交流电弧的动特性曲线 当电弧电流按不同规律变化时，将得到不同形状的动特性闭合曲线。 7 青岛大学硕士学位论文 对于不同的焊接方法，包括同路焊接电缆电压降在内的，符合某种约定关系的负 载电压与负载电流称为约定负载电压与约定焊接电流，对于焊条电弧焊，其约定负载 电压和电流间的关系为u = 2 0 + o 0 4 1 。 2 1 3 弧焊电源的基本特性 弧焊电源是向焊接电弧提供电能的一种装置，是电弧焊机的核心。由于弧焊电源 的负载是电弧，电弧负载特性与般的电阻、电机等负载特性不同，因此弧焊电源除 了具有一般电力电源的特点外，还具有满足电弧负载要求的电气特性，此外，不同的 弧焊工艺方法使得弧焊电源的基本特性也有差异。 2 1 3 1 弧焊电源的外特性 弧焊电源的外特性是指，在规定范围内，弧焊电源稳态输出电压u 。和稳态输出 电流i y 之间的关系。一般采用以= 厂仉) 表示，在直角坐标系中采用曲线表示，该曲 线称为电源的外特性曲线。弧焊电源外特性的实质是电源静态输m 的特性，又称为弧 焊电源的静特性。 对于弧焊电源来讲，由于电弧负载的非线性，各种焊接工艺方法、工艺过程的特 殊性，其外特性曲线形状也具有特殊性，而- 日不是唯一的。常用的弧焊电源外特性主 要有平特性、下降特性以及陡降特性等。 平特性电源的特点是电源输出电流变化时，输出电压基本不变或稍有下降或提 高，因此又分为恒压特性和平缓特性。 弧焊电源的下降特性是当焊接电流增加时，电源输出端电压“急剧”下降。根据 外特性曲线斜率的不同可分为缓降特性和垂直下降( 恒流) 特性。 本课题所研究的弧焊电源具有恒流带外拖特性，如图2 4 所示。当电弧电压高于 拐点么。对应电压时，弧焊电压的外特性是恒流特性，而当电弧电压低于拐点彳。电压 时，弧焊电源的外特性为斜特性，也可以是缓降特性等。 图2 4 恒流带外拖特性 8 第二章逆变弧焊电源系统组成及原理 2 132 弧焊电源的调节特性 弧焊电源提供焊接电流和焊接电弧电压，而不同材料、不同板厚、不同结构的焊 接需要选用不同的焊接电流、电弧电压，因此弧焊电源必须具备焊接电流或负载电压 的可调特性，以适应各种焊接的需要。弧焊电源具备的这种可调性能称为弧焊电源的 调节特性。 电弧静特性和电源外特性曲线相交的稳定工作点决定了电弧电压和焊接电流。对 于一定弧长的电弧，只有一个稳定工作点。因此，为了获得一定范围内所需的焊接电 流和电弧电压，弧焊电源的外特性必须可以调节，即弧焊电源具有一组外特性曲线或 者说具有无数条外特性曲线，这样才能与电弧静特性曲线有多个交点。外特性曲线的 调节总是有一定的范围、精度和分辨率，这就是弧焊电源的调节性能。不同的弧焊电 源具有不同的调节性能。 2 1 3 3 弧焊电源的动特性 弧焊电源的动特性是指当电弧负载状态发生瞬态变化时，弧焊电源输出电压和输 出电流与时间的关系，用以表征对负载瞬变的反应能力，用u f = j ( t ) 、f = a t ) 表示。弧 焊电源的动特性对电弧焊巾的引弧、燃弧和熔滴过渡状态( 即电弧稳定性、飞溅等) 具 有重要的影响，它是能否获得满意焊缝质量的重要囚素之一。 由于焊接电弧是动念负载，其焊接“电源电弧”系统的状态是时刻变化的，引 弧过程中，系统在空载短路燃弧电弧稳定燃烧等几个状态间交替变化，焊接过程中， 则在电弧稳定燃烧短路电弧重燃等几个状态之间交替变化。由于各种弧焊电源都具 有一定的电磁惯性，系统各种状态之问的过渡不是突变的，而是逐渐变化的，若弧焊 电源的电磁惯性过大，系统各状态之i h j 的过渡就缓慢，若焊接参数选择又不当，则焊 接电弧就r 日j 能在状态变动中熄灭。因此弧焊电源必须具有满足动态电弧负载要求的动 特性。通常，对弧焊电源动特性的要求主要包括三个方而：对瞬时短路电流峰值的要 求、对短路电流上升率的要求、对恢复电压最低值的要求【l0 1 。 2 2 逆变弧焊电源系统结构 2 2 1 基本结构 逆变弧焊电源系统结构如图2 5 所示： 9 青岛大学硕+ 学位论文 图2 5 逆变弧焊电源系统结构框图 逆变弧焊电源主要由功率系统和电子控制系统构成。 功率系统由输入电路、逆变电路、输出电路等构成，也称为主电路。输入电路包 括输入整流和滤波电路；整流电路人多采用桥式整流电路；滤波电路应用较多的是电 容滤波。逆变电路是逆变弧焊电源的核心，由电子功率开关器件和逆变降压变压器等 构成；输出电路包括整流和滤波电路。 电子控制系统即控制电路。通过电子功率开关的导通与关断，将直流电变换为中 频交流电。电子功率开关的通断南一定的驱动脉冲信号进行控制，产生驱动脉冲信号 的电路包括电压和电流给定电路、电压和电流反馈电路、比较放大电路、驱动电路等。 2 2 2 工作原理 如图2 5 所示，单相或- - 相5 0 h z 的交流电压( 单相2 2 0 v 或三相3 8 0 v ) ，经输入整流 滤波后，获得逆变主电路所需的平滑直流电压( 单村l 整流约3 1 0 v ，三棚整流约5 4 0 v ) 。 该直流电压经逆变主电路的开关器件组的交替开关作用变成中频高压电，再经过变压 器降压、整流滤波输出，变成适合于焊接的低电压，并借助于控制驱动电路和给定反 馈电路以及焊接回路的阻抗，获得焊接工艺所需的外特性和动特性。其过程可以门纳 为交流直流。交流直流。这也是般逆变弧焊电源的能量传递过程。 2 2 3 逆变形式 逆变弧焊电源常用以下三种逆变体制1 0 , 3 9 1 ： ( 1 ) a c d c a c ，即交流直流交流。最终输出为交流电，其频率为逆变器的逆变 频率，远高于工频。由于频率高的交流电传输的损耗较大，传输距离等受到限制，因 此在实际弧焊电源中很少采用。 ( 2 ) a c d c a c d c ，即交流直流交流直流。最终输出的是直流电，是目前大多 数逆变直流弧焊电源所采用的形式。本课题研究的逆变弧焊电源采用的就是这种逆变 体制。 1 0 第_ 章逆变弧焊电源系统组成及原理 ( 3 ) a c d c a c d c a c ，即交流直流交流直流交流。这种形式有两次逆变，最 终输出的是方波交流电。其频率可以选的较低，一般用于铝、镁及其合金材料的焊接。 目前交流逆变式弧焊电源、变极性逆变式弧焊电压多采用此种形式。 2 3 所研究的逆变弧焊电源主电路 本课题中提出了两套主电路，一种是传统主电路，如图2 6 所示；一种是改进的 主电路，如图2 7 所示。 k m 图2 6 传统主电路 k e t - i - k e t 一 图2 7 改进主电路 2 3 1 逆变主电路原理 从图2 6 、图2 7 可以看出，两套主电路均由输入整流滤波电路、半桥逆变主电路 和输出滤波电路组成。传统丰电路中，电解电容c l 和c 2 、功率开关i g b t t l 和t 2 组成 半桥；改进主电路中，电解电容c 7 和c 8 、无极性电容c i l 2 5 、功率开关i g b t t l 和t 2 组成半桥。t l 和t 2 交替导通，完成d c a c 的逆变过程，在两电路中，逆变频率均为 2 0 k h z 。为便于分析，将半桥逆变主电路单独画出，如图2 8 所示。 青岛大学硕士学位论文 图2 8 半桥逆变电路 电压u d 是三相3 8 0 v 、5 0 h z 交流电经全桥整流电路后得到的约5 4 0 v 的直流电压。 t l 、t 2 在驱动电路的作用下交替导通，将整流电压逆变成高频方波电压作用于变压器 上。由于c 卜c 2 的分压作用，方波幅值只有u d 2 。高频方波电压经变压器降压、- 次 全波整流及直流输出电感滤波后输山较为平稳的直流电供给电弧。 电容c i 、c 2 容量相等，则两电容的中点电压为输入电压u d 的一半。当开关管t l 导通时，电容c l 将通过t i 、变压器一次绕组w 1 放电，同时电源电压u d 通过t l 、w l 为 c 2 充电。此时，加在w l 上的电压为u d 2 ，t 2 承受电压为u d 。当t i 由导通变为截j 卜时， w l 上电压极性反转，变压器储存的能量经c 2 、d 2 释放，w l 所产生的电压被钳位于u a 2 ， 在此瞬间，t 2 上承受电压为零，t l 承受电压为u d 。这个能量释放过程很快，之后，t 卜 t 2 都截i ：，它们的端电压又都回到输入电压的一半。当t 2 导通、t l 截i ：时，相应产生 上述类似过程，只是电压极性相反。 2 3 2 输入电路原理 输入电路包括e m i 滤波电路、整流电路、滤波电路。 ( 1 ) 逆变式弧焊电源是一种开关电源，工作在开关状态，是一个电磁干扰源。干 扰频谱能量主要集中在逆变开关频率基波及其倍频以上。由于逆变弧焊电源的容量较 人，工作时电磁干扰能量很强，因此应该采取措施抑制电磁干扰，否则将污染电网， 干扰其它设备的正常工作。 改进的主电路采用了e m i 滤波电路，其中电容c i 、c 2 、c 3 组成共模十扰抑制电 路，c 4 、c 5 、c 6 组成差模干扰抑制电路。 ( 2 ) 对三相3 8 0 v 输入交流电，采用三相桥式整流模块进行整流，整流电路之后接 输入滤波器，将整流得到的脉动直流电进行甲滑滤波而得到纹波较小的直流提供给逆 变电路。r f i 于逆变电路要求输入电路提供的直流电纹波尽量小，因此输入电路中往往 采用大容量的电解电容进行滤波。 ( 3 ) 由于输入整流滤波电路中采用大容量的电解电容，在合闸通电后的极短时间 内，电容的充电电流很大，因此形成合闸浪涌电流。大的浪涌电流对电容有强烈的冲 击，影响电容的使用寿命，甚至破坏滤波电容。因此，在合闸时需要采用限流装置抑 1 2 第二章逆变弧焊电源系统组成及原理 制浪涌电流，待电容充电到较高电压、充电电流较小时再取消限流措施。 传统主电路中采用了软启动电路，由接触器k m 及其相关的控制电路和大功率电 阻r 7 构成，如图2 6 所示。刚上电时，经桥式整流得到的直流电压经电阻r 7 向滤波电 容充电，从而限制了充电电流的最大值，随着电容电压的上升，充电电流逐渐减小， 当电容电压增加到一定值后，接触器k m 动作，将电阻短路，限流作用消失。 2 3 3 输出电路原理 输出电路包括输出整流电路和滤波器。 ( 1 ) 输出整流电路将变压器二次侧绕组