（材料加工工程专业论文）多相可控硅焊接电源数字化控制及电能质量研究.pdf

摘要 多相可控硅焊接电源数字化控制及电能质量研究 摘要 论文针对可控硅气体保护焊接电源相关技术的研究现状，以提高焊 接电源系统可靠性、稳定性、工艺性为设计理念，提出了一种新型的可 控硅焊接电源主电路形式一带平衡电抗器的十二相可控整流电路，研究 采用数字化的控制技术实现焊接电源系统的精度相控。 论文研究的带平衡电抗器的十二相可控整流电路利用星形和三角形 两种不同的接法，相差3 0 0 的三相全桥式六脉波整流电压经平衡电抗器 并联输出，来获得一个十二脉波的整流电压，三角形连接的绕组与星形 连接的绕组匝数比为拈：1 ，其电压矢量相隔3 0 0 。论文研究分析双反星 形可控整流电路和十二相可控整流电路的工作情况，并通过傅立叶级数 分解得到相应整流电路在控制角口= 0 时整流电压“。的形式。实验观察了 。l 流电路控制角口- = 3 0 0 和6 0 0 的整流输出电压波形，同时采用脉动 一，、纹波系数心以及限制输出电流脉动时的电抗器电感三。三个指标 来评价，说明十二相整流电路的整流输出电压更平稳、脉动更小，完全 适合于焊接电源主电路，并可以提高焊接工艺性能，并为焊接电源的研 究提供了一个新的平台和尝试新的方向。 上海交通大学博士学位论文 论文在分析了十二相焊接电源控制系统信号流的基础上，构建了基 于d s p 和c p l d 联合控制的数字化十二相可控硅焊接电源系统结构。研 制的数字化十二相焊接电源系统在高集成度数字化硬件平台上通过d s p 和c p l d 的软件编程实现可控硅焊接电源的数字控制，为焊接电源系统 的数字化、信息化、柔性化、智能化控制提供了优质、可靠的技术基础。 论文设计了基于d s p 和c p l d 联合控制的十二相焊接电源功率可控 硅数字触发电路，提出d s p 软件编程实现可控硅移相时间控制和利用 c p l d 逻辑设计方法实现多路相控脉冲精度输出。d s p 通过c a p 单元捕 获研究设计的与主变压器次级星形绕组同向的同步变压器次级输出端3 组绕组相电压过零同步信号产生中断，然后d s p 通过片上定时器移相， 输出计数使能脉冲启动以c p l d 中软件计数比较器工作，通过c p l di o 口输出数字脉冲触发主电路功率可控硅，实现了d s p 控制可控硅焊接电 源主电路的数字触发，触发电路简单、可靠。通过软件编程控制触发脉 冲移相时间的大小，控制精度可达o 2 u s 、稳定性好，各路触发脉冲移相 的一致性好，焊接电压输出稳定性高。 论文构建了基于l a b v i e w 虚拟仪器的焊接电源过程参数采集分析 系统，并在此基础之上对十二相可控硅电源和双反星形电源短路过渡规 范进行工艺对比实验，统计电弧稳定过程电信号参数，发现十二相电源 在短路频率、燃弧功和短路功等有代表性的电弧稳定性特征方面要优于 双反星形电源。对在相同焊接规范条件下十二相可控硅电源短路过渡频 2 摘要 率高于双反星形电源的实验情况，以单位时间平均燃弧能量( 即燃弧功 率) 为目标，探讨了可控硅电源波头能量，建立并分析了波形模型，同 样时间内1 2 脉波双波头能量要比6 脉波单波头能量高出7 ，1 2 脉波单 波头能量仅相当于6 脉波单波头能量的一半。提出可控硅电源是通过波 头一份份、不连续的能量施加方式，并且多相主电路的特点决定了能量 施加的精细程度，从而影响燃弧能量的分布，最终反映在熔滴过渡的稳 定性和短路频率的高低等方面，可控硅焊机整流脉波数目越多、越细密， 对于熔滴过渡的稳定性越有益。综合工艺性和电源设备的控制复杂及稳 定性，十二相可控硅焊接电源具有良好的电源稳定性和焊接工艺性能。 论文建立研究弧焊电源电能质量信号的软硬件平台，通过对谐波的 理论分析和对可控整流功率因数影响因素：畸变系数和位移系数的分析， 提出研究弧焊电源电能质量的方法，并在此基础之上对十二相焊接、双 反星形焊机和逆变焊机进行了电阻箱负载以及焊接过程中电网输入信号 采集分析试验。通过l a b v i e w 软件编程，分析了电网输入信号的幅频谱， 计算对f = v - f 不同电源的电压电流畸变率t h d i 、t h d u 和波形畸变系数矿 以及对电网能耗损失相关的线损增加率。结果表明十二相可控硅焊接电 源对电网污染小，具有绿色电源特征和良好的应用前景。 关键词：十二相，数字信号处理器，可编程逻辑控制器，数字触发， l a b v i e w ，数据采集分析系统，电能质量，谐波 a b s t r a c t d i g i t a lc o n t r o l f o rp h a s e ss c rw e l d i n g m a c h i n ea n de l e c t r i c a le n e r g y s i g n a ls t u d y a b s t r a c t a i ma tt h ec o r r e l a t er e s e a r c ho fg a ss h i e l d e ds c r w e l d i n gm a c h i n e ，t h ed i s s e r t a t i o n p r o p o s e dt h ed e s i g n i n gn o t i o no fi m p r o v i n gr e l i a b i l i t y , s t a b i l i t ya n dw e l d i n gp r o c e s s s i m p l e o p e r a t i o n an e wk i n do fm a i nc i r c u i tw h i c hn a m e dt w e l v e p h a s e sr e c t i f i c a t i o n c i r c u i tw i t hb a l a n c e dr e a c t o ri sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r t h es t u d yu s e sd i g i t a lt e c h n o l o g y t or e a l i z et h ep r e c i s i o no f p h a s e c o n t r o l l i n go f t h ew e l d i n gm a c h i n e b yt h ep a r a l l e lc o n n e c t i o no fs t a ra n dt r i a n g l es h a p et h r e e - p h a s ef u l l yc o n t r o l l e d b r i d g e ，t h e yh a v eap h a s ed i f f e r e n c eo f3 0d e g r e e ，t h r o u g ht h eb a l a n c e dr e a c t o r , w eg e tt h e t w e l v e - p h a s er e c t i f i e dv o l t a g e t h et a m sr a t i oo f t h es t a ra n dt h et r i a n g l es h a p ei s ： 1 , t h e i rv o l t a g ev e c t o r si n t e r v a l3 0d e g r e e i nt h i sp a p e r , e a c hw o r k i n gs i t u a t i o no fd o u b l e i n v e r s es t a rr e c t i f i e rc i r c u i ta n dt w e l v e - p h a s er e c t i f i e rc i r c u i ti ss t u d i e d ，a n dt h er e c t i f i e d v o l t a g e 甜dw h e nc o n t r o l l i n ga n g l eae q u a l sz e r oi so b t a i n e db yf i a i e rs e r i e se x p a n s i o n p u l s ec o e f f i c i e n t y m ，a p p l ec o n t a i nf a c t o ry a n dl mw h i c hu s e dt ol i m i to u t p u t c u r r e n t sf l u c t u a t ea r ec a l c u l a t e di nt h i s p a p e r , a n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e t w e l v e - p h a s er e c t i f i e dv o l t a g eh a sb e t t e rc h a r a c t e ra n dw i l li m p r o v ew e l d i n gc r a f t 4 望! ! ! ! 型旦! ! 塑苎盟! ! ! ! 曼塾苎竖墅! 堕塑竖望堂嬖堕 p e r f o r m a n c e t w e l v e - p h a s ew e l d i n gp o w e rs o u r c ep r o v i d e an e wp l a t f o r ma n dn e w d i r e c t i o nf o rt h er e s e a r c ho f g a ss h i e l d e dw e l d i n gm a c h i n e b a s e do nt h ea n a l y s i so fs y s t e mc o n t r o l l i n gs i g n a l so f t w e l v e - p h a s ew e l d i n gm a c h i n e ， t h ec o n f i g u r a t i o no f d s pa n dc p l dc o n t r o l l i n gd i g i t a lt h y r i s t o rw e l d i n gm a c h i n ei ss e tu p o nt h ep l a t f o r mo fh i g hi n t e g r a t i o nd i g i t a lh a r d w a r e ，d s pa n dc p l ds o f t w a r er e a l i z e d d i g i t a lc o n t r o l r n gt h y r i s t o rw e l d i n gm a c h i n e a n d p r o v i d eh i g hq u a l i t y , c r e d i b i l i t y t e c h n o l o 毋 f o rd i g i t i z a t i o n ，i n f o r m a t i o n , f l e x i b i l i t ya n di n t e l l i g e n t i z e dc o n t r o l l i n g t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g n e dd i g i t a l t r i g g e r c i r c u i to ft h y r i s t u rw h i c hi sc o m b i n e c o n t r o l l e db yd s pa n dc p l ds o f t w a r e z e r os y n c h r o n o u ss i g n a lo ft r a n s f o r m e r s s e c o n d a r yv o l t a g ei sc a p t u r e db yd s p w h i c ho u t p u te n a b l ep u l s es i g n a lt oc p l dt ot r i g g e r t h ew o r k i n go ft h r e es o f t w a r ec o u n t - c o m p a r el o g i cu n i t sw h i c hd e s i g n e di nc p l d a n d t h et r i g g e rp u l s ei so u t p u tf r o mi 0p i n so fc p l dt op o w e rt h y r i s t o r w e l d i n gv o l t a g ei s s t a b l e ，b e c a u s ed i g i t a lp u l s ew i d t hc a nb ec o n t r o l l e d , c o n t r o lp r e c i s i o ni su pt o0 2 u s ，s h i f t r a n g eo f d i g i t a lp u l s ei sg r e a t , c o h e r e n c eo f t r i g g e rp u l s es h i f to f e a c hp h a s ei sg o o d i no r d e rt oa s s e s st h es t a b i l i t yo ft h ew e l d i n gp r o c e s so ft w e l v e - p h a s ep o w e rs u p p l y , t h em u l t i p l e - p a r a m e t e rd a t ac o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gs y s t e mb a s e do nl a b v i e wi s e s t a b l i s h e d d r o p l e t t r a n s f e ra r cw e l d i n g e x p e r i m e n t h a sb e c o m p a r e db e t w e e n t w e l v e - p h a s ea n dd o u b l ei n v e r s es t a rw e l d i n gm a c h i n e b ys t a t i s t i ca n da m a y z m gf e a t u r e f a c t o r so fa r cv o l t a g ea n da r cc u r r e n t , i ti n d i c a t e st h a tt h et w e l v e p h a s ew e l d i n gm a c h i n e h a sb e t t e rc h a r a c t e r i s t i cs t a b i l i t ys i g n a l ss u c ha sd r o p l e tf r e q u e n c y , a r c i n gp o w e r , s h o r t i n g p o w e ra n ds oo n t h ep a p e ra i m sa ta r c i n gc a p a c i t yf a c t o rt oe s t a b l i s ha n da n a l y s i sw a v e m o d u l ew h i c hd e m o n s t r a t e dt h a tt w e l v e - p h a s ew a v eh a s7 h i g h e re n e r g yc a p a c i t yt h a n d o u b l ei n v e r s es t a rw a v e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , at h e o r yo fd i s c o m i n u o u se n e r g ya p p l y m e t h o di sp r o p o s e dw h i c hc o n s i d e rt h a tt h ee n e r g yi sa p p l i e db ye v e r yw 1 1 v ep u l s e m a i n c i r c u i t p h a s e c h a r a c t e rd e t e r m i n e st h e e n e r g y a p p l yp r e c i s i o n , w h i c h a f f e c t st h e d i s t r i b u t i o no fa r c i n gp o w e ra n dr e f l e c t e do nt h ed r o p l e tf r e q u e n c ya n ds t a b i l i t y t h es t u d y h o l dt h a tm o r ep h a s e so f f l a y r i s t o rw e l d i n gm a c h i n em o r ed r o p l e ts t a b i l i t y , s ot w e l v e - p h a s e 5 a b s l r a c t w e l d i n g m a c h i n eh a s g o o d c r a f t p e r f o r m a n c e a n d e q u i p m e n t s t a b i l i t y w h e n c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sw e l d i n gc r a f ta n de q u i p m e n tc o n t r o l l i n gc o m p l e x i t y f a c t o r t h ea r cw e l d i n gm a c h i n ee l e c t r i ce n e r g yq u a l i t ys i g n a lr e s e a r c hh a r d w a r e & s o f t w a r e p l a t f o r mi sc o n s t r u c t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n b yt h ea n a l y s i so f h a r m o n i cw a v et h e o r ya n d t h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro fc o n t r o l l a b l er e c t i f i c a t i o np o w e r , s u c ha sd i s t o r t i o nf a c t o ra n ds h i f t f a c t o r , t h em e t h o do fr e s e a r c h i n ga w e l d i n gm a c h i n ee l e c t r i ce n e r g yq u a l i t ys i g n a li sp u t f o r w a r d t h ee x p e r i m e n to fc o l l e c t i n ge l e c t r i cn e t w o r ki n p u ts i g n a l so ft w e l v e - p h a s e ， d o u b l ei n v e r s es i 丑r i n v e r tw e l d i n gm a c h i n eh a sb ed o n ed u r i n gw e l d i n gp r o c e s sa n d e l e c t r i cr e s i s t a n c el o a di sa l s ob eu s e d t h ec o l l e c t e dd a t aw b sp r o c e s s e db yl a b v i e w s o f t w a r e ，a n dt h es p e c t r u mo fe l e c t r i cn e t w o r ki n p u ts i g n a l sw e r ee x t r a c t e d t o t a l h a r m o n i cd i s t o r t i o no fc u r r e n t ( t h d o ，t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o no fv o l t a g e ( t h d v ) ， w a v e f o r md i s t o r t i o nf a c t o r ( 矿) ，c o h e r e n te n e r g yd i s s i p a f i o ni n c r e m e n tr a t eo fd i f f e r e n t w e l d i n gm a c h i n ew e r ec a l c u l a t e di nt h i sp a p e r a l lt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt w e l v e - p h a s e s c rw e l d i n gm a c h i n eh a sf e w e rp o l l u t i o nt oe l e c t r i cn e t w o r k , w h i c hh a st h ec h a r a c t e ro f “g r e e np o w e rs o u r c e ”a n dw i t ha g o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：t w e l v e - p h a s e ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o lp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o ld e v i c e ， d i g i t a lt r i g g e r , l a b v i e w , d a t ac o l l e c t i o na n da i l a l y s i ss y s t e m ，e l e c t r i ce n e r g yq u a l i t y , h a r m o n i c w a v e 6 c o n c l u d i n gp a p e r s 上海交通大学学位论文答辩决议书 页码，1 i j 申请者l l 张勇 j l 所在学科( 专业) 0 材料加工工程 l | | 论文题目i l 多相可控硅焊接电源数字化控制及电能质量研究 i 。l 答辩日期8 2 0 0 5 0 5 31 8 答辩地点4 上海交通大学焊接工程研究所 i 答辩委员会成员 l i 担任职务0 姓名0 职称0 所在工作单位 l l 备注签名 f i 主席0 姚舜j l 教授l 上海交通大学 0 无 匆逛舜 l 委员0 楼松年l i 教授9 上海交通大学 0 无 槲i 莹l l 委员i i 陆皓l | 教授i 上海交通大学 1 l 无 l 冶“岂l i 委员i | 徐庆鸿0 教授4 哈尔滨工业大学0 无 彳做【幽 委员8 焦馥杰f l 教授0 上海工程技术大学8 无 缴刊 i 委员l | 吴毅雄l | 教授1 1 上海交通大学 i i 无 。纛双龙刨 f 委员l l 黄海谷f 嚣陋造船集团i i 教擎高 妗i 评语和决议： 论文提出了一种新型十二相可控整流电路，采用d s p 、c p l d 芯片和软件编程， 实现了十二相焊接电源主电路的数字化控制，与同类电源相比，十二相电源的控 制精度高，输出电压纹波更小、更稳定：论文分析比较了十二相和六相半波带平 衡电抗器两种电源对短路过渡c 0 2 电弧焊工艺性能和电弧稳定性的影响，从平均燃 弧能量角度构建了可控硅电源波头能量分布数值模型，从理论上解释整流电源波 形及其能量施加方式对电弧稳定性的影响，富有创新；佩肘，论文还提出了采用 l a b v i e w 虚拟仪器研究弧焊电源电能质量的分析方法，定量分析不同电源工作时网 侧输入信号的畸变情况和谐波功率损失。论文的工作对推动焊接电源数字化控 制，及短路过渡气保护焊电源工艺性评价有重要指导意义和工程产业应用价值。 论文结构合理，条理清晰，图表规范，分析严谨，论证充分，结论正确。论文达 到博士论文学术水平，建议授予工学博士学位。 表决结果：磐料磊蚧枷知、叶托彼象，敬) 司麓，逮辽锄串并 碎撕姐咨峙中融9 凇臌席糯。二名， 加彳年j ，月；7 同 附件四 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。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作品成果。 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结果由本人承担。 学位论文作者签名：铱勇 日期：如酉年r 月鼍日 附件五 上海交通大学 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。本人授权上海交通大学可以将本学位 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，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保姒 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：移勇 日期：坷年月万日 指导教师签名多舀刎l e t 期：肪年r 月西日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 气体保护焊接电源控制技术研究发展 电弧在1 9 世纪初被发现，1 8 9 2 年发现金属极电弧焊后，特别在1 9 3 0 年前后出 现了薄皮和厚药皮焊条以后才真正用于焊接。熔化极气保护特别是1 9 5 3 年出现c 0 2 焊接方法以来，以其高效、优质、节能、低成本的特点受到人们极大的关注。气体 保护焊接设备成为焊接工作者重要的研究领域之- - 1 1 心吼 我国的c t h 气体保护焊接技术的进步，在现代工业的焊接工艺发展中发挥重大 作用。多年来在c 0 2 气体保护焊机的设计、焊接技术等方面取得了重大的发展：虽 然在工艺、设备、材料等方面有显著成效，但与国外先进水平相比，仍有很大差距。 我国的焊接技术总体水平比较低，仍不能满足现代工业的发展需求。为了加快焊接 技术进步、适应国民经济的发展，应促使焊接技术本着巩固、完善、推广、提高的 原则，继续向节能、高效的方向发展，在大力推广应用机械化、自动化、高效焊接 工艺的同时，重点发展高效的焊接材料和节能、高效的自动、半自动c 0 2 气体保护 焊机4 】【5 】【6 】【7 】。 气保护焊接设备一般由焊接电源主回路和控制电路所组成。随着电力电子技术、 计算机技术、智能控制技术、微电子技术的迅猛发展，焊接电源设各也发生了巨大 的变化。在上世纪5 0 年代主要是旋转直流发电机，6 0 年代由于半导体器件的发展出 现了变压器抽头式硅整流焊机和磁放大器式整流焊机。7 0 年代出现了可控硅整流焊 接电源，它是一种半控式焊接电源，可以实现特性控制，大大提高了电源的动特性 从而改善了焊接工艺性，推动了熔化极气保护焊接方法的大力应用。8 0 年代以来出 现了以逆变技术为原理的可控硅、晶体管、m o s f e t 管、i g b t 管的逆变焊接电源， 逆变焊接电源由于具有焊接性能好、动态响应速度快、体积小、重量轻、效率高等 上海交通大学博士学位论文 诸多优点而成为焊接电源的主要发展方向之_ _ i s j 9 1 1 0 l 。 目前，由于产品的经济性、工艺性、环保等原因，旋转直流发电机、磁放大器 式蹩流焊机己全部淘汰。现在市场上生产的气保护焊机原理主要有变压器抽头式气 保护焊机、可控硅气保护焊机和i g b t 逆变气保护焊机三大种类。 逆变焊接电源通过调整逆变器的开关频率或脉宽可以达到微秒级的控制速度， 因此其动态响应极好，这对于c 0 2 短路过渡焊接实现减少飞溅的波形控制具有较大 的优势【1 2 j 【1 4 】 1 5 】。但目前逆变气保护焊机特别是国产逆变气保护焊机还存在以下 问题。首先，逆变焊机的可靠性问题，由于焊机使用环境恶劣，电弧负载瞬时变化 复杂，因此对焊机的可靠性要求很高。逆变电源主回路的拓扑结构特点使焊机的变 压器设计、功率开关器件选择及保护电路设计等成为制约逆变电源可靠性的因素， 对焊机使用、维护造成相当的影响；其次，逆变焊机的电磁污染问题。逆变焊机对 于电网来说，本质上是一个大的整流电源，其电磁污染问题主要反映为其输入电流 波形为尖角波，这会使电网中产生大量高次谐波污染。1 9 9 6 年欧共体规定电器、电 子产品必须满足规定的电磁兼容性( e m c ) 要求，此要求对逆变电源的使用受到很 大限制。另外，目前逆变焊机大多采用的硬开关方式，在功率元件的开关过程中对 空间产生电磁干扰( e m i ) 和射频干扰( = e ) ，这些高频干扰不仅对供电系统、通 讯系统和数字控制系统造成干扰，而且也会对焊机自身产生干扰，尤其是目前逆变 焊机普遍采用单片机控制，这个问题显得更加严重【1 6 】【1 7 】【1 8 1 9 1 1 2 0 1 。 可控硅整流焊接电源与变压器抽头式焊接电源相比以其输出电压、电源的动、 静特性调节方便和可靠性高；与逆变电源比较又具有控制电路简单、可靠性高以及 调试和维修方便的优点，而得到市场的认可，成为气保护焊机当前的主流产品之一。 在国内，c 0 2 气保护焊枫中可控硅整流焊机的市场占有率达8 0 5 1 。虽然可控硅气保 护焊机具有高可靠性且已是成熟的产品，但仍存在许多有待进一步研究的问题以进 一步挖掘可控硅焊机的潜能，适应现代化焊接生产的需要。 另外，随着智能控制技术的不断发展，其控制算法越来越复杂，实现控制算法的 实时性要求越来越高【1 1 1 。为了满足这些要求，焊接电源的控制器件应能实时处理、 控制焊机的信息流。数字信号处理器( d s p ) 的出现为焊接电源数字化研究提供了物 2 第一章绪论 质基础。集成的d s p 芯片是近二十年的新产品，在很多领域得到广泛的应用 【2 1 1 1 2 2 1 2 3 】刚晒j 闭【2 7 l 。d s p 芯片具有极高的运算速度、强大的运算功能和信息处理能力， 为提高焊接电源的各方面性能和实现真正意义上的数字化、智能化焊接电源提供了 强有力的支持和可行性2 8 1 2 9 】【3 0 】 3 1 】 3 2 】【3 3 1 1 3 4 1 。d s p 以其稳定性、可重复性、实时数字信 号处理、柔性化编程、大规模集成等特点成为焊接电源控制和数字信号处理的最佳 选择器件阎【2 6 】。d s p 与m c u 相比主要特点在于具有哈佛结构、流水线技术、专用 的硬件乘法器等特点，因此特别适合数字信号处理场合。以d s p 为主控的全数字化 焊接电源已成为国内外焊接工作者研究的主要领域之一。数字化控制焊接电源相对 于模拟控制焊接电源，数字控制焊接电源采用计算机技术以0 和1 的方式实现信息 流通、信息控制，在国外已出现基于d s p 控制全数字化的焊接电源，在国内尚处于 发展阶段。 综合以上分析的各焊接电源特点以及实际焊接生产的具体要求；同时又考虑国 际焊接电源的发展趋势p 5 】【3 6 1 1 3 7 】【3 8 】f 3 9 】【4 0 l 数字化和智能化焊接电源是其必然方向， 不仅控制电路采用数字化技术，而且主电路功率器件的相控也采用数字技术，由此 拓展到人机接口、送丝系统等焊接电源外围设备，形成一个完整的全数字化焊接电 源系统。把焊接电源作为一个大系统来研究，其内部各个子系统之间的信息流通就 形成一个相对独立的数字信息网络，要采用数字信号处理器( d s p ) 来管理这一信息 网络和处理网络中的各个信息内容。因此，本论文研究基于d s p 和c p l d ( 复杂可 编程逻辑器件) 联合控制的气体保护多相( 十二相) 可控硅焊接电源及电源一电弧 系统，对于提高我国焊接电源现代化程度及整体技术水平有现实意义和经济效益。 1 2 可控硅气体保护焊接电源主电路形式 晶闸管可控硅整流弧焊电源是6 0 年代出现的一种新型直流电源，它具有控制性 能好、动特性好、节能等特点，在国外得到广泛的应用，我国也将其作为高效节能 产品，大力推广应用与开发。 晶闸管可控硅整流弧焊电源主要由以下几个部分组成：主变压器、大功率晶闸 3 上海交通大学博士学位论文 管和输出电抗器组成的主电路；可控硅触发电路；外特性获得电路以及控制保护电 路。作为整流弧焊电源必须提供低电压、大电流；具有一定形状的外特性：输出电 压或电流值要有较宽的调节范围，波形应连续，而且脉动性要小【8 1 。 可控硅是一种大功率半导体器件，很适合制作焊接电源，大功率c 0 2 焊接中晶 闸管整流电源是当前的主流产品。c 0 2 焊接设备中常用的晶闸管整流电源主电路可 分为三类： 1 三相桥式半控电路； 2 三相桥式全控电路： 3 带平衡电抗器的双反星形电路 l 畦 “ 畸 a ：共阴极接法b ：共阳极接法 a ：c a t h o d et o g e t h e rb ：a n o d et o g e t h e r 图1 - 1带平衡电抗器的双反星形电路 f i g 1 - 1 d o u b l ei n v e r s es t a rc i r c u i tw i t hb a l a n c er e a c t o r 目前国内市场上c 0 2 焊接电源大多采用带平衡电抗器双反星形可控硅整流电 路，其电路有共阴极和共阳极两种接法，其结构由六只晶闸管、一个平衡电抗器和 一个主变压器所组成。变压器的二次侧有两组线圈，各以相反的极性连接成星形， 故成为双反星形。实质上，它是通过平衡电抗器并联两组三相半波可控硅整流电路。 4 第一章绪论 如果没有平衡电抗器，这相当于六相半波整流电路，其主要缺点是不能两组同时导 通；有了平衡电抗器，由于平衡电抗器的感应电动势的作用，使平衡电抗器两端的 电压提高，可同时导通两组。带平衡电抗器双反星形主电路，每个晶闸管的导通角 为1 2 0 度，每个晶闸管只负担1 6 的平均电流，使其适用于输出电流较大场合，并且 任何瞬间，正、反极性组均有一电路导通工作，负载电流同时有两个整流元件和两 个变压器线圈提供，提高了变压器的利用率。 下表( 表1 - 1 ) 列出了目前市场上典型的可控硅弧焊电源的主电路形式，以及其 主要特点。 表1 - 1 典型可控硅弧焊电源主电路形式及特点 t a b l e 1 1m a i nc i r c u i ta n dc h a r a c t e r i s t i co f t y p i c a ls c rw e l d i n gm a c h i n e 焊机型号主电路形式特点 p a n a s o n i c 松下带平衡电抗器的双反星形整流 高性能模拟控制 c 0 2 m a g 半自动焊 + k r i i - 2 0 0 3 5 0 5 0 0 电路 机 上海通德带平衡电抗器的双反星形整流 d s p 控制数字化高性 能c 0 2 m a g 半自动 d n b m 一2 0 0 3 5 0 5 0 0电路 焊机 载波技术，减少了断 线故障，适合远距离 p a n a s o n i c 松下带平衡电抗器的双反星形整流作业，专为船舶、钢 c l 5 0 0电路结构等大型结构焊接 设计的c 0 2 m a g 半 自动焊机 m i l l e r 米勒 三相桥式全控整流电路 高性能c 0 2 m a g 气 d e l 噙w e l d _ 4 0 2 6 0 2 8 5 2保护焊机 o t c带平衡电抗器的双反星形整流 微电脑控制 c 0 2 m a g 半自动焊 x d 2 0 0 ，3 5 0 5 0 0电路 机 南通三九 三相桥式全控整流电路自动埋弧焊机 m z 1 0 0 0 1 带平衡电抗器的六相双反星形的可控硅整流电路是目前最常用的c 0 2 焊接电源 5 上海交通大学博士学位论文 的主电路形式，但是相对来说其也带有一定的缺点：就是单个周期内整流的波头为 六个，每个波头的可控时间为3 3 m s ，这对焊接过程质量稳定产生有限的调节与控制 裕量；另一方面，在可控硅导通角小时，整流输出波形脉动加剧，这使得双反星形 电源在小电流焊接时出现不稳定情况。为了改善整流电压波形，提高控制响应的时 间和控制精度，并改善小电流焊接情况，同时减小对电网的谐波电流污染，本论文 研究提出一种新的焊接电源的主电路形式1 4 l j 。 正如两组相差6 0 0 的三相半桥三脉波整流电压经过平衡电抗器并联输出时可得 到六脉波的整流电压。按照这个原理，两个相差3 0 0 的三相全桥式六脉波整流电压经 平衡电抗器并联输出时，可以获得一个十二脉波的整流电压。带平衡电抗器的十二 相焊接电源的主电路利用变压器次级星形和三角形两种不同的接法的固定相位差 ( i 组和i i 组相对应的线电压错开3 0 0 ) ，得到两组三相全桥并联组成的十二相整流 电路，其主电路如图1 2 所示。为了使两组三相全控桥式的输出电路电压相等，即要 求两组变压器的次级绕组的线电压相等，所以三角形连接的绕组比星形连接的绕组 相电压大3 倍，即两绕组的匝数之比为, f i ：l ，其电压矢量相隔3 0 0 。三绕组变压 器次级的两个绕组一个接成三角形，另一个接成星形，分别向两组三相桥供电，与 双反星形整流电路一样，为了使两组三相桥并联运行，需要接入平衡电抗器l p ，并 且把平衡电抗器放在两组电桥之间，这样才能使负载电流平均分配【4 1 1 1 4 2 1 1 4 3 1 1 4 4 1 1 4 鲫。 6 第一章绪论 n 图1 - 2 十二相整流主电路原理图 f i g 1 - 2 s c h e m eo fm a i nc i r c u i to ft w e l v e - p h a s e sr e c t i f i c a t i o n 1 0c 0 2 气体保护焊技术研究背景 。、 本文在研究焊接过程电弧稳定特征及焊接过程质量评价时，以目前典型c 0 2 可控 硅气体保护焊接电源作为实际分析研究对象进行工艺对比实验，一是六相双反星形 主电路形式的可控硅c 0 2 气体保护焊接电源，另外就是本研究的十二相可控硅焊接 电源。在此首先简要介绍c 0 2 气体保护焊技术的相关背景。 c 0 2 气体保护焊是上世纪5 0 年代初期发展起来的一种焊接技术。由于这种方法 生产率高、焊接成本低、全位置焊时适应性好、抗锈能力较强、便于监视和控制， 易于实现焊接过程的机械化和自动化 4 6 】【4 7 1 ，在造船、汽车制造、石油化工、农业机 械等各部门获得了广泛的应用。在日本、欧美等发达国家，c 0 2 焊在钢材焊接熔敷 金属总量中所占比例高达6 0 0 o - - - 8 0 t 4 8 【4 9 】。在我国，c 0 2 焊所占比例仅2 0 左右1 4 6 1 【5 0 1 ， 因而有着广阔的发展前景。 短路过渡是c 0 2 气体保护焊最常采用的一种熔滴过渡形式，广泛适用于中、薄板 7 上海交通大学博士学位论文 钢结构和大型组合钢构件的全位置焊接。但c 0 2 气体自身的性质导致该方法存在两 个严重不足，即飞溅大和焊缝成形差 4 8 1 5 ”。短路过渡焊接过程产生的大量金属飞溅， 不仅浪费了材料，降低了熔敷效率，降低了生产效率，更重要的是：飞溅的产生降 低了电弧的稳定性，飞溅出的金属颗粒进入焊缝会严重影响焊接质量，在粗丝大电 流焊接时尤为严重。这些缺陷的长期存在，在很大程度上制约了c 0 2 短路过渡焊接 工艺在工业生产中的进一步推广和应用。国内外许多研究机构和研究人员一直在努 力寻找减小飞溅的有效途径。 国内外学者经过长时间研究，对短路过渡整个过程和产生飞溅的机理有了清晰的 认识。在c 0 2 气体保护焊的短路过渡过程中，焊丝熔化形成熔滴，熔滴与熔池短路 形成金属液桥。随后熔滴在熔池中迅速铺展，熔滴在液体表面张力、重力、流过液 桥电磁收缩力的作用下向熔池过渡，最后在这些力的作用下与焊丝断开，重新引燃 电弧，开始新的过渡周期。 正常的短路过渡飞溅主要来自于短路初期的瞬时短路飞溅及短路末期的电爆炸 飞溅，这两种飞溅均与短路过渡机制密切相关。在短路初期，如果熔滴在比较大的 电流下与熔池发生接触或者接触后短路电流的上升速度过快，则熔滴往往来不及在 熔池表面铺展便被迅速增长的电磁力排斥出熔池而形成飞溅，此时产生的飞溅被称 为瞬时短路飞溅。在发生瞬时短路的情况下，当熔滴与熔池相分离时，熔滴不能完 全过渡，而在电弧恢复引燃时焊丝的端部仍悬挂有高温的液体金属。作用在熔滴底 部的电磁收缩力和电弧引燃时的电弧喷射力，有时会将熔滴抛出焊接区，这是形成 飞溅的一个重要原因1 5 1 】【5 2 1 。由瞬时短路产生的飞溅具有数量少、颗粒大、飞溅颗粒 散布范围较小、与工件结合力较强及难于清理等特点。电爆炸飞溅理论是前苏联学 者宾丘克、扎鲁巴和日本学者安藤提出来的，该理论认为，在短路过程的最后阶段， 短路电流急剧增加，液体小桥在短路电流产生的电磁收缩力的作用