《焊接电源》课程讲义第5章电子控制型弧焊电源基础

1 第5章电子控制型弧焊电源基础 随着大功率电力半导体器件以及电子控制技术的发展 弧焊电源从机械调节型 电磁控制型发展到电子控制型 电子控制型弧焊电源目前主要有晶闸管整流式弧焊电源 脉冲弧焊电源和逆变式弧焊电源 电子控制电路居于重要地位 电力电路输出的大小受电子电路的支配 两种电路的连接结点是大功率的半导体器件 电力半导体 2 常用电力半导体器件 晶闸管 SCR 晶体管 三极管 GTR场效应晶体管 MOSFET IGBT 绝缘栅晶体管 3 5 1电力半导体器件 广泛用于弧焊电源的电力电子器件有 晶闸管 SCR 大功率晶体管 GTR 功率场效应晶体管 MOSFET 绝缘门极双极晶体管 IGBT 5 1 1晶闸管 晶闸管是晶体闸流管的简称 它包括普通晶闸管 双向晶闸管 可关断晶闸管和逆导晶闸管等电力半导体器件 普通晶闸管俗称可控硅整流器 SCR SiliconControlledRectifier 简称可控硅 SCR广泛应用于药皮焊条手工电弧焊 埋弧焊 钨极气体保护焊 等离子弧焊和熔化极气体保护焊等焊接方法的整流式弧焊电源中 1 晶闸管的结构 晶闸管的外形有三种 螺栓式 平板式和模块式 如图5 1所示 其中前两种一般属单管结构 即一个结构外形只有一个晶闸管 而后一种为模块式结构 往往由二个 三个 甚至六个晶闸管组成 或者由晶闸管和二极管组成 4 图5 1晶闸管外形图 图5 2晶闸管结构与符号 5 2 晶闸管的典型电路及其工作原理 可以把晶闸管看成是一个导通可控的二极管 晶闸管导通和关断条件为 1 当晶闸管承受反向阳极电压时 不论门极G承受何种电压 晶闸管均处于阻断状态 2 当晶闸管承受正向阳极电压时 仅在门极G承受正向电压的情况下晶闸管才能导通 也就是说 必须同时具备正向阳极电压和正向门极电压两个条件才能实现由阻断到导通的转换 3 晶闸管导通后 只要仍有一定的正向阳极电压 不论门极G电压如何 它仍维持导通 4 晶闸管在导通情况下 当主回路电压 或电流 减小到接近零 或者对它施加一个反向电压 晶闸管会自然关断或被强迫关断 图5 3晶闸管的典型电路 6 晶闸管的控制特点 单向导通 触发极 控制极 门极 接受触发脉冲才有可能导通 承受正向电压导通 一旦导通触发脉冲就无意义 门极 阳极 阴极 7 图5 4晶闸管的伏安特性 3 晶闸管的伏安特性 4 在焊接中的应用 主要用在可控整流 交流调压 电阻焊设备中 中频感应加热 早期的逆变器等方面 正向击穿区 反向击穿区 熔断 烧穿区 8 5 1 2功率晶体管 功率晶体管 GTR GiantTransistor 是一种双极性型大功率高反压晶体管 目前GTR的电流容量已经达到上千安培 在中小功率应用方面 GTR是取代晶闸管的自关断器件之一 在电子控制型弧焊电源中 既有模拟型晶体管弧焊电源 也有开关型晶体管弧焊电源 而且还有晶体管式逆变弧焊电源 1 晶体管的结构 晶体管的外形有三种基本形式 金属壳封装 塑料封装和模块 如图5 5所示 晶体管也有三个电极 集电极E 发射极C和基极B 它的符号见图5 5d 晶体管的内部有一个由半导体材料做成的管芯 它是三层 NPN 三端 C E B 器件 晶体管分为NPN型和PNP型两类 又有单管GTR 达林顿式GTR 复合管 和GTR模块几种形式 9 图5 6晶体管结构及工作原理 2 晶体管的工作原理 晶体管承受正向集电极电压的同时 必须让基极B和发射极E PN结 之间有正向电流通过 即施加基极电流 管子才能导通 它可以工作在线性放大状态也可以工作在开关状态 图5 5晶体管外形与符号 10 3 在焊接中的应用 模拟式晶体管电源 晶体管工作在线性放大状态 线性区 具有最佳的波形控制能力 开关式晶体管电源 晶体管工作在开关状态 饱和 截止区 晶体管式逆变电源 晶体管工作在开关状态 饱和 截止区 5 1 3场效应晶体管 场效应管分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管 功率场效应管都是绝缘栅型场效应管 绝缘栅场效应管是由金属氧化物 半导体组成 简称MOSFET MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor 是一种电压控制的单极型功率半导体器件 在电子控制型弧焊电源中 功率MOSFET管通常作为开关器件 由于其功率比较小 因此需要多只MOSFET管并联使用 1 场效应管的结构 场效应管的外形也有三种基本形式 金属壳封装 塑料封装和模块 形状与晶体管相似 如图5 8a所示 场效应管也有三个电极 漏极D 源极S 栅极G 11 图5 8场效应管符号及典型电路 2 场效应管的工作原理 场效应管在工作过程中 它的漏极D和源极S分别与电源 UC 和负载 RL 连接 组成场效应管主电路 它的栅极G和源极S与控制场效应管的驱动电路相连接 组成控制电路 如图5 8d所示 为使场效应管导通 当它承受正向漏极电压同时 必须对栅极G施加正电压 场效应管的栅极为绝缘结构 输入阻抗达108 1013 可以用电压驱动 驱动功率很小 N沟道场效应管 P沟道场效应管 12 3 场效应管的基本特性 1 转移特性指漏极电流ID与栅源极电压UG之间的关系 如图5 9所示 夸导gm表示MOSFET的放大能力 gm ID UGS 2 输出特性指在栅源极电压UGS变化的条件下 漏极电流ID与漏源电压UDS之间的关系曲线族 如图5 10所示 分为四个区 可变电阻区 饱和压降特性 线性区 输出饱和区 阻断区 截止区 和击穿区 烧毁 以上为静态特性 13 3 场效应管的基本特性 3 开关特性 动态特性 揭示开关过程中 漏极电流ID和漏源电压UDS随UDS的变化关系 分为电阻性负载和电感性负载两种情况 在电感性负载电路中 必须有续流回路 其电路如图5 11所示 在VF开通和关断过程中 各量的变化曲线称为MOSFET在电感性负载情况下的开关特性 如图5 12所示 14 5 1 4绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极晶体管简称IGBT InsulatedGateBipolarTransistor 它是MOSFET与GTR的复合器件 它既有MOSFET的工作速度快 输入阻抗高 驱动电路简单 热温度性好的优点 又有GTR的载流量大 阻断电压高等多项优点 是取代GTR的理想开关器件 近年来IGBT发展很快 目前已经被广泛地应用于各种弧焊电源的逆变器中 1 绝缘栅双极型晶体管的结构 IGBT的外形有塑料封装和模块式两种基本形式 其外形与功率双极型晶体管相似 IGBT有集电极C 发射极E和栅极G 其结构基本上是在MOSFET的漏极下又加了一层P区 多了一个PN结 IGBT的内部结构 等效电路和图形符号如图5 13所示 15 2 IGBT的工作原理 IGBT的开通和关断是由栅极电压UGE来控制的 栅极施以正电压时 MOSFET内形成沟道 并为PNP晶体管提供基极电流 使IGBT导通 在栅极上施以负电压时 MOSFET内的沟道消失 PNP晶体管的基极电流被切断 IGBT即关断 由于IGBT的驱动方法与MOSFET基本相同 只须控制输入极N沟道MOSFET 因而它具有高输入阻抗特性 16 3 IGBT的基本特性 1 静特性的关系IGBT的静态输出伏安特性 转移特性和静态开关特性如图5 14所示 1 输出伏安特性指输出电流IC 集射极电压UCE和栅极电压UGE之间的关系 如图5 14a所示 分为四个区 截止区 阻断区 线性放大区 放大能力IC gmUGE 饱和区 饱和压降UCES一般为2 4V 和击穿区 过电压击穿 2 转移特性即输出电流IC 集射极电压UCE的关系特性曲线 如图5 14b所示 门极开启电压UCE th 一般为3 6V 3 静态开关特性 如图5 14c所示 两个工作状态 截止和导通状态 17 2 IGBT的动态特性 IGBT的动态特性是指其在开通和关断过程中集电极电流IC 集射极电压UCE的变化曲线 也叫做开关特性曲线 在电感性负载时 IGBT的电路图和开关特性曲线如图5 15所示 图5 15电感负载的IGBT电路和开关特性a 电感负载的IGBT电路b IGBT的开关特性 a b 18 1 电压驱动 输入阻抗高 驱动功率小 驱动电路设计简单 2 高的开关速度 开关时间仅为GTR的1 10 可以工作在10 30kHz 3 电流密度高 功率大 能够用于制造大功率电源 4 开通损耗小 饱和压降低 通态电阻小 5 安全工作区宽 目前 IGBT已经成为制作各种焊接逆变电源的最好的开关器件 应用极为广泛 4 IGBT的优点及应用 19 5 2电子控制型弧焊电源的基本工作原理 晶闸管整流式弧焊电源晶体管式弧焊电源逆变式弧焊电源 目前主流的电子控制型弧焊电源 所谓整流就是将交流电变成固定的或可调电压的直流电 逆变是将直流电变成固定的或可调频率 电压的交流电 外特性调节方法 具有各种外特性形状 其获得所需外特性形状的方法与机械调节型弧焊电源不同 它不是依靠电源的机械结构 而是依靠电源中电子电路的控制来实现的 20 图5 16为电子控制型弧焊电源工作原理示意图 可以发现这种弧焊电源都是由电子功率系统 主电路 与电子控制系统 控制电路 两部分组成的 a 整流式 b 逆变式 电子控制电路与电力电路的连接结点是大功率的半导体器件 电力半导体 21 电子控制型弧焊电源是根据电流 电压负反馈控制原理 利用电子电路对电子功率系统 整流器或逆变器 进行闭环控制 来获得不同的外特性曲线形状 图5 17为电子控制型弧焊电源外特性控制的基本原理图 图5 17电子控制型弧焊电源外特性控制基本原理 5 3 1外特性控制的基本原理 5 3电子控制型弧焊电源的外特性控制 22 K1 K2 K3 系统中各个放大环节的放大倍数 根据式 5 1 可以对电子控制型弧焊电源的外特性形状进行分析如下 由于控制信号Uk一般只有零点几伏至几伏 而放大倍数K3相对很大 所以有 1 只取电压负反馈 只取电压负反馈 即只有给定电压信号Ugu 而Ugi 0 nIf 0时的状况 根据上式可以得到 m 电压的分压比 系统确定后 m为常数 5 2 5 3 5 1 据此可以得到控制信号Uk的数学表达式如下 m 1 n 1 电压 电流采样信号 Ufu mUf UfI nIf 23 由此可见 这种情况下电源的输出电压Uf取决于给定电压信号Ugu 当Ugu调定在某数值时 弧焊电源输出电压Uf也恒定在某数值 也就是说 只取输出电压负反馈 弧焊电源的输出特性为恒压外特性 图5 18中线1 2 只取电流负反馈 当只取电流负反馈 即只有给定电流信号Ugi 而Ugu 0 mUf 0时的状况 根据式 5 2 可以得到 5 4 n 电流分流比 系统确定后 n为常数 由此可见 电源的输出电流If取决于给定电流信号Ugi 当Ugi调定在某数值时 弧焊电源输出电流If也恒定在某数值 换言之 只取输出电流负反馈 弧焊电源的输出特性为恒流外特性 图5 18中线2 3 24 3 电流截止负反馈 当电源的输出电流小于一阈值Ith时 既不采用电流反馈 也不采用电压反馈 而当电流大于阈值Ith时 采用强电流负反馈 可获得恒流或者陡降的外特性 图5 19 4 复合负反馈 复合反馈是指在弧焊电源外特性控制中既采用电压负反馈 又采用电流负反馈 采用复合反馈可分为如下若干种组合 25 在弧焊电源外特性控制中 同时采用电压和电流负反馈 当Ugu Ugi一定时 根据式 5 2 可得 上式表明 弧焊电源的外特性为一斜率为负的直线 斜特性 因为 If 0时 Uf为空载电压U0 所以外特性方程可以表达为 外特性形状如图5 18中的线4 改变n m或K2 K1值可改变外特性下降的斜率 5 5 5 6 1 同时采用电压 电流负反馈 26 当电源输出电压大于某一确定的阈值Uth时 只用电流负反馈 而电压小于此阈值时 同时采用电流负反馈和电压负反馈 则根据式 5 4 和式 5 6 可得 其外特性形状如图5 18中线5所示 为陡降带外拖的外特性 外拖段外特性形状为斜特性 该外特性常用于药皮焊条手工电弧焊电源中 外拖点电压Uth通常取8 15V 复合负反馈控制还有其它的组合 从而获得其它形状的外特性曲线 例如图3 9所示的熔化极脉冲电弧焊中常用的恒压特性与恒压特性 恒流特性与恒压特性 恒流特性与恒流特性以及恒压特性与恒流特性的组合 2 不同时刻采用不同的反馈 27 1 只取电压负反馈2 3 只取电流负反馈4 同时采用电压 电流负反馈5 不同时刻采用不同的反馈 图5 18弧焊电源外特性形状 电流截止负反馈 28 3 恒压 电流截止负反馈 当电源输出电流小于某一确定的阈值 th时 只用电压负反馈 弧焊电源输出特性为恒压特性 当电源输出电流大于阈值 th时 采用电流负反馈 弧焊电源输出特性为恒流特性 图2 20 此种外特性常用于熔化极气体保护焊的恒压电源中 对电源输出的最大电流进行限制 当电源输出电流小于最大电流 th时 电源工作在恒压特性段 当电流达到最大输出电流 th时 转入恒流或者陡降外特性段 29 5 3 2电源外特性控制的应用 1 平外特性的控制电路 图5 21平特性控制电路 图5 21所示是美国米勒电气制造公司生产的DELTAWELD651型晶闸管整流式CO2弧焊电源的外特性控制电路 该电路主要由电压给定环节和电压比较 调整环节组成 1 给定信号Ug由电位器RP1的滑动点电位决定 2 电弧电压反馈信号Uf Uf 0 经N2差动放大而形成的电弧电压反馈量Ufu mUf 经电阻R14连接到R15 3 给定信号与电压反馈信号都经R15连接到运放N3的反相输入端 4 在稳态下 N3构成比较放大环节 其输出即为Uk 30 由于Ug0 Uk输出到整流器的触发电路用以控制触发脉冲的相位 从而控制晶闸管整流器输出电压的大小 如果有外界干扰 使电弧弧长增加 则电源的输出电压Uf Uf 增大 那么电压反馈信号Ufu也增加 而此时的给定信号Ug不变 根据式 5 8 可知 Uk将减小 使触发脉冲后移 晶闸管导通角减小 电源输出电压Uf减低 从而实现了电压负反馈闭环控制 使输出电压保持不变 得到了所需的电源平外特性 Uk经过反相器之N4后 得到另一个控制信号 Uk VD2 VD4可以限制Uk Uk的幅值 保证Uk Uk与晶闸管触发脉冲电路中的同步电压相交 获得合适的触发脉冲移相范围 5 8 31 2 陡降外特性的控制电路 图5 22获得陡降外特性的控制电路 32 图5 22是电子控制型弧焊电源陡降外特性的控制电路 1 该电路最终由比例加法器N3输出控制信号Uk 2 Uk的大小取决于偏移信号Up 电流给定信号Ug和电流反馈信号Ufi 3 Ug取自电位器RP2 并经两级电压跟随器N1 N2后 通过电位器RP4输出 4 电流反馈信号取自电源主电路分流器Rs两端 经差动放大器N4放大 并经有源低通滤波器N5滤波得到电流反馈信号Ufi N4外围设有阻容网络 用以滤除高次谐波 5 N5及N6是两个比例积分环节 积分电容大小不同 分别用于滤除电流反馈信号Ufi中不同频带的谐波 从而得到较平稳的电流反馈信号Ufi 空载时无焊接电流If 则电流反馈信号Ufi为零 比较器N6输出高电平 三极管V饱和导通 Ug不能输入到N3 此时Uk仅取决于通过电位器RP1得到的Up Up 0 调定RP1 使Uk足以令弧焊电源输出所需的空载电压 此时的Up为弧焊电源输出空载电压的给定信号 33 当引弧开始时 有焊接电流If时 电流反馈信号通过N4放大后大于RP3确定的电流阈值电压Uth时 比较器N6输出低电平 三极管V截止 给定信号Ug输入到N3的反相输入端 同时电流反馈信号Ufi也连接到N3的反相输入端 此时Uk Up Ug Ufi 电源输出特性为陡降特性 由此可见 当电源空载或有焊接电流If 但电流反馈信号 Ufi 未超过Uth时 电流给定信号不起作用 电流反馈信号很小作用可以忽略 而预先设置的偏移电压Up为弧焊电源输出特性的控制信号 电源输出空载电压 只有当 Ufi Uth之后 电流给定信号 电流负反馈信号才起作用 电源输出特性为陡降特性 陡降特性曲线段为电源正常工作区域 电路的特点 1 Uth一般小于焊机可以稳定输出的最小值 因此 一旦引弧电流反馈和设定值即起作用 2 可以保证调整焊接电流时 不影响引弧电压 34 3 陡降带外拖特性的控制电路 在药皮焊条手工电弧焊中 为了提高小电流的引弧功率及电弧熔透能力 使焊接工艺参数稳定 需要采用恒流带外拖或陡降带外拖的电源外特性 通过调节外拖特性的拐点及外拖部分的斜率 使熔滴过渡具有合适的推力 保证在采用不同的焊条类型 不同的施焊位置以及焊接不同材质的工件时 均可获得稳定的焊接过程和良好的焊缝成形 图5 23拐点可调的外拖特性控制电路 为实现金属焊条电弧焊的外拖特性 电子控制型弧焊电源一般采用图5 23所示的电路 其对应的电源外特性如图5 24所示 35 电弧引燃 正常焊接时 电弧电压较高 其反馈信号mUf mUf 0 高于事先设定的电压门槛值Uth 由电阻R4 R5分压确定 比例放大器N1输出正信号 二极管VD2截止 比例放大器N2的同相输入端无信号 N2输出信号Uk的大小仅取决于其反相输入端的信号Ug nIf 即只采用电流负反馈控制 电源的外特性为陡降外特性 如图5 24曲线中的bc段 图5 23拐点可调的外拖特性控制电路 36 当电弧电压较低 电压反馈信号mUf mUf 0 低于事先设定的电压门槛值Uth 由电阻R4 R5分压确定 比例放大器N1输出负信号 二极管VD2导通 mUf 实际上是将mUf Uth放大处理后的信号 连接到比例放大器N2的同相输入端 N2输出信号Uk的大小仅取决于其反相输入端的信号Ug nIf 而且与同相输入端输入端电压反馈信号有关mUf 也就是说 此时采用了电流负反馈和电压负反馈的复合控制 电源的外特性为斜降特性 如图5 24曲线中的cn段 37 由图5 24可见 c点是陡降外特性曲线的拐点 拐点对应的电弧电压Uf一般为8 15V 该电路中采用选择开关S来改变外特性拐点的高低 当S在m1位置时 对应的电压反馈信号mUf中的分压比m较大 由于在外拖外特性的拐点处 mUf与门槛电压值Uth相等 因此对应的Uf较低 即外拖特性的拐点低 如图5 24a所示 当S在m2位置时 对应的电压反馈信号mUf中的分压比m较小 对应拐点处的Uf较高 即外拖特性的拐点较高 如图5 24b所示 调节RP1可以调节电压反馈信号在中的比例 从而可以调节斜特性的斜率 占的比例越小 电源的外特性越陡降 如图5 24曲线中的cd段 38 图5 25所示的外拖特性控制电路可以随焊接电流大小自动调节外拖特性控制的门槛值 外拖特性的拐点电压 其基本原理是只要电弧电压Uf低于 20 0 04If V 约定负载特性曲线 外拖电路就起作用 并且外拖特性的拐点电压及斜率均可无级调节 由于弧焊电源输出电压比较高 而控制电路中的电压比较低 一般都低于15V 为了使控制电路与电源主电路有相同的规律 所以控制电路输出的控制信号也采用了约定负载特性曲线的规律 只是在数值上为约定负载特性曲线各点电压的1 10 4 自适应外拖特性的控制电路 图5 25自适应调节外拖特性控制电路 39 该外拖特性控制电路由焊接电流参数If生成电路及电弧电压Uf反馈电路等组成 1 N1 N2 N3及外围元件组成焊接电流参数生成电路 N3为电流反馈信号放大器 输出电压为 0 04If 20 V R7 R8对 15V稳压电源电压进行分压 使电压跟随器N1始终输出电压为20 20V的电压 2 A点的电压为 20 0 04If 20V 经过同相放大器N2后 输出 20 0 04If 10V的电压 3 N5 N6及外围元件组成电弧电压反馈电路 R20 R21 R22对电弧电压进行分压 使电压跟随器N5输出的电压始终为Uf 10V 经过N6反相器 得到 Uf 10V的输出电压 4 焊接电流参数生成电路的输出电压与电弧电压反馈电路的输出电压在B点相加 使B点的电压为 20 0 04If Uf 10V 并加在比例运算放大器N4的同相输入端 图5 25自适应调节外拖特性控制电路 40 当电弧电压Uf低于 20 0 04If 10V时 N4输出电压为正 VD1导通 通过电位器RP 1及电压跟随器N7加在PI调节器N8的同相输入端 与电流给定信号Ugi 电流反馈信号nIf联合作用于N8构成的PI调节器 决定了其输出的控制电压信号UK 以获得合适的缓降外特性 由图5 25可以看出 当电弧电压Uf高于 20 0 04If 10V时 N4输出电压为负 VD1截止 外拖特性控制电路对电源输出没有关系 电源输出只与电流负反馈有关 输出陡降或恒流特性 其电流外特性如图5 26所示曲线的bd段 特点 1 外拖的拐点随着焊接电流的大小而改变 适应性强 2 可以通过调节电位器RP 1 使外拖特性斜率发生变化 达到控制短路电流的目的 41 5 3 3电流 电压信号的检测 电流 电压信号检测的结果可以用于反馈控制获得电源所需的外特性形状 也可以用于电源动态特性以及波形控制等 还可以用于过压 过流保护控制等 因此 电源输出电流 电压的信号检测与信号处理是电子控制弧焊电源中的基本环节 1 取样电阻法测电流电压 1 串联电阻检测电流 图5 27采用分流器检测电流 该方法的特点及应用 1 该检测的方法简单 易实现 2 信号不失真 相应速度快 3 信号较弱 抗干扰能力差 4 主电路与控制电路不隔离 5 主要应用在小容量电源 以及要求不高的场合 42 图5 28采用分压电阻检测电源电压 2 并联电阻检测电压 目前应用较多的方法是直接在电源输出两端并联电阻组 进行电阻分压的方法进行电源输出电压的检测 图5 28为检测原理图 2 互感器法测量电流 图5 29交流电流互感器 1 交流电流互感器 将被检测线路作为互感器的一次绕组N1 一般只有1匝或几匝 而二次绕组N2匝数很多 形成一个大变比的升压变压器 其励磁电流设计得很小 可以忽略 因此其磁动势平衡关系如下 43 检测电路原理图中 R为取样电阻 取样信号为 注意事项 在使用电流互感器检测电流信号时应注意 互感器副边绝对不允许开路 即检测电阻R必须可靠地连接 否则 一次侧的被测电流I1全部为励磁电流 铁心磁通急剧增加 铁心发热加剧 易烧毁线圈 而且使二次绕组感应很高的电动势 容易造成控制电路的过电压损坏 采用交流互感器只能检测电源中变压器的一次电流 其检测信号也是交流信号 因此 往往对检测到的交流信号进行整流等信号处理 得到直流信号Ui 将Ui作为电流反馈信号输入到控制电路中 特点 1 实现了控制电路与主电路隔离 2 只能检测交流信号 3 交流互感器的响应速度较慢 一般用于电流变化速度较慢的弧焊电源电流的检测 44 2 直流电流互感器 直流互感器的工作原理如图5 30所示 其铁心为封闭环 铁心材料的导磁系数比较高 矫顽磁力较小 一般为冷轧硅钢片或坡莫合金材料 当被检测的直流电流Id 0时 互感器同时承受交流和直流电流的磁化作用 当交流电流i2过零时 由直流电流Id所确定的的铁心的磁状态如图5 31所示 45 铁心 工作在a点 铁心 工作在b点 当交流电流i2为正半波时 铁心 中的交流电流与直流电流同方向 使a点将向更加饱和的方向移动 而铁心 中的交流电流与直流电流反方向 使b点则向去磁的方向移动 如图5 31中实线 当交流电流i2为负半波时 铁心 处于去磁状态 铁心 处于更饱和状态 如图5 31中的虚线 总之 在i2的正 负半波中有一个铁心处于饱和状态 而另一个铁心处于不饱和状态 处于饱和状态铁心上的绕组的阻抗很小 由于i2产生的压降可以忽略不计 而在不饱和的铁心绕组中有 46 根据图5 31的铁心材料H B曲线可知 当铁心不饱和时 H 0 所以 这就是 交流安匝和直流安匝相等 的原则 根据图5 30所示电路 可以得出检测电阻上得到的检测信号为 特点 1 直流互感器可以直接检测弧焊电源输出的直流电流 2 检测 控制电路与主电路实现了隔离3 检测电路中的交流电源的频率一般为50Hz 因此检测环节的响应速度较慢 47 3 霍尔元件法 霍尔元件法进行弧焊电源电流 电压的信号检测在电子控制电源中应用越来越广泛 霍尔传感器是比较理想的快速电流 电压信号检测传感器 它的核心元件是霍尔元件 霍尔元件是一种半导体器件 图5 32是霍尔元件的霍尔效应示意图 霍尔元件本体是厚度为d的半导体基片 如果沿纵长方向通过引线1和2引入电流IC 在垂直于基片的方向作用一个磁感应强度为B的磁场 那么由于电磁感应关系在基片的另外两边3 4之间感生出霍尔电压UH 这就是霍尔效应 霍尔效应 图5 32霍尔效应示意图 48 电流引线1 2称作电流极 输出电压引线3和4称作霍尔输出极 霍尔电压UH为 KH为霍尔系数 KH 1 ne SH为霍尔片灵敏度 SH 1 ned 当半导体的材料和尺寸确定后 KH或SH保持常数 这样霍尔电压UH与IB的乘积成正比 根据这一特性 在恒定的磁场B之下 可以测量电流I 在弧焊电源中可以采用霍尔电流传感器 霍尔电压传感器进行输出电流 电压的检测 1 霍尔电流传感器分类 直测式霍尔电流传感器 磁场平衡式霍尔传感器模块 称做LEM传感器 5 9 49 图5 33直测式霍尔电流传感器工作原理 根据式 5 9 UH与磁场B成正比 检测UH的大小即是检测磁场B的大小 通过检测磁场B就可以换算出被测电流Id的大小 特点 1 霍尔元件中通过的电流IC是由辅助的恒流电源供给的 2 与被测电流成正比的霍尔电压一般是毫伏级的 使用时还必须附加信号放大器 3 霍尔元件无惯性 并具有良好的隔离作用 但由于是利用磁场变化检测电流 在使用中应采取措施防止外界的电磁干扰 1 直测式霍尔电流传感器 工作原理 如图5 33所示 被测线路的导线穿过或绕在聚磁环上 被测电流Id将产生磁场B 当与被测电流Id成正比变化的磁场B通过铁心作用于通电的霍尔元件上时 霍尔元件将产生霍尔电压UH 50 2 LEM传感器 LEM传感器是利用磁场平衡式原理工作的 它的主要特点是主电流回路所产生的磁场随时通过一个二次绕组所产生的磁场进行补偿 使霍尔元件始终处于检测零磁通的条件下工作 工作原理如图5 34所示 LEM模块在工作时由主电流聚磁环 霍尔元件 二次绕组 放大电路 显示系统等部分组成 图5 34LEM传感器工作原理 51 工作过程分析 1 焊接电流Id穿过聚磁环 它所产生的磁场Hd被聚磁环聚集 并作用于霍尔元件 使其产生霍尔电压UH输出 2 UH经信号放大 功率放大 输出一个流经聚磁环上线圈匝数为Ns的补偿电流Is 3 Is产生一个与焊接电流磁场Hd相反的磁场Hs 二者相互抵消平衡 从而UH逐渐减小 最终达到UH 0 根据等安匝原理 此时有 IsNs IdNd成立 4 测得二次绕组Ns中的小电流Is的值就可以知道一次电流即被测电流Id的值了 图5 34中的电阻R为检测电阻 补偿电流Is流过电阻R 产生压降 通过检测电阻R上的电压的变化 就可以检测电流信号Id的变化 特点 1 与主电路隔离 抗干扰能力强 2 磁平衡过程迅速 1us 所以测量时响应速度高 3 可以测量各种波形的电流 电压信号 直流 交流和脉冲电流 4 被测电源的主电路与信号检测电路只有磁联系而无电联系 52 LEM电压传感器的工作原理也是利用了磁场平衡式原理 但是需要将检测电压信号变为电流信号 即LEM电压传感器有一次绕组的连接头 将被检测的电压由此输入 通过一次绕组连接的电阻转换为一次电流 一次电流产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的二次电流 通过二次绕组产生的磁通量相平衡 二次电流便能精确地反映一次绕组电压 即被检测的电压 2 LEM电压传感器 3 LEM传感器应用 a b 图5 35LEM传感器外形图a 电流传感器b 电压传感器 53 图5 36为晶闸管式弧焊整流器应用LEM传感器进行检测输出电流 电压检测电路原理图 RI RV分别是LEM电流 电压传感器的检测电阻 图5 36LEM传感器的应用原理 54 5 4电子控制型弧焊电源的调节特性控制 电子控制型弧焊电源的外特性调节是依靠控制电路中给定信号的变化来调节的 一般地 给定信号是一个可以调节的直流电压信号 该信号的调节范围决定了弧焊电源输出电流或电压的调节范围 也就是弧焊电源外特性的调节范围 而给定电压信号往往是利用电子控制电路中的直流稳压电源 通过电阻分压来获得的 采用稳压电源提供给定信号可以保证给定信号的稳定性和一致性 电子控制弧焊电源的调节实际上是调节Ugi和Ugu 调节Ugi意味着外特性曲线的左右平移 调节Ugu意味着外特性曲线的上下移动 55 5 4 1电子控制型弧焊电源中的稳压电源 电子控制型弧焊电源的控制系统中都有直流稳压电源 直流稳压电源不仅可以提供稳定的给定电压信号 而且在电子控制型弧焊电源的控制系统中采用了大量的有源控制电路和器件 例如集成运算放大器等器件 都需要直流稳压电源 直流稳压电源有很多种 目前在焊接设备中常用的是三端固定式或三端可调式集成稳压器 这类稳压电源在一定范围内 外部输入电压发生波动 而自身的输出电压保持稳定不变 相当于一个平特性的电源 56 1 三端固定式集成稳压器 三端固定输出集成稳压器是一种串联调整式稳压器 它将全部电路集成在一个硅片上 整个集成稳压电路只有输入 输出和公共三个引出瑞 使用非常方便 典型产品有78XX正电压输出系列和79XX负电压输出系列 其封装形式和引脚功能如图5 37所示 XX 输出电压的数值 5 6 7 8 9 10 12 15 18 24V 图5 37三端固定输出集成稳压器的封装形式和引脚功能 三端固定输出电压集成稳压器 因内部有过热 过流保护电路 因此 它的性能优良 可靠性高 又因这种稳压器具有体积小 使用方便 价格低廉等优点 所以得到广泛应用 其缺点是效率较低 发热比较严重 57 图5 38是78XX系列正电压输出稳压器的基本应用电路 79XX系列负电压输出稳压器的基本应用电路与其类似 图5 38电路中 在集成稳压器的输入端连接电容C1是为了改善电源的纹波特性 一般取值为0 33 F 在输出端连接电容C0是为了改善负载的瞬态响应 防止自激振荡和减少高频噪声 一般取值为0 1 F 输入电压的选择是 图5 3878XX系列的基本应用电路 380V也是可以的 58 2 三端可调输出稳压器 三端可调稳压器除了具有稳压精度高 输出纹波小的优点外 最大的特点是其输出电压可调 其一般输出电压为1 2 37V或 1 2 37V连续可调 比较典型的产品有LM317和LM337等 其中 LM317为可调正电压输出稳压器 LM337为可调负电压输出稳压器 其外形与管脚配置如图5 39所示 这种集成稳压器有三个引出瑞 即电压输入端UI 电压输出端UO和调节端ADJ 它没有公共接地端 接地端往往通过接地电阻再到地 图5 39三端可调输出集成稳压器的封装形式和引脚功能a LM317b LM337 a b 59 图5 40是LM317三端可调正输出集成稳压器的一般应用电路 可调负输出稳压器也有类似电路 电路中 R1和RP组成可调输出的电阻网络 为了能使电路中偏置电流和调整管的漏电流被吸收 所以设定R1为120 240 通过R1泄放的电流为5 10mA 输入电容C1用于抑制纹波电压 输出电容C0用于消振 缓冲冲击性负载 保证电路工作稳定 图5 40LM317的基本应用电路 60 电子控制型弧焊电源的调节实际上是调节Ugi和Ugu 调节Ugi意味着外特性曲线的左右平移 调节Ugu意味着外特性曲线的上下移动 如果这种调节是在焊接过程中进行呢 这就是脉冲焊 如何产生这种脉冲呢 61 5 4 2脉冲弧焊电源的矩形波脉冲发生器 由于脉冲焊接技术的发展 脉冲弧焊电源得到了越来越广泛地应用 脉冲弧焊电源有许多种类型 而电子控制弧焊电源中应用较多的是利用脉冲发生器产生脉冲信号 将脉冲信号作为给定信号 使弧焊电源输出相应脉冲波形的脉冲电流或电压 而目前应用较多的脉冲波形是矩形波 1 集成运算放大器构成方波发生器 图5 41方波发生器电路原理图 图5 42方波发生器电路波形图 62 方波周期的计算从图上可以看出有下述关系成立 T 2 t2 t1 由此可以计算出矩形波的周期为 如果需要产生占空比小于或大于50 的矩形波 则应设法使图5 41电路中电容充电的时间常数与放电的时间常数不相等 利用二极管的单向导电性可以使电容充电与放电回路不同 因而可使电容充电与放电的时间常数不同 图5 43就是按上述意图构成的占空比可调的矩形波发生电路及其波形图 图5 43可调方波发生器电路原理图 这个电路产生的实际上是一个对称的交流方波 占空比为50 且不可调 63 其中 Rab是电位器动端至上端点的阻值 rD1是二极管VD1导通时的等效电阻 VD2的反向电阻和稳压管的内阻可忽略不计 当uO为负值时 二极管VD1截止 VD2导通 电容C放电的时间常数是 电容C充电的时间Tl和脉冲周期T分别是 可见调节电位器RP动端的位置 输出波形的周期时间并不改变 而占空比是 当uO为正值时 二极管VD1导通 VD2截止 电容C充电的时间常数是 rD2是二极管VD2导通时的等效电阻 RRP是电位器RP的阻值 可见调节电位器RP可使输出波形的占空比变化 64 2 由555定时器构成的脉冲发生器 555定时器是一种将模拟功能和逻辑功能巧妙地集成在同一个硅片的线性集成电路 555定时器集成电路的价格低廉 使用方便 只需要少量的外接元件就可以构成多种模拟和数字电路 也可以构成脉冲弧焊电源中常用的矩形波发生器 如图5 44所示 将555定时器外接两个电阻R1 R2和一个电容C 便构成了一个最简单的方波发生器 1 555定时器的4 8脚连接外加电源UCC 刚接通电源的瞬间 定时器电容C两端电压为零 触发端2脚电位低于1 3 UCC 555定时器的3脚输出高电平 2 接着电源UCC经电阻R1和R2向电容C充电 使电容端电压UC上升到2 3 UCC 时 定时器3脚跃变 输出低电平 上升 当UC上升到2 3 UCC 时 定时器3脚跃变 输出低电平 图5 44由555组成的方波发生器 65 3 此时电容C通过电阻R2及555定时器内部的晶体管放电 使电容的端电压逐渐下降 当电容电压降到低于1 3 UCC 时 定时器3脚再次跃变 输出高电平 4 此时电源Ucc又通过R1和R2向电容充电 电容电压由1 3 UCC 开始上升 当上升到大于2 3 UCC 时 定时器的3脚输出发生反转 5 如此往复 电容电压UC t 在1 3 UCC 和2 3 UCC 之间周期性地充电和放电 使定时器3脚输出电压Uo发生跳变 形成自激振荡 输出方波脉冲波形 66 假设方波发生器输出高电平的持续时间为t1 低电平持续时间为t2 经推导可得 图5 45是由555定时器构成的可以改变脉冲占空比的方波脉冲发生器 二极管VD1和VD2为电容C提供给了两个分立的充 放电通道 电位器RP1和RP2分别控制输出脉冲的高电平周期和低电平周期 放电回路中的电阻R2应和充电回路中的R1阻值相等 图5 45可调占空比的方波发生器 67 该方波发生器的脉冲占空比可以在很大的范围内变化 但是 该脉冲发生器是通过调节脉冲时间或者脉冲休止时间来调节脉冲占空比的 因此 在调节脉冲占空比的同时 脉冲频率也发生变化 图5 46所示的脉冲发生器的脉冲周期是不变的 而占空比由RP1控制 如果R1 R2 1K RP1 10M 则输出脉冲的占空比的调节范围为0 01 99 9 在调节RP1时输出频率只有很小的变化 图5 46频率不变的方波发生器 68 3 应用举例 可以将脉冲发生器的脉冲电压直接作为脉冲电流控制的给定值 也可以作为一个控制信号 控制不同直流给定信号的输出 图5 47是一个脉冲弧焊电源的脉冲信号给定电路原理图 图5 47所示电路由方波脉冲发生器 模拟开关 反相器以及两个直流信号给定电路组成 69 直流稳压电源通UCC过R3和RP3分压给出脉冲峰值电流 通过R4和RP4分压给出脉冲基值电流 调节RP3 RP4将调节脉冲峰值电流和基值电流的大小 脉冲发生器产生的脉冲信号控制两个模拟开关的通断 当定时器555输出高电平时 模拟开关SW1导通 脉冲基值电流给定信号输出 当定时器555输出低电平时 模拟开关SW2导通 脉冲峰值电流给定信号输出 如此往复 实现了脉冲电流的给定控制 调节RP1 RP2使定时器555输出的脉冲频率或占空比发生变化 也就调节了弧焊电源输出的脉冲电流或电压的脉冲频率或占空比 70 5 5电子控制型弧焊电源的动态特性控制 弧焊电源的主要动特性指标包括 短路电流增长速度di dt 短路电流的峰值Isd或Ifd等 一般情况下 短路峰值电流Isd或Ifd的大小可以通过di dt进行调整 因此 对动特性的控制主要体现在对电源的di dt的控制方面 对动特性的控制主要是通过回路中的电感来实现的 传统弧焊电源采用的电磁式电抗器的电感值改变困难 一般很难在大范围内满足焊接的最佳要求 电子控制的弧焊电源采用全新的电子电抗器以及波形控制等技术来进行动特性控制 可以在大范围内给出最优的动特性 目前 电子控制型弧焊电源动态特性的调节通常由下述方法实现 1 通过电子电抗器控制短路电流的增加速度 2 对焊接过程尤其是熔滴短路过程采用给定波形进行精确