电焊机的数字化-资料-中国焊接资源网

ang="EN-US" style="FONT-SIZE: 10.5pt; FONT-FAMILY: 黑体; mso-bidi-font-size: 10.0pt">2.1  主电路的数字化

 

        焊接电源具有低电压、大电流的特点，为了满足焊接电源这个特性要求，可以通过多种设计方式来实现。在焊接电源的设计中，变压器的设计是关键。在焊接电源中，变压器一方面满足电流、电压的匹配要求，另一方面对送电回路和焊接回路进行电气隔离。更为重要的是变压器在能量传输回路中的位置决定了焊接电源的体积和质量。

       图2为模拟式焊机的主电路框图。这种电源由一个工频变压器、三相整流桥和一个晶体管组组成，晶体管组在回路中的作用相当于负载的串联电阻。晶体管组工作在放大区，焊接中不需要的电压消耗在晶体管组的C、E极之间，因此功耗极大，晶体管组需要水冷。这种焊机的优点是响应速度快，缺点是晶体管组的能耗大，因此基本上已经被其它类型的电源所取代。

图1 模拟焊机主电路框图                    图2 模拟焊机输出电流波形

与模拟式焊机不同，在开关电源中晶体管组工作在开关态，主电路如图3

所示。开关电源主要由工频变压器、整流桥和半导体开关组成。半导体开关按照某一固定频率周期性地开通/关断（如每秒开通/关断20000次，对应频率20KHz），如果以理想开关来分析图3所示的电路的话，无论是在开通状态还是关断状态，开关的损耗为零。在实际的工作中，由于采用IGBT、MOSFET或双极性晶体管等作为开关器件，总会存在一定的功率损耗，但是与模拟焊机的损耗相比较，这个损耗是可以忽略不计的。以一台20KW开关电源为例，由于现代电力电子开关多为电压驱动型，所需要的电流极小，控制电路只需要几瓦的功率就可以满足要求。除了效率高而外，开关电源另一个优点是它的工作频率高。开关电源的工作频率越高，则回路输出电流的纹波越小，响应速度就越快，因此焊机就获得了更好的动态响应特性。表1列举了在开关型焊机中采用的不同开关器件和与之相对应的典型开关频率。



图3开关电源的主电路框图

表1开关电源中采用的开关器件-开关频率





在开关电源中为了在一个较宽的范围内调节功率输出，触发脉冲的导通时间与关断时间的比率（或占空比）必须可调。如图4所示，占空比高则输出较高的平均电流值，占空比低则输出较低的平均电流值。这种调节方式叫做脉冲宽度调节（PWM）。目前几乎所有的全控功率开关逆变电源和开关电源中都采用PWM形式的控制电路。

图4 开关电源的输出电流

焊接电源从模拟式焊机发展到开关式焊机，实际上是完成了焊接电源从模拟到数字化的跨越。焊接电源主电路的数字化使得焊接电源在两方面的性能上获得了提高：

1. 焊接电源的功率损耗大大地减少，使得焊接电源的效率达到90%以上。

2. 随着工作频率的提高，回路输出电流的纹波更小，响应速度更快，因此焊机获得了更好的动态响应特性。

图5 变压器体积-工作频率关系曲线             图6 逆变式电源主电路框图

在变压器的设计中，我们经常使用公式1，



式中：V1为变压器一次的感应电动势，单位为V；

Bm为变压器铁心材料的磁通密度的最大值，单位T；

N1为变压器原边绕组的匝数；

S为铁心截面积，单位 cm2；

f为变压器的工作频率，单位Hz；

因此，变压器的质量、体积与频率成反比。变压器的工作频率越高，即f越大，则变压器绕组的匝数N1越少及铁心的截面积S越小，因此它的质量越小、体积越小。图5为变压器体积-频率曲线。如果把变压器放在开关器件的后面，如图6所示，我们就得到了弧焊逆变电源的主电路结构。这时，变压器的工作

频率由50Hz提高到我们经常提到的20KHz的逆变频率，有些设计甚至可以达到100KHz。因此弧焊逆变电源与开关电源相比，又具有了体积小、质量轻的优点。

弧焊逆变电源起源于晶闸管逆变弧焊电源，尽管晶闸管的电压及电流容量可以制造得较高，控制的功率大，但是由于它是一种半控型开关器件，一旦触发后不能自行关断，因此需要强制关断，造成电路复杂。同时晶闸管的开关速度慢，工作频率低，只能工作在5KHz以下的范围内。从80年代开始，功率开关器件无论在种类上，还是在容量（电流、电压等级）上都有了很大的发展。从目前的应用来看，采用MOSFET、IGBT作为功率开关是弧焊逆变电源的主流，有向智能功率模块（SPIC）方向发展的趋势。



2.2 控制电路的数字化



数字信号处理由模拟信号的滤波、模/数转化、数字化处理、数/模转化、平滑滤波等环节组成，最终输出模拟控制量从而完成对模拟信号的数字化处理。对于数字化处理环节，目前的技术发展水平上，我们大致可选择数字信号处理器（DSP）、通用微处理器（MPU）、微控制器（MCU）三类作为处理芯片。通用微处理器（MPU）大量应用于计算机（PC机），由于其体积大、功耗较高、价格比较高，尽管具有很高的数字信号处理能力，但是很少在工业控制中采用，尤其是嵌入式系统应用。应用比较普遍的是微控制器和数字信号处理器。微控制器就是国内所说的单片机，具有较强的事件处理能力，中断、I/O资源丰富，国内经过十几年，近二十年的开发应用，中文资料比较多，开发的软、硬件条件比较好。但是微控制器的数据处理能力远远落后于数据信号处理器，往往在实时性、数据处理量大的系统中不能胜任。数字信号处理器的英文定义如：In brief, DSPs are processors or microcomputers whose hardware, software, and instruction sets are optimized for high-speed numeric processing applications—an essential for processing digital data representing analog signals in real time. [4]正是因为数字信号处理器具备了较强的数据处理能力，它在嵌入式系统中得到了极其广泛的应用，如手机、声卡、图象采集卡、马达控制等等。另外为了提高通用微处理器和微控制器的数据处理能力，DSP有与二者融合的趋势。如Pentium MMX之后的通用微处理器融入了DSP的功能以提高网络功能，而西门子的32位TriCore系列单片机把RISC（MPU）、MCU与DSP的功能集成在一块芯片的内核中[5]。

图7 模拟控制弧焊逆变电源的控制系统框图

一般的弧焊逆变电源的如图7所示，控制回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LEM块采样，负反馈到控制回路。反馈量与给定信号比较，经过PI控制器输出到PWM控制芯片，PWM信号则经过功率放大、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。

模拟控制系统最大的缺点是进行复杂处理的能力有限、元器件数量多，并且控制器的参数由电阻、电容等分立元件的参数决定，控制器的调试复杂、灵活性差。同时电阻、电容的参数分布影响控制器的一致性，参数的稳定性差如温度漂移影响控制器的稳