焊接电源课程讲义第5章电子控制型弧焊电源基础ppt课件

College of Materials Science and Engineering,HUST第第5 5章章 电子控制型弧焊电源根底电子控制型弧焊电源根底随着大功率电力半导体器件以及电子控制技术的开展，弧焊电源从机械调理型、电磁控制型开展到电子控制型。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位置，电力电路输出的大小受电子电路的支配，两种电路的衔接结点是大功率的半导体器件电力半导体。College of Materials Science and Engineering,HUST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)College of Materials Science and Engineering,HUST5.1 5.1 电力半导体器件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，Silicon Controlled Rectifier，简称可控硅，SCR广泛运用于药皮焊条手工电弧焊、埋弧焊、钨极气体维护焊、等离子弧焊和熔化极气体维护焊等焊接方法的整流式弧焊电源中。1晶闸管的构造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。其中前两种普通属单管构造，即一个构造外形只需一个晶闸管；而后一种为模块式构造，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。College of Materials Science and Engineering,HUST图5-1 晶闸管外形图N2N2P2N1P1GKAAKG图5-2 晶闸管构造与符号 College of Materials Science and Engineering,HUST2晶闸管的典型电路及其任务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当晶闸管接受反向阳极电压时，不论门极G接受何种电压，晶闸管均处于阻断形状。2当晶闸管接受正向阳极电压时，仅在门极G接受正向电压的情况下晶闸管才干导通。也就是说，必需同时具备正向阳极电压和正向门极电压两个条件才干实现由阻断到导通的转换。3晶闸管导通后，只需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College of Materials Science and Engineering,HUST晶闸管的控制特点单导游通；触发极控制极、门极接受触发脉冲才有能够导通；接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College of Materials Science and Engineering,HUST图5-4 晶闸管的伏安特性3晶闸管的伏安特性4在焊接中的运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College of Materials Science and Engineering,HUST5.1.2 功率晶体管功率晶体管功率晶体管GTR，Giant Transistor是一种双极性型大功率高反压晶体管。目前GTR的电流容量曾经到达上千安培，在中小功率运用方面，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晶体管的构造晶体管的外形有三种根本方式：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资料做成的管芯。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模块几种方式。College of Materials Science and Engineering,HUSTN+N+PN-BEC 图5-6 晶体管构造及任务原理2晶体管的任务原理晶体管接受正向集电极电压的同时，必需让基极B和发射极EPN结之间有正向电流经过即施加基极电流，管子才干导通。它可以任务在线性放大形状也可以任务在开关形状。图5-5 晶体管外形与符号College of Materials Science and Engineering,HUST3在焊接中的运用模拟式晶体管电源，晶体管任务在线性放大形状线性区，具有最正确的波形控制才干；开关式晶体管电源，晶体管任务在开关形状饱和、截止区；晶体管式逆变电源，晶体管任务在开关形状饱和、截止区。5.1.3 场效应晶体管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MOSFETMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，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，因此需求多只MOSFET管并联运用。1场效应管的构造场效应管的外形也有三种根本方式：金属壳封装、塑料封装和模块，外形与晶体管类似。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。College of Materials Science and Engineering,HUSTGDSGDS图5-8 场效应管符号及典型电路2场效应管的任务原理场效应管在任务过程中，它的漏极D和源极S分别与电源UC和负载RL衔接，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衔接，组成控制电路，如图5-8d所示。为使场效应管导通，当它接受正向漏极电压同时，必需对栅极G施加正电压。场效应管的栅极为绝缘构造，输入阻抗达1081013，可以用电压驱动，驱动功率很小。N+N+P基片沟道DGSN沟道场效应管P沟道场效应管College of Materials Science and Engineering,HUST3场效应管的根本特性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的放大才干，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。College of Materials Science and Engineering,HUST3场效应管的根本特性3开关特性动态特性 提示开关过程中，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，必需有续流回路，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。College of Materials Science and Engineering,HUST5.1.4 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极晶体管简称IGBTInsulated Gate Bipolar Transistor。它是MOSFET与GTR的复合器件。它既有MOSFET的任务速度快、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开展很快，目前曾经被广泛地运用于各种弧焊电源的逆变器中。1绝缘栅双极型晶体管的构造IGBT的外形有塑料封装和模块式两种根本方式。其外形与功率双极型晶体管类似。IGBT有集电极C、发射极E和栅极G。其构造根本上是在MOSFET的漏极下又加了一层P区，多了一个PN结，IGBT的内部构造、等效电路和图形符号如图5-13所示。College of Materials Science and Engineering,HUST2IGBT的任务原理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内构成沟道，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内的沟道消逝，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根本一样，只须控制输入极N沟道MOSFET，因此它具有高输入阻抗特性。College of Materials Science and Engineering,HUST3IGBT的根本特性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、线性放大区放大才干 IC=gmUGE、饱和区饱和压降UCES普通为24V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)，普通为36V。3静态开关特性，如图5-14c所示，两个任务形状，截止和导通形状。College of Materials Science and Engineering,HUST2IGBT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bIGBT的开关特性abCollege of Materials Science and Engineering,HUST1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，可以任务在10-30kHz。3电流密度高，功率大，可以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平安任务区宽。目前，IGBT曾经成为制造各种焊接逆变电源的最好的开关器件，运用极为广泛。4IGBT的优点及运用College of Materials Science and Engineering,HUST5.2 电子控制型弧焊电源的根本任务原理电子控制型弧焊电源的根本任务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。外特性调理方法具有各种外特性外形，其获得所需外特性外形的方法与机械调理型弧焊电源不同，它不是依托电源的机械构造，而是依托电源中电子电路的控制来实现的。College of Materials Science and Engineering,HUST图5-16为电子控制型弧焊电源任务原理表示图，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。晶闸管触发电路焊接电弧电子控制电路晶闸管整流器直流电抗器变压器ACACDCDC控制驱动电路焊接电弧电子控制电路逆变器直流电抗器变压器ACDCDC整流器整流器ACACDCa整流式b逆变式电子控制电路与电力电路的衔接结点是大功率的半导体器件电力半导体College of Materials Science and Engineering,HUST电子控制型弧焊电源是根据电流、电压负反响控制原理，利用电子电路对电子功率系统整流器或逆变器进展闭环控制，来获得不同的外特性曲线外形。图5-17为电子控制型弧焊电源外特性控制的根本原理图。电流给定电路电压给定电路-nIfmUfUfIf电流采样电路电压采样电路UguUgiUgu-mUfUgi-nIf放大电路K2放大电路K1K1（Ugu-mUf）K1（Ugi-nIf）放大电路K3K1（Ugu-mUf）+K2（Ugi-nIf）UK图5-17 电子控制型弧焊电源外特性控制根本原理 5.3.1 外特性控制的根本原理外特性控制的根本原理5.3 电子控制型弧焊电源的外特性控制电子控制型弧焊电源的外特性控制College of Materials Science and Engineering,HUST)()(213fgifguknIUKmUUKKUK1、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外形进展分析如下。由于控制信号Uk普通只需零点几伏至几伏，而放大倍数K3相对很大，所以有：0)()(21fgifgunIUKmUUK1只取电压负反响只取电压负反响 只取电压负反响，即只需给定电压信号Ugu，而 Ugi=0，nIf=0时的情况，根据上式可以得到：mUUgufm 电压的分压比。系统确定后，m为常数。5-25-35-1据此可以得到控制信号Uk的数学表达式如下：m1，n1电压、电流采样信号：Ufu=mUf、UfI=nIfCollege of Materials Science and Engineering,HUST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，只取输出电压负反响，弧焊电源的输出特性为恒压外特性图5-18中线1。2只取电流负反响只取电流负反响 当只取电流负反响，即只需给定电流信号Ugi，而Ugu=0，mUf=0时的情况，根据式5-2可以得到：gifUnI15-4 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，只取输出电流负反响，弧焊电源的输出特性为恒流外特性图5-18中线2、3。0)()(21fgifgunIUKmUUKCollege of Materials Science and Engineering,HUST3电流截止负反响电流截止负反响 当电源的输出电流小于一阈值Ith时，既不采用电流反响，也不采用电压反响。而当电流大于阈值Ith时，采用强电流负反响，可获得恒流或者陡降的外特性图5-19。4复合负反响复合负反响 复合反响是指在弧焊电源外特性控制中既采用电压负反响，又采用电流负反响。采用复合反响可分为如下假设干种组合：College of Materials Science and Engineering,HUST在弧焊电源外特性控制中，同时采用电压和电流负反响。当 Ugu、Ugi一定时，根据式5-2，可得：mKnKIUff12上式阐明，弧焊电源的外特性为一斜率为负的直线斜特性。由于，If0时，Uf为空载电压U0，所以外特性方程可以表达为：ffImKnKUU120外特性外形如图5-18中的线4。改动n/m或K2/K1值可改动外特性下降的斜率。5-55-60)()(21fgifgunIUKmUUK1同时采用电压、电流负反响College of Materials Science and Engineering,HUST当电源输出电压大于某一确定的阈值Uth时，只用电流负反响；而电压小于此阈值时，同时采用电流负反响和电压负反响，那么根据式5-4和式5-6可得：thfffthfgifUUImKnKUUUUUnI1201其外特性外形如图5-18中线5所示，为陡降带外拖的外特性，外拖段外特性外形为斜特性。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815V。复合负反响控制还有其它的组合，从而获得其它外形的外特性曲线，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不同时辰采用不同的反响College of Materials Science and Engineering,HUST1.只取电压负反响2,3.只取电流负反响4.同时采用电压、电流负反响5.不同时辰采用不同的反响 图5-18 弧焊电源外特性外形电流截止负反响College of Materials Science and Engineering,HUST3恒压、电流截止负反响当电源输出电流小于某一确定的阈值th时，只用电压负反响，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，采用电流负反响，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维护焊的恒压电源中，对电源输出的最大电流进展限制。当电源输出电流小于最大电流th时，电源任务在恒压特性段；当电流到达最大输出电流th时，转入恒流或者陡降外特性段。College of Materials Science and Engineering,HUST5.3.2 电源外特性控制的运用电源外特性控制的运用1平外特性的控制电路平外特性的控制电路 CR1R2Uk-UkN2N1N3N4RP1R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14R15R16R17R18R19VD2VD3VD4VD1-UCCUfRP2Ufu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消费的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的滑动点电位决议。2电弧电压反响信号UfUf 0经N2差动放大而构成的电弧电压反响量Ufu=mUf，经电阻R14衔接到R15。3给定信号与电压反响信号都经R15衔接到运放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：College of Materials Science and Engineering,HUST)(52145291310775214141516fgkURRPRRRPRRRRRURRPRRRRU由于Ug0，Uf0。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。假设有外界干扰，使电弧弧长添加，那么电源的输出电压Uf|Uf|增大，那么电压反响信号Ufu也添加。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响闭环控制，使输出电压坚持不变，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。VD2VD4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，获得适宜的触发脉冲移相范围。5-8College of Materials Science and Engineering,HUST2陡降外特性的控制电路陡降外特性的控制电路N1N2N3N4N7N5N6RP2RP1-12V+12VRP4RP3RS+12V+12VIfUgUpUfiVR2R1R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14R15R16R17R18R19R20R21R22R23C1C2C3C4C5C6C7C8C9UkUth图5-22 获得陡降外特性的控制电路College of Materials Science and Engineering,HUST 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。2Uk的大小取决于偏移信号Up、电流给定信号Ug和电流反响信号Ufi。3Ug取自电位器 RP2，并经两级电压跟随器N1、N2后，经过电位器 RP4输出。4电流反响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滤波得到电流反响信号Ufi。N4外围设有阻容网络，用以滤除高次谐波；5N5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响信号Ufi中不同频带的谐波，从而得到较平稳的电流反响信号Ufi。空载时无焊接电流If，那么电流反响信号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仅取决于经过电位器RP1得到的UpUp0。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。College of Materials Science and Engineering,HUST当引弧开场时，有焊接电流If时，电流反响信号经过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。同时电流反响信号Ufi也衔接到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，但电流反响信号Ufi未超越Uth时，电流给定信号不起作用，电流反响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。只需当UfiUth之后，电流给定信号、电流负反响信号才起作用，电源输出特性为陡降特性，陡降特性曲线段为电源正常任务区域。电路的特点：1Uth普通小于焊机可以稳定输出的最小值,因此，一旦引弧电流反响和设定值即起作用。2可以保证调整焊接电流时，不影响引弧电压。College of Materials Science and Engineering,HUST3陡降带外拖特性的控制电路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才干，使焊接工艺参数稳定，需求采用恒流带外拖或陡降带外拖的电源外特性。经过调理外拖特性的拐点及外拖部分的斜率，使熔滴过渡具有适宜的推力，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普通采用图5-23所示的电路，其对应的电源外特性如图5-24所示。College of Materials Science and Engineering,HUST电弧引燃、正常焊接时，电弧电压较高，其反响信号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。即只采用电流负反响控制，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College of Materials Science and Engineering,HUST当电弧电压较低，电压反响信号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 实践上是将mUf-Uth 放大处置后的信号衔接到比例放大器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响信号有关mUf。也就是说，此时采用了电流负反响和电压负反响的复合控制，电源的外特性为斜降特性，如图5-24曲线中的cn段。College of Materials Science and Engineering,HUST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普通为815V。该电路中采用选择开关S来改动外特性拐点的高低，当S在m1位置时，对应的电压反响信号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，对应的电压反响信号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。调理RP1可以调理电压反响信号在中的比例，从而可以调理斜特性的斜率，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。College of Materials Science and Engineering,HUST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理外拖特性控制的门槛值外拖特性的拐点电压。其根本原理是只需电弧电压Uf低于(200.04If)V商定负载特性曲线，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理。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，普通都低于15V。为了使控制电路与电源主电路有一样的规律，所以控制电路输出的控制信号也采用了商定负载特性曲线的规律，只是在数值上为商定负载特性曲线各点电压的1/10。4自顺应外拖特性的控制电路自顺应外拖特性的控制电路图5-25 自顺应调理外拖特性控制电路College of Materials Science and Engineering,HUST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反响电路等组成。1N1、N2、N3及外围元件组成焊接电流参数生成电路。N3为电流反响信号放大器，输出电压为(0.04If/20)V。R7、R8对+15V稳压电源电压进展分压，使电压跟随器N1一直输出电压为20/20V的电压。2A点的电压为(200.04If)/20 V，经过同相放大器N2后，输出(200.04If)/10V的电压。3N5、N6及外围元件组成电弧电压反响电路，R20、R21、R22对电弧电压进展分压，使电压跟随器N5输出的电压一直为 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响电路的输出电压在B点相加，使B点的电压为(200.04If)-Uf/10V，并加在比例运算放大器 N4的同相输入端。图5-25 自顺应调理外拖特性控制电路College of Materials Science and Engineering,HUST当电弧电压 Uf低于(200.04If)/10V时，N4输出电压为正，VD1导通，经过电位器RP*1及电压跟随器N7加在PI调理器N8的同相输入端，与电流给定信号Ugi、电流反响信号nIf结协作用于N8构成的PI调理器，决议了其输出的控制电压信号UK，以获得适宜的缓降外特性。由图5-25可以看出，当电弧电压 Uf高于(200.04If)/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响有关，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动，顺应性强。2可以经过调理电位器RP*1，使外拖特性斜率发生变化，到达控制短路电流的目的。College of Materials Science and Engineering,HUST5.3.3 电流、电压信号的检测电流、电压信号的检测 电流、电压信号检测的结果可以用于反响控制获得电源所需的外特性外形，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、过流维护控制等。因此，电源输出电流、电压的信号检测与信号处置是电子控制弧焊电源中的根本环节。1取样电阻法测电流电压取样电阻法测电流电压1串联电阻检测电流R1nIfRfR2NR0C弧焊弧焊电源电源负载负载分流器分流器R3图5-27 采用分流器检测电流该方法的特点及运用：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，抗干扰才干差。4主电路与控制电路不隔离。5主要运用在小容量电源，以及要求不高的场所。College of Materials Science and Engineering,HUSTR1mUfRfR2NC弧焊弧焊电源电源负载负载R3RP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运用较多的方法是直接在电源输出两端并联电阻组，进展电阻分压的方法进展电源输出电压的检测，图5-28为检测原理图。2互感器法丈量电流互感器法丈量电流i1i2R整 流 及 信 号处 理 电 路UiN1N2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，普通只需1匝或几匝，而二次绕组N2匝数很多，构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：College of Materials Science and Engineering,HUST02211NINI22121IKINNIi检测电路原理图中，R为取样电阻，取样信号为：RIKRIUiR121本卷须知：在运用电流互感器检测电流信号时应留意：互感器副边绝对不允许开路，即检测电阻R必需可靠地衔接，否那么，一次侧的被测电流I1全部为励磁电流，铁心磁通急剧添加，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，容易呵斥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展整流等信号处置，得到直流信号Ui，将Ui作为电流反响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交流互感器的呼应速度较慢，普通用于电流变化速度较慢的弧焊电源电流的检测。College of Materials Science and Engineering,HUST2直流电流互感器直流互感器的任务原理如图5-30所示。其铁心为封锁环，铁心资料的导磁系数比较高，矫顽磁力较小，普通为冷轧硅钢片或坡莫合金资料。当被检测的直流电流Id0时，互感器同时接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形状如图5-31所示，College of Materials Science and Engineering,HUST铁心任务在a点，铁心任务在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挪动，而铁心中的交流电流与直流电流反方向，使b点那么向去磁的方向挪动，如图5-31中实线；当交流电流i2为负半波时，铁心处于去磁形状，铁心处于更饱和形状，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形状，而另一个铁心处于不饱和形状，处于饱和形状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：HlNiNId221College of Materials Science and Engineering,HUST根据图5-31的铁心资料H-B曲线可知，当铁心不饱和时，H0，所以：221NiNId这就是“交流安匝和直流安匝相等的原那么。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：diRINNkU21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普通为50Hz，因此检测环节的呼应速度较慢。College of Materials Science and Engineering,HUST3.霍尔元件法霍尔元件法IC+-Bd1234UHIC霍尔元件法进展弧焊电源电流、电压的信号检测在电子控制电源中运用越来越广泛。霍尔传感器是比较理想的快速电流、电压信号检测传感器，它的中心元件是霍尔元件。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表示图。霍尔元件本体是厚度为d的半导体基片。假设沿纵长方向经过引线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 霍尔效应表示图 College of Materials Science and Engineering,HUST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：IBSIBdKnedIBUHHHKH为霍尔系数，KH1/(ne)；SH为霍尔片灵敏度，SH1/(ned)。当半导体的资料和尺寸确定后，KH或SH坚持常数，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，可以丈量电流I。在弧焊电源中可以采用霍尔电流传感器、霍尔电压传感器进展输出电流、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。5-9College of Materials Science and Engineering,HUSTUH恒流源+-IcId霍尔元件聚磁环图5-33 直测式霍尔电流传感器任务原理根据式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，经过检测磁场B就可以换算出被测电流Id的大小。特点：1霍尔元件中经过的电流IC是由辅助的恒流电源供应的。2与被测电流成正比的霍尔电压普通是毫伏级的，运用时还必需附加信号放大器。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，在运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 任务原理：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经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。College of Materials Science and Engineering,HUST2LEM传感器 UH直流稳压电源+15V-15VIcId霍尔元件聚磁环放大电路IsHsHdRLEM传感器是利用磁场平衡式原理任务的。它的主要特点是主电流回路所产生的磁场随时经过一个二次绕组所产生的磁场进展补偿，使霍尔元件一直处于检测零磁通的条件下任务。任务原理如图5-34所示。LEM模块在任务时由主电流聚磁环、霍尔元件、二次绕组、放大电路、显示系统等部分组成。图5-34 LEM传感器任务原理College of Materials Science and Engineering,HUST任务过程分析：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。2UH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。3Is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。最终到达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，经过检测电阻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，抗干扰才干强。2磁平衡过程迅速1us)，所以丈量时呼应速度高。3可以丈量各种波形的电流、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需磁联络而无电联络College of Materials Science and Engineering,HUSTLEM电压传感器的任务原理也是利用了磁场平衡式原理。但是需求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衔接头，将被检测的电压由此输入，经过一次绕组衔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，经过二次绕组产生的磁通量相平衡，二次电流便能准确地反映一次绕组电压，即被检测的电压。2LEM电压传感器3LEM传感器运用a b图5-35 LEM传感器外形图a电流传感器 b电压传感器College of Materials Science and Engineering,HUSTR1HT-HT+-+M+-M+15V-15V+15V-15V控制电路电流传感器电压传感器RVRI负载弧焊整流器图5-36为晶闸管式弧焊整流器运用LEM传感器进展检测输出电流、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5-36 LEM传感器的运用原理College of Materials Science and Engineering,HUST5.4 电子控制型弧焊电源的调理特性控制电子控制型弧焊电源的调理特性控制电子控制型弧焊电源的外特性调理是依托控制电路中给定信号的变化来调理的。普通地，给定信号是一个可以调理的直流电压信号，该信号的调理范围决议了弧焊电源输出电流或电压的调理范围，也就是弧焊电源外特性的调理范围。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，经过电阻分压来获得的，采用稳压电源提供应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理实践上是调理电子控制弧焊电源的调理实践上是调理Ugi和和Ugu，调理调理Ugi 意味着外特性曲线的左右平移，调理意味着外特性曲线的左右平移，调理Ugu 意味意味着外特性曲线的上下挪动。着外特性曲线的上下挪动。College of Materials Science and Engineering,HUST5.4.1 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，都需求直流稳压电源。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，外部输入电压发生动摇，而本身的输出电压坚持稳定不变，相当于一个平特性的电源。College of Materials Science and Engineering,HUST1三端固定式集成稳压器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需输入、输出和公共三个引出瑞，运用非常方便。典型产品有78XX正电压输出系列和79XX负电压输出系列，其封装方式和引脚功能如图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方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、过流维护电路，因此，它的性能优良，可靠性高。又因这种稳压器具有体积小、运用方便、价钱低廉等优点，所以得到广泛运用。其缺陷是效率较低，发热比较严重。College of Materials Science and Engineering,HUST图5-38是78XX系列正电压输出稳压器的根本运用电路，79XX系列负电压输出稳压器的根本运用电路与其类似。图5-38电路中，在集成稳压器的输入端衔接电容C1是为了改善电源的纹波特性，普通取值为0.33F；在输出端衔接电容C0是为了改善负载的瞬态呼应、防止自激振荡和减少高频噪声，普通取值为0.1F。输入电压的选择是：VUUU2OIIMAX图5-38 78 XX系列的根本运用电路380V也是可以的College of Materials Science and Engineering,HUST2三端可调输出稳压器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。其普通输出电压为1.237V或-1.2-37V延续可调。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和调理端ADJ。它没有公共接地端，接地端往往经过接地电阻再到地。图5-39 三端可调输出集成稳压器的封装方式和引脚功能aLM317bLM337abCollege of Materials Science and Engineering,HUST图5-40是LM317三端可调正输出集成稳压器的普通运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 120240。经过R1泄放的电流为510mA。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，保证电路任务稳定。图5-40 LM317的根本运用电路College of Materials Science and Engineering,HUST 电子控制型弧焊电源的调理实践上是调理电子控制型弧焊电源的调理实践上是调理Ugi和和Ugu，调理调理Ugi 意味着外特性曲线的左右平移，调理意味着外特性曲线的左右平移，调理Ugu 意味意味着外特性曲线的上下挪动。着外特性曲线的上下挪动。假设这种调理是在焊接过程中进展呢？这就是脉冲焊！如何产生这种脉冲呢？0Ugi1Ugi2College of Materials Science and Engineering,HUST5.4.2 脉冲弧焊电源的矩形波脉冲发生器脉冲弧焊电源的矩形波脉冲发生器由于脉冲焊接技术的开展，脉冲弧焊电源得到了越来越广泛地运用。脉冲弧焊电源有许多种类型，而电子控制弧焊电源中运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。而目前运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集成运算放大器构成方波发生器R1ucR4NCR2R3UZu0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College of Materials Science and Engineering,HUST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：32121ln2RRCRT假设需求产生占空比小于或大于50的矩形波，那么应设法使图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。利用二极管的单导游电性可以使电容充电与放电回路不同，因此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。R1ucR4NCR2R3UZu0D1D2RPab0u0TT1图5-43 可调方波发生器电路原理图这个电路产生的实践上是一个对称的交流方波，占空比为50%且不可调。College of Materials Science and Engineering,HUST 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 CRrRRDab)(12RP2电容C充电的时间Tl和脉冲周期T分别是：)21ln(3211RRT)21ln()(3221RRT)21ln()2(32121RRCRrrRPTDD可见调理电位器RP动端的位置，输出波形的周期时间并不改动，而占空比是：1211112 RrrRPRrRTTDDDab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 CRrRDab)(111rD2是二极管 VD2导通时的等效电阻。RRP是电位器RP的阻值。可见调理电位器RP可使输出波形的占空比变化。College of Materials Science and Engineering,HUST2由由555定时器构成的脉冲发生器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钱低廉，运用方便，只需求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。5551267483复位放电阈值触发接地输出控制VCC5UCCR1R2CR3U01555定时器的4、8脚衔接外加电源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 College of Materials Science and Engineering,HUST5551267483复位放电阈值触发接地输出控制VCC5UCCR1R2CR3U03此时电容C经过电阻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又经过R1和R2向电容充电，电容电压由1/3(UCC)开场上升，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，构成自激振荡，输出方波脉冲波形。College of Materials Science and Engineering,HUST假设方波发生器输出高电平的继续时间为t1，低电平继续时间为t2。经推导可得：CRRt211693.0CRt22693.0CRRttT21212693.0CRRTf212443.11图5-45是由555定时器构成的可以改动脉冲占空比的方波脉冲发生器。二极管VD1和VD2为电容C提供应了两个分立的充、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。5551267483复位放电阈值触发接地输出控制VCC5UCCR1R2CR3U0VD1VD2RP1RP2图5-45 可调占空比的方波发生器 College of Materials Science and Engineering,HUST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，该脉冲发生器是经过调理脉冲时间或者脉冲休止时间来调理脉冲占空比的，因此，在调理脉冲占空比的同时，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。假设R1=R2=1K，RP1=10M，那么输出脉冲的占空比的调理范围为0.01%99.9%。在调理RP1时输出频率只需很小的变化。5551267483复位放电阈值触发接地输出控制VCC5UCCR1R2CR3U0VD1VD2RP1图5-46 频率不变的方波发生器 College of Materials Science and Engineering,HUST3运用举例运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。5551267483复位放电阈值触发接地输出控制VCC5UCCR1R2CR3U0VD1VD2RP1RP2R4RP3RP4UCCUCCVD4VD3SW1SW2DN1图5-47 弧焊电源脉冲信号给定电路图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。College of Materials Science and Engineering,HUST直流稳压电源通UCC过R3和RP3分压给出脉冲峰值电流，经过R4和RP4分压给出脉冲基值电流，调理RP3、RP4将调理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输出高电平常，模拟开关SW1导通，脉冲基值电流给定信号输出；当定时器555输出低电平常，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，调理RP1、RP2使定时器555输出的脉冲频率或占空比发生变化，也就调理了弧焊电源输出