第5章电子控制型弧焊电源基础课件.ppt

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1、1,第五章 电子控制型弧焊电源基础,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,2,弧焊电源控制系统的发展历程,弧焊变压器,弧焊变压器直流弧焊发电机硅弧焊整流器,晶闸管整流式弧焊电源脉冲弧焊电源逆变式弧焊电源,电源主电路输出功率的大小及输出波形受电子电路的支配，两种电路的连接结点是大功率的半导体器件。,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,3,5.4 电子控制弧焊电源的动态特性控制,5.3 电子控制弧焊电源的调节特性,5.2 外特性控制,5.1 电力半导体器件,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,4,5.1 常用电力半导体器件的种类,IGBT (绝缘

2、栅晶体管),场效应晶体管 (MOSFET),晶体管(三极管) GTR,晶闸管 (SCR),2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,5,晶闸管简称可控硅，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。,5.1.1 晶闸管,晶闸管的结构 晶闸管的典型电路及控制原理 晶闸管的伏安特性 晶闸管整流器的主要特点,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,6,平板式,晶闸管结构与符号,晶闸管的结构,螺栓式,模块式,阴极 K,阳极 A,控制极(门极)G,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,7,晶闸管

3、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。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,晶闸管的典型电路及其工作原理,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,8,图5-4 晶闸管的伏安特性,正向击穿区,反向击穿区,熔断、烧穿区,晶闸管的伏安特性,2022/12/20,第五章

4、 电子控制型弧焊电源基础,9,晶闸管整流器的主要特点,动特性好，响应速度快 控制性能好 调节特性好 节能、省材,晶闸管在焊接电源中的应用 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。,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,10,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，还有晶体管式逆变弧焊电源。,5.1.2 功率晶体管,2022/

5、12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,11,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，分为 NPN型和 PNP型两类。,晶体管的结构,金属壳封装,塑料封装,模块,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,12,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，管子才能导通。 晶体管可以工作在线性放大状态也可以工作在开关状态。,模拟式晶体管电源：晶体管工作在线性放大状态，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；晶体管式逆变电源：晶体管工作在开关状态；,2022/

6、12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,13,5.1.3 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）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，因此在焊接电源中需要多只MOSFET管并联使用。,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,14,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。,绝缘栅型场效应管的结构类型,漏极D,源极S,栅极G,场效应管的结构与符号,2

7、022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,15,场效应管的典型电路,场效应管在工作中，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。 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 1081013 ，可以用电压驱动，驱动功率很小。,场效应管的特点是工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热稳定性好。,场效应管的工作原理,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,16,绝缘栅双极型晶体管简称IGBT（Insulated Gate B

8、ipolar Transistor）,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、热稳定性好的优点，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。,5.1.4 绝缘栅双极型晶体管,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,17,绝缘栅双极型晶体管的内部结构,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。,MOSFET 的基本结构,IGBT 的基本结构,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,18

9、,IGBT的等效电路及符号,IGBT的图形符号,IGBT的等效电路,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，只需控制输入极N沟道MOSFET，因而它具有高输入阻抗特性。,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,19,电压驱动，输入阻抗高，驱动功率小。驱动电路设计简单。 高的开关速度，开关时间仅为GTR的1/10，可以工作在10-30kHz。 电流

10、密度高，功率大，能够用于制造大功率电源。 开通损耗小，饱和压降低，通态电阻小。 安全工作区宽。,IGBT的优点及应用,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。,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,20,目前主流的电子控制型弧焊电源有：,这些类型弧焊电源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。,5.2 外特性控制,逆变式弧焊电源,晶体管式弧焊电源,晶闸管整流式弧焊电源,5.2.1 外特性控制的基本原理5.2.2 外特性控制的应用举例5.2.3 电流、

11、电压信号的检测,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,21,电子控制型弧焊电源工作原理示意图,a）晶闸管整流式,b）晶体管式,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),5.2.1 外特性控制的基本原理,主电路,控制电路,控制电路,主电路,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,22,控制电路,主电路,c）逆变式,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,23,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。,电子控制型弧焊电源外特性控制基本

12、原理,控制信号Uk的数学表达式：,K1、K2、K3 系统中各个放大环节的放大倍数,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,24,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，,外特性控制的几种方式,所以由：,可得：,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,25,1.只取电压负反馈2.只取电流负反馈3.电流截止负反馈4.同时采用电压、电流负反馈5.不同时刻采用不同的反馈6.恒压、电流截止负反馈,几种常见的反馈控制方式,通常，1与6 应用于等速送丝的熔化极气体保护焊,2与3 可用于钨极氩弧焊,4与5 可用于药皮焊条电弧焊与埋弧焊,2022/12/20,

13、第五章 电子控制型弧焊电源基础,26,5.2.2 外特性控制的应用举例,平外特性的控制电路 陡降外特性的控制电路 陡降带外拖特性的控制电路 自适应外拖特性的控制电路,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,27,以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为例。,Ug,1、平外特性的控制电路,给定信号Ug由电位器RP1 的滑动点电位决定,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Uf u = mUf ，经电阻 R14 连接到R15,给定信号Ug与反馈信号Ufu 都经 R15 连接到 N3 的反相输入端

14、,输出信号：,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,28,图5-20 获得陡降外特性的控制电路,由比例加法器N3输出控制信号Uk,Uk的大小取决于偏移信号Up、电流给定信号Ug电流反馈信号Ufi,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及N6滤波得到电流反馈信号Ufi。,2、陡降外特性的控制电路,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。,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,29,3、陡降带外拖特性的控制电路,当电弧电压高于15 V 时，VD11 截止，电压负反馈量被隔离，只有

15、电流负反馈起作用，电源输出特性为陡降特性或恒流特性（图中cd段）；,在电弧电压低于 15 V 时，二极管VD11 导通，电弧电压Uf 加在运算放大器N1 的正极输入端，在电流负反馈和电压负反馈的联合作用下，获得合适的缓降外特性（图中dn段）。,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,30,自适应外拖特性控制电路是指可以随焊接电流大小自动调节外拖特性控制的门槛值。其特点是只要电弧电压低于（200.04If ）V，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。,4自适应外拖特性的控制电路,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,31,图5-23 自适应调节

16、外拖特性控制电路,N1、N2、N3及外围元件组成焊接电流参数生成电路。N3的输出电压为（0.04If /10）V。,A点的电压为（200.04If ）/10 V，经过同相放大器N2后，输出（200.04If ）/10V的电压,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，使电压跟随量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。,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点混合，使B点的电压为（200.04If ）- Uf/10V，并加在运算放大器 N4的同相输入端。,当电弧电压 Uf

17、 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馈有关，输出陡降或恒流特性。,当电弧电压 Uf 低于（200.04If）/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，以获得合适的缓降外特性。,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、调节电位器RP*1，使拐点电压及外拖特性斜率发生变化，从而控制短路电流。,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊

18、电源基础,32,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。,5.2.3 电流、电压信号的检测,霍尔元件法,互感器法测量电流,取样电阻法测电流、电压,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,33,取样电阻法测电流、电压,（1）串联电阻检测电流,该方法的特点及应用： 方法简单、易实现; 信号不失真、相应速度快;,（2）并联电阻检测电压,主要应用在小容量电源，以及要求不高的场合。,信号较弱，抗干扰能力差; 主电路与控制

19、电路不隔离。,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,34,（1）交流电流互感器,互感器法测量电流,图5-27 交流电流互感器,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。,R为取样电阻，取样信号为：,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,35,（2）直流电流互感器,当交流电流 i2 过零时，由直流电流 Id 所确定的铁心的磁状态如右上图，铁心 、分别工作在a点和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点向更加饱和的方向移动，而铁心中的b点向

20、去磁方向移动（图中实线）；当交流电流为负半波时，铁心、的磁状态沿虚线改变，即在 i2 的正、负半波中各有一个铁心处于饱和状态，而另一个处于不饱和状态。,互感器铁心为封闭环，同时承受交流和直流电流的磁化作用。,处于饱和状态铁心上的绕组的阻抗很小，由 i2 产生的压降可以忽略不计，而在不饱和的铁心绕组中有：,当铁心不饱和时，H0，所以：,因此检测电阻R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。,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,36,

21、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。,霍尔元件是厚度为d的半导体基片。如果通过引线 l 和 2 引入恒定电流 IC，当待检测电流在垂直于基片的方向产生磁感应强度为B的磁场时，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。,图5-30 霍尔效应示意图,霍尔元件法,输出电压为：,KH为霍尔系数； SH 为元件乘积灵敏度。当半导体的材料和尺寸确定后，二者为常数，这样霍尔电压UH 与 IcB 的乘积成正比。,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊

22、电源基础,37,图5-31 直测式霍尔电流传感器工作原理,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，在使用应采取措施防止外界的电磁干扰。,工作原理：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。检测UH 的大小就可以换算出被测电流Id 的大小。,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,38,5.3 电子控制

23、弧焊电源的调节特性,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。,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。,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,39,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

24、下移动。,如果这种调节是在焊接过程中周期性进行呢？,这就是脉冲焊！如何产生这种脉冲呢？,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。目前应用较多的脉冲波形是矩形波。,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,40,弧焊电源的主要动特性指标包括：短路电流增长速度 di/dt 及短路电流峰值Ifd ，一般短路电流峰值可以通过 di/dt 进行调整，因此，对动特性的控制主要体现在对 di/dt 的控制。 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

25、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控制。,5.4 电子控制弧焊电源的动态特性控制,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,41,采用积分电路控制 di /dt 的电子电抗器,在平特性弧焊电源中，采用电压负反馈，将给定值Ugu与反馈电压mUf 之差送入集成运算放大器 N 构成的“比例-积分”电路中，就可实

26、现difd /dt 的控制，其效果与焊接回路中串入铁磁电感是一样的。图中电参数关系为：,5.4.1 电子电抗器控制,当电弧突然短路时，Uf 突然降低而近于零，但Ugu不变，则差值UgumUf 突然变大，If 随时间按斜直线上升。其上升斜率与“比例-积分”环节和分压比 m有关。通过适当选择电路参数C、R1和R2，即可得合适的difd /dt。在电子控制弧焊电源中可以对电子电抗器进行无级调节，获得满意的动态特性。,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,42,熔滴短路过渡中，要使熔滴“颈缩” 顺利进行需要短路电流大，而“液桥”爆断时，对飞溅的抑制又需要短路电流小，传统上的主回路串联电

27、抗器限制 di /dt 及 Ifd 的方式难以兼顾这两个阶段对短路电流大小的需求。随着逆变技术及对飞溅机理认识的不断深入，具有分时控制特点的波形控制法便应运而生了。,5.4.2 波形控制原理,2022/12/20,第五章 电子控制型弧焊电源基础,43,波形控制是指在焊接过程中，根据焊接过程不同阶段、不同情况采用不同的给定量对弧焊电源的输出电流、电压以及电流或电压的变化率进行实时控制。给定量的实时调节不仅包括电流、电压给定量的调节，也包括电流或电压变化率等给定量的调节。而给定量的控制往往由电子控制电路来实现。,表面张力过渡（STT控制）的波形示意图,美国林肯公司研制的表面张力过渡CO2逆变电源就是采用精确的波形控制，从而实现了CO2焊接熔滴的表面张力过渡。,