焊接系統的分析

.第40卷第6期電焊棧Vol.40 No.62010年6月Electric Welding MachineJun.2010焊接系統的分析張小平(攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院,四川攀枝花617000)摘要:概述焊接系統的相關(guān)控制部分;重點(diǎn)分析焊接系統中電磁干擾的產(chǎn)生,給焊接系統帶來(lái)的危害以及抑制電磁干擾的方法。由于焊接系統中整流部分是一個(gè)非常重要的環(huán)節，針對傳統整流控制存在的問(wèn)題,簡(jiǎn)述了整流控制的發(fā)展以及近年來(lái)整流技術(shù)的最新動(dòng)態(tài),以及焊接系統中調理電路的作用和數字顯示的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:焊接系統;電磁干擾;整流;逆變中圖分類(lèi)號:TC40文獻標識碼:A文章編號:1001-2303(2010)06 -0062 -04Analysis on welding systemZHANG Xiao-ping(School of Information and Electric Engineering , Panzhihua University , Panzhihua 617000 ,China)Abetract:This paper briely intoduces the relative control parts in welding system, and analyies the generation of EMI in weldingsystem,in which has much hamm to welding 8ystem . and shows the methods to control EMI.The three phase rectifer cireuit is animportant part in welding system .aims to the problems in traditional rectifer technology ,simplify the latest development of rectifiertechnology.This paper simply intoduces the functions of conditioning circuit and the features of digital display.Key words :welding system;EMrecifer:inverter0前言調理控制系統,以及多機控制的CAN總線(xiàn)通信控制。隨著(zhù)電力電子和數字控制技術(shù)的高速發(fā)展,焊因此,焊接系統是一個(gè)融入了電力電子技術(shù)和數字接系統已經(jīng)從傳統的模擬控制逐步向數字和人工控制技術(shù)的系統,在此對焊接系統中的電磁干擾、整智能控制發(fā)展。另外為了提高焊接質(zhì)量,焊接新型流控制.逆變控制、采樣電路和顯示控制部分進(jìn)行材料也不斷涌現,這對焊接工藝的控制提出了更高分析和概述。要求。如在氬弧焊工藝中,大多采用非接觸式引弧1焊接系統的組成和工作原理方式,通過(guò)高頻高壓擊穿空氣間隙而引燃電弧,由于高壓脈沖的存在,嚴重影響焊接系統的穩定性和可焊接系統主電路和控制電路原理如圖1所示?？啃?。焊接系統是多功能控制系統,每一部分必須在焊接系統中,電磁干擾和整流控制是相當重要的協(xié)調工作,因此,采用數字和人工智能控制能夠解兩部分。早期的焊接設備大多忽略這兩部分,隨著(zhù)數決模擬控制不能解決的問(wèn)題,同時(shí)具有體積小,穩字控制技術(shù)的發(fā)展和焊接質(zhì)量的提高，焊接系統的定性和可靠性高.易控制、擴展和維護等特點(diǎn)。數字各部分已經(jīng)引起了專(zhuān)家和生產(chǎn)商的重視?？刂坪附酉到y包括:中央處理器(DSP/MCU),用來(lái)運1.1電磁干擾的產(chǎn)生和抑制算和協(xié)調處理焊接系統的其他分單元;送絲控制系隨著(zhù)變頻調速技術(shù)和大功率開(kāi)關(guān)電源的大量.統,小車(chē)控制系統;顯示控制系統、遙控和遠程控制使用,電網(wǎng)受到高次諧波噪聲的污染越來(lái)越嚴重,這系統焊接系統中參數采樣(焊接電壓、電流)的電路中國煤化工造成傳導性電磁干擾,另一方面,焊機的收稿日期:2010-02-03逆TYHCNMHG微機系統與主電作者簡(jiǎn)介:張小平(1956-),男,四川攀枝花人.副教授,主要從事電機理論電力電子與電力傳動(dòng)的研究工作。路共地時(shí),干擾尤為嚴重。此外,在TIG焊的高樂(lè )脈.62:_ Ehatis Willing Molin研究與設計張小平:焊接系統的分析第6期焊條電弧燜輸出模仍然是不可能的,這方面的研究也是最欠缺的。IF輸出TIG輸出現在焊接系統中首要的是做好接地.屏蔽保護。另外r變困一整流一濾波一在主電源進(jìn)線(xiàn)處加濾波器(差模、共模),也就是EMI輸人r電話(huà)國團團一-謎波一-選變一-空困-整國濾波器。EMI濾波器的設計應根據焊接系統的工作速波狀況進(jìn)行機理分析和建模,然后對其抑制，如根據測焊條電弧燁輸it試的EMI干擾程度計算出差模、共模方案參數的計TIC輸出算確定。最終設計出EMI濾波裝置"。[觸發(fā)馭動(dòng)一r -控制歌動(dòng)設計了光電隔離和電平轉換電路。CPU的串行鍵盤(pán)焊接電壓通信接口通過(guò)光電隔離,與通信接口在地線(xiàn)上進(jìn)行(參數設定)卜中央處理單元樣一焊接電流分離,減少外界信號對微機系統的干擾，由CPU輸DSP調.電網(wǎng)電壓出的信號幅值為+5V,通過(guò)電平變換,將傳輸的信CAN總線(xiàn))-溫度號電壓升至+25V,這樣即使在傳輸過(guò)程中信號受到液品顯示故障及運(參數設定。|行指小燈干擾.也可以在接收端通過(guò)數字濾波將干擾濾除;另及運行顯利外,隔離焊炬操作電路,TIG焊的起動(dòng)和停止都是由圖1焊接系統主電路和控制電路框團焊炬上的控制開(kāi)關(guān)操作的,而在高壓脈沖引弧過(guò)程沖引弧時(shí).也會(huì )產(chǎn)生嚴重的干擾。因此.焊機的抗干中,引弧將產(chǎn)生的6000 V高壓通過(guò)焊炬引線(xiàn)傳輸到擾和可靠性設計十分重要,它是確保焊機可靠工作鎢極,在鎢極與工件之間產(chǎn)生火花放電引弧。因此，的關(guān)鍵。經(jīng)電源傳人的電磁干擾有共模干擾和差?？刂崎_(kāi)關(guān)的連線(xiàn)必定會(huì )感應很高的干擾電壓,嚴重干擾,其中共模干擾對焊機的危害最大。電磁千擾時(shí)會(huì )擊壞控制板上的元件,輕者對中央處理器產(chǎn)生濾波器的結構和參數確定,既要考慮能抑制共模干嚴重千擾,重者損壞器件。擾,又要考慮能抑制差模干擾,并且以抑制共模干1.2整流控制擾為主時(shí)。焊接系統中整流部分有單相整流和三相整流，焊接系統的輸人電源為單相或三相電壓,因此，整流有可控整流和不可控整流兩種方法。整流在各在整流之前要進(jìn)行電磁干擾處理。開(kāi)關(guān)管的導通一行業(yè)中用得很多,看似簡(jiǎn)單,實(shí)際上是一個(gè)很復雜般采用PWM控制模式，其輸出電壓是高頻的PWM的控制系統。脈沖電壓，脈沖寬度由每個(gè)開(kāi)關(guān)周期輸出電壓的幅傳統二極管不可控整流和晶閘管相控整流的值決定,脈沖由高頻開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生。由于開(kāi)關(guān)管的門(mén)主要不足表現在:不可控整流只能實(shí)現能量的單向極G與發(fā)射極E、集電極C之間總有一定的寄生電傳輸,功率因數低,對電網(wǎng)的諧波污染十分嚴重,輸.容,使得開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生的波形有一定的上升和下降時(shí)出電壓固定,不可調。整流器工作于深度相控狀態(tài)間,這些快速上升和下降的脈沖信號由高速半導體時(shí),裝置的功率因數很低,輸出側需要較大的平波開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生,如ICBT ,MOSFET等,雖然加快了逆電抗器和濾波電容以濾除整流產(chǎn)生的紋波。這將導變器的動(dòng)態(tài)響應過(guò)程,但是這些半導體開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的致裝置的體積和質(zhì)量增大,損耗也相應上升。而且相高頻脈沖信號具有很大的du/dt、di/dt。由于驅動(dòng)電控導致調節周期長(cháng),加之輸出濾波時(shí)間常數又較大，路和控制電路中也存在電感和電容器件,開(kāi)關(guān)器件所以系統動(dòng)態(tài)響應慢。不可控整流采用大功率二極自身以及其他器件和布線(xiàn)存在雜散電感和電容,管,可控整流一般采用晶閘管(SCR),因為晶閘管成du/dt會(huì )通過(guò)電容產(chǎn)生-一個(gè)脈沖電流,而di/dt則通本低,導通電流大,控制:技術(shù)較成熟。單相整流相對過(guò)電感的作用產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓。同時(shí),di/dt的電流三相整流較簡(jiǎn)單,但是整流部分一般是容性負載并環(huán)路也是一個(gè)輻射源并向空間輻射電磁場(chǎng),這樣在且會(huì )產(chǎn)生電磁干擾和諧波成分。如果上橋背與下橋焊接系統中就形成很強的電磁干擾。背的開(kāi)關(guān)管誤導通產(chǎn)生直通現象這樣就會(huì )發(fā)生短路，抑制EMI首先應對其建模,但是輻射EMI與傳此I中國煤化工就是解決六個(gè)開(kāi)導EMI的建模相比,輻射EMI的建模更加復雜,涉及關(guān)管整流的方法很多，因素更多,而且輻射EMI的建模必須以傳導EMI精如::DYH, CNM HCL普電流波形的畸確仿真為基礎。在目前的情況下,輻射EMI精確建變,獲得高功率因數,且相對于電流控制的PWM整Eaotvio Wilding Machins_ . 63●研究與設計電焊械第40卷流器,省去了內部的電流環(huán),減少了參數調試,在數器主要應用于高壓大容量場(chǎng)合。而對大電流應用場(chǎng)字實(shí)現中無(wú)需旋轉坐標變換,直接對有功和無(wú)功合,常采用變流器組合拓撲結構,即將獨立的電流功率運用Bang- Bang控制,具有結構簡(jiǎn)單、輸出穩型PWM整流器進(jìn)行并聯(lián)組合。同樣,可以將電壓型定、動(dòng)態(tài)響應速度快等優(yōu)點(diǎn)”。PWM整流器串聯(lián)組合，以適應高壓大容量的應用焊接系統中大多采用三相整流。三相橋式整流場(chǎng)合。此外,在大功率PWM整流器設計上,還研究了雖然已經(jīng)比較成熟,但是還有許多亟待解決的問(wèn)基于軟開(kāi)關(guān)(ZVSZCS)控制的拓撲結構和相應的控題,現在國內外很多學(xué)者對其進(jìn)行深人的研究。國制策略。隨著(zhù)人們對PWM整流器及其控制策略的深內外學(xué)者對PWM整流器的研究主要集中在PWM人研究,研究者針對整個(gè)PWM整流器系統的控制策整流器的建模,電壓型PWM整流器電流控制策略,略問(wèn)題也提出了一些比較新穎的系統控制策略，PWM整流器的折撲結構,PWM整流器系統控制策其研究主要包括以下幾方面:無(wú)電網(wǎng)側電壓和電.略以及電流型PWM整流器的研究等方面。.流傳感器的系統控制。這一研究主要包括兩類(lèi)電網(wǎng)PWM整流器拓撲結構可分為電流型和電壓型電壓重構方案:一種是通過(guò)功率估計,另一種是通兩大類(lèi)。長(cháng)期以來(lái),因為電壓型整流器的結構簡(jiǎn)單、過(guò)電流的偏差求導重構電壓?；贚yapunov穩定性損耗較低、控制方便,一直是人們研究的重點(diǎn)。對于理論的PWM整流器系統控制:針對PWM整流器的電流型PWM整流器的研究,由于其需要較大的直非線(xiàn)性、多變量.強耦合的特點(diǎn),常規的控制策略和流儲能電感,以及交流側LC濾波問(wèn)題.制約了電控制器的設計一般采用穩態(tài)工作點(diǎn)小信號擾動(dòng)線(xiàn)流型PWM整流器的發(fā)展。在20世紀80年代,自關(guān)性化處理方法,這種方法的不足是無(wú)法保證控制系斷器件的日趨成熟及應用推動(dòng)了PWM整流技術(shù)的統大范圍擾動(dòng)的穩定性。在PWM整流器中有功、無(wú)應用與研究。但是高頻整流器在之后較長(cháng)的時(shí)間并功分量間的動(dòng)態(tài)耦合和PWM電壓利用率的約束沒(méi)有得到推廣,- -個(gè)重要原因是受到了全控器件發(fā)下,影響了電壓型PWM整流器有功分量的動(dòng)態(tài)響應。展水平的制約,另一個(gè)原因是諧波問(wèn)題并不十分突由于電網(wǎng)電壓不平衡,因此在電網(wǎng)不平衡條件下的出,沒(méi)有引起重視。然而大容量自關(guān)斷器件的發(fā)展PWM整流器系統控制:研究總是假設電網(wǎng)是平衡的,為PWM整流器應用提供了硬件基礎。隨著(zhù)電力系統但是實(shí)際上,電網(wǎng)經(jīng)常處于不平衡狀態(tài)。當電網(wǎng)出諧波問(wèn)題的嚴重化,各國制定的新諧波標準為PWM現不平衡時(shí),以三相電網(wǎng)平衡為約束所設計的整流整流器的發(fā)展提供了動(dòng)力。20世紀90年代以來(lái),PWM器會(huì )出現不正常運行。這樣PWM整流器直流側電整流器一直是研究的熱點(diǎn)。在PWM整流器技術(shù)發(fā)展壓和交流側電流的低次諧波幅值增大,且產(chǎn)生非特過(guò)程中,電壓型PWM整流器網(wǎng)側電流控制策略主征諧波,同時(shí)損耗相應增大;PWM整流器的交流側要分成兩類(lèi):-類(lèi)是間接電流控制策略,另一類(lèi)是電流不平衡,嚴重時(shí)可燒毀整流器。為使整流器在電目前占主導地位的直接電流控制策略。間接電流控網(wǎng)不平衡條件下仍能正常運行,提出了正、負序雙制實(shí)際上就是所謂的“幅相”電流控制,即通過(guò)控旋轉坐標系控制,該方法實(shí)現了無(wú)靜差控制,是較制電壓型PWM整流器的交流側電壓基波的幅值和完善的理論。但是,雙旋轉坐標系控制的結構比較相位,進(jìn)而間接控制其網(wǎng)側電流。間接電流控制的復雜,運算量大甲。網(wǎng)側電流的動(dòng)態(tài)響應慢,且對系統參數變化靈敏。1.3逆變控 制直接電流控制以其快速的電流響應和穩定性受到在焊接系統中,逆變電源也是一個(gè)很重要的組了重視,出現了不同的控制方案,主要包括以固定成部分,在逆變部分可以根據工藝要求逆變出低電開(kāi)關(guān)頻率且采用電網(wǎng)電動(dòng)勢前饋的SPWM控制和壓、大電流的交流電,當然最好在逆變器LC端接滯環(huán)電流控制。目前電壓型PWM整流器網(wǎng)側電流一個(gè)專(zhuān)用的降壓變壓器,如圖2所示。這樣不僅能控制有將固定開(kāi)關(guān)頻率、滯環(huán)以及空間矢量控制相提供低電壓、大電流和高頻的焊接電流，而且還能結合的趨勢,以使其在大功率有源濾波等快速電流與主電路起到隔離的作用,防止諧波和電磁干擾滲響應場(chǎng)合獲得優(yōu)越的性能。此外,控制策略上出現人主中國煤化工壽要設計,可以是了狀態(tài)反饋控制。對于大功率PWM整流器,其拓方波皮電壓等。為了提撲結構的研究主要集中在多電平、變流器組合以高煩0H.CNMH(電壓、大電流焊接及軟開(kāi)關(guān)技術(shù)上。多電平拓撲結構的PWM整流方向發(fā)展。64.Ehnvi Wlding Mhodino研究與設計張小平:焊接系統的分析第6期= ls Msinwt(4)U2由式(4)可以看出,逆變器輸出交流電壓的瞬時(shí)c+非工件R.值與直流電壓U和調值比M有關(guān),根據焊接工藝的要求調節直流電壓U。和調值比M就可以改變輸出|ICBT,U2由(本的交流電壓的有效值+。逆變器逆變出來(lái)的交流電壓的頻率與控制電.PWM2pWM1路正弦波的頻率是相等的，圖2所示的正弦波頻率調制驅動(dòng)MwwwM二角波就是逆變器輸出交流電壓的頻率。因此,只需通過(guò)編電路Atr-正弦波程序改變正弦波的頻率就可以改變焊接交流電壓圈2單相半橋逆變器的主電路的頻率,在焊接時(shí)通過(guò)面板的頻率設定,焊接輸出為了進(jìn)一步了解逆變電源輸出頻率改變的實(shí).電壓的頻率就可以改變,從而提高焊接效率?，F方法,通過(guò)圖2單相逆變電源進(jìn)行分析,該控制1.4調理電路技術(shù)分為雙極性調制和單極性調制方式。調理電路就是采樣電路,主要是對焊接電流、弧U,是直流母線(xiàn)電壓,L是輸出濾波器電感,C電壓、溫度等模擬量參數進(jìn)行采樣處理并進(jìn)行AD是輸出濾波器電容,RL為負載,1CBT和ICBT2的觸轉換到DSP中央處理器。根據不同功能單元的要求，發(fā)PWM由SPWM生成,其原理如圖3所示。對焊接電流或焊接電壓進(jìn)行閉環(huán)控制,使焊機輸出三角波外特性滿(mǎn)足焊接工藝要求。U_sin(w1)調制波I1.5顯示和驅動(dòng)顯示部分包括了故障指示、運行顯示.數碼管顯示和液晶顯示。液晶顯示主要對焊接電流的預置值、實(shí)際值和電弧電壓值,以及焊接參數和焊接工藝顯示。數碼數U%/2 -碼顯示主要對欠電壓、過(guò)熱、短路保護信號以及小車(chē)和送絲電機的指示燈顯示。另外.在輸出面板上設置兩組數碼顯示管,分別顯示焊接電流和焊接電壓,w在焊機空載時(shí)顯示設定值,在焊機焊接時(shí)顯示實(shí)際值,由控制系統自動(dòng)進(jìn)行切換|47。AT參考文獻:T-采樣周期;AT-脈寬時(shí)間; ne- -三角載波幅值;1] 曹太強,許建平,徐順剛開(kāi)關(guān)電源諧波的研究門(mén)電焊機,Usin(w1)-調制波，其幅值為U。2007 ,37(5):58 -60.圖3 SPWM 生成原理2] 錢(qián)照明.電磁兼容設計基礎及干擾抑制技術(shù)[M]浙江:浙江大學(xué)出版社,2000.當SPWM是線(xiàn)性調制時(shí),輸出脈寬與參考正弦13]楊家強.基于PWM整流器和異步電機直接轉矩控制的波幅值成正比。由三角形相似有交流變頻動(dòng)態(tài)電力測功機的研究[D].浙江:浙江大學(xué)，A7/2二U,-U.sinwt(1)2007.Ts/2[4]周雪珍,朱志明,符策健.等多功能數字化弧焊逆變電源令人機交互系統小電焊機,2007.37(1):6-10.M=t(2)[5] 田澤.嵌入式系統開(kāi)發(fā)與應用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.根據平均等效原理有6]中國煤化工[M].北京:清華大學(xué)U.Ts=號x(Ts-0T)-號.OT (3)7]1MYH。CN M H Gox和A71RN1200將式(1)、式(2)帶人式(3)得液晶控制分析[].工業(yè)控制計算機,2009, 19(1):49 -50.8lashio Wilbing Maokino . 65.