构建斩波式弧焊电源结构原理

构建斩波式弧焊电源结构原理

1 IGBT斩波主回路

如图3.1所示。

图3.1 斩波主回路

其中B

1为降压型焊接变压器，其次级经D

1—6

三相桥式整流C

1

滤波后输出所需的

空载电压U

0，IGBT模块T

1

串接于焊接回路中，用于对焊接电流的PWM脉宽调制调控，

L 1为滤波电感，D

8

为其续流二极管，C

2

、D

7

、R

1

构建成T1模块的RDC吸收网路，以软

化IGBT模块开关硬度。

2 内闭环控制回路

由于是要构建出多特性弧焊电源，并满足“纤维素焊条下向焊”，以及“自保护药芯焊丝半自动焊”的焊接工艺要求，因此所构建的多特性弧焊电源必须能够输出“恒流+外拖外特性曲线”和“恒压外特性曲线”。但对于上述两种电弧焊，都存在着熔滴过度过程，无论是纤维素焊条焊接还是药芯焊丝半自动焊焊接，对于熔滴过度都要求过滴力度要足够的大，但又要要求电弧过程平稳、柔和，文献和试验表明椭圆形外特性曲线最容易满足上述要求。为了综合满足上述要求，本文设计了内闭环椭圆外特性曲线控制回路用以输出所需的椭圆外特性曲线，并通过所设计的外闭环负反馈控制回路，扫描输出“恒压外特性曲线”。由于椭圆外特性曲线对于手弧焊是最佳外特性曲线形状，因此为了满足纤维素焊条的焊接要求，

本文输出“椭圆+外拖外特性曲线”。

对于电子控制类的弧焊电源采用电流负反馈控制就可以获得恒流特性输出，而采用电压闭环负反馈控制时就可以获得恒压负反馈输出，而输出椭圆外特性曲线尚无相关文献资料，因此本文设计了如框图3.2所示的内闭环控制回路，用于获得所需的椭圆外特性输出，如图3.3所示。

图3.2 运用模拟乘法器的内闭环控制框图

图3.3 （a）可控元件伏安特性曲线输出 (b)输出椭圆伏安特性曲线

本文所谓的椭圆外特性曲线输出对于焊接电弧来说，它主要是一种上凸的下降外特性曲线，并非要求是严格意义上的椭圆外特性曲线。因此本文采用倒扣的抛物线来取代椭圆形外特性曲线，满足上凸下降外特性曲线的要求。如图3.2所示，可控元件串接于输出回路中，U为可控元件的两端电压，i

为流过可控元件的电流，

L

并由霍尔传感器采集相应电流信号，线性地成比例输出电流信号ni

L

，经模拟乘法

器自乘后输出Kn2i

L

2,该信号作为内闭环控制回路负反馈信号U-，而该回路的给定信

号U

g

=U，并输出控制信号UK来调控可控元件。在上述负反馈条件下必有

U g =U,U=Kn2i

L

2，因此可控元件本身的伏安特性曲线将是一条抛物线，见图3.2所示，

因此整机输出值为U

L =U

-U，因此整机输出的伏安特性曲线将如图3.3所示，显然它

是一条倒扣的抛物线，这样就能实现所需的上凸下降型曲线输出，满足“椭圆”外特性曲线输出的设计要求。

如图3.4所示为所设计的内闭环控制回路。

图3.4 内闭环控制回路电路图

霍尔电流传感器H用于检测焊接回路中的电流，并输出电流反馈信号I

f1，经C

9

、

R 24滤波后，由可调增益运放A

1

进行比例放大，并由模拟乘法器MC1496进行乘方运算，

并作为内环PWM控制核心TL494(内环)误差放大器的同相输入信号。

T 1、L

1

、D

8

就是串接于焊接回路中的可控元件，其端电压U

’经R

20

、R

21

、R

22

、

R

23

分压后为TL494（内环）误差放大器提供所需的电压信号，该TL494输出的脉宽

调制信号经R

63、R

64

、R

65

、C

16

、D

23

非门1进行信号处理后输出a点所需的PWM波形。由

此形成内闭环负反馈控制回路，则其斩波主回路将输出所需的椭圆外特性曲线。

光耦U

1、R

28

、R

29

及T

2

构成内闭环输出大小调节电路，当T

2

饱和导通时，则对于U

’

电压U

0会降低，则输出较低一条椭圆曲线；当T

2

管截止时，其分压比提高就会输出

较高一条椭圆外特性曲线。TL494（负脉冲）采用与TL494（内环）同步连接的方

式，并经R

61、R

62

输出（b点）隔离驱动电路所需的固定窄脉冲。门电路2、3、4、5、

6对TL494（内环）和TL494（负脉冲）所输出的PWM脉宽调制信号进行逻辑运算后才为隔离驱动电路的a点提供符合要求的PWM脉冲波形。

调节R

27就可以调节运放A

1

比例放大器的放大系数，进而调节所输出椭圆曲线的

大小。

3 外闭环控制回路

如图3.5所示。

为了扫描输出所需的平硬外特性曲线，本文以TL494（外环）作为控制核心，并构建出所需的电压负反馈闭环控制回路，当模式选择开关K1置于P位置时，接通

电压负反馈控制回路。R

2、R

3

检测电弧电压并为TL494（外环）提供所需的电压负

反馈信号，R

8调定所需的给定电压信号，所输出的脉宽调制信号经R

16

、R

17

及光耦U

1

调节T

2

的导通状态，从而调节内闭环控制回路所输出的椭圆曲线大小，并扫描输出

宽范围可调的平硬外特性曲线。当开关K1置于J位置时，触点K1-1使TL494（外环）

死区时间控制端脚4置于5V的高电位，从而关闭TL494（外环）。触点K1-2使电阻R

27

接入，从而调节R

27

即可直接调节所输出椭圆外特性曲线的大小，从而调节焊接电

流。触点K1-3使外拖控制电路接入。该电路由C

11、C

12

、R

39—48

、T

3

、T

5

光耦U

2

构建，

当输出电压低于设定值（如15V）时，T

3管截止T

4

管饱和，U

2

输出低电位，T

5

输出高

电位，所输出的高电位经R

47、R

48

分压，并经D

24

和R

49

接于TL494（内环）误差放大器

的反相输入端，从而调大IGBT模块驱动脉宽，并输出所需外拖曲线。