应用弧焊电源外特性控制进行优化焊接

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：可见，电流负反馈使电源的外特性为下降特性。下降特性曲线段为弧焊电源正常工作区域，也就是正常焊接的区域。在如图4-17所示电路中，比例放大器N2的输出是弧焊电源的控制电压信号Uk。

1.平外特性的控制电路

图4-15是一晶闸管整流式CO₂弧焊电源的外特性控制电路及其框图。该电路主要由弧焊电源输出电压给定环节、电压负反馈环节以及电压比较和PI控制器等环节组成。

电压给定环节由-U_cc稳压电源、电位器RP₁、电阻R₁、R₂以及运算放大器N₁构成的电压跟随器等构成。给定信号U_g由电位器RP₁的滑动点电位决定。

电压负反馈环节主要由电阻R₇～R₁₃、运算放大器N₂等构成的分压及差动放大电路组成。

电压比较和PI控制环节主要由运算放大器N₃以及周围的电阻R₁₅、R₁₆，电容C，以及二极管VD₂～VD₄等构成。

由电压给定环节中电位器RP₁的滑动点电位确定的给定信号U_g通过N₁电压跟随器以及电阻R₅、电位器RP₂连接到R₁₅。弧焊电源的输出电压U_f通过R₇、R₁₀和R₈、R₁₂构成的分压电路通过R₉、R₁₁输入到N₂构成的差动放大器，通过差动放大得到所需要的电压负反馈信号U_fu。U_fu通过电阻R₁₄也连接到R₁₅。给定信号与电压负反馈信号进行比较运算得到其差值，该差值信号通过R₁₅从比例积分器N₃的反相输入端输入，进行比例积分运算，得到控制电压信号U_k，且U_k＞0。

输出U_k到晶闸管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。

图4-15 弧焊电源平外特性控制

a）电路原理图 b）框图

如果有外界干扰，使电弧弧长增加，则电源的输出电压U_f（U_f）增大，那么电压反馈信号U_fu也增加。而此时的给定信号U_g不变，致使U_k减小，晶闸管触发脉冲后移，其导通角减小，电源输出电压U_f减低，从而弥补了由于弧长增加而使输出电压发生的波动，使输出电压保持不变，即通过电压负反馈闭环控制，得到了所需要的电源平外特性。

该弧焊电源是三相晶闸管整流电源，需要有U_k、-U_k两个控制信号送入触发脉冲移相控制电路，而且要求U_k、-U_k的相位相差180°，因此，在该控制电路中U_k经过反相器N₄后，得到另一个控制信号-U_k。U_k、-U_k的绝对值相等，起的作用也相同。另外，电路中的二极管VD₂～VD₄可以限制U_k、-U_k的幅值，保证U_k、-U_k与晶闸管触发脉冲电路中的同步电压相交，获得合适的触发脉冲移相范围。

2.陡降外特性的控制电路

图4-16所示是一个晶闸管整流式弧焊电源陡降外特性的控制电路原理图。该电路由给定电流、空载电压给定、电流负反馈、信号比较与比例控制以及电子切换电路等环节构成。

图4-16 弧焊电源陡降外特性控制原理图

a）电路原理图 b）框图

给定电流环节主要由稳压电源、两级电压跟随器N₁、N₂、电位器RP₂、RP₄等构成；空载电压给定环节主要由稳压电源、电位器RP₁等构成；电流负反馈环节主要由差动放大器N₄以及有源低通滤波器N₅等构成；比较与比例控制环节主要由比例加法器N₃等构成；电子开关环节则主要由晶体管VT和比较器N₆等构成。

电源的给定电流号U_g取自并联在+12V稳压电源两端的电位器RP₂，并经两级电压跟随器N₁、N₂后，通过电位器RP₄连接到比例加法器N₃的反相输入端。

电流反馈信号取自弧焊电源主电路中电流分流器R_s两端，经阻容滤波、差动放大器N₄放大，并经有源低通滤波器N₅滤波得到电流反馈信号U_fi。

空载时无焊接电流I_f，电流反馈信号U_fi为零。比较器N₆输出高电平，晶体管VT饱和导通，U_g不能输入到N₃。此时控制电压信号U_k仅取决于从空载电压控制环节中的电位器RP₁得到的U_p（U_p＜0）。调定RP₁，使U_k足以令弧焊电源输出所需的空载电压。可见，偏移信号U_p为弧焊电源输出空载电压的给定信号。

当焊接电弧引燃，主电路有焊接电流I_f时，电流反馈信号通过N₄放大后大于RP₃确定的电流阈值电压U_th时，比较器N₆输出低电平，晶体管VT截止，给定信号U_g输入到N₃的反相输入端。同时电流反馈信号U_fi、偏移信号U_p也连接到N₃的反相输入端。此时比例加法器N₃输出的控制电压信号U_k∝-（U_p+U_g-U_fi）。

当U_g、U_p一定时，随着焊接电流I_f的增加，相应的电流反馈信号U_fi增加，-（U_p+U_g-U_fi）值减小，U_k的绝对值减小，使触发脉冲相位后移，整流电源中的晶闸管导通角减小，弧焊电源输出的电压降低，从而得到下降的外特性。可见，电流负反馈使电源的外特性为下降特性。

由于该控制电路中比较器N₆和晶体管VT的存在，当电源空载或有焊接电流I_f但电流反馈信号U_fi未超过U_th时，电流给定信号U_g与电流反馈信号U_fi均不起作用，控制电压信号U_k只与预先设置的偏移电压信号U_p有关，电源输出只受U_p影响，无反馈控制，输出特性为三相变压器结构所决定的平缓特性，只有当U_fi＞U_th之后，电流给定信号、电流负反馈信号才起作用，电源外特性转为下降特性。下降特性曲线段为弧焊电源正常工作区域，也就是正常焊接的区域。

3.陡降带外拖特性的控制电路

在焊条电弧焊中，为了提高小电流的引弧功率及电弧熔透能力，使焊接参数稳定，需要采用恒流带外拖或陡降带外拖的电源外特性。通过调节外拖特性的拐点及外拖部分的斜率，使熔滴过渡具有合适的推力，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4-17所示电路为外拖拐点可调的陡降带外拖特性控制电路原理图，对应的电源外特性如图4-18所示。

在如图4-17所示电路中，比例放大器N₂的输出是弧焊电源的控制电压信号U_k。U_k的大小取决于电流给定信号U_g、电流反馈信号nI_f和电压反馈信号mU_f。

电弧引燃、正常焊接时，电弧电压较高，其电压反馈信号mU_f（mU_f＞0）高于事先设定的电压门槛值U_th（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的同相输入端无输入信号，N₂输出信号U_k的大小仅取决于其反相输入端的信号U_g-nI_f。即只采用电流负反馈控制，电源的外特性为陡降特性，如图4-18曲线中的bc段。

当电弧电压比较低，电压反馈信号mU_f低于门槛电压值U_th时，N₁输出负信号，二极管VD₂导通，mU_f（实际上是将mU_f-U_th放大处理后的信号）连接到N₂的同相输入端。N₂输出信号U_k的大小不仅取决于其反相输入端信号U_g-nI_f，而且与同相输入端输入的电压负反馈信号mU_f有关。也就是说，此时采用了电流负反馈和电压负反馈的复合控制，电源的外特性为斜降特性，如图4-18曲线中的cd段。

图4-17 拐点可调的外拖特性控制电路

a）电路原理图 b）框图

图4-17所示框图中，电子开关就是N₁与VD₂等组成的电路，控制着电压负反馈信号是否起作用。

由图4-18可见，c点是陡降带外拖特性曲线的拐点，拐点对应的电弧电压U_f一般为8～15V。该电路中采用选择开关K来改变外拖特性拐点的高低，当K在m₁位置时，对应的电压反馈信号mU_f中的分压比m较大，只有U_f比较低时，才有-（mU_f-U_th）＜0，VD₂才能导通，电压负反馈才能起作用，因此，其外拖特性的拐点比较低，如图4-18a所示。

图4-18 拐点可调的外拖特性曲线

a）拐点低的外拖特性 b）拐点高的外拖特性

当选择开关K在m₂位置时，对应的电压反馈信号mU_f中的分压比m较小，当U_f比较高时，就达到了-（mU_f-U_th）＜0，VD₂就可以导通，电压负反馈就能起作用了，因此，其外拖特性的拐点比较高，如图4-18b所示。

调节RP₁可以调节电压负反馈信号mU_f在U_k中的比例，从而可以调节斜特性下降的斜率，mU_f占的比例越小，电源外特性越陡降，如图4-18中虚线所示。

随着微电子器件的发展，使得控制电路更加简单、可靠，在上述拐点可调的外拖特性控制电路中可以选用模拟开关来实现。模拟开关是在控制信号作用下实现电路开通与关断的电子器件，主要是用于电子信号的切换，最简单的模拟开关就是开关晶体管。目前有各种各样的电子模拟开关，既有单路的模拟开关，也有多路的模拟开关，可以根据需求进行选用。图4-19就是采用模拟开关实现的拐点可调的外拖特性控制电路。

图4-19 采用模拟开关的外拖特性控制电路

如图4-19所示，正常焊接时，电弧电压较高，其电压反馈信号mU_f（mU_f＞0）高于设定的电压门槛值U_th，比较器N₁输出负信号，控制模拟开关处于关断状态，比例放大器N₂的同相输入端无输入信号，N₂输出信号U_k的大小仅取决于其反相输入端的信号U_g-nI_f，即只采用电流负反馈控制，电源的外特性为陡降特性。

当弧长变短，电弧电压U_f降低，电压反馈信号mU_f低于电压门槛值U_th时，比较器N₁输出高电平，控制模拟开关开通，mU_f连接到N₂的同相输入端，N₂输出信号U_k的大小不仅取决于其反相输入端信号U_g-nI_f，而且与同相输入端输入的电压负反馈信号mU_f有关，电源的外特性为斜降特性，也就是电源外特性的外拖段。

弧焊电源外特性外拖段的拐点可以通过调节RP₂即U_th的大小来确定，U_th越大，外拖拐点越高。

应用弧焊电源外特性控制进行优化焊接

相关推荐