信号控制电路优化技巧

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：图5-47 信号控制简化电路可见，调节电位器RP4（近控）或RP3（远控），可以改变给定电压Ug，从而改变控制电压信号Uk，导致晶闸管导通角的变化，达到了调节弧焊电源输出电流的目的。图5-47中的运算放大器N4及其外围电路构成了信号比较与PI控制电路。在引弧电路中，将弧焊电源输出电压Uf加到控制线路的48端，经电阻R52和RP14分压，由电位器RP14取出电压反馈信号，经稳压管VS10及电阻R53输入到晶体管VT9的基极。

信号控制电路见图5-43的中、下部分。图5-47所示是信号控制电路的简化图。该电路主要由运算放大器N₃和N₄、电位器RP₁～RP₄、RP₆、RP₇和RP₁₄、整流二极管VD₂₈～VD₃₁、二极管VD₁₇和VD₁₈、稳压管VS₁₀、晶体管V₉、电容C₂₄、C₂₅等组成。

1.给定电路与电网电压补偿电路

给定电路的作用是提供给定电压信号U_g。给定电路如图5-47所示，主要由+15V稳压电源、电位器RP₄组成。可以通过电位器RP₄调节给定电压信号U_g，U_g送入运算放大器N₄进行反相比例放大，得到控制电压信号U_k（不考虑反馈信号）。U_k再通过R₆₉连接到触发脉冲移相控制电路中的晶体管VT₃和VT₄的基极，给定电压U_g为正值，控制电压信号U_k为负值，U_g正值越大，U_k负值也越大（绝对值越大）。增大U_g，U_k的负值也增大，VT₃和VT₄集电极与发射极之间的电阻减小，电容C₂₀、C₂₁的充电速度加快，触发脉冲相位前移，晶闸管的导通角增大，弧焊电源的输出电压、电流增大。

图5-43中的RP₃为远控调节电位器（RP₄为弧焊电源焊接电流近控调节电位器），RP3的功能与RP₄相同，RP₄与RP₃通过转换开关S2进行转换。

图5-47 信号控制简化电路

可见，调节电位器RP₄（近控）或RP₃（远控），可以改变给定电压U_g，从而改变控制电压信号U_k，导致晶闸管导通角的变化，达到了调节弧焊电源输出电流的目的。电路中的电位器RP₁、RP₂用来设定弧焊电源输出电流的范围，调整额定电流的大小。弧焊电源出厂前已调整好RP₁、RP₂，用户一般不要再调整。

弧焊电源在实际应用时，如果电网电压发生波动，弧焊电源的输出也会发生波动。一般情况下，如果电网电压升高，弧焊电源输出电压（或电流）也随之升高。为了抑制电网电压波动对弧焊电源输出的影响，本弧焊电源采用了图5-47所示的普通整流电源作为电网电压补偿电路。如图5-43所示，该整流电源由二极管VD₂₈～VD₃₁构成单相桥式整流电源，其整流电源输出的正端接“地”，负端电位为U_P，U_P随电网电压的变化而变化。U_P串联在由R₆₇、RP₁、+15V稳压电源而组成的支路上，当电网电压上升时，+15V稳压电源输出的电压不变，而普通整流电源负端电位U_P将变得更负，受U_P的影响，RP₁动点的电位下降，使得给定电压U_g以至控制电压U_k的绝对值减小，导致触发脉冲后移，整流晶闸管导通角减小，弧焊电源输出电压降低，从而抵消了由于电网电压升高对弧焊电源输出电压的影响；反之，当电网电压下降时，补偿情况相反。

2.电流反馈与PI控制电路

由电子控制型弧焊电源的基本工作原理可知，采用不同电参数的负反馈形式可以获得不同形状的弧焊电源外特性。ZX5系列弧焊电源主要用于焊条电弧焊，因此需要下降的外特性。该电源的下降外特性主要是依靠电流负反馈获得的。

如图5-47所示，运算放大器N₃及其外围电路构成了电流负反馈信号处理电路。从主电路分流器RS上采样得到正的电流信号，经电阻R₃₈进入N₃构成的反相放大器进行信号放大，输出负的信号电压-U_fi，该信号就是外特性控制中所需要的电流负反馈信号。

图5-47中的运算放大器N₄及其外围电路构成了信号比较与PI控制电路。该控制电路是弧焊电源外特性和动特性控制的核心。电流负反馈信号-U_fi由N₄的反相端输入；由电位器RP₄上取出的弧焊电源输出电流给定信号U_g也由N₄的反相端输入；-U_fi与U_g进行比较，其偏差值经N₄构成的放大电路放大处理，得到整流晶闸管触发脉冲相位控制电压U_k：

U_k=-K（U_g-U_fi）

U_k经R₆₉加到触发脉冲电路中的晶体管VT₃、VT₄的基极，控制VT₃、VT₄的导通情况。当U_g一定时，随着弧焊电源输出电流I_f的增加，相应的电流负反馈信号U_fi增加，U_g-U_fi值减小，U_k的绝对值减小。这使得VT₃和VT₄的集电极电流减小，C₂₀、C₂₁的充电速度减慢，触发脉冲相位后移，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。而N₄与R₄₇、C₂₃构成的PI控制，是在弧焊电源输出电流即焊接电流发生动态变化时发挥作用，控制弧焊电源输出电流的动特性，减少电源输出电流的稳态误差。

需要说明的是，在触发脉冲电路的145点与接地点之间接有稳压管VS₁₁（见图5-47），使电流负反馈带有截止电流负反馈的性质。即当电流I_f减小时，电流负反馈信号U_fi减小，U_k=-K（U_g-U_fi）增大。当U_k大于VS₁₁的稳压值时，这时加在145点与接地点之间的电压就是VS₁₁的稳压值，该电压值成为触发脉冲的控制信号“U_k”，该控制信号的电压值与U_fi无关，相当于电流负反馈被截止，此时弧焊电源的输出为平缓外特性。只有当U_k小于VS₁₁的稳压值时，145点与接地点之间电压才是由给定电压U_g和电流负反馈信号U_fi所确定的控制信号U_k，此时的U_k与U_fi有关，即电流负反馈起作用，弧焊电源输出陡降的外特性。

3.引弧电路与推力电路

引弧和推力电路在图5-47所示电路的下半部分，由晶体管VT₉、稳压管VS₁₀、二极管VD₁₇、VD₁₈、电容C₂₄和C₂₅、电位器RP₆、RP₇、RP₁₄、电阻R₄₉～R₅₅、R₅₇等组成。

在引弧电路中，将弧焊电源输出电压U_f加到控制线路的48端，经电阻R₅₂和RP₁₄分压，由电位器RP₁₄取出电压反馈信号，经稳压管VS₁₀及电阻R₅₃输入到晶体管VT₉的基极。在焊接电弧引燃前，由于弧焊电源输出的是空载电压，因此从RP₁₄取出的电压反馈信号较高，足以使稳压管VS₁₀击穿导通，并使晶体管VT₉饱和导通，电容C₂₄、C₂₅被短接，电位器RP₇动点输出电压为“0”，二极管VD₁₇承受反压截止，该路电压对弧焊电源的控制无影响。焊接引弧时，弧焊电源从空载变为短路，弧焊电源输出电压为“0”，则48点电位变为“0”，RP₁₄取出的电压反馈信号也为“0”，致使VS₁₀阻断，VT₉截止，+15V稳压电源经电阻R₅₇向C₂₄、C₂₅充电，电位器RP₇的动点输出正电压，并逐渐增大，当该电压大于RP₄给出的给定信号U_g时，VD₁₇导通，RP₇给出的附加电压与RP₄给出的给定信号相加，相当于调大给定信号U_g，使N₄输出的控制电压U_k增大，触发脉冲相位前移，整流晶闸管导通角增大，弧焊电源输出较大的引弧电流。当电弧引燃后，弧焊电源从短路状态变为负载状态，弧焊电源输出负载电压（即电弧电压），此时由RP₁₄取出电压反馈信号也足可以使VS₁₀、VT₉再次导通，C₂₄、C₂₅被短接放电，RP₇输出的附加电压逐渐减小直到消失，VD₁₇截止，U_g恢复到正常值。这就是引弧电路的作用。调节RP₇，可调节引弧电流的大小。

推力电路的作用主要是当弧焊电源输出电压即电弧电压比较低时，也就是在接近焊接短路时，增大焊接电流，以便加速熔滴过渡、增加焊接熔深并避免焊条被粘住。电路的工作原理是，当弧焊电源输出端（48点）电压U_f高于15V时，控制电路中的二极管VD₁₈因承受反向电压而截止，由121点输往N₄同相输入端的电压是±15V电源在RP₆、R₅₀、R₄₉上的分压，由于该电压此时接近于“0”，因此对弧焊电源的输出电压无影响，也就是说，输出电压U_f对N₄输出的控制电压信号U_k无影响，只有电流负反馈控制，弧焊电源输出下降外特性。当弧焊电源输出电压U_f低于15V时，VD₁₈导通，使121点电位随U_f降低，此时N₄同相输入端的电压不为0，而且随U_f一起降低，也就是说，此时的控制电压信号U_k不仅与给定电压U_g、电流负反馈信号U_fi有关，而且与弧焊电源输出电压U_f有关，弧焊电源的控制既采用了电流负反馈，又采用了电压负反馈，因而使弧焊电源下降外特性在低压段变缓，出现外拖，从而增大了焊接电流和短路电流。为了满足不同工件施焊时对外拖缓降特性的要求，可以通过调节RP₆来改变外拖特性下降的斜率。

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