外特性控制与分段控制原理及应用

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：若两种方式结合，则可以获得有一定斜率的外特性曲线，也可实施分段控制，使不同的段获得不同的外特性，图6-30是几种实际的逆变式弧焊电源的外特性曲线形式，其控制原理参见4.3节。图6-30 逆变式弧焊电源外特性曲线形式2.控制电路逆变式弧焊电源的控制电路包括电压、电流信号检测、负反馈控制、TRC电路和驱动电路等。实际上，这是一个恒流外特性的控制过程。图6-33所示是恒流特性控制原理图。

1.外特性控制原理

逆变式弧焊电源的自然输出特性是无反馈控制、系统开环条件下的电源输出特性；逆变式弧焊电源实际的输出特性即外特性则是在有反馈控制、系统闭环条件下，利用TRC的PWM或PFM控制得到的电源稳态输出特性。

由于各种弧焊方法对弧焊电源的外特性形状有不同的要求，因此用于不同弧焊方法的逆变式弧焊电源具有不同形状的外特性。逆变式弧焊电源外特性曲线形状是由电压、电流反馈控制方式和电子控制电路的控制状态所确定的，因此控制灵活，可以根据需要获得多种形状的外特性。

图6-29a是逆变式弧焊电源获得恒流外特性的原理示意图。焊条电弧焊、钨极氩弧焊等方法的电弧特性位于电弧U形静特性曲线的水平段，焊接电弧稳定燃烧时，要求弧焊电源具有恒流外特性。假设“电源-电弧”系统的初始工作点为A点，即是电弧静特性曲线Ⅰ与电源自然输出特性曲线1的交点，其焊接电流为I₁；若因某种因素的影响，使电弧弧长增加，电弧静特性曲线变为曲线Ⅱ，此时如果逆变式弧焊电源中的脉冲占空比不变，弧焊电源仍工作在自然输出特性曲线1，则电源-电弧系统工作点变为B点，焊接电流为I₂＜I₁，采用电流负反馈控制的逆变式弧焊电源，通过负反馈控制，进行PWM调节，即根据实际焊接电流的变化，实时改变脉冲占空比（亦即时间比率），弧焊电源输出特性变化到自然输出特性曲线2，并与电弧静特性曲线Ⅱ交于A′点，从而使焊接电流仍为I₁，即保持焊接电流恒定不变，实现了恒流控制，电源的外特性为恒流特性。

图6-29b所示是逆变式弧焊电源获得恒压（平）外特性的原理示意图。采用平特性弧焊电源进行焊接的一般是细丝的熔化极气体保护焊，其电弧处在电弧静特性U形曲线的上升段。设“电源-电弧”系统的初始工作点为A点，即电弧静特性曲线Ⅰ与弧焊电源自然输出特性曲线1的交点，其电弧电压为U₁。若因某种因素使电弧弧长增加，电弧静特性曲线移至Ⅱ，如果脉冲占空比不变，则弧焊电源仍工作在自然特性曲线1，则系统工作点变为B点，电弧电压U₂＞U₁，采用电压负反馈控制的逆变式弧焊电源，通过电压负反馈控制，进行PWM或PFM调节，即根据实际电弧电压的变化，实时改变脉宽占空比（亦即时间比率），使弧焊电源工作到自然输出特性曲线2，该曲线与电弧静特性曲线Ⅱ交于A′点，弧焊电源输出电压仍为U₁，即保持电弧电压恒定不变，实现了恒压特性控制，即弧焊电源的外特性为平特性。

图6-29 电源的外特性控制

a）恒流外特性控制 b）恒压外特性控制

上述两种控制只是最基本的控制模式。若两种方式结合，则可以获得有一定斜率的外特性曲线，也可实施分段控制，使不同的段获得不同的外特性，图6-30是几种实际的逆变式弧焊电源的外特性曲线形式，其控制原理参见4.3节。

图6-30 逆变式弧焊电源外特性曲线形式

2.控制电路

逆变式弧焊电源的控制电路包括电压、电流信号检测、负反馈控制、TRC电路和驱动电路等。

电压、电流信号检测电路主要是检测弧焊电源输出的电流和电压信号，并且通过信号处理电路将其变成控制电路中所需的电压信号。常用的电流、电压传感器参见4.3.3节。

逆变式弧焊电源采用负反馈控制，不仅可以获得所需要的输出特性，也可以保证电源输出电压、电流的稳定。

反馈控制电路原理如图6-31所示，将电源输出电流、电压反馈信号与给定信号相比较得到偏差信号。该偏差信号经过放大处理，作为PWM控制器的输入信号，用以调节逆变式弧焊电源的输出大小。

在弧焊电源控制电路中，常常把比较电路与放大电路综合起来，图6-31所示是常见的弧焊电源中比较放大电路原理框图。

图6-32所示是一种由运算放大器构成的比例加法器，其输出为

该电路中反馈信号U_f和与给定信号U_g符号相反，反馈信号与给定信号首先进行“减”运算，然后对其差值进行比例放大。放大比例取决于电阻R₃与R₁、R₂的比值。电路中的电容C起到减小振荡的作用。

图6-31 反馈控制电路原理框图

图6-32 比较放大电路原理图

假设反馈信号U_f是电流反馈信号，U_k为PWM控制器的输入信号，如果U_f为正值，U_g则为负值，最终的U_k输出为正值。其反馈调节过程如下：

焊接电流I_f↑→U_f↑（U_g不变）→U_k↓→PWM控制器输出脉冲宽度↓→主电路脉冲占空比↓→I_f↓，从而保证输出电流不变。

焊接电流I_f↓→U_f↓（U_g不变）→U_k↑→PWM控制器输出脉冲宽度↑→主电路脉冲占空比↑→I_f↑，从而保证输出电流不变。

实际上，这是一个恒流外特性的控制过程。电路中U_g的大小决定了最终输出电流的大小，也就是确定了外特性曲线族中的某一条外特性。信号比例放大系数越大，反馈控制电路对控制信号的变化越敏感，U_f和U_g只要稍有变化，U_k就会变化很大。当需要很大的比例放大时，可选用图6-31中的比较器电路，输入输出之间的关系为：

U_k=A（U_g-U_f）（6-8）

其中反馈信号U_f和给定U_g均是正信号，A为比较器的开环放大倍数，数值可达10⁶以上。在此条件下，基本上可以认为U_f=U_g，即弧焊电源输出电流由U_g唯一确定，精度很高，误差极小。相对地，如果放大倍数不够大，会使U_f和U_g之间有一定误差，控制输出电流的精度稍低。但片面地追求精度，提高放大倍数，易引起系统振荡，实际的设计应根据要求进行选择。

图6-33所示是恒流特性控制原理图。如图6-33a所示，给定信号U_g为一负电压信号，焊接电流检测信号mI_f送入反向放大器N₂进行信号放大，得到所需要的电流反馈信号U_fi（正电压信号）。U_fi与U_g一起送入反向加法器N₁中，对U_fi与U_g的偏差信号进行比较放大成为逆变式弧焊电源PWM控制器SG3525的输入控制信号，该信号的大小决定了SG3525的输出脉冲U_k的占空比。

电路中N₃为比较器，用来进行弧焊电源的过电流保护控制。当电流反馈信号U_fi大于由RP₂确定的电流门限值U_gi时，比较器N₃翻转，输出高电平信号到SG3525的10脚，使SG3525无输出脉冲，逆变式弧焊电源无输出，从而进行过电流保护。

图6-33中的运算放大器N₁也可以直接利用PWM控制器本身的误差放大器，将电流负反馈信号U_fi与给定信号U_g直接连接PWM控制集成电路芯片SG3525中，利用其内部误差放大器进行控制。

外特性控制与分段控制原理及应用

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