焊接系统的分析

.第40卷第6期电焊栈Vol.40 No.62010年6月Electric Welding MachineJun.2010焊接系统的分析张小平(攀枝花学院电气信息工程学院,四川攀枝花617000)摘要:概述焊接系统的相关控制部分;重点分析焊接系统中电磁干扰的产生,给焊接系统带来的危害以及抑制电磁干扰的方法。由于焊接系统中整流部分是一个非常重要的环节，针对传统整流控制存在的问题,简述了整流控制的发展以及近年来整流技术的最新动态,以及焊接系统中调理电路的作用和数字显示的特点。关键词:焊接系统;电磁干扰;整流;逆变中图分类号:TC40文献标识码:A文章编号: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前言调理控制系统,以及多机控制的CAN总线通信控制。随着电力电子和数字控制技术的高速发展,焊因此,焊接系统是一个融入了电力电子技术和数字接系统已经从传统的模拟控制逐步向数字和人工控制技术的系统,在此对焊接系统中的电磁干扰、整智能控制发展。另外为了提高焊接质量,焊接新型流控制.逆变控制、采样电路和显示控制部分进行材料也不断涌现,这对焊接工艺的控制提出了更高分析和概述。要求。如在氩弧焊工艺中,大多采用非接触式引弧1焊接系统的组成和工作原理方式,通过高频高压击穿空气间隙而引燃电弧,由于高压脉冲的存在,严重影响焊接系统的稳定性和可焊接系统主电路和控制电路原理如图1所示。靠性。焊接系统是多功能控制系统,每一部分必须在焊接系统中,电磁干扰和整流控制是相当重要的协调工作,因此,采用数字和人工智能控制能够解两部分。早期的焊接设备大多忽略这两部分,随着数决模拟控制不能解决的问题,同时具有体积小,稳字控制技术的发展和焊接质量的提高，焊接系统的定性和可靠性高.易控制、扩展和维护等特点。数字各部分已经引起了专家和生产商的重视。控制焊接系统包括:中央处理器(DSP/MCU),用来运1.1电磁干扰的产生和抑制算和协调处理焊接系统的其他分单元;送丝控制系随着变频调速技术和大功率开关电源的大量.统,小车控制系统;显示控制系统、遥控和远程控制使用,电网受到高次谐波噪声的污染越来越严重,这系统焊接系统中参数采样(焊接电压、电流)的电路中国煤化工造成传导性电磁干扰,另一方面,焊机的收稿日期:2010-02-03逆TYHCNMHG微机系统与主电作者简介:张小平(1956-),男,四川攀枝花人.副教授,主要从事电机理论电力电子与电力传动的研究工作。路共地时,干扰尤为严重。此外,在TIG焊的高乐脉.62:_ Ehatis Willing Molin研究与设计张小平:焊接系统的分析第6期焊条电弧燜输出模仍然是不可能的,这方面的研究也是最欠缺的。IF输出TIG输出现在焊接系统中首要的是做好接地.屏蔽保护。另外r变困一整流一滤波一在主电源进线处加滤波器(差模、共模),也就是EMI输人r电话国团团一-谜波一-选变一-空困-整國滤波器。EMI滤波器的设计应根据焊接系统的工作速波状况进行机理分析和建模,然后对其抑制，如根据测焊条电弧烨输it试的EMI干扰程度计算出差模、共模方案参数的计TIC输出算确定。最终设计出EMI滤波装置"。[触发驭动一r -控制歌动设计了光电隔离和电平转换电路。CPU的串行键盘焊接电压通信接口通过光电隔离,与通信接口在地线上进行(参数设定)卜中央处理单元样一焊接电流分离,减少外界信号对微机系统的干扰，由CPU输DSP调.电网电压出的信号幅值为+5V,通过电平变换,将传输的信CAN总线)-温度号电压升至+25V,这样即使在传输过程中信号受到液品显示故障及运(参数设定。|行指小灯干扰.也可以在接收端通过数字滤波将干扰滤除;另及运行显利外,隔离焊炬操作电路,TIG焊的起动和停止都是由图1焊接系统主电路和控制电路框團焊炬上的控制开关操作的,而在高压脉冲引弧过程冲引弧时.也会产生严重的干扰。因此.焊机的抗干中,引弧将产生的6000 V高压通过焊炬引线传输到扰和可靠性设计十分重要,它是确保焊机可靠工作钨极,在钨极与工件之间产生火花放电引弧。因此，的关键。经电源传人的电磁干扰有共模干扰和差模控制开关的连线必定会感应很高的干扰电压,严重干扰,其中共模干扰对焊机的危害最大。电磁千扰时会击坏控制板上的元件,轻者对中央处理器产生滤波器的结构和参数确定,既要考虑能抑制共模干严重千扰,重者损坏器件。扰,又要考虑能抑制差模干扰,并且以抑制共模干1.2整流控制扰为主时。焊接系统中整流部分有单相整流和三相整流，焊接系统的输人电源为单相或三相电压,因此，整流有可控整流和不可控整流两种方法。整流在各在整流之前要进行电磁干扰处理。开关管的导通一行业中用得很多,看似简单,实际上是一个很复杂般采用PWM控制模式，其输出电压是高频的PWM的控制系统。脉冲电压，脉冲宽度由每个开关周期输出电压的幅传统二极管不可控整流和晶闸管相控整流的值决定,脉冲由高频开关管产生。由于开关管的门主要不足表现在:不可控整流只能实现能量的单向极G与发射极E、集电极C之间总有一定的寄生电传输,功率因数低,对电网的谐波污染十分严重,输.容,使得开关管产生的波形有一定的上升和下降时出电压固定,不可调。整流器工作于深度相控状态间,这些快速上升和下降的脉冲信号由高速半导体时,装置的功率因数很低,输出侧需要较大的平波开关器件产生,如ICBT ,MOSFET等,虽然加快了逆电抗器和滤波电容以滤除整流产生的纹波。这将导变器的动态响应过程,但是这些半导体开关产生的致装置的体积和质量增大,损耗也相应上升。而且相高频脉冲信号具有很大的du/dt、di/dt。由于驱动电控导致调节周期长,加之输出滤波时间常数又较大，路和控制电路中也存在电感和电容器件,开关器件所以系统动态响应慢。不可控整流采用大功率二极自身以及其他器件和布线存在杂散电感和电容,管,可控整流一般采用晶闸管(SCR),因为晶闸管成du/dt会通过电容产生-一个脉冲电流,而di/dt则通本低,导通电流大,控制:技术较成熟。单相整流相对过电感的作用产生一个脉冲电压。同时,di/dt的电流三相整流较简单,但是整流部分一般是容性负载并环路也是一个辐射源并向空间辐射电磁场,这样在且会产生电磁干扰和谐波成分。如果上桥背与下桥焊接系统中就形成很强的电磁干扰。背的开关管误导通产生直通现象这样就会发生短路，抑制EMI首先应对其建模,但是辐射EMI与传此I中国煤化工就是解决六个开导EMI的建模相比,辐射EMI的建模更加复杂,涉及关管整流的方法很多，因素更多,而且辐射EMI的建模必须以传导EMI精如::DYH, CNM HCL普电流波形的畸确仿真为基础。在目前的情况下,辐射EMI精确建变,获得高功率因数,且相对于电流控制的PWM整Eaotvio Wilding Machins_ . 63●研究与设计电焊械第40卷流器,省去了内部的电流环,减少了参数调试,在数器主要应用于高压大容量场合。而对大电流应用场字实现中无需旋转坐标变换,直接对有功和无功合,常采用变流器组合拓扑结构,即将独立的电流功率运用Bang- Bang控制,具有结构简单、输出稳型PWM整流器进行并联组合。同样,可以将电压型定、动态响应速度快等优点”。PWM整流器串联组合，以适应高压大容量的应用焊接系统中大多采用三相整流。三相桥式整流场合。此外,在大功率PWM整流器设计上,还研究了虽然已经比较成熟,但是还有许多亟待解决的问基于软开关(ZVSZCS)控制的拓扑结构和相应的控题,现在国内外很多学者对其进行深人的研究。国制策略。随着人们对PWM整流器及其控制策略的深内外学者对PWM整流器的研究主要集中在PWM人研究,研究者针对整个PWM整流器系统的控制策整流器的建模,电压型PWM整流器电流控制策略,略问题也提出了一些比较新颖的系统控制策略，PWM整流器的折扑结构,PWM整流器系统控制策其研究主要包括以下几方面:无电网侧电压和电.略以及电流型PWM整流器的研究等方面。.流传感器的系统控制。这一研究主要包括两类电网PWM整流器拓扑结构可分为电流型和电压型电压重构方案:一种是通过功率估计,另一种是通两大类。长期以来,因为电压型整流器的结构简单、过电流的偏差求导重构电压。基于Lyapunov稳定性损耗较低、控制方便,一直是人们研究的重点。对于理论的PWM整流器系统控制:针对PWM整流器的电流型PWM整流器的研究,由于其需要较大的直非线性、多变量.强耦合的特点,常规的控制策略和流储能电感,以及交流侧LC滤波问题.制约了电控制器的设计一般采用稳态工作点小信号扰动线流型PWM整流器的发展。在20世纪80年代,自关性化处理方法,这种方法的不足是无法保证控制系断器件的日趋成熟及应用推动了PWM整流技术的统大范围扰动的稳定性。在PWM整流器中有功、无应用与研究。但是高频整流器在之后较长的时间并功分量间的动态耦合和PWM电压利用率的约束没有得到推广,- -个重要原因是受到了全控器件发下,影响了电压型PWM整流器有功分量的动态响应。展水平的制约,另一个原因是谐波问题并不十分突由于电网电压不平衡,因此在电网不平衡条件下的出,没有引起重视。然而大容量自关断器件的发展PWM整流器系统控制:研究总是假设电网是平衡的,为PWM整流器应用提供了硬件基础。随着电力系统但是实际上,电网经常处于不平衡状态。当电网出谐波问题的严重化,各国制定的新谐波标准为PWM现不平衡时,以三相电网平衡为约束所设计的整流整流器的发展提供了动力。20世纪90年代以来,PWM器会出现不正常运行。这样PWM整流器直流侧电整流器一直是研究的热点。在PWM整流器技术发展压和交流侧电流的低次谐波幅值增大,且产生非特过程中,电压型PWM整流器网侧电流控制策略主征谐波,同时损耗相应增大;PWM整流器的交流侧要分成两类:-类是间接电流控制策略,另一类是电流不平衡,严重时可烧毁整流器。为使整流器在电目前占主导地位的直接电流控制策略。间接电流控网不平衡条件下仍能正常运行,提出了正、负序双制实际上就是所谓的“幅相”电流控制,即通过控旋转坐标系控制,该方法实现了无静差控制,是较制电压型PWM整流器的交流侧电压基波的幅值和完善的理论。但是,双旋转坐标系控制的结构比较相位,进而间接控制其网侧电流。间接电流控制的复杂,运算量大甲。网侧电流的动态响应慢,且对系统参数变化灵敏。1.3逆变控 制直接电流控制以其快速的电流响应和稳定性受到在焊接系统中,逆变电源也是一个很重要的组了重视,出现了不同的控制方案,主要包括以固定成部分,在逆变部分可以根据工艺要求逆变出低电开关频率且采用电网电动势前馈的SPWM控制和压、大电流的交流电,当然最好在逆变器LC端接滞环电流控制。目前电压型PWM整流器网侧电流一个专用的降压变压器,如图2所示。这样不仅能控制有将固定开关频率、滞环以及空间矢量控制相提供低电压、大电流和高频的焊接电流，而且还能结合的趋势,以使其在大功率有源滤波等快速电流与主电路起到隔离的作用,防止谐波和电磁干扰渗响应场合获得优越的性能。此外,控制策略上出现人主中国煤化工寿要设计,可以是了状态反馈控制。对于大功率PWM整流器,其拓方波皮电压等。为了提扑结构的研究主要集中在多电平、变流器组合以高煩0H.CNMH(电压、大电流焊接及软开关技术上。多电平拓扑结构的PWM整流方向发展。64.Ehnvi Wlding Mhodino研究与设计张小平:焊接系统的分析第6期= ls Msinwt(4)U2由式(4)可以看出,逆变器输出交流电压的瞬时c+非工件R.值与直流电压U和调值比M有关,根据焊接工艺的要求调节直流电压U。和调值比M就可以改变输出|ICBT,U2由(本的交流电压的有效值+。逆变器逆变出来的交流电压的频率与控制电.PWM2pWM1路正弦波的频率是相等的，图2所示的正弦波频率调制驱动MwwwM二角波就是逆变器输出交流电压的频率。因此,只需通过编电路Atr-正弦波程序改变正弦波的频率就可以改变焊接交流电压圈2单相半桥逆变器的主电路的频率,在焊接时通过面板的频率设定,焊接输出为了进一步了解逆变电源输出频率改变的实.电压的频率就可以改变,从而提高焊接效率。现方法,通过图2单相逆变电源进行分析,该控制1.4调理电路技术分为双极性调制和单极性调制方式。调理电路就是采样电路,主要是对焊接电流、弧U,是直流母线电压,L是输出滤波器电感,C电压、温度等模拟量参数进行采样处理并进行AD是输出滤波器电容,RL为负载,1CBT和ICBT2的触转换到DSP中央处理器。根据不同功能单元的要求，发PWM由SPWM生成,其原理如图3所示。对焊接电流或焊接电压进行闭环控制,使焊机输出三角波外特性满足焊接工艺要求。U_sin(w1)调制波I1.5显示和驱动显示部分包括了故障指示、运行显示.数码管显示和液晶显示。液晶显示主要对焊接电流的预置值、实际值和电弧电压值,以及焊接参数和焊接工艺显示。数码数U%/2 -码显示主要对欠电压、过热、短路保护信号以及小车和送丝电机的指示灯显示。另外.在输出面板上设置两组数码显示管,分别显示焊接电流和焊接电压,w在焊机空载时显示设定值,在焊机焊接时显示实际值,由控制系统自动进行切换|47。AT参考文献:T-采样周期;AT-脉宽时间; ne- -三角载波幅值;1] 曹太强,许建平,徐顺刚开关电源谐波的研究门电焊机,Usin(w1)-调制波，其幅值为U。2007 ,37(5):58 -60.图3 SPWM 生成原理2] 钱照明.电磁兼容设计基础及干扰抑制技术[M]浙江:浙江大学出版社,2000.当SPWM是线性调制时,输出脉宽与参考正弦13]杨家强.基于PWM整流器和异步电机直接转矩控制的波幅值成正比。由三角形相似有交流变频动态电力测功机的研究[D].浙江:浙江大学，A7/2二U,-U.sinwt(1)2007.Ts/2[4]周雪珍,朱志明,符策健.等多功能数字化弧焊逆变电源令人机交互系统小电焊机,2007.37(1):6-10.M=t(2)[5] 田泽.嵌入式系统开发与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.根据平均等效原理有6]中国煤化工[M].北京:清华大学U.Ts=号x(Ts-0T)-号.OT (3)7]1MYH。CN M H Gox和A71RN1200将式(1)、式(2)带人式(3)得液晶控制分析[].工业控制计算机,2009, 19(1):49 -50.8lashio Wilbing Maokino . 65.