第5章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)

1、合肥工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院合肥工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 李萌盛李萌盛弧焊設(shè)備及控制技術(shù)弧焊設(shè)備及控制技術(shù)1第五章第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)2弧焊電源控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程弧焊電源控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程電子控制型電子控制型電磁控制型電磁控制型機(jī)械調(diào)節(jié)型機(jī)械調(diào)節(jié)型弧焊變壓器弧焊變壓器弧焊變壓器弧焊變壓器直流弧焊發(fā)電機(jī)直流弧焊發(fā)電機(jī)硅弧焊整流器硅弧焊整流器晶閘管整流式弧焊電源晶閘管整流式弧焊電源脈沖弧焊電源脈沖弧焊電源逆變式弧焊電源逆變式弧焊電源 電源主電路輸出功率的大小及輸出波形受電子電路的支配，電源主電路輸出功率的大小及輸出波形受電子電路的支配，

2、兩種電路的兩種電路的連接結(jié)點(diǎn)連接結(jié)點(diǎn)是是大功率的半導(dǎo)體器件大功率的半導(dǎo)體器件。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)35.4 電子控制弧焊電源的動(dòng)態(tài)特性控制電子控制弧焊電源的動(dòng)態(tài)特性控制5.3 電子控制弧焊電源的調(diào)節(jié)特性電子控制弧焊電源的調(diào)節(jié)特性5.2 外特性控制外特性控制5.1 電力半導(dǎo)體器件電力半導(dǎo)體器件2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)45.1 常用電力半導(dǎo)體器件的種類常用電力半導(dǎo)體器件的種類 IGBT (絕緣柵晶體管絕緣柵晶體管) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 晶體管晶體管(三極管三極管) GTR 晶閘管晶閘管 (SCR)2022-3-7第五章 電子控

3、制型弧焊電源基礎(chǔ)5 晶閘管簡(jiǎn)稱可控硅，廣泛應(yīng)用于藥皮焊條手工電弧晶閘管簡(jiǎn)稱可控硅，廣泛應(yīng)用于藥皮焊條手工電弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護(hù)焊、等離子弧焊和熔化極氣焊、埋弧焊、鎢極氣體保護(hù)焊、等離子弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊等焊接方法的整流式弧焊電源中。體保護(hù)焊等焊接方法的整流式弧焊電源中。 5.1.1 晶閘管晶閘管 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管的典型電路及控制原理晶閘管的典型電路及控制原理 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 晶閘管整流器的主要特點(diǎn)晶閘管整流器的主要特點(diǎn)2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)6平板式平板式N2N2P2N1P1GKA晶閘管結(jié)構(gòu)與符號(hào)晶閘管結(jié)構(gòu)與符號(hào) 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶

4、閘管的結(jié)構(gòu)螺栓式螺栓式模塊式模塊式陰極陰極 K陽(yáng)極陽(yáng)極 A控制極控制極( (門極門極) )G2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)7晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷條件為：晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷條件為：1）當(dāng)晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不論門極）當(dāng)晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不論門極G承受何種電壓，晶閘管均處于阻斷狀態(tài)。承受何種電壓，晶閘管均處于阻斷狀態(tài)。2）當(dāng)晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門極）當(dāng)晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門極G承受正向電壓的情況下晶閘管才能導(dǎo)通。承受正向電壓的情況下晶閘管才能導(dǎo)通。3）晶閘管導(dǎo)通后，只要仍有一定的正向陽(yáng)極）晶閘管導(dǎo)通后，只要仍有一定的正向陽(yáng)極電壓，不論門極電壓，不論門極G

5、電壓如何，它仍維持導(dǎo)通。電壓如何，它仍維持導(dǎo)通。4）晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或）晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接近零，或者對(duì)它施加一個(gè)反向電流）減小到接近零，或者對(duì)它施加一個(gè)反向電壓，晶閘管會(huì)自然關(guān)斷或被強(qiáng)迫關(guān)斷。電壓，晶閘管會(huì)自然關(guān)斷或被強(qiáng)迫關(guān)斷。 圖圖5-3 晶閘管的典型電路晶閘管的典型電路晶閘管的典型電路及其工作原理晶閘管的典型電路及其工作原理2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)8圖5-4 晶閘管的伏安特性正向擊穿區(qū)正向擊穿區(qū)反向擊穿區(qū)反向擊穿區(qū)熔斷、燒穿區(qū)熔斷、燒穿區(qū)晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性陰極陰極K陽(yáng)極陽(yáng)極 A控制極控制極G2022-3-

6、7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)9晶閘管整流器的主要特點(diǎn)晶閘管整流器的主要特點(diǎn) 動(dòng)特性好，響應(yīng)速度快動(dòng)特性好，響應(yīng)速度快 控制性能好控制性能好 調(diào)節(jié)特性好調(diào)節(jié)特性好 節(jié)能、省材節(jié)能、省材 晶閘管在焊接電源中的應(yīng)用晶閘管在焊接電源中的應(yīng)用 主要用在可控整流、交流調(diào)壓（電阻焊設(shè)備中）、主要用在可控整流、交流調(diào)壓（電阻焊設(shè)備中）、中頻感應(yīng)加熱、早期的逆變器等方面。中頻感應(yīng)加熱、早期的逆變器等方面。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)10功率晶體管（功率晶體管（GTR，Giant Transistor）是一種雙極）是一種雙極性型大功率高反壓晶體管。目前性型大功率高反壓晶體管。目前GTR的電流

7、容量已經(jīng)達(dá)的電流容量已經(jīng)達(dá)到上千安培，在中小功率應(yīng)用方面，到上千安培，在中小功率應(yīng)用方面，GTR是取代晶閘管是取代晶閘管的自關(guān)斷器件之一。的自關(guān)斷器件之一。 在電子控制型弧焊電源中，既有模擬型晶體管弧焊電在電子控制型弧焊電源中，既有模擬型晶體管弧焊電源，也有開(kāi)關(guān)型晶體管弧焊電源，還有晶體管式逆變弧源，也有開(kāi)關(guān)型晶體管弧焊電源，還有晶體管式逆變弧焊電源。焊電源。5.1.2 功率晶體管功率晶體管2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)11N+N+PN-BEC 晶體管的內(nèi)部有一個(gè)由晶體管的內(nèi)部有一個(gè)由半導(dǎo)體材料做成的管芯，半導(dǎo)體材料做成的管芯，它是三層（它是三層（NPN）三端）三端（C、E、B

8、）器件，分為）器件，分為 NPN型和型和 PNP型兩類。型兩類。晶體管的結(jié)構(gòu)金屬殼封裝金屬殼封裝塑料封裝塑料封裝模塊模塊集電極集電極發(fā)射極發(fā)射極基極基極NPN 型型發(fā)射極發(fā)射極基極基極集電極集電極PNP 型型2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)12晶體管的工作原理 晶體管承受晶體管承受正向集電極電壓正向集電極電壓的同時(shí)，必須讓基極的同時(shí)，必須讓基極B B和發(fā)射和發(fā)射極極E E（PNPN結(jié)）之間有結(jié)）之間有正向電流正向電流通過(guò)，管子才能導(dǎo)通。通過(guò)，管子才能導(dǎo)通。 晶體管可以工作在線性放大晶體管可以工作在線性放大狀態(tài)也可以工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。狀態(tài)也可以工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。模擬式晶體管電源：晶體管

9、工作在線性放大狀態(tài)，具有最佳的波形控制能力；模擬式晶體管電源：晶體管工作在線性放大狀態(tài)，具有最佳的波形控制能力；開(kāi)關(guān)式晶體管電源：晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)；開(kāi)關(guān)式晶體管電源：晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)；晶體管式逆變電源：晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)；晶體管式逆變電源：晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)；2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)135.1.3 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，功率場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，功率場(chǎng)效應(yīng)管都是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管是由場(chǎng)效應(yīng)管都是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管是由金屬氧化物、半導(dǎo)體組成，金屬氧化物、半導(dǎo)體組成，

10、（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱MOSFETMOSFET）是一種電）是一種電壓控制的單極型功率半導(dǎo)體器件。壓控制的單極型功率半導(dǎo)體器件。在電子控制型弧焊電源中，功率在電子控制型弧焊電源中，功率MOSFETMOSFET管通常作為開(kāi)關(guān)管通常作為開(kāi)關(guān)器件。由于其功率比較小，因此在焊接電源中需要多只器件。由于其功率比較小，因此在焊接電源中需要多只MOSFETMOSFET管并聯(lián)使用。管并聯(lián)使用。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)14場(chǎng)效應(yīng)管的外形也有三種基本形式：金屬殼封裝、塑場(chǎng)效應(yīng)管的外形也有三種基本形式：金屬殼封裝、塑料封裝和模塊，形狀與晶體管相似。料封裝和模塊，形狀與晶體管相似。絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)類型

11、GDSN+N+P基片溝道DGS漏極漏極D源極源極S柵極柵極G場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)15場(chǎng)效應(yīng)管的典型電路場(chǎng)效應(yīng)管的典型電路 場(chǎng)效應(yīng)管在工作中，漏極場(chǎng)效應(yīng)管在工作中，漏極D和源極和源極S分分別與電源（別與電源（UC）和負(fù)載（）和負(fù)載（RL）連接，組）連接，組成場(chǎng)效應(yīng)管主電路；它的柵極成場(chǎng)效應(yīng)管主電路；它的柵極G和源極和源極S與控制場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路相連接，組成與控制場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路相連接，組成控制電路。控制電路。 為使場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，當(dāng)它承受為使場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，當(dāng)它承受正向漏極正向漏極電壓電壓同時(shí)，必須對(duì)柵極同時(shí)，必須對(duì)柵極G施加施加

12、正電壓正電壓。場(chǎng)。場(chǎng)效應(yīng)管的柵極為絕緣結(jié)構(gòu)，輸入阻抗效應(yīng)管的柵極為絕緣結(jié)構(gòu)，輸入阻抗 1081013 ，可以用電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率，可以用電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率很小。很小。場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)是場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)是工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、熱穩(wěn)定性好工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、熱穩(wěn)定性好。場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理漏極漏極D源極源極S柵極柵極G2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)16 絕緣柵雙極型晶體管簡(jiǎn)稱絕緣柵雙極型晶體管簡(jiǎn)稱IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）,它是它是MOSFET與與GTR的復(fù)合器件。的復(fù)合器件。它既有它既有MOSFET的

13、工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路的工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，又有簡(jiǎn)單、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，又有GTR的載流量大、阻斷的載流量大、阻斷電壓高等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，是取代電壓高等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，是取代GTR的理想開(kāi)關(guān)器件。近年的理想開(kāi)關(guān)器件。近年來(lái)來(lái)IGBT發(fā)展很快，目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種弧焊電發(fā)展很快，目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種弧焊電源的逆變器中。源的逆變器中。 5.1.4 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)17絕緣柵雙極型晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)絕緣柵雙極型晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu) IGBT的外形有塑料封裝和模塊式兩種基本形式，的外形有塑料封裝和

14、模塊式兩種基本形式，其外形與功率雙極型晶體管相似。其外形與功率雙極型晶體管相似。MOSFET 的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)IGBT 的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)18IGBTIGBT的等效電路及符號(hào)的等效電路及符號(hào)IGBT的圖形符號(hào)的圖形符號(hào)IGBT的等效電路的等效電路 IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷是由的開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極電壓柵極電壓UGE來(lái)控制的。柵極施以正電壓時(shí)，來(lái)控制的。柵極施以正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供晶體管提供基極電流基極電流，使，使IGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通。在柵極上施以負(fù)電壓時(shí)，在柵極上施以負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失

15、，內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電晶體管的基極電流被切斷，流被切斷，IGBT即關(guān)斷即關(guān)斷. 由于由于IGBT的驅(qū)動(dòng)方法與的驅(qū)動(dòng)方法與MOSFET基本相同，只需控制輸入極基本相同，只需控制輸入極N溝道溝道MOSFET，因而它具有高輸入阻抗特性。，因而它具有高輸入阻抗特性。 2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)19 電壓驅(qū)動(dòng)，輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)電壓驅(qū)動(dòng)，輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)單。 高的開(kāi)關(guān)速度，開(kāi)關(guān)時(shí)間僅為高的開(kāi)關(guān)速度，開(kāi)關(guān)時(shí)間僅為GTR的的1/10，可以工，可以工作在作在10-30kHz。 電流密度高，功率大，能夠用于制造大功率電源。電流密度高

16、，功率大，能夠用于制造大功率電源。 開(kāi)通損耗小，飽和壓降低，通態(tài)電阻小。開(kāi)通損耗小，飽和壓降低，通態(tài)電阻小。 安全工作區(qū)寬。安全工作區(qū)寬。IGBTIGBT的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用 目前，目前，IGBT已經(jīng)成為制作各種焊接逆變電源的最好的已經(jīng)成為制作各種焊接逆變電源的最好的開(kāi)關(guān)器件，應(yīng)用極為廣泛。開(kāi)關(guān)器件，應(yīng)用極為廣泛。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)20目前主流的電子控制型弧焊電源有：目前主流的電子控制型弧焊電源有： 這些類型弧焊電源具有各種外特性形狀，其獲得所需外特這些類型弧焊電源具有各種外特性形狀，其獲得所需外特性形狀的方法與機(jī)械調(diào)節(jié)型弧焊電源不同，它不是依靠電源性形狀的方法

17、與機(jī)械調(diào)節(jié)型弧焊電源不同，它不是依靠電源的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而是依靠電源中電子電路的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而是依靠電源中電子電路的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。5.2 外特性控制外特性控制 逆變式弧焊電源逆變式弧焊電源 晶體管式弧焊電源晶體管式弧焊電源 晶閘管整流式弧焊電源晶閘管整流式弧焊電源5.2.1 5.2.1 外特性控制的基本原理外特性控制的基本原理5.2.2 5.2.2 外特性控制的應(yīng)用舉例外特性控制的應(yīng)用舉例5.2.3 5.2.3 電流、電壓信號(hào)的檢測(cè)電流、電壓信號(hào)的檢測(cè)2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)21電子控制型弧焊電源工作原理示意圖電子控制型弧焊電源工作原理示意圖a）晶閘管整流式）晶

18、閘管整流式b）晶體管式）晶體管式電子控制電路與電力電路的連接結(jié)點(diǎn)是大功率的半導(dǎo)體器件電子控制電路與電力電路的連接結(jié)點(diǎn)是大功率的半導(dǎo)體器件(電力半導(dǎo)體電力半導(dǎo)體)5.2.1 5.2.1 外特性控制的基本原理外特性控制的基本原理主電路主電路 控制電路控制電路 控制電路控制電路主電路主電路2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)22 控制電路控制電路主電路主電路c）逆變式）逆變式2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)23電子控制型弧焊電源是根據(jù)電流、電壓負(fù)反饋控制原理，利用電子電路對(duì)電子電子控制型弧焊電源是根據(jù)電流、電壓負(fù)反饋控制原理，利用電子電路對(duì)電子功率系統(tǒng)（整流器或逆變器）進(jìn)行閉

19、環(huán)控制，來(lái)獲得不同的外特性曲線形狀。功率系統(tǒng)（整流器或逆變器）進(jìn)行閉環(huán)控制，來(lái)獲得不同的外特性曲線形狀。電子控制型弧焊電源外特性控制基本原理電子控制型弧焊電源外特性控制基本原理 控制信號(hào)控制信號(hào)Uk的數(shù)學(xué)表達(dá)式：的數(shù)學(xué)表達(dá)式：)()(213fgifguknIUKmUUKKUK1、K2、K3 系統(tǒng)中各個(gè)放大環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)系統(tǒng)中各個(gè)放大環(huán)節(jié)的放大倍數(shù) 2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)24)()(213fgifguknIUKmUUKKU由于控制信號(hào)由于控制信號(hào)Uk一般只有零點(diǎn)幾伏至幾伏，而放大倍數(shù)一般只有零點(diǎn)幾伏至幾伏，而放大倍數(shù)K3相對(duì)很大，相對(duì)很大，0)()(21fgifgunIU

20、KmUUK外特性控制的幾種方式外特性控制的幾種方式所以由：所以由：可得：可得：反饋方式反饋方式控制條件控制條件外特性方程外特性方程外特性特征外特性特征只取電弧電壓只取電弧電壓負(fù)反饋負(fù)反饋給定電壓信號(hào)給定電壓信號(hào)U Ugugu，而，而U Ugigi=0=0，nInIf f=0=0恒壓外特性恒壓外特性（平外特性）（平外特性）只取焊接電流只取焊接電流負(fù)反饋負(fù)反饋給定電流信號(hào)給定電流信號(hào)U Ugigi，而，而U Ugugu=0=0，m mU Uf f=0=0恒流外特性恒流外特性( (陡降外特性陡降外特性) )gifUnI1同時(shí)取電壓、同時(shí)取電壓、電流負(fù)反饋電流負(fù)反饋給定電壓信號(hào)給定電壓信號(hào)U Ugug

21、u與電流信號(hào)與電流信號(hào)U Ugigi斜率一定的斜率一定的下降直線下降直線mKnKIUff12mUUguf2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)251.1.只取電壓負(fù)反饋只取電壓負(fù)反饋2.2.只取電流負(fù)反饋只取電流負(fù)反饋3.3.電流截止負(fù)反饋電流截止負(fù)反饋4.4.同時(shí)采用電壓、電流負(fù)反饋同時(shí)采用電壓、電流負(fù)反饋5.5.不同時(shí)刻采用不同的反饋不同時(shí)刻采用不同的反饋6.6.恒壓、電流截止負(fù)反饋恒壓、電流截止負(fù)反饋幾種常見(jiàn)的反饋控制方式幾種常見(jiàn)的反饋控制方式通常，通常，1與與6 應(yīng)用于等速送絲的熔化極氣體保護(hù)焊應(yīng)用于等速送絲的熔化極氣體保護(hù)焊2與與3 可用于鎢極氬弧焊可用于鎢極氬弧焊4與與5

22、可用于藥皮焊條電弧焊與埋弧焊可用于藥皮焊條電弧焊與埋弧焊2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)265.2.2 5.2.2 外特性控制的應(yīng)用舉例外特性控制的應(yīng)用舉例 平外特性的控制電路平外特性的控制電路 陡降外特性的控制電路陡降外特性的控制電路 陡降帶外拖特性的控制電路陡降帶外拖特性的控制電路 自適應(yīng)外拖特性的控制電路自適應(yīng)外拖特性的控制電路2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)27以美國(guó)米勒電氣制造公司生產(chǎn)的以美國(guó)米勒電氣制造公司生產(chǎn)的DELTAWELD651型晶閘管型晶閘管整流式整流式CO2弧焊電源的外特性控制電路為例?；『鸽娫吹耐馓匦钥刂齐娐窞槔?CR1R2Uk-UkN2

23、N1N3N4RP1R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14R15R16R17R18R19VD2VD3VD4VD1-UCCUfRP2UfuUg1、平外特性的控制電路給定信號(hào)給定信號(hào)Ug由電位器由電位器RP1 的滑動(dòng)的滑動(dòng)點(diǎn)電位決定點(diǎn)電位決定電弧電壓反饋信號(hào)電弧電壓反饋信號(hào)Uf（Uf 0）經(jīng)）經(jīng)N2 差動(dòng)放大而形成的差動(dòng)放大而形成的電弧電壓反饋量電弧電壓反饋量Uf u = mUf ，經(jīng)電阻經(jīng)電阻 R14 連接到連接到R15給定信號(hào)給定信號(hào)Ug與反饋與反饋信號(hào)信號(hào)Ufu 都都經(jīng)經(jīng) R15 連接連接到到 N3 的反的反相輸入端相輸入端)(52145291310775214141516

24、fgkURRPRRRPRRRRRURRPRRRRU輸出信號(hào)：輸出信號(hào)：2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)28N1N2N3N4N7N5N6RP2RP1-12V+12VRP4RP3RS+12V+12VIfUgUpUfiVR2R1R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14R15R16R17R18R19R20R21R22R23C1C2C3C4C5C6C7C8C9UkUth圖5-20 獲得陡降外特性的控制電路由比例加法器由比例加法器N3輸出控制信號(hào)輸出控制信號(hào)UkUk的大小取決于的大小取決于偏移信號(hào)偏移信號(hào)Up、電流給定信號(hào)電流給定信號(hào)Ug電流反饋信號(hào)電流反饋信號(hào)Ufi電流反

25、饋信號(hào)取自電流反饋信號(hào)取自電源主電路分流器電源主電路分流器Rs兩端，經(jīng)差動(dòng)放兩端，經(jīng)差動(dòng)放大器大器N4放大，并經(jīng)放大，并經(jīng)有源低通濾波器有源低通濾波器N5及及N6濾波得到電流濾波得到電流反饋信號(hào)反饋信號(hào)Ufi。2 2、陡降外特性的控制電路、陡降外特性的控制電路Ug取自電位器取自電位器 RP2，并經(jīng)兩級(jí)電壓跟隨器，并經(jīng)兩級(jí)電壓跟隨器N1、N2后，通過(guò)電位器后，通過(guò)電位器 RP4輸出。輸出。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)293、陡降帶外拖特性的控制電路當(dāng)電弧電壓高于當(dāng)電弧電壓高于15 V 時(shí)，時(shí)，VD11 截止，電壓負(fù)反饋量被隔離，只有電流截止，電壓負(fù)反饋量被隔離，只有電流負(fù)反饋起

26、作用，電源輸出特性為陡降特性或恒流特性（圖中負(fù)反饋起作用，電源輸出特性為陡降特性或恒流特性（圖中cd段）；段）； 在電弧電壓低于在電弧電壓低于 15 V 時(shí)，二極管時(shí)，二極管VD11 導(dǎo)通，電弧電壓導(dǎo)通，電弧電壓Uf 加在運(yùn)算加在運(yùn)算放大器放大器N1 的正極輸入端，在電流負(fù)反饋和電壓負(fù)反饋的聯(lián)合作用下，的正極輸入端，在電流負(fù)反饋和電壓負(fù)反饋的聯(lián)合作用下，獲得合適的緩降外特性（圖中獲得合適的緩降外特性（圖中dn段）。段）。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)30 自適應(yīng)外拖特性控制電路是指可以隨焊接電流大小自動(dòng)調(diào)節(jié)外拖特性自適應(yīng)外拖特性控制電路是指可以隨焊接電流大小自動(dòng)調(diào)節(jié)外拖特性控制

27、的門檻值。其特點(diǎn)是只要電弧電壓低于（控制的門檻值。其特點(diǎn)是只要電弧電壓低于（200.04If ）V，外拖電，外拖電路就起作用，并且外拖特性的拐點(diǎn)電壓及斜率均可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。路就起作用，并且外拖特性的拐點(diǎn)電壓及斜率均可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。4自適應(yīng)外拖特性的控制電路2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)31圖圖5-23 自適應(yīng)調(diào)節(jié)外拖特性控制電路自適應(yīng)調(diào)節(jié)外拖特性控制電路N1、N2、N3及外圍元件組成焊及外圍元件組成焊接電流參數(shù)生成電路。接電流參數(shù)生成電路。N3的輸?shù)妮敵鲭妷簽槌鲭妷簽椋?.04If /10）V。A點(diǎn)的電壓為點(diǎn)的電壓為（200.04If ）/10 V，經(jīng)過(guò)同相放大器，經(jīng)過(guò)同相放大器N2后

28、，輸出后，輸出（200.04If ）/10V的電壓的電壓N5、N6 及外圍元件組成電弧電壓反饋電路，及外圍元件組成電弧電壓反饋電路，R20、R21、R22 對(duì)電對(duì)電弧電壓進(jìn)行分壓，使電壓跟隨量弧電壓進(jìn)行分壓，使電壓跟隨量N5 輸出的電壓始終為輸出的電壓始終為 Uf /10V，經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò) N6反相器，得到反相器，得到- Uf /10V的輸出電壓。的輸出電壓。焊接電流參數(shù)生成電路的輸出電壓與電弧電壓焊接電流參數(shù)生成電路的輸出電壓與電弧電壓反饋電路的輸出電壓，在反饋電路的輸出電壓，在B點(diǎn)混合，使點(diǎn)混合，使B點(diǎn)的點(diǎn)的電壓為電壓為（200.04If ）- Uf/10V，并加在運(yùn)，并加在運(yùn)算放大器算放大器

29、N4的同相輸入端。的同相輸入端。當(dāng)電弧電壓當(dāng)電弧電壓 Uf 高于高于（200.04If）/10V 時(shí)，時(shí)，N4 輸出電壓為負(fù)，輸出電壓為負(fù)，VD1 截止，外拖特性控截止，外拖特性控制電路對(duì)電源輸出沒(méi)有關(guān)系，電源輸出只與電流負(fù)反饋有關(guān)，輸出陡降或恒流特性。制電路對(duì)電源輸出沒(méi)有關(guān)系，電源輸出只與電流負(fù)反饋有關(guān)，輸出陡降或恒流特性。當(dāng)電弧電壓當(dāng)電弧電壓 Uf 低于低于（200.04If）/10V時(shí)，時(shí)，N4 輸出電壓為正，輸出電壓為正，VD1 導(dǎo)通，通過(guò)電位器導(dǎo)通，通過(guò)電位器RP*1及電壓跟隨器及電壓跟隨器N7 加在加在PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器N8 的同相輸入端，與電流給定信號(hào)的同相輸入端，與電流給定信號(hào)U

30、gi 、電流反饋、電流反饋信號(hào)信號(hào)NIf 聯(lián)合作用于聯(lián)合作用于N8 構(gòu)成的構(gòu)成的PI調(diào)節(jié)器，以獲得合適的緩降外特性。調(diào)節(jié)器，以獲得合適的緩降外特性。特點(diǎn)：特點(diǎn)：1、外拖的拐點(diǎn)隨著焊接電流的大小而改變，適應(yīng)性強(qiáng)。、外拖的拐點(diǎn)隨著焊接電流的大小而改變，適應(yīng)性強(qiáng)。2、調(diào)節(jié)電位器、調(diào)節(jié)電位器RP*1，使拐點(diǎn)電壓及外拖特性斜率發(fā)生變化，從而控制短路電流。，使拐點(diǎn)電壓及外拖特性斜率發(fā)生變化，從而控制短路電流。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)32 電流、電壓信號(hào)檢測(cè)的結(jié)果可以用于反饋控制獲得電源所需的電流、電壓信號(hào)檢測(cè)的結(jié)果可以用于反饋控制獲得電源所需的外特性形狀，也可以用于電源動(dòng)態(tài)特性以及波

31、形控制等，還可以外特性形狀，也可以用于電源動(dòng)態(tài)特性以及波形控制等，還可以用于過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)控制等。因此，電源輸出電流、電壓的信號(hào)用于過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)控制等。因此，電源輸出電流、電壓的信號(hào)檢測(cè)與信號(hào)處理是電子控制弧焊電源中的基本環(huán)節(jié)。檢測(cè)與信號(hào)處理是電子控制弧焊電源中的基本環(huán)節(jié)。5.2.3 電流、電壓信號(hào)的檢測(cè) 霍爾元件法霍爾元件法互感器法測(cè)量電流互感器法測(cè)量電流 取樣電阻法測(cè)電流、電壓取樣電阻法測(cè)電流、電壓檢檢測(cè)測(cè)方方法法2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)33取樣電阻法測(cè)電流、電壓取樣電阻法測(cè)電流、電壓（1 1）串聯(lián)電阻檢測(cè)電流）串聯(lián)電阻檢測(cè)電流該方法的特點(diǎn)及應(yīng)用：該方法的特點(diǎn)及應(yīng)用

32、： 方法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn); 信號(hào)不失真、相應(yīng)速度快信號(hào)不失真、相應(yīng)速度快; R1mUfRfR2NC弧弧焊焊電電源源負(fù)負(fù)載載R3RPR1nIfRfR2NR0C弧弧焊焊電電源源負(fù)負(fù)載載分分流流器器R3（2 2）并聯(lián)電阻檢測(cè)電壓）并聯(lián)電阻檢測(cè)電壓主要應(yīng)用在小容量電源，以及要求不高的場(chǎng)合。主要應(yīng)用在小容量電源，以及要求不高的場(chǎng)合。 信號(hào)較弱，抗干擾能力差信號(hào)較弱，抗干擾能力差; 主電路與控制電路不隔離。主電路與控制電路不隔離。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)34i1i2R整 流 及 信 號(hào)處 理 電 路UiN1N2（1 1）交流電流互感器）交流電流互感器互感器法測(cè)量電流互感器

33、法測(cè)量電流2121IKRINNUiR圖圖5-27 交流電流互感器交流電流互感器特點(diǎn)：特點(diǎn)：1、實(shí)現(xiàn)了控制電路與主電路隔離。、實(shí)現(xiàn)了控制電路與主電路隔離。2、只能檢測(cè)交流信號(hào)。、只能檢測(cè)交流信號(hào)。3、交流互感器的響應(yīng)速度較慢。、交流互感器的響應(yīng)速度較慢。一般用于電流變化速度較慢的弧焊一般用于電流變化速度較慢的弧焊電源電流的檢測(cè)。電源電流的檢測(cè)。R為取樣電阻，取樣信號(hào)為：為取樣電阻，取樣信號(hào)為：2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)35（2 2）直流電流互感器）直流電流互感器當(dāng)交流電流當(dāng)交流電流 i2 過(guò)零時(shí)，由直流電流過(guò)零時(shí)，由直流電流 Id 所確定的鐵心的磁狀態(tài)如右上圖，鐵心所確定的鐵

34、心的磁狀態(tài)如右上圖，鐵心 、分別工作在分別工作在a點(diǎn)和點(diǎn)和b點(diǎn)。當(dāng)交流電流點(diǎn)。當(dāng)交流電流 i2為正半波時(shí)，鐵心為正半波時(shí)，鐵心中的交流電流與直流中的交流電流與直流電流同方向，使電流同方向，使a點(diǎn)向更加飽和的方向移動(dòng)，而鐵心點(diǎn)向更加飽和的方向移動(dòng)，而鐵心中的中的b點(diǎn)向去磁方向移動(dòng)點(diǎn)向去磁方向移動(dòng)（圖中實(shí)線）；當(dāng)交流電流為負(fù)半波時(shí)，鐵心（圖中實(shí)線）；當(dāng)交流電流為負(fù)半波時(shí)，鐵心、的磁狀態(tài)沿虛線改變，即在的磁狀態(tài)沿虛線改變，即在 i2 的正、負(fù)半波中各有一個(gè)鐵心處于飽和狀態(tài)，而另一個(gè)處于不飽和狀態(tài)。的正、負(fù)半波中各有一個(gè)鐵心處于飽和狀態(tài)，而另一個(gè)處于不飽和狀態(tài)。互感器鐵心為封閉環(huán)，同時(shí)承受交流和直流電

35、流的磁化作用。互感器鐵心為封閉環(huán)，同時(shí)承受交流和直流電流的磁化作用。處于飽和狀態(tài)鐵心上的繞組的阻抗很小，由處于飽和狀態(tài)鐵心上的繞組的阻抗很小，由 i2 產(chǎn)生的壓降可以忽略不計(jì)，產(chǎn)生的壓降可以忽略不計(jì)，而在不飽和的鐵心繞組中有：而在不飽和的鐵心繞組中有：HlNiNId221當(dāng)鐵心不飽和時(shí)，當(dāng)鐵心不飽和時(shí)，H0，所以：，所以：221NiNId因此檢測(cè)電阻因此檢測(cè)電阻R上得到的檢測(cè)信號(hào)為：上得到的檢測(cè)信號(hào)為：diRINNkU21特點(diǎn)：特點(diǎn)：1、直流互感器可以直接檢測(cè)弧焊電源輸出的直流電流。、直流互感器可以直接檢測(cè)弧焊電源輸出的直流電流。2、檢測(cè)、控制電路與主電路實(shí)現(xiàn)了隔離、檢測(cè)、控制電路與主電路實(shí)現(xiàn)

36、了隔離3、檢測(cè)電路中的交流電源的頻率一般為、檢測(cè)電路中的交流電源的頻率一般為50Hz，因此檢測(cè)環(huán)節(jié)的響應(yīng)速度較慢。，因此檢測(cè)環(huán)節(jié)的響應(yīng)速度較慢。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)36IC+- - - - - - -Bd1234UHIC 霍爾元件法進(jìn)行弧焊電源電流、電壓的信號(hào)檢測(cè)在電子控制霍爾元件法進(jìn)行弧焊電源電流、電壓的信號(hào)檢測(cè)在電子控制電源中應(yīng)用越來(lái)越廣泛?；魻杺鞲衅魇潜容^理想的快速電流、電源中應(yīng)用越來(lái)越廣泛?；魻杺鞲衅魇潜容^理想的快速電流、電壓信號(hào)檢測(cè)電壓信號(hào)檢測(cè)傳感器，它的核心元件是霍爾元件。傳感器，它的核心元件是霍爾元件。 霍爾元件是厚度為霍爾元件是厚度為d的半導(dǎo)體基片。的

37、半導(dǎo)體基片。如果通過(guò)引線如果通過(guò)引線 l 和和 2 引入恒定電流引入恒定電流 IC，當(dāng)待檢測(cè)電流在垂直于基片的，當(dāng)待檢測(cè)電流在垂直于基片的方向產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為方向產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)時(shí)，的磁場(chǎng)時(shí)，由于電磁感應(yīng)關(guān)系在基片的另外兩由于電磁感應(yīng)關(guān)系在基片的另外兩邊（邊（3、4）之間感生出霍爾電壓）之間感生出霍爾電壓UH ，這就是霍爾效應(yīng)。這就是霍爾效應(yīng)。圖圖5-30 霍爾效應(yīng)示意圖霍爾效應(yīng)示意圖 霍爾元件法霍爾元件法輸出電壓為：輸出電壓為：KH為霍爾系數(shù)；為霍爾系數(shù)； SH 為元件乘積靈敏度。為元件乘積靈敏度。當(dāng)半導(dǎo)體的材料和尺寸確定后，二者為常數(shù)，當(dāng)半導(dǎo)體的材料和尺寸確定后，二者為常數(shù)，這樣霍

38、爾電壓這樣霍爾電壓UH 與與 IcB 的乘積成正比。的乘積成正比。BISBIdKUccHHH2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)37UH恒流源+-IcId霍爾元件聚磁環(huán)圖圖5-31 直測(cè)式霍爾電流傳感器工作原理直測(cè)式霍爾電流傳感器工作原理特點(diǎn)：特點(diǎn)：1 1、霍爾元件中通過(guò)的電流、霍爾元件中通過(guò)的電流I IC C是是由輔助的恒流電源供給的。由輔助的恒流電源供給的。2 2、與被測(cè)電流成正比的霍爾、與被測(cè)電流成正比的霍爾電壓一般是毫伏級(jí)的，使用時(shí)還電壓一般是毫伏級(jí)的，使用時(shí)還必須附加信號(hào)放大器。必須附加信號(hào)放大器。3 3、霍爾元件無(wú)慣性、并具有、霍爾元件無(wú)慣性、并具有良好的隔離作用；但由于

39、是利用良好的隔離作用；但由于是利用磁場(chǎng)變化檢測(cè)電流，在使用應(yīng)采磁場(chǎng)變化檢測(cè)電流，在使用應(yīng)采取措施防止外界的電磁干擾。取措施防止外界的電磁干擾。 工作原理：工作原理：被測(cè)線路的導(dǎo)線穿過(guò)或繞在聚磁環(huán)上，被測(cè)電流被測(cè)線路的導(dǎo)線穿過(guò)或繞在聚磁環(huán)上，被測(cè)電流Id 將將產(chǎn)生磁場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)B。當(dāng)與被測(cè)電流。當(dāng)與被測(cè)電流Id 成正比變化的磁場(chǎng)成正比變化的磁場(chǎng)B通過(guò)鐵心作用于通過(guò)鐵心作用于通電的霍爾元件上時(shí)，霍爾元件將產(chǎn)生霍爾電壓通電的霍爾元件上時(shí)，霍爾元件將產(chǎn)生霍爾電壓UH。檢測(cè)。檢測(cè)UH 的大的大小就可以換算出被測(cè)電流小就可以換算出被測(cè)電流Id 的大小。的大小。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)3

40、85.3 電子控制弧焊電源的調(diào)節(jié)特性電子控制弧焊電源的調(diào)節(jié)特性 電子控制弧焊電源的調(diào)節(jié)實(shí)際上是調(diào)節(jié)電子控制弧焊電源的調(diào)節(jié)實(shí)際上是調(diào)節(jié)Ugi 和和Ugu ，調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)Ugi 意味著意味著外特性曲線的左右平移，調(diào)節(jié)外特性曲線的左右平移，調(diào)節(jié)Ugu 意味著外特性曲線的上下移動(dòng)。意味著外特性曲線的上下移動(dòng)。 給定信號(hào)是一個(gè)可以調(diào)節(jié)的直流電壓信號(hào)，該信號(hào)的調(diào)節(jié)范圍決定了弧焊電源給定信號(hào)是一個(gè)可以調(diào)節(jié)的直流電壓信號(hào)，該信號(hào)的調(diào)節(jié)范圍決定了弧焊電源輸出電流或電壓的調(diào)節(jié)范圍，也就是弧焊電源外特性的調(diào)節(jié)范圍。而給定電壓信輸出電流或電壓的調(diào)節(jié)范圍，也就是弧焊電源外特性的調(diào)節(jié)范圍。而給定電壓信號(hào)往往是利用電子控制電

41、路中的直流穩(wěn)壓電源，通過(guò)電阻分壓來(lái)獲得的，號(hào)往往是利用電子控制電路中的直流穩(wěn)壓電源，通過(guò)電阻分壓來(lái)獲得的，采用穩(wěn)采用穩(wěn)壓電源提供給定信號(hào)可以保證給定信號(hào)的穩(wěn)定性和一致性壓電源提供給定信號(hào)可以保證給定信號(hào)的穩(wěn)定性和一致性。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)39 電子控制弧焊電源的調(diào)節(jié)實(shí)際上是調(diào)節(jié)電子控制弧焊電源的調(diào)節(jié)實(shí)際上是調(diào)節(jié)Ugi和和Ugu，調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)Ugi 意味著意味著外特性曲線的左右平移，調(diào)節(jié)外特性曲線的左右平移，調(diào)節(jié)Ugu 意味著外特性曲線的上下移動(dòng)。意味著外特性曲線的上下移動(dòng)。0Ugi1Ugi2如果這種調(diào)節(jié)是在焊如果這種調(diào)節(jié)是在焊接過(guò)程中周期性進(jìn)行接過(guò)程中周期性進(jìn)行呢？呢

42、？這就是脈沖焊！這就是脈沖焊！如何產(chǎn)生這種脈沖呢？如何產(chǎn)生這種脈沖呢？脈沖弧焊電源有許多種類型，而電子控制弧焊電源中應(yīng)用較多的是脈沖弧焊電源有許多種類型，而電子控制弧焊電源中應(yīng)用較多的是利用利用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，將脈沖信號(hào)作為給定信號(hào)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，將脈沖信號(hào)作為給定信號(hào)，使弧焊電源輸出，使弧焊電源輸出相應(yīng)脈沖波形的脈沖電流或電壓。目前應(yīng)用較多的脈沖波形是矩形波。相應(yīng)脈沖波形的脈沖電流或電壓。目前應(yīng)用較多的脈沖波形是矩形波。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎(chǔ)40 弧焊電源的主要?jiǎng)犹匦灾笜?biāo)包括：短路電流增長(zhǎng)速度弧焊電源的主要?jiǎng)犹匦灾笜?biāo)包括：短路電流增長(zhǎng)速度 di/dt

43、及短路及短路電流峰值電流峰值Ifd ，一般短路電流峰值可以通過(guò)，一般短路電流峰值可以通過(guò) di/dt 進(jìn)行調(diào)整，因此，對(duì)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，因此，對(duì)動(dòng)特性的控制主要體現(xiàn)在特性的控制主要體現(xiàn)在對(duì)對(duì) di/dt 的控制的控制。 對(duì)動(dòng)特性的控制主要是通過(guò)回路中的電感來(lái)實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)弧焊電對(duì)動(dòng)特性的控制主要是通過(guò)回路中的電感來(lái)實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)弧焊電源采用的電磁式電抗器的電感值改變困難，一般很難在大范圍內(nèi)滿足源采用的電磁式電抗器的電感值改變困難，一般很難在大范圍內(nèi)滿足焊接的最佳要求。電子控制的弧焊電源采用全新的焊接的最佳要求。電子控制的弧焊電源采用全新的電子電抗器電子電抗器以及以及波波形控制技術(shù)形控制技術(shù)來(lái)進(jìn)行動(dòng)特性控制，可以在大范圍內(nèi)給出最優(yōu)的動(dòng)特性。來(lái)進(jìn)行動(dòng)特性控制，可以在大范圍內(nèi)給出最優(yōu)的動(dòng)特性。目前，電子控制弧焊電源動(dòng)態(tài)特性的調(diào)節(jié)通常由下述方法實(shí)現(xiàn)：目前，電子控制弧焊電源動(dòng)態(tài)特性的調(diào)節(jié)通常由下述方法實(shí)現(xiàn)：（1）通過(guò)電子電抗器控制短路電流的增加速度；）通過(guò)電子電