焊機(jī)電源的高可靠軟起動(dòng)方案與實(shí)現(xiàn)

杜汝全，王 劍，田聯(lián)房

(華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510641)

焊機(jī)電源的高可靠軟起動(dòng)方案與實(shí)現(xiàn)

杜汝全，王 劍，田聯(lián)房

(華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510641)

焊機(jī)電源由于包含帶大電容負(fù)載的整流器，會(huì)存在軟起動(dòng)問(wèn)題。在眾多現(xiàn)有的焊機(jī)電源軟起動(dòng)方案中，在可靠性方面均存在不足。針對(duì)現(xiàn)有方案的缺點(diǎn)，提出了一種新型的高可靠軟起動(dòng)方案，介紹了該軟起動(dòng)方案的各個(gè)組成部分及其具體的運(yùn)行過(guò)程，設(shè)計(jì)了一個(gè)具體電路來(lái)實(shí)現(xiàn)該軟起動(dòng)方案中的全部功能，并且詳細(xì)的分析了該電路中主要組成部分的工作原理。根據(jù)設(shè)計(jì)好的電路搭建實(shí)驗(yàn)所需要的硬件平臺(tái)，以驗(yàn)證該軟起動(dòng)方案的有效性。對(duì)電路中關(guān)鍵檢測(cè)點(diǎn)波形的分析表明，該軟起動(dòng)方案保證了焊機(jī)電源軟起動(dòng)的可靠性。

焊機(jī)電源；軟起動(dòng)；程控單結(jié)晶體管

0 前言

焊機(jī)電源一般包含大電容負(fù)載的整流器。在上電瞬間，電容兩端電壓為零，此時(shí)如果整流出來(lái)的電壓不經(jīng)過(guò)限流電阻而直接加到電容兩端，將會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，極易造成元器件的損壞。因此，必須采取措施使得在上電的瞬間電容兩端電壓緩慢上升，以避免上述故障出現(xiàn)，這就是軟起動(dòng)問(wèn)題。焊機(jī)電源能否可靠地軟起動(dòng)，對(duì)焊機(jī)電源的壽命和質(zhì)量至關(guān)重要。

文獻(xiàn)[1]～[3]對(duì)現(xiàn)有的軟起動(dòng)方案進(jìn)行了總結(jié)和介紹。常用的軟起動(dòng)方案有：(1)串熱敏電阻起動(dòng)；(2)限流電阻、繼電器(接觸器)定時(shí)切換；(3)晶閘管整流?，F(xiàn)有的軟起動(dòng)方式并不能可靠地保證焊機(jī)電源軟起動(dòng)，針對(duì)現(xiàn)有軟起動(dòng)方案的可靠性問(wèn)題，提出了一種新的焊機(jī)電源軟起動(dòng)方案。

1 高可靠軟起動(dòng)方案

1.1 高可靠軟起動(dòng)方案的組成

新型軟起動(dòng)方案包含軟起動(dòng)充電電路、三相橋式整流串聯(lián)晶閘管電路、電流檢測(cè)與切換判決電路、濾波電容電壓檢測(cè)電路、脈沖電源充電電路和脈沖發(fā)生電路，如圖1所示。

新型軟起動(dòng)方案各個(gè)部分的功能及特點(diǎn)：

(1)軟起動(dòng)充電電路在電路上電時(shí)，對(duì)濾波電容進(jìn)行充電；(2)三相橋式整流串聯(lián)晶閘管電路是在軟起動(dòng)完成時(shí)，對(duì)濾波電容進(jìn)行充電；(3)電流檢測(cè)與切換判決電路是對(duì)軟起動(dòng)充電電流進(jìn)行檢測(cè)，并判斷是否讓脈沖電源充電電路和脈沖發(fā)生電路投入運(yùn)行狀態(tài)；(4)濾波電容電壓檢測(cè)電路是對(duì)濾波電容兩端電壓進(jìn)行檢測(cè)，并判斷是否讓脈沖電源充電電路投入運(yùn)行狀態(tài)；(5)脈沖電源充電電路為脈沖發(fā)生電路提供一個(gè)較為穩(wěn)定的直流電壓；(6)脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生頻率較高的脈沖可以讓晶閘管觸發(fā)。

軟起動(dòng)充電電流ichar，可以按照ichar＝(Uin-Uc)／Re來(lái)計(jì)算，其中Uin為整流電壓，Uc為濾波電容兩端電壓，Re為線路等效電阻、電容的ESR(等效串聯(lián)電阻)與限流電阻的和。由上述計(jì)算公式可知，充電電流最終反映的是整流電路輸出電壓與濾波電容兩端電壓的差值Δ U。電壓差值Δ U的大小決定了由軟起動(dòng)充電電路切換到三相橋式整流串聯(lián)晶閘管電路時(shí)最大沖擊電流imax的大小。所以軟起動(dòng)方案保證可靠性的關(guān)鍵就在于如何可靠保證電壓差值Δ U較低時(shí)才進(jìn)行軟起動(dòng)充電電路到三相橋式整流串聯(lián)晶閘管電路的切換。

圖1 新型軟起動(dòng)方案結(jié)構(gòu)框圖

2.2 高可靠軟起動(dòng)方案的運(yùn)行

如圖2所示，新型的軟起動(dòng)方案運(yùn)行的步驟如下：(1)電路上電；(2)軟起動(dòng)充電電路對(duì)濾波電容進(jìn)行充電；(3)電流檢測(cè)切換判決電路對(duì)軟起動(dòng)充電電路的電流進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)，濾波電容電壓檢測(cè)電路對(duì)濾波電容兩端的電壓進(jìn)行檢測(cè)，若軟起動(dòng)充電電路的電流和濾波電容兩端的電壓都同時(shí)滿(mǎn)足條件，則脈沖電源充電電路工作；(4)在步驟(3)的基礎(chǔ)上，電流檢測(cè)切換判決電路對(duì)軟起動(dòng)充電電路的電流進(jìn)行檢測(cè)，若軟起動(dòng)充電電路的電流小于設(shè)定值，則脈沖發(fā)生電路工作；(5)脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生脈沖，觸發(fā)三相橋式整流串聯(lián)晶閘管電路中的晶閘管，切換為三相橋式整流串聯(lián)晶閘管電路對(duì)濾波電容進(jìn)行充電，完成電路的軟起動(dòng)。

由上述新型方案的組成及其運(yùn)行的步驟可知，新型軟起動(dòng)方案可以在各種故障和干擾情況下，通過(guò)電流檢測(cè)切換判決電路和濾波電容電壓檢測(cè)電路嚴(yán)格保證整流電路輸出電壓與濾波電容兩端電壓差值在安全范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)由軟起動(dòng)充電電路到三相橋式整流串聯(lián)晶閘管電路的切換，從而保證整個(gè)軟起動(dòng)過(guò)程的高可靠性。

圖2 新型軟起動(dòng)方案運(yùn)行流程

3 軟起動(dòng)方案的電路實(shí)現(xiàn)

新型軟起動(dòng)方案的電路如圖3所示。二極管VD11、VD12、VD13、VD4、VD6、VD7、電阻R13、R14組成軟起動(dòng)充電電路；三極管V3、電容C3、電阻R5、R6、R7組成濾波電容電壓檢測(cè)電路；二極管VD3、VD5、電阻R4、R13、R14、R9、R11、電容C6和三極管V5組成電流檢測(cè)與切換判決電路；二極管VD1、VD2、電阻R2、R4、三極管V1、電容C1和工頻變壓器T1組成脈沖電源充電電路；電阻R1、R3、R8、R10、R12、電容C2、C4、C5、三極管V2和程控單結(jié)晶體管V4組成脈沖發(fā)生電路；二極管VD8、VD9、VD10、VD11、VD12、VD13、晶閘管VT6組成三相橋式整流串聯(lián)晶閘管電路。

下面對(duì)電路主要部分的工作原理進(jìn)行分析。

(1)濾波電容兩端電壓的檢測(cè)電路。

R5、R6和R7對(duì)濾波電容C7分壓，當(dāng)R5分得的電壓達(dá)到V3發(fā)射極的導(dǎo)通電壓時(shí)，T1的二次側(cè)輸出電流。這樣可以通過(guò)適當(dāng)選取R5、R6和R7的阻值來(lái)控制V3在C7兩端電壓在取適當(dāng)?shù)闹禃r(shí)才導(dǎo)通。只有C7兩端電壓高于某個(gè)適當(dāng)?shù)拈撝禃r(shí)，才有可能由軟起動(dòng)充電電路切換到三相橋式整流串聯(lián)晶閘管電路。

圖3 新型軟起動(dòng)方案的電路

(2)電流檢測(cè)與切換判決電路。

R13、R14既作為限流電阻，又兼負(fù)檢測(cè)充電電流的任務(wù)。降在R14的電壓通過(guò)VD5對(duì)C6充電，使C6的電壓基本與R14的壓降相等。當(dāng)軟起動(dòng)充電電流較大時(shí)，降在R13、R14的電壓較高，C6的電壓也較高。經(jīng)VD1輸出的峰值電壓約12 V，因此，當(dāng)C6的電壓高于12 V時(shí)，VD2總是處于截止?fàn)顟B(tài)，使V1處于截止?fàn)顟B(tài)，脈沖發(fā)生電路不能工作。當(dāng)軟起動(dòng)充電電流小到使C6的電壓低于12 V時(shí)，VD2開(kāi)始導(dǎo)通，使V1導(dǎo)通對(duì)C1進(jìn)行充電。R9、R11對(duì)C6分壓，適當(dāng)選擇R9、R11的阻值，使C6的電壓大于某個(gè)適當(dāng)?shù)闹禃r(shí)V5飽和導(dǎo)通，導(dǎo)致C2不能被充電，脈沖發(fā)生電路不工作。當(dāng)C6的電壓小于某個(gè)閾值時(shí)V5截止，脈沖發(fā)生電路投入工作。

(3)脈沖發(fā)生電路。

脈沖發(fā)生電路是以單結(jié)晶體管V4為核心的張弛振蕩電路。當(dāng)C2上電壓比C1上電壓低至超過(guò)V2的發(fā)射極導(dǎo)通電壓時(shí)，C1通過(guò)R1、R3、V2的發(fā)射極給C2充電，同時(shí)也通過(guò)V2的集電極給C4充電，選擇R8的阻值足夠大，從而保證C4的放電速度較充電速度慢得多，因此C4上的電壓能很快充到只比V2發(fā)射極電壓低一個(gè)飽和壓降的程度。而只要V2是導(dǎo)通的，C2上的電壓就比V2的發(fā)射極電壓低一個(gè)發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓?？梢?jiàn)V2導(dǎo)通時(shí)，C4上的電壓要高于C2上的電壓，V4處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)C2上的電壓上升至R3上的壓降小于V2發(fā)射極的導(dǎo)通電壓時(shí)，V2截止，C2繼續(xù)通過(guò)R3充電，而C4通過(guò)R8放電，直至C4上的電壓比C2上的電壓低到觸發(fā)V4。當(dāng)V4被觸發(fā)而導(dǎo)通時(shí)，C2、C4均通過(guò)V4快速放電，并通過(guò)R12產(chǎn)生一脈沖電流觸發(fā)晶閘管VT6。當(dāng)V4恢復(fù)截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，C2、C4上已只有很低的剩余電壓，因此再次開(kāi)始充電，即脈沖發(fā)生電路開(kāi)始下一周期的脈沖產(chǎn)生過(guò)程，R10、C5起濾波作用，防止高頻干擾電壓誤觸發(fā)晶閘管VT6。

當(dāng)電路上電時(shí)，濾波電容C7電壓為零，V3不導(dǎo)通，此時(shí)軟起動(dòng)充電電流較大，V1也不導(dǎo)通，而V5飽和導(dǎo)通，因此脈沖電源充電電路和脈沖發(fā)生電路都不工作。隨著C7電壓不斷的增大，高于電壓設(shè)定值，V3導(dǎo)通。另一方面，軟起動(dòng)充電電流不斷的減小，小于電流設(shè)定值，即整流電路輸出電壓與濾波電容兩端電壓的差值到達(dá)設(shè)定值。此時(shí)，脈沖電源充電電路投入運(yùn)行狀態(tài)，開(kāi)始對(duì)C1進(jìn)行充電，等C1的電壓上升到合適的值，且軟起動(dòng)充電電流進(jìn)一步減小使C6的電壓降至V5截止，脈沖發(fā)生電路開(kāi)始運(yùn)行，電路由軟起動(dòng)充電狀態(tài)切換為三相橋式整流充電狀態(tài)。電流檢測(cè)與切換判決電路及濾波電容電壓檢測(cè)電路構(gòu)成電路安全的雙保險(xiǎn)，一旦其中一個(gè)電路因?yàn)楦鞣N原因不能工作，另一個(gè)電路單獨(dú)工作也能使開(kāi)關(guān)電源免受很大的沖擊。此電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了新型軟起動(dòng)方案的功能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證方案的有效性，根據(jù)圖3給出的電路圖做出了實(shí)物電路，并成功應(yīng)用于所在實(shí)驗(yàn)室的電阻焊機(jī)電源的軟起動(dòng)。軟起動(dòng)電路中，脈沖觸發(fā)電路所產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖的波形如圖4所示，觸發(fā)脈沖的頻率約2kHz，且脈沖的幅度滿(mǎn)足軟起動(dòng)中觸發(fā)要求。電容C2和C4的波形如圖5所示。在電壓上升的階段，C2的電壓始終高于C4電壓，程控單結(jié)晶體管V4不導(dǎo)通；當(dāng)V2飽和導(dǎo)通，C4開(kāi)始放電，而C2仍然通過(guò)R3繼續(xù)充電，最終C2的電壓超過(guò)C4電壓，程控單結(jié)晶體管V4導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖產(chǎn)生，C2、C4迅速放電。圖5驗(yàn)證了脈沖觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)。軟起動(dòng)波形如圖6所示，圖中的1表示濾波電容C7的充電波形(圖中為其反相波形)，2表示觸發(fā)脈沖波形。由于采樣頻率的問(wèn)題，脈沖波形顯得失真，但并不妨礙考察充電波形與觸發(fā)脈沖的時(shí)間順序。C7的電壓首先以指數(shù)規(guī)律上升，即處于軟起動(dòng)充電狀態(tài)，由于電流檢測(cè)與切換判決電路及濾波電容電壓檢測(cè)電路構(gòu)成電路安全的雙保險(xiǎn)，經(jīng)過(guò)約1.25 s，觸發(fā)脈沖產(chǎn)生，切換到三相橋式整流串聯(lián)晶閘管電路，在切換前有約30V的壓差，方案保證了切換的安全性。由上述波形及其分析可知，本軟起動(dòng)方案是切實(shí)有效的。

圖4 觸發(fā)脈沖

5 結(jié)論

提出的高可靠軟起動(dòng)方案通過(guò)電流檢測(cè)與切換判決電路及濾波電容電壓檢測(cè)電路構(gòu)成電路安全的雙保險(xiǎn)，可靠地保證了只有在濾波電容電壓上升到合理的值時(shí)才會(huì)發(fā)生充電電路的切換，彌補(bǔ)了現(xiàn)有軟起動(dòng)電路可靠性不足的缺點(diǎn)。另外，在實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)方案的過(guò)程中，提出了一種新型的張弛振蕩電路，具有一定的參考作用。

圖5 電容C2、C4波形

圖6 軟起動(dòng)波形

[1]周志敏，周紀(jì)海.開(kāi)關(guān)電源軟起動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電源世界，2004(12)：39-45.

[2]田龍中，李衛(wèi)東.電源模塊輸入軟起動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2002(8)：25-27.

[3]王延安，肖登明.基于DSP控制的大功率開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)方法[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009(22)：7.

Highly reliable soft-start scheme for welding power supply and its implementation

DU Ru-quan，WANG Jian，TIAN Lian-fang
(College of Automation Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China)

There is a soft-start problem for welding power supply，because it contains a rectifier with a large capacitive load.The current schemes are not good enough on reliability.Aiming at fixing the defects of the current ones，this article presents a new soft-start scheme with high reliability.The composition of the soft-start scheme and how they work together are shown in detail.A circuit is designed to implement the scheme.The principle of the major parts of the circuit is discussed fully.According to the circuit designed, the experimental platform is built to verify the effectiveness of the soft-start scheme.Finally，on the basis of some key waveforms of the circuit，the effectiveness of the scheme has been proved.

welding power supply；soft-start；programmable unijunction transistor

TG434.1

A

1001-2303(2011)09-0072-04

2011-03-15

廣東省高等學(xué)校學(xué)科與專(zhuān)業(yè)建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(粵教科函[2010]119號(hào))；廣東省科技重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2009A080305004)；廣東省廣州市番禺區(qū)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009-Z-39-1)；廣東省廣州市番禺區(qū)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010-專(zhuān)-12-04)

杜汝全(1986—)，男，廣東高要人，在讀碩士，主要從事大功率開(kāi)關(guān)電源方面的研究工作。