可調(diào)式數(shù)字化電焊機(jī)節(jié)能研究

封發(fā)勇，吳文浩，吳 艦

(貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550014)

電焊機(jī)被列為中國(guó)十二大耗能設(shè)備之一，他是一種常用的低壓電氣設(shè)備，其在建筑、冶金、機(jī)械制造等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，其每年要消耗全國(guó)發(fā)電量的0.5%左右。在電焊機(jī)行業(yè)，由于加入了逆變技術(shù)，弧焊逆變器的運(yùn)用，使得電焊機(jī)在焊接性能、頻率響應(yīng)、動(dòng)態(tài)特性方面都有所提高，同時(shí)使其在焊接方面更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，電焊機(jī)重量更輕、體積更小、功率因數(shù)更高等?；『改孀兤鞯饺缃裨陔姾笝C(jī)領(lǐng)域運(yùn)用比較廣泛，但逆變焊機(jī)在焊接過程中同樣存在下列問題:逆變電焊機(jī)二次側(cè)空載電壓一般都在70 V～80 V 之間，而人類的安全電壓為36 V;副邊空載電壓已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安全電壓，故易造成人員傷亡，弧焊變壓器工作方式為斷續(xù)工作，其空載時(shí)間較長(zhǎng)，因而使得弧焊變壓器的功率大，存在空載損耗。

可調(diào)式數(shù)字化電焊機(jī)以AT89C51 作為微處理器的控制核心，電路以220/380 V 作為電源為電焊機(jī)提供能源，經(jīng)過整流濾波，逆變電路，變壓器，整流濾波得到最后輸出電源;電路為節(jié)約焊機(jī)在空載運(yùn)行下的損耗，在首個(gè)整流器后并聯(lián)一個(gè)儲(chǔ)能器(充電電容)，儲(chǔ)能器為散熱器提供所需要的電能;電路的開關(guān)以繼電器為主，繼電器通過單片機(jī)對(duì)IGBT 的通斷選通控制，漏電模塊M54123 通過微處理器對(duì)漏電進(jìn)行保護(hù)，負(fù)極導(dǎo)線上進(jìn)行電流檢測(cè)，將信號(hào)反饋給微處理器實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)，M54123 傳感器對(duì)整個(gè)電焊機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控;在空載運(yùn)行時(shí)通過充電電容的充放電實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的補(bǔ)償。溫度檢測(cè)模塊利用DSl8B20 傳感器測(cè)量，通過紅燈的顯示方式提示溫度是否過高。利用電壓互感器和電流互感器分別檢測(cè)輸出端電壓值和電流值，并通過顯示模塊顯示出來。系統(tǒng)主電路及控制回路原理圖如圖1 所示。

圖1 電焊機(jī)工作原理圖

1 系統(tǒng)各模塊工作原理

1.1 逆變主電路模塊

主電路采用逆變電源，通過整流器整流、電容濾波、IGBT 逆變器、變壓器、輸出整流和濾波;通過電流調(diào)節(jié)器對(duì)變壓器后的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)不同的需求可通過顯示模塊選擇所需電流，使得電焊機(jī)可適用在除220/380 V 電壓以外的不同焊條。

直流電可由50 Hz 的交流電經(jīng)整流器整流得到。而對(duì)于單相220 V 和三相380 V 交流電，可分別采用單相橋式和三相橋式整流得到。對(duì)于器件的電壓等級(jí)，考慮瞬間電壓的沖擊，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)最大的波動(dòng)范圍為±20%和逆變弧焊電源本身不是一個(gè)純阻性負(fù)載因素。因此.對(duì)于三相380 V 交流輸入電壓，三相整流橋式模塊的電壓等級(jí)為1 200 V，而對(duì)于單相220 V 交流輸入電壓，單相整流橋式模塊的電壓等級(jí)為800 V。器件的平均輸出電流，一般要有1.5～2 倍的安全系數(shù)，器件的電壓安全系數(shù)一般為2.5～3 倍。電路采用中心抽頭全波整流方式，通過輸出整流器將中頻變壓器輸出為20 kHz 方波電壓變成脈動(dòng)直流電壓，由于在整流過程中其電壓頻率較高，故在整流中二極管選擇方面選擇恢復(fù)速度快功率大的二極管。

濾波器對(duì)輸入電壓進(jìn)行電磁干擾過濾的同時(shí)對(duì)整流后的脈動(dòng)直流進(jìn)行平滑濾波，對(duì)于單相220 V 交流電供電的焊機(jī)，由于單相整流后的脈動(dòng)紋波系數(shù)比較大，需要濾波電容的容量比較大，因此濾波電容選用2 200 μF 的電解電容器。為了使得電焊機(jī)最小焊接電流的續(xù)性同時(shí)滿足電焊機(jī)在直流弧焊方面的工藝需求，整流后的脈動(dòng)直流必須選用濾波電抗器對(duì)其進(jìn)行濾波。

電源可選擇用220/380 V 交流電輸入，經(jīng)過整流后得到直流電壓，變壓器選擇工作在20 kHz 或更高的頻率的中頻變壓器;變壓器傳遞的是矩形交替脈沖波，其主要作用是電壓降壓、功率傳遞和實(shí)現(xiàn)輸入、輸出之間的隔離。

1.2 繼電器保護(hù)模塊

繼電器作為受控器件，利用晶閘管IGBT 的選通控制繼電器的通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與其他模塊之間的聯(lián)系。本文中選用驅(qū)動(dòng)模塊作為繼電器和AT89C51 之間的橋梁，驅(qū)動(dòng)電路的作用是將控制電路的脈沖放大到足以驅(qū)動(dòng)開關(guān)功率管，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電位隔離。因IGBT 的開關(guān)特性受到驅(qū)動(dòng)電路性能的影響較大，所以在驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，采用前后沿很陡的P-N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路，保證IGBT 快速開通和關(guān)斷，減少開關(guān)損耗，使IGBT 工作在安全區(qū)內(nèi)。

繼電器與主回路，主電路設(shè)置有啟動(dòng)、停止開關(guān);按下啟動(dòng)按鈕，主回路得電，電路工作;按下停止按鈕，電路斷開;當(dāng)電流互感器檢測(cè)到電焊機(jī)工作處于空載狀態(tài)時(shí)，繼電器工作，使主回路向儲(chǔ)能器充電，充電過程由主回路為散熱器提供所需電能，儲(chǔ)能器為散熱器和輔助電源提供所需電能，當(dāng)檢測(cè)到電能不足時(shí)，切換電源供電;并且通過驅(qū)動(dòng)電路向逆變電路實(shí)現(xiàn)PWM 脈沖調(diào)節(jié)，使焊機(jī)在較小損耗下空載運(yùn)行;當(dāng)電路中電壓電流發(fā)生異常狀態(tài)(漏電、線路短路等)控制繼電器回路中的IGBT 使電路斷電。

1.3 漏電檢測(cè)模塊

電焊機(jī)使用環(huán)境一般為露天環(huán)境，因?yàn)殚L(zhǎng)期的日曬、雨淋、受潮等因素使得其絕緣性能下降，機(jī)殼漏電。另外，在出線端口的兩條引線，長(zhǎng)時(shí)間受外界條件的影響，會(huì)出現(xiàn)不同程度的影響，發(fā)生漏電傷人事故。

本文采用的漏電保護(hù)電路為M54123 電路，M54123 電路是由一個(gè)鎖存器、電壓調(diào)整器和一個(gè)差分放大器構(gòu)成。其差分放大器的輸入端與檢測(cè)漏電流ZCT 的次級(jí)相連。反饋信號(hào)通過被差分放大器和電容放大積分過后發(fā)送到鎖存器的輸入端。因鎖存器的輸出有漏電保護(hù)特性，當(dāng)輸入電壓小于規(guī)定值時(shí)，鎖存器為低同時(shí)保持狀態(tài)。而當(dāng)漏電流過高超過了規(guī)定值范圍，其輸出端會(huì)使連接的可控硅驅(qū)動(dòng)。同時(shí)因輸出是作為PWM 信號(hào)向單片機(jī)傳輸，這樣更好的為驅(qū)動(dòng)模塊提供了電焊機(jī)所需要的控制信號(hào)。

圖2 M54123 漏電傳感器內(nèi)部原理圖

1.4 溫度檢測(cè)模塊

DSl8B20 溫度傳感器是一種新型單總線數(shù)字式溫度傳感器，因其擁有良好的特性被運(yùn)用于很多領(lǐng)域。比如:工業(yè)制造、科學(xué)研究、氣象觀測(cè)、日常生活等等。它結(jié)合了A/D轉(zhuǎn)換和溫度測(cè)量。不但信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，同時(shí)還能之間輸出數(shù)字量，這使得在測(cè)量方面非常方便，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，同時(shí)它還擁有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗等特點(diǎn)。

其測(cè)量范圍在－55 ℃～+125 ℃、－10 ℃～+85 ℃之內(nèi)，測(cè)量精度可達(dá)±0.5 ℃，穩(wěn)定度為1%。通過編程可實(shí)現(xiàn)9、10、11、12 位的分辨率讀出溫度數(shù)據(jù)，因此對(duì)應(yīng)的溫度量化值分別為0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃、0.062 5 ℃，芯片出廠時(shí)默認(rèn)為12 位的轉(zhuǎn)換精度。引腳的功能:GND 為電壓地;DQ 為單數(shù)據(jù)總線;VDD 為電源電壓;NC 為空引腳。

當(dāng)DS18B20 傳感器檢測(cè)到的溫度高于單片機(jī)中的設(shè)定值時(shí)，通過紅燈的顯示做出報(bào)警提示，并使散熱器工作在主回路中，散熱器工作在儲(chǔ)能器的功率小于主回路提供電源，使得傳感器感應(yīng)到電焊機(jī)溫度過高時(shí)切換為主電路供電，能夠在更高效率下維持電焊機(jī)的溫度。

1.5 散熱模塊及顯示模塊

使用高可靠的直流風(fēng)機(jī)。轉(zhuǎn)速快，風(fēng)力強(qiáng)勁，散熱效率是交流風(fēng)機(jī)的1.5 倍。用于在電焊機(jī)和儲(chǔ)能器之間進(jìn)行交換，達(dá)到在不同的工作狀態(tài)下的節(jié)能高效率工作;電流互感器和電壓互感器檢測(cè)到的電流電壓值通過數(shù)碼管進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，為電流的調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文提出用AT89C51 對(duì)IGBT 的控制，進(jìn)而將不同的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，通過PWM 控制回路功率大小，使得在空載運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，并通過電壓、電流的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制。M54123 傳感器對(duì)電焊機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，讓電焊機(jī)更加安全可靠。

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