逆變弧焊電源中電子電抗器應(yīng)用分析

逆變弧焊電源中電子電抗器應(yīng)用分析

羅云萌1，張城2

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2.川慶鉆探工程有限公司，四川 成都 610051)

ResearchofElectronicInductorinInverterArcWeldingPowerSource

LUOYunmeng1，ZHANG Cheng2

(1.ShaanxiRailwayInstitute，Weinan714000，China；2.CNPCChuanqingDrillingEngineering

CompanyLimited，Chengdu610051，China)

摘要：針對(duì)逆變CO2焊機(jī)，設(shè)計(jì)了一種雙閉環(huán)控制的電子電抗器。內(nèi)環(huán)為電流負(fù)反饋，外環(huán)為電壓負(fù)反饋，并分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)電流和電壓，二者之間串級(jí)連接。實(shí)驗(yàn)表明，該電子電抗器控制的逆變CO2焊機(jī)波形調(diào)節(jié)性能好，不僅解決了物理電抗器體積笨重、不易調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，更有效地減小了焊接飛濺，改善了焊縫成形。

關(guān)鍵詞：逆變弧焊電源；物理電抗器；電子電抗器

中圖分類號(hào)：TG434.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)04-0047-03

收稿日期：2014-11-17

作者簡(jiǎn)介：羅云萌(1987-)，男，陜西渭南人，碩士研究生，助教，主要研究方向?yàn)楹附与娫础?/p>

Abstract：In this paper， designed a new electronic inductor which is double closed-loop control for inverter CO2 welding. Inner loop was the feedback of current， outer loop was the feedback of voltage. An adjuster was designed to adjust current and voltage respectively， which connected each other in series. The experiment suggested this inverter CO2 welding supply controlled with electronic inductor has good capability of adjusting; little sputtering and fine weld formation.

Keywords：inverterarcweldingpowersource;physicsreactor;electronicinductor

0引言

CO2焊機(jī)由于其生產(chǎn)效率高，焊接變形小，焊縫中含氫量少等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。但在使用過程中，由于CO2氣體熱物理性能的特殊影響，使用常規(guī)焊接電源時(shí)，焊絲端頭熔化金屬不可能形成平衡的軸向自由過渡，通常為短路過渡，與其他焊自由過渡相比，飛濺較多、成型較差，這些缺點(diǎn)也限制了其進(jìn)一步推廣。以往的焊機(jī)采用輸出端串聯(lián)鐵磁電感這種方式，來控制電流的上升或下降，但是其體積大、可調(diào)性差，不利于推廣。

整流式CO2焊機(jī)大多采用三相整流電路，其工作頻率僅為300 Hz，與短路過渡頻率相近，所以對(duì)短路過程難以精確控制。而逆變CO2焊機(jī)的工作頻率為20 kHz左右，其工作周期為50 μs左右，動(dòng)特性的調(diào)節(jié)不再依靠回路中的電感，而采用調(diào)節(jié)逆變器的占空比來完成，這樣就可以很容易獲得所需要的電源動(dòng)特性，也提高了電源對(duì)負(fù)載瞬變的反應(yīng)能力。在此，設(shè)計(jì)了一種電子電抗器，對(duì)輸出電流波形進(jìn)行控制。

1總體控制方案

電子電抗器系統(tǒng)采用電流和電壓雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，其工作原理如圖1所示。系統(tǒng)內(nèi)環(huán)為電流負(fù)反饋環(huán)，外環(huán)為電壓負(fù)反饋環(huán)，并分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)電流和電壓，二者之間串級(jí)連接。電壓調(diào)節(jié)器的輸出(Ig)當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，然后用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM的輸出，進(jìn)而控制逆變器的輸出。

圖1　電子電抗器工作原理

2控制原理分析

電子電抗器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖如圖2所示。圖2中，Ug為給定電壓值；K2為電壓環(huán)放大倍數(shù)；T為積分時(shí)間常數(shù)；K1為電流環(huán)放大倍數(shù)；A為主電路放大倍數(shù)；R為輸出回路電阻及電弧等效電阻；Io為輸出電流；Uo為輸出電壓；m為電流反饋系數(shù)；n為電壓反饋系數(shù)。

圖2　電子電抗器傳遞函數(shù)框圖

電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)為比例環(huán)節(jié)，電子電抗器也設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)單的積分環(huán)節(jié)，具體按實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況再進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。對(duì)于內(nèi)環(huán)來講，其傳遞函數(shù)為：

(1)

(2)

從式(2)可以看出，此環(huán)節(jié)為比例環(huán)節(jié)，僅對(duì)輸入信號(hào)Ig起到比例放大作用。那么整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

(3)

(4)

(5)

由式(5)可知，在控制系統(tǒng)中串入了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，可以得到和串聯(lián)物理電抗器式焊機(jī)形式完全相同的傳遞函數(shù)。適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)參數(shù)，可以使它們的動(dòng)態(tài)性能完全相同，這就是電子電抗器的控制原理。再進(jìn)一步得到電流的表達(dá)式：

(6)

上式表明，系統(tǒng)為慣性環(huán)節(jié)，改變時(shí)間常數(shù)就可以改變電流的上升率和下降率。它的作用就如同調(diào)整串聯(lián)在焊接回路的直流電抗器的電感量。

3電子電抗器電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，將電壓調(diào)節(jié)器先設(shè)計(jì)為比例(P)調(diào)節(jié)器。P調(diào)節(jié)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)增益可調(diào)的放大器，只改變信號(hào)的增益而不影響其相位。

圖3　電子電抗器電路

加大控制器的增益可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減少系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但是會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，甚至造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此增加一個(gè)積分(I)環(huán)節(jié)構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，積分控制器可以提高系統(tǒng)的無差度，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能提高。合理設(shè)置參數(shù)可以改善單純采用P調(diào)節(jié)器帶來的穩(wěn)態(tài)性能的降低。其傳遞函數(shù)為：

(7)

KP主要影響響應(yīng)速度，KP越大，響應(yīng)越快，但是太大會(huì)引起較大的超調(diào)、振蕩、甚至不穩(wěn)定。KP增加則超調(diào)增加，反之亦然。TI主要影響靜態(tài)精度，消除靜差。穩(wěn)態(tài)時(shí)，TI越大，靜態(tài)精度越高，消除靜差越快，但是積分控制作用太強(qiáng)會(huì)使動(dòng)態(tài)性能變差。TI增加則超調(diào)下降，反之亦然；TI減小則穩(wěn)態(tài)性下降，反之亦然。由于積分環(huán)節(jié)是臨界不穩(wěn)定環(huán)節(jié)，實(shí)際上采用一階慣性環(huán)節(jié)來代替。電流調(diào)節(jié)器也設(shè)計(jì)為一個(gè)比例環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)組成。為了保證內(nèi)環(huán)較強(qiáng)的隨動(dòng)能力，將積分時(shí)間常數(shù)TI設(shè)計(jì)得很小，完全可以忽略。

對(duì)于由R，R6，C2組成的充放電網(wǎng)絡(luò)，其傳遞函數(shù)為：

(8)

變換到時(shí)域：

(9)

可見輸出是按照底數(shù)為歐拉數(shù)e的指數(shù)規(guī)律變化。在R6固定不變的情況下，改變R的值便可改變輸出值的變化。且R值越小變化的速率越大，波形越陡，反之，R值越大波形越平緩?？梢愿鶕?jù)不同的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

綜上所述，可以通過調(diào)節(jié)R值改變電子電抗器的波形變化規(guī)律，從而改變PWM波形占空比，進(jìn)而使焊機(jī)輸出隨之變化。達(dá)到了與物理電抗器一樣的控制效果。并可以按照不同的焊接情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)條件：焊絲采用金橋直徑為1.2mm焊絲；母材為A3鋼；焊接速度為0.5m/min；保護(hù)氣體為CO2；保護(hù)氣體流量為15 L/min。焊接規(guī)范采用150 A/21.5 V。面板可調(diào)電阻R取較大值進(jìn)行焊接，并測(cè)得輸出電流波形如圖4所示。此時(shí)短路頻率低電流峰值小，容易發(fā)生固體短路。適當(dāng)調(diào)小R的取值，測(cè)得波形如圖5所示，頻率達(dá)到70Hz左右，電流峰值增大，飛濺小。

圖4　R取較大值時(shí)輸出電流波形

繼續(xù)減小R的取值，測(cè)得電流波形如圖6所示，短路頻率高峰值大，飛濺大。

圖5　R取合適值時(shí)輸出電流波形

圖6　R取較小值時(shí)輸出電流波形

由圖4～圖6可以看出，調(diào)節(jié)該電子電抗器相應(yīng)的參數(shù)，可以獲得和調(diào)節(jié)物理電抗器取值一樣的效果。

5結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)物理電抗器的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了電子電抗器，并通過控制原理的分析和傳遞函數(shù)的推導(dǎo)，證明了該設(shè)計(jì)方案的理論正確性。最后通過具體實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該電子電抗器的合理性。

參考文獻(xiàn)：

[1]殷樹言.氣體保護(hù)焊工藝基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]方臣富.船舶焊接設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].電焊機(jī)，2006，36(8)：15-19.

[3]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].4版.北京：科學(xué)出版社，2001.

黃鵬飛，劉嘉，盧振洋，等.IGBT逆變式與晶閘管整流式CO2焊機(jī)工藝性能對(duì)比[J].電焊機(jī)，2003，33(4)：16-18.