一種數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)

劉洪柳，　付　虹，　范佳春

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春　130012)

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一種數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)

劉洪柳，付虹，范佳春*

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春130012)

摘要：以P89LPC933為主控芯片，利用Beckhoff系列產(chǎn)品模塊作為操作界面，以IGBT為核心逆變器件，開(kāi)發(fā)了工作頻率為20kHz的數(shù)字化逆變焊接電源系統(tǒng)。進(jìn)行了電源焊接工藝實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了電源的暫載率、主要工作波形，分析測(cè)試結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)合乎標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：P89LPC933； 數(shù)字化；PWM

0引言

傳統(tǒng)的逆變焊接電源雖然已經(jīng)受到人們廣泛的青睞，但是由于它自身存在著比較多的不足，已不能滿(mǎn)足時(shí)代的需求。數(shù)字化逆變焊接電源是一種采用數(shù)字信號(hào)來(lái)完成焊接工藝閉環(huán)控制的新興技術(shù)，它克服了傳統(tǒng)的逆變電源動(dòng)特性不夠理想、控制柔性差的缺點(diǎn)，已經(jīng)成為未來(lái)焊接電源發(fā)展的趨勢(shì)[1]。

1電源主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1電源的主控系統(tǒng)

本課題所研究的數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理能力，整個(gè)系統(tǒng)的控制精度高、輸出穩(wěn)定性好，可以實(shí)現(xiàn)多輸出特性，它的柔性化控制可以適應(yīng)不同焊接方式的要求，主控系統(tǒng)完成數(shù)字化利于整機(jī)升級(jí)和與其他設(shè)備銜接，電源主控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　電源的主控系統(tǒng)框圖

圖中通過(guò)霍爾傳感器從逆變整流后的直流輸出端取出反饋信號(hào)，經(jīng)過(guò)采樣調(diào)理電路處理后，一路送入倍?？刂破鞴╋@示，一路送入P89LPC933為系統(tǒng)提供保護(hù)，一路送入TL494作為PWM控制的反饋信號(hào)。用戶(hù)通過(guò)設(shè)定倍福控制器產(chǎn)生輸出給定值，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換、濾波等處理后送到TL494，用來(lái)控制PWM的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)焊接電流的恒流控制和電流的幅值調(diào)節(jié)。主控系統(tǒng)設(shè)有過(guò)流、欠壓、過(guò)壓、過(guò)熱等保護(hù)電路，當(dāng)電源系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí),P89LPC933通過(guò)關(guān)斷TL494來(lái)關(guān)斷IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而保護(hù)電源系統(tǒng)[2]。P89LPC933最小控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2P89LPC933最小控制系統(tǒng)

本電源系統(tǒng)的控制芯片采用的是具有高性能處理器結(jié)構(gòu)的P89LPC933單片機(jī)，它的處理能力是標(biāo)準(zhǔn)的80C51器件的6倍，內(nèi)部集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，指令執(zhí)行時(shí)間只需2～4個(gè)時(shí)鐘周期。P89LPC933主要負(fù)責(zé)電源的各種雜項(xiàng)保護(hù)控制，并為倍?？刂破魈峁╋@示信息。

1.2PWM控制電路設(shè)計(jì)

考慮到電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性因素，文中設(shè)計(jì)的PWM發(fā)生電路采用TI公司推出的電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制控制集成電路TL494單獨(dú)完成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開(kāi)關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開(kāi)關(guān)電源中[3]。以TL494為核心的PWM控制電路如圖4所示。

圖3　TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖4　以TL494為核心的PWM控制電路

1.3采樣電路設(shè)計(jì)

采樣電路的作用是將焊接電源輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，變?yōu)榭晒┛刂菩酒R(shí)別和處理的信號(hào)。一般采用三種方式取樣：直接取樣、線(xiàn)性光耦隔離取樣、霍爾傳感取樣[4]。

1.3.1直接取樣

通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻分壓把輸出的實(shí)時(shí)電弧電壓采樣后送給控制中心。

1.3.2線(xiàn)性光耦隔離取樣

將焊接電壓分壓后由線(xiàn)性光耦隔離傳遞電壓信號(hào)。

1.3.3霍爾傳感器取樣

霍爾器件的輸出電壓與磁場(chǎng)的變化有良好的線(xiàn)性關(guān)系，將霍爾器件放在被檢測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，霍爾器件的輸出電壓直接反映被測(cè)信號(hào)電壓，由此電壓值來(lái)標(biāo)定原邊被測(cè)電流的大小。具體電路如圖5所示。

圖5電流采樣電路

2系統(tǒng)主要功率器件的計(jì)算與選擇

2.1逆變IGBT的計(jì)算

IGBT是逆變焊接電源中最重要的開(kāi)關(guān)器件，為了使電源系統(tǒng)更加穩(wěn)定，性能更加優(yōu)異，選擇與電源系統(tǒng)參數(shù)相匹配的IGBT至關(guān)重要[5]。IGBT的計(jì)算方法如下。

2.1.1額定電壓Ucep

由于本電源添加了功率因數(shù)校正系統(tǒng)，可以為IGBT提供穩(wěn)定在400V的輸入電壓，則IGBT關(guān)斷時(shí)的峰值電壓為：

式中：1.15----過(guò)壓系數(shù);

150----尖峰電壓；

α----安全系數(shù),取1.1。

考慮到裕量，實(shí)際取Ucep=1 200V。

2.1.2額定電流Ic的選擇

在25 ℃的條件下：

式中：I----中頻變壓器原邊電流,取25A；

1.5----過(guò)載容量系數(shù)；

1.4----額定電流減小系數(shù)。

考慮到裕量，實(shí)際取Ic=100A。

綜上所述，可選用西門(mén)康公司的額定電壓1 200V，額定電流100A的SKM75GB128D模塊。

2.2中頻變壓器的設(shè)計(jì)

中頻變壓器的性能是由磁芯材料及繞制工藝決定的，它是主電路中重要的磁性元件之一，其參數(shù)的設(shè)計(jì)直接影響著逆變器的工作狀態(tài)。然而市場(chǎng)上有各種各樣的磁芯材料。文中選擇電阻率高、溫度系數(shù)小、矯頑力小、損耗小的微晶材料作為變壓器的磁芯,磁芯形狀為環(huán)形磁芯，以減小變壓器漏感[6]。

2.2.1原副邊的變比

中頻變壓器原、副邊的變比的確定直接影響到變壓器的效率，合適的變比對(duì)于減小電路中元器件的損耗有著很大的作用。為了得到所需求的輸出電壓，變壓器的變比應(yīng)按照輸入電壓為最低的值時(shí)來(lái)選擇。通過(guò)下式計(jì)算次級(jí)電壓的最小值：

式中：UD----整流二極管的通態(tài)壓降,取0.7V；

UL----輸出濾波電感上的直流壓降,取0.5V；

Uo(max)----輸出最大空載電壓值。

本設(shè)計(jì)電源的空載電壓為51V，即Uo(max)=51V，取Dmax=0.88，則算得

Usec(min)=59.3 V

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)PFC校正后的直流電壓Uin=400V，故變壓器的變比為：

所以實(shí)際取K=7。

2.2.2原邊與副邊匝數(shù)

選用Fe-B基微晶材料作為變壓器磁芯。其中：

則副邊匝數(shù)Wsec可由下式?jīng)Q定：

式中：Ae----磁芯的有效導(dǎo)磁截面積；

fs----工作頻率,Hz；

Bm----磁感應(yīng)強(qiáng)度,T。

根據(jù)副邊匝數(shù)和變比，取Wsec=3,可計(jì)算原邊匝數(shù)為：

Wp=Wsec×K=3×7=21

即副邊匝數(shù)為3匝，原邊匝數(shù)為21匝。

2.3快速恢復(fù)二極管的計(jì)算

作為系統(tǒng)輸出端的快速恢復(fù)二極管，它是一種開(kāi)關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短的半導(dǎo)體二極管，在開(kāi)關(guān)電源中，主要是用于高頻整流。輸出整流二極管的選擇主要考慮額定電流和承受最大反向電壓兩個(gè)參數(shù)。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的快速恢復(fù)二極管的額定電流為：

I2N=0.5Io=0.5×200=100

式中：Io----電源輸出最大電流，200A。

快速恢復(fù)二極管承受最大反向電壓：

式中：Umax----IGBT承受的最大穩(wěn)態(tài)電壓，1 200 V；

n----變壓器變比。

考慮安全余量，選擇最大反向電壓600 V，額定電流120 A的DWM2F60N060的快速恢復(fù)二極管。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1電源暫載率測(cè)試

暫載率也叫負(fù)載持續(xù)率，是指此設(shè)備能夠滿(mǎn)載工作時(shí)間的比率；是焊接電源的一個(gè)重要性能指標(biāo)[7]。暫載率表達(dá)式如下：

式中：tw----工作時(shí)間；

ts----停息時(shí)間。

暫載率測(cè)試條件：工作電流：200A，工作電壓 18V，100%暫載率，室溫25 ℃，每隔10min采集一組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　100%暫載率下主要元器件溫度　 ℃

主要元器件溫度如圖6所示。

圖6　主要元器件溫度

由圖6可以看出，在100%暫載率的條件下，電源連續(xù)工作2 h，各主要元器件沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)熱燒毀的情況，電源可以正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)合理。

3.2電源主要波形測(cè)試

電源波形的好壞直接關(guān)系到電源的焊接性能，下面對(duì)電源主要部分的波形進(jìn)行了測(cè)試。輸出電流100 A，電壓14 V的情況下各處波形測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7　IGBT驅(qū)動(dòng)PWM波形

由圖7可以看出,IGBT電壓上升沿和下降沿都沒(méi)有明顯的寄生振蕩產(chǎn)生，但是由于功率變壓器初級(jí)無(wú)吸收電路，變壓器漏感、導(dǎo)線(xiàn)電感與IGBT模塊寄生電容之間的高頻諧振必然發(fā)生[8]。

主變?cè)边呺妷翰ㄐ稳鐖D8所示。

圖8　主變?cè)边呺妷翰ㄐ?/p>

通過(guò)變壓器的功率傳遞，將電流送往快速恢復(fù)二極管進(jìn)行整流。圖中變壓器波形的尖峰很小，對(duì)焊接質(zhì)量沒(méi)有過(guò)大影響，符合設(shè)計(jì)要求。

快速恢復(fù)二極管輸入和輸出的電壓波形如圖9所示。

圖9　快速恢復(fù)二極管輸入和輸出的電壓波形

從變壓器副邊出來(lái)的電流經(jīng)過(guò)快速恢復(fù)二極管的高頻整流，變?yōu)橄鄬?duì)平滑的方波直流電流，送入濾波電感進(jìn)一步整流。

負(fù)載輸出波形如圖10所示。

為了測(cè)量安全和防止過(guò)多的雜波，測(cè)量端選在經(jīng)過(guò)濾波措施的反饋電路。從圖10可以看出，輸出的電流波形比較平整，基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目的。

圖10　負(fù)載輸出電流波形

4結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了逆變焊接電源系統(tǒng)，計(jì)算并選取了IGBT和中頻變壓器的參數(shù)和型號(hào)，系統(tǒng)采用P89LPC933為主控芯片，完成了焊接電流、弧壓采樣電路以及各項(xiàng)雜項(xiàng)保護(hù)電路等硬件設(shè)計(jì)。利用PWM控制模式完成逆變電源的功率調(diào)節(jié)，對(duì)電源進(jìn)行了焊接工藝實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，測(cè)試了電源的暫載率、主要工作波形、功率等。實(shí)驗(yàn)表明，該數(shù)字化焊接電源高效節(jié)能、工作穩(wěn)定、性能可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]張健.基于DSP的大功率逆變焊接電源的研究[D].無(wú)錫:江南大學(xué)，2009.

[2]陳曉峰.多功能數(shù)字化焊機(jī)智能控制[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[3]Chris Iannello, Shiguo Luo, Issa Batarh. Small-signal and transient analysis of a full-bridge, zero-current-switched PWM converter using an average model[J]. IEEE Trans. Power Electron，2003(18):793-801.

[4]王福生.霍爾電流傳感器在電焊機(jī)中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2007,37(5):1-5.

[5]王軍波，孫振國(guó)．半橋式IGBT逆變焊接電源輸出容量計(jì)算及變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2000(12):16-19.

[6]Palan P K, Murugan N. Selection of parameters of pulsed current gas metal arc welding[J]. Journal of Materials Processing Technology，2006,172(1):1-10.

[7]何建萍,張春波,吳毅雄，等.數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)特征及分析[J].焊接技術(shù)，2003,32(6):24-28.

[8]方臣富，俞加俊．VPTIG焊接電流參數(shù)對(duì)電弧形態(tài)及焊接質(zhì)量的影響[J]．焊接學(xué)報(bào)，2007，28(12):21-23.

DigitalweldingpowersourcesystembasedonP89LPC933

LIUHongliu,FUHong，F(xiàn)ANJiachun*

(SchoolofElectrical&ElectronicEngineering,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：WithP89LPC933asmaincontrolchip,BeckhoffmoduleasinterfaceandIGBTasinverter,wedevelopadigitalinvertedweldingpowersourceworkingat20kHz.Theweldingtechniqueexperimentforthepowersuppliesiscarriedout,andtheresultsshowthatthetemporaryloadrateandoperationcurvesmeettheneedsofstandardrule.

Keywords：P89LPC933；digital；PWM.

收稿日期：2015-10-18

基金項(xiàng)目：吉林省科技廳重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目(20130206029GX)

作者簡(jiǎn)介：劉洪柳(1987-)，男，漢族，吉林農(nóng)安人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事測(cè)試技術(shù)和智能系統(tǒng)方向研究,E-mail:Even0128@163.com. *通訊作者：范佳春(1987-)，男，漢族，黑龍江集賢人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事測(cè)試技術(shù)和智能系統(tǒng)方向研究,E-mail:fanjiachunkeji@163.com.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.3.17

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1374(2016)03-0292-06