一種數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)

劉洪柳，　付　虹，　范佳春

(長春工業(yè)大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春　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*

(長春工業(yè)大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春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，開發(fā)了工作頻率為20kHz的數(shù)字化逆變焊接電源系統(tǒng)。進行了電源焊接工藝實驗，測試了電源的暫載率、主要工作波形，分析測試結(jié)果表明,所設(shè)計的系統(tǒng)合乎標準。

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，已不能滿足時代的需求。數(shù)字化逆變焊接電源是一種采用數(shù)字信號來完成焊接工藝閉環(huán)控制的新興技術(shù)，它克服了傳統(tǒng)的逆變電源動特性不夠理想、控制柔性差的缺點，已經(jīng)成為未來焊接電源發(fā)展的趨勢[1]。

1電源主要系統(tǒng)設(shè)計

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)具有強大的數(shù)據(jù)運算與處理能力，整個系統(tǒng)的控制精度高、輸出穩(wěn)定性好，可以實現(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)字化利于整機升級和與其他設(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

圖中通過霍爾傳感器從逆變整流后的直流輸出端取出反饋信號，經(jīng)過采樣調(diào)理電路處理后，一路送入倍福控制器供顯示，一路送入P89LPC933為系統(tǒng)提供保護，一路送入TL494作為PWM控制的反饋信號。用戶通過設(shè)定倍福控制器產(chǎn)生輸出給定值，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換、濾波等處理后送到TL494，用來控制PWM的產(chǎn)生，實現(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)有過流、欠壓、過壓、過熱等保護電路，當電源系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時,P89LPC933通過關(guān)斷TL494來關(guān)斷IGBT的驅(qū)動信號，進而保護電源系統(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，它的處理能力是標準的80C51器件的6倍，內(nèi)部集成了許多系統(tǒng)級的功能，指令執(zhí)行時間只需2～4個時鐘周期。P89LPC933主要負責電源的各種雜項保護控制，并為倍福控制器提供顯示信息。

1.2PWM控制電路設(shè)計

考慮到電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性因素，文中設(shè)計的PWM發(fā)生電路采用TI公司推出的電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制控制集成電路TL494單獨完成，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

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

1.3.1直接取樣

通過簡單的電阻分壓把輸出的實時電弧電壓采樣后送給控制中心。

1.3.2線性光耦隔離取樣

將焊接電壓分壓后由線性光耦隔離傳遞電壓信號。

1.3.3霍爾傳感器取樣

霍爾器件的輸出電壓與磁場的變化有良好的線性關(guān)系，將霍爾器件放在被檢測電流產(chǎn)生的磁場中，霍爾器件的輸出電壓直接反映被測信號電壓，由此電壓值來標定原邊被測電流的大小。具體電路如圖5所示。

圖5電流采樣電路

2系統(tǒng)主要功率器件的計算與選擇

2.1逆變IGBT的計算

IGBT是逆變焊接電源中最重要的開關(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)斷時的峰值電壓為：

式中：1.15----過壓系數(shù);

150----尖峰電壓；

α----安全系數(shù),取1.1。

考慮到裕量，實際取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----過載容量系數(shù)；

1.4----額定電流減小系數(shù)。

考慮到裕量，實際取Ic=100A。

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

2.2中頻變壓器的設(shè)計

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)計直接影響著逆變器的工作狀態(tài)。然而市場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來選擇。通過下式計算次級電壓的最小值：

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PFC校正后的直流電壓Uin=400V，故變壓器的變比為：

所以實際取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)強度,T。

根據(jù)副邊匝數(shù)和變比，取Wsec=3,可計算原邊匝數(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)二極管的計算

作為系統(tǒng)輸出端的快速恢復(fù)二極管，它是一種開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時間短的半導(dǎo)體二極管，在開關(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參數(shù)。本系統(tǒng)中設(shè)計的快速恢復(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實驗結(jié)果分析

3.1電源暫載率測試

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

式中：tw----工作時間；

ts----停息時間。

暫載率測試條件：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)。實驗數(shù)據(jù)見表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，各主要元器件沒有出現(xiàn)過熱燒毀的情況，電源可以正常運行，設(shè)計合理。

3.2電源主要波形測試

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

圖7　IGBT驅(qū)動PWM波形

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

主變原副邊電壓波形如圖8所示。

圖8　主變原副邊電壓波形

通過變壓器的功率傳遞，將電流送往快速恢復(fù)二極管進行整流。圖中變壓器波形的尖峰很小，對焊接質(zhì)量沒有過大影響，符合設(shè)計要求。

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

從變壓器副邊出來的電流經(jīng)過快速恢復(fù)二極管的高頻整流，變?yōu)橄鄬ζ交姆讲ㄖ绷麟娏鳎腿霝V波電感進一步整流。

負載輸出波形如圖10所示。

為了測量安全和防止過多的雜波，測量端選在經(jīng)過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，基本滿足設(shè)計目的。

圖10　負載輸出電流波形

4結(jié)語

設(shè)計了逆變焊接電源系統(tǒng)，計算并選取了IGBT和中頻變壓器的參數(shù)和型號，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雜項保護電路等硬件設(shè)計。利用PWM控制模式完成逆變電源的功率調(diào)節(jié)，對電源進行了焊接工藝實驗，并對實驗結(jié)果進行了分析，測試了電源的暫載率、主要工作波形、功率等。實驗表明，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：

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[5]王軍波，孫振國．半橋式IGBT逆變焊接電源輸出容量計算及變壓器參數(shù)設(shè)計[J].電焊機，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.

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[8]方臣富，俞加俊．VPTIG焊接電流參數(shù)對電弧形態(tài)及焊接質(zhì)量的影響[J]．焊接學報，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

基金項目：吉林省科技廳重點攻關(guān)項目(20130206029GX)

作者簡介：劉洪柳(1987-)，男，漢族，吉林農(nóng)安人，長春工業(yè)大學碩士研究生，主要從事測試技術(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，長春工業(yè)大學碩士研究生，主要從事測試技術(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

中圖分類號：TP23

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1374(2016)03-0292-06