新型的儲能焊機充電控制系統

張 寧

（廣州市輕工職業學校 智能控制教學部，廣州 510650）

電容器有迅速大量儲存能量的作用，又可以瞬間釋放其儲存的能量，充電和放電過程中能量損耗極少，而且電容器的使用壽命很長。因此，電容器在儲能式焊機、激光電源等方面得到了廣泛應用。近年來，人們還開發出法拉級容量的超級電容及用于動力上的高壓超大容量電容。當前，它們都面臨如何簡單、可靠、快速地對純容性電路充電的問題。

電容器和蓄電池都同樣是儲能裝置，但是它們的輸入、輸出特性截然不同，因此，給電容器的充電和給蓄電池組充電的工作狀態有著極大的差異。對于蓄電池組的充電，只要選用一個和蓄電池組電壓相近的合適電壓和一定控制措施就能實現充電過程。由于蓄電池組有一定的內阻，它在充電過程中會形成一個極化電壓，從而限制電流的無限增長，使其穩定在某一個相對恒定的水平。電容器的充電過程卻不一樣，因為電容器的端電壓不能突變，它能夠向電源吸收大量的沖擊電流，如果不加以限制，它可以使充電電源在一瞬間處在近乎短路的工作狀態。電容器只有吸收足夠的能量后，其端電壓才能上升到相應的電壓。傳統的給電容器充電的方法，有限流式和恒流式兩種方式。簡單的限流式充電能量損耗大，而恒流式充電，其結構控制較復雜。同時，這兩種充電方式所需的充電時間都比較長。

根據電容器的充放電特性和高、低電壓之間電容器的能量儲存和傳遞關系，筆者研發了一種適用于電容性負載充電的新型系統，并利用單片機技術作智能化的控制。該充電系統具有結構簡單可靠、充電快速、能量損耗少等優點。下面通過闡述該系統在低壓儲能式電焊機上的實際應用，分析和討論本充電系統的工作原理。

1 低壓儲能焊機的儲能系統和控制基理

本儲能焊機充電的原理是基于高壓儲能電容的能量直接和多次地轉換為低壓儲能電容的能量。

充電系統中的高壓電源電壓為UH，高壓儲能電容為CH，低壓儲能電容為CL，待充電壓值為UL。電容器C儲存的能量為W，其上電壓為UC，存在公式W=0.5CU2C，從中可以看出，電容器儲存的能量和電容器的容量成正比，與電容器的電壓平方成正比。假設UH=10UL，那么在相同電容量的情況下，高壓電容器CH所儲存的能量就是同等容量的低壓電容器CL的100倍?；谶@一特性，筆者利用高壓小容量電容器多次、反復向低壓大容量電容器放電來實現整個充電儲能過程。

充電過程的控制是通過單片機系統和電壓檢測比較器來實現閉環式程序控制，使小容量高壓電容器對大容量低壓電容自動多次反復充電。另外，由于可控硅體積小、無噪聲、能耗小、控制方便，因此，本機用可控硅作為充放電開關。儲能式焊機的儲能量可以達到很大，體積卻很小。在儲能焊機的儲能系統設計中，儲能電路采用二次充電方式，這樣可使儲能焊機的充電電流遠小于焊接時的放電電流，儲能電容器組輸出的工作電壓也遠小于一次充電回路的電容電壓。這樣一來，儲能式焊機工作時對電網的沖擊很小，它的特點是低電壓、大電流、噪聲小、操作安全，焊接質量穩定。

2 儲能焊機的工作原理

圖1為儲能式電焊機中儲能充電電源主回路的工作結構原理。圖中，整流電源通過抑制電感L1、可控硅SCR1向高壓電容CH充電。因為可控硅有一個電流上升率的額定值di/dt，而電容器充、放電的過程很快，為了使電流的上升率不超過可控硅di/dt的額定值而導致可控硅損壞，需加設限流抑制電感L1?？煽毓鑃CR1的觸發是利用光電耦合可控硅1PH控制觸發，而光電耦合可控硅則由單片機系統控制，這種觸發方式簡單、安全且可靠性高，觸發能力強。可控硅SCR1的關斷則是自動關斷的，即電容器CH充電完成后，充電電流小于可控硅的維持電流Iε時，可控硅即自行關斷。

圖1 儲能充電電路結構原理

在一次充電回路充電完畢時，檢測電路，如檢測到低壓儲能電容器末被充電到設定值時，單片機系統會輸出一個脈沖觸發信號給光耦可控硅2PH，使可控硅SCR2觸發導通，高壓電容器CH通過L2、可控硅SCR2向低壓電容Cz放電，使電容器Cz的端電壓升高?？煽毓鑃CR2關斷后，單片機系統通過檢測電路檢測電容器Cz的電壓。如果Cz的端電壓尚低于設定值，單片機將輸出一個信號到1PH，使可控硅SCR1觸發導通，再次向電容器CH充電，充電結束后單片機再輸出一個脈沖信號給2PH，使可控硅SCR2觸發導通，電容器CH再次向低壓電容器組Cz放電。經過若干次這樣的反復充放電過程，電容器Cz將被充電至設定值。這時，單片機停止對可控硅SCR1、SCR2輸出觸發信號，同時輸出一個充電完成信號，提示焊接工作可以執行。此時，操作員按下焊接控制按鈕K，即可觸發SCR3導通，儲能電容器Cz快速放電，在瞬間產生極大的焊接電流，從而實現焊接過程。因為電容器的充、放電過程很快，因此電容器完成的整個充電過程所需時間很短。

3 焊接能量的調節控制

電容器儲存的能量和電容器的容量成正比，和電容器的端電壓的平方也成正比。因此，除了用增加或減少電容器的個數來改變它的容量外，人們也可以用改變電容器充電電壓的辦法來調節焊接能量。

圖2是一個利用分壓電阻和一個電壓比較器實現多級輸出電壓調節的控制電路。用戶可使用波段開關來選擇所需要的輸出電壓值，分壓電阻值可通過簡單的計算去選定，這里不再贅述。

圖2 充電能量控制電路

4 儲能焊機中的單片機控制系統

4.1 硬件結構

儲能焊機中的儲能充電過程及焊機的焊接過程，均由單片機控制系統控制實現。控制系統的硬件構成框圖如圖3所示?？刂葡到y以AT89C51單片機為核心，除利用了單片機的內部資源，如Flash ROM、I/O口、定時器等部件外，另有擴展的A/D轉換模塊、光電隔離電路及電壓檢測模塊、充電能量控制模塊、輸出控制模塊和保護電路等。

圖3 儲能焊機單片機控制系統

其中，電壓檢測模塊用于測量儲能電容器組CZ的充電電壓。采樣所得信號經光電隔離電路和比例放大后輸入到A/D轉換模塊中。A/D轉換模塊將實時采樣到的被測電壓值轉換成數字信號送入單片機控制系統中。單片機控制系統定時啟動A/D轉換模塊，不斷采樣充電電壓Cz的值，并根據檢測結果控制高壓電容CH和儲能電容器組Cz的充、放電過程，即：當ICH≈0時，可控硅SCR1截止，使SCR2導通，對儲能電容器組CZ充電；當ICZ≈0時，SCR2截止；如UCZ小于設定值，使SCR1導通，繼續第一回路的充電，如此循環至UCZ上升到設定值為止。

輸出控制模塊將單片機系統發出的充放電信號經隔離電路輸出，控制可控硅SCR1、SCR2、SCR3的工作。保護電路如果測得儲能電容器組輸出電壓超出警戒電壓，單片機即關斷所有輸出控制并發出報警信號。

4.2 系統軟件

單片機控制系統的軟件控制流程如圖4所示。系統的輸入/輸出控制均通過AT89C51單片機的P1口，在上電運行時，首先采樣充電能量控制電路的輸出信號，以確定Ucz需要充電的額定電壓值，接著從單片機的P1口輸出一脈沖觸發信號使SCR1導通，經延時ty后，CH充電完成。因在充電過程中，電流會逐漸下降為0，當該電流小于可控硅的維持電流時，SCR1截止。

圖4 儲能充電控制流程

從啟動一次充電回路到啟動二次充電回路需要延時等待一次充電過程完成。該延時時間值ty，可以在電路試驗階段用示波器實測電容的最大充電時間來確定，即以最大的電容量和最高電壓下測出最大充電時間值ti，一般來說，延時值ty＞ti。

當一次充電過程完成后，輸出可控硅SCR2的觸發脈沖電壓令SCR2導通，開始第2級的充電，經延時使Cz充電完成且SCR2截止后啟動A/D轉換，采樣并檢測Ucz，如小于額定輸出電壓，重新觸發SCR1導通對第一級的CH充電，如此循環反復充、放電，直至Ucz等于設定的輸出值。接著，發充電完成信號，該信號接通SCR3的觸發可控硅PH3，當按下焊接按鈕K時，則觸發SCR3導通，進行焊接過程，焊接完成后，Ucz放電完畢，程序又重新開始。

另外，如Ucz超過警戒電壓時，單片機可控制保護電路動作，切斷所有輸出控制信號并發出報警信號。

5 結語

本充電系統使用把高壓電容儲存的能量直接轉換為低壓電容器組的能量的方法，實現對低壓電容器的充電，該電路不必用高低壓變換變壓器或結構復雜的逆變器?？刂茍绦衅骷煽毓?，價格低廉、可靠性高且輸出容量大，使整個電路簡單可靠，造價低?？刂齐娐愤x用單片機實現智能控制，使整個系統更簡單合理，因而具有先進性和實用性，不失為一種簡單實用的電容性電路充電的好方法。

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