電容放電式電焊機自動控制電路設(shè)計

孫明

摘要：當前，我國科技和國防等領(lǐng)域?qū)﹄娔艿拇笠?guī)模儲存和釋放技術(shù)已經(jīng)走到世界的前列。如激光武器系統(tǒng)，航母的艦載機電磁彈射，動能武器，火箭發(fā)射等都需要對電能的一次性儲存量進行控制。本次設(shè)計，旨在電容器的儲能方面展開探索，提出自己的見解。

關(guān)鍵詞：電容器；原理；焊接能量

電容器就是一個能夠被充電的儲能元件。以這個儲能電容為主，通過充電電阻構(gòu)成了RC為充電時間常數(shù)的時間延遲電路；控制電路是另外一個以RC電路為核心的時間延遲電路，且控制電路的RC時間常數(shù)可調(diào)。于是，當主電路與控制電路同時啟動時，可以通過對控制電路時間常數(shù)的調(diào)節(jié)，來調(diào)整主電路中儲能電容的充電量。當控制電路時間到達時，觸發(fā)繼電器翻轉(zhuǎn)，把主電路中儲能電容的充電回路切斷而接通其放電回路，從而自動化地完成儲能電容的充電到放電的全過程。

一、主電路的設(shè)計

1.元件選取：主電路可采用照明電源（交流220V，50Hz）供電，用橋式整流將220V交流變成311V的脈動直流電，儲能電容取20uF、450V無極性電容，充電電阻取20kΩ大功率電阻，放電回路采用可控硅為開關(guān)元件。

2.主電路參數(shù)的確定：（1）充電電阻的電功率：采用311V脈沖直流供電，其峰值電壓作用于主電路的充電回路中產(chǎn)生的最大瞬時電流Im為15.5mA，在充電電阻上產(chǎn)生的瞬時最大功率Pm為4.8W，充電電阻的額定功率應在5W以上。（2）主電路的時間常數(shù)τ：通過計算機仿真模擬，其時間常數(shù)τ為0.85秒，此時電容的電壓為190V。（3）可控硅的型號：設(shè)計放電回路的電阻為1.5Ω。放電回路最高電壓300V，計算最大瞬時放電電流為200A。選擇正向工作電流20A，浪涌電流大于200A的可控硅S2012NH，作為放電回路的開關(guān)器件。

二、控制電路的設(shè)計

1.核心電路：控制電路的核心也是一個RC延時電路，其電阻VR1是可調(diào)電阻，而電容C1為固定電容，電容標稱值為220μF 25V。調(diào)整電阻VR1可改變控制電路的延續(xù)時間，控時要求使主電路的儲能電容的電壓變化范圍在120V～290V之間。轉(zhuǎn)化成控制電路的時間應為0.37秒～2.55秒，換成可調(diào)電阻的變化范圍在1.7kΩ～12kΩ之間。（取2K與12K并聯(lián)為1.7kΩ）。當控制電路的時間延遲為主電路充電時間常數(shù)的三倍時，其主電壓可以達到其供電電壓311V的95%倍，可以認為充電過程結(jié)束。因為主電路的充電時間常數(shù)為0.85秒，其三倍時間為2.55秒，控制電路的充電電容C=220μF，換算出其最大充電電阻為R8=12KΩ。

2.驅(qū)動電路：主電路的充電與放電翻轉(zhuǎn)由繼電器實現(xiàn)。由于CD4069輸出電流有限，直接驅(qū)動繼電器動作有一定的難度，故而在CD4069的8腳到繼電器線圈之間，安裝中功率三極管S8050組成驅(qū)動電路。

3.啟動電路及初始狀態(tài)：數(shù)字電路一般以低電平觸發(fā)，本控制電路也采用低電平觸發(fā)啟動方式。為此在CD4069的1接入腳外接2M電阻到DC12V電源，使CD4069的1腳初始狀態(tài)處于高電平。同時，R3將控制電路的延時電容正極通過RL1的閉合觸點短接到地，為低電平狀態(tài)。啟動時，RL1的觸點翻轉(zhuǎn)接地線通過觸點將1腳接地，低電平啟動CD4069。停止時，RL1觸點擲回，切斷啟動電路，同時將R3接地，使延時控制電容存儲的電荷迅速釋放。

4.指示電路設(shè)計：設(shè)立電源指示和放電狀態(tài)指示電路，由發(fā)光二極管為指示器件，位于控制電路當中。電源指示：表示電路已經(jīng)供電，CD4069初始化已經(jīng)完成；放電指示：主電路的充電工作已經(jīng)結(jié)束，主電路翻轉(zhuǎn)進入到放電過程中。

5.保護電路的設(shè)計：保護電路首先應能對操作人員的人身安全進行保護，其次對電路中的各元件進行保護。

（1）主電路的供電是交流220V，觸電會對人體產(chǎn)生很大的傷害。在主電路的設(shè)計中，無論儲能電路的充電，還是翻轉(zhuǎn)到放電控制的兩個繼電器均采用了雙開雙斷的模式，以確保操作工人的安全。（2）放電回路中可控硅的觸發(fā)電壓原定由控制電路提供。這樣做時，主電路與控制電路必須連接共同的地線，控制電路會受到主電路電位的影響。改用主電路中的儲能電容提供觸發(fā)電壓，可以使控制電路與主電路完全隔開，控制電路更安全。（3）控制電路中的繼電器在電路斷電時，其線圈會產(chǎn)生斷電自感，危害電路元件的安全。在繼電器線圈兩端并聯(lián)阻尼二極管，以消除其危害。（4）整個電路的隔離開關(guān)是漏電保護器，對整個電路實施漏電和過電流保護。

三、工作原理

集成電路CD4069的各個非門位置：IC1a在1引腳和引腳2之間，IC1b在3引腳和4引腳之間，IC1c在5引腳和6引腳之間，IC1d在9引腳和8引腳之間。

（一）閉合空氣開關(guān)QF，12V控制電路有電，導致集成電路CD4069處于初始化狀態(tài)。

12V電流經(jīng)R7、D4到地，電源指示燈（發(fā)光二極管D4）亮。同時12V電流經(jīng)R5至1引腳，1引腳為高電平“1”，則2引腳為“0”，由于電流經(jīng)R1與電磁繼電器RL2常閉觸點到地，故3引腳電平為“0”，4引腳電平為“1”。

（1）5引腳接4引腳電平為“1”，6引腳電平為“0”，放電指示燈D2不亮。

（2）9引腳接引腳4電平為“1”，8引腳為“0”，此時三極管S8050截止。

（二）腳踏開關(guān)SW1閉合，電磁繼電器RL2得電，觸點翻轉(zhuǎn)。

1、主電路（動力電路）接通，220V交流電至橋堆BR1轉(zhuǎn)換為311V直流電后經(jīng)R2給C2充電。

2、CD4069引腳1接地，輸入低電平“0”，使引腳2轉(zhuǎn)為“1”，電流過VR1、R9或R8給C1充電，當C1充電到一定程度，3腳的電位升高觸發(fā)IC1b翻轉(zhuǎn)，引腳4從高電平“1”轉(zhuǎn)為“0”。

（1）5引腳接引腳4，其低電平導致6引腳翻轉(zhuǎn)為高電平，高電平12V經(jīng)R4與D2到地，使放電指示燈D2亮。

（2）9引腳也接引腳4，使 8引腳為高電平，高電平12V 經(jīng)R3到三極管S8050基極，三極管飽和導通，驅(qū)動電磁繼電器RL1有電，觸點翻轉(zhuǎn)，C2充電結(jié)束，進入放電階段。

繼電器RL1切斷充電回路的同時，又通過其常開觸點，經(jīng)過R6電阻接通了可控硅觸發(fā)電路，儲能電容C2放電進行焊接。焊接結(jié)束后，D1恢復斷路狀態(tài)。

（三）SW1斷開，RL1和RL2斷電復位到初始狀態(tài)。

四、電路特點

1.這是一個自動化控制電路，一鍵控制，完成全部工作過程。

2.這是一個焊接能量可以調(diào)整的電路，其電容器中儲能的多少是用控制電路的時間常數(shù)來調(diào)整的。是一個用時間來調(diào)控電容器儲能多少的電路。

3.電路中使用的元件少，原理簡單，工作可靠。

4.具備連續(xù)操作（加工）的能力。

5.主電路采用雙開雙斷方式，控制電路與主電路完全分開，電路的安全性高。

五、功效

我們采取對鎳鋼片實施電阻焊加工的方式來檢驗。按照電阻焊的操作規(guī)程，我們從儲能量最小的狀態(tài)、即控制時間最短的狀態(tài)開始檢驗。鎳鋼片的尺寸是0.1×6mm。電阻焊的方式是點焊方式。開始檢驗時多次焊接也無焊接電流輸出，測量儲能電容兩端保持200V左右的直流電壓，顯然可控硅沒有導通，判斷是觸發(fā)電路的電阻200k太大，改用120k電阻觸發(fā)，每次放電過程可控硅均能導通，鎳鋼片也能焊在一起。延長控制電路的時間常數(shù)，增加儲能電容的電能儲存，焊接的牢固程度得以提高。從控制電路的制作看，實現(xiàn)了弱電控制強電，時間控制儲能，自動完成充電到放電過程轉(zhuǎn)化的設(shè)計任務。從安全角度看，用低壓控制高壓。高壓電路采用雙開雙斷形式，高壓電路與低壓電路完全隔離，使電路的安全性最高。盡管儲能電容的設(shè)計容量不太大，但在焊接操作中，仍可將0.1mm厚的鎳鋼片焊在一起，展示出其焊接效果。可以通過儲能電容的容量的增加，進一步提高焊接強度。已經(jīng)經(jīng)歷近百次的焊接操作，且大多為連續(xù)焊接方式，該電路均能正常焊接，沒有發(fā)現(xiàn)元件發(fā)熱，線路短路和元件損壞現(xiàn)象發(fā)生，證明電路設(shè)計合理，元件參數(shù)選擇得當，電路的焊接工藝夠用，電路工作的穩(wěn)定性好。

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