弧焊电源教案.ppt

1,弧焊电源及其数字化设计（现代焊接生产技术国家重点实验室）,2,主 要 内 容 绪论(4学时)概念，分类，发展简史，现状及发展趋势，要求 第一章 对弧焊电源的基本要求(4学时)外特性，调节特性，动特性 第二章 晶闸管式弧焊整流器(8学时)组成，主电路工作原理，控制系统 第三章 逆变式弧焊电源(8学时)逆变机制及其特点，主电路工作原理，控制系统,3,主 要 内 容 第四章 弧焊电源的数字化控制（4学时）概述，关键技术，单片机控制，智能化 第五章 弧焊电源选择和使用（4学时）选择、安装、使用、安全 大作业 撰写一篇不少于3000字的论文，具体要求如下：1.论文内容为弧焊电源的发展方向，题目自拟 2.参考文献不少于10篇 3.要有一定的图或表（不少于3个）,4,绪 论,（一）弧焊电源的概念、（二）弧焊电源的特点（二）弧焊电源的特点分类（三）弧焊电源的由来及其发展趋势（四）国内外生产现状（五）本课程的性质、任务、要求,5,背景知识：1.焊接是一种重要的加工方法;一个数字：西方工业国家，钢产量的5060%需要焊接 中国2001年，钢产量1.3亿吨，4000万吨需要焊接2.电弧焊是第一大类焊接方法,占70%-90%熔化焊接、固相焊接和钎焊3.弧焊电源是弧焊设备的主体 电源、控制箱、焊接小车、送丝机、焊枪、气路水路,弧焊电源是为焊接电弧提供电能的种装置。,（一）弧焊电源的概念,6,焊接的基本原理,焊接的物理化学过程,采用施加外部能量的方法，促使分离材料的原子接近、形成原子键结合，同时去除一切阻碍原子键结合的一切表面膜和吸附层，以形成一个优质的焊接接头。,几种形成焊接接头的机理,熔化 物理化学反应 再结晶 相变 键合,加压 塑性变形 挤出杂质 紧密接触 键合,接触 加热 长时间扩散 键合,吸附（表面张力）去膜 毛细填缝 键合,7,1.功率大：大电流,低电压2.多外特性：平、陡、缓3.动特性要求：动态负载4.调节特性要求：规范可调,（二）弧焊电源的特点,8,根据输出波形分为:直流、交流、脉冲弧焊电源,9,一、交流弧焊电源1.弧焊变压器（低档次交流电源）原理：将电网的交流电变成适宜于弧焊的交流电,由主、次级相隔的主变压器及所需的调节和指示装量等组成 优点：结构简单、易造易修、成本低磁偏吹很小、空载损失小、噪音小 缺点：电弧稳定性差(相对于直流电源)、功率因数较低 应用：它一般应用于质量要求不高的场合，手工电弧焊(使用酸性焊条)，埋弧焊（大容量的弧焊变压器)和钨极氩弧焊等。,10,2.方波交流电源（高档次交流电源）原理：,11,优点：1)电弧稳定，电流过零时再引燃电弧容易，不必加特殊的稳弧器，消除了传统的高频干扰，有利于由计算机参与的自动化焊接系统正常工作。2)通过调节正负半波时间比、幅值比，在保证必要的阴极雾化作用条件下，最大限度地减少钨极为正半波的时间，使整个焊接过程向直流钨极接负方法靠近，延缓了钨极的烧损，这对于自动化焊接提高生产率有利。3)由于采用电子技术控制，可以方便地改变电弧形态、电弧作用力及对母材的热输入能量，从而有效地控制熔深及正反面成形。,12,二、直流弧焊电源1.直流弧焊发电机（淘汰产品）原理：一般由特种直流发电机，以及获得所需外特性的调节装置等组成。直流弧焊发电机:电动机驱动 直流弧焊柴(汽)油发电机:柴(汽)油机驱动 优点：过载能力强，输出脉动小，电网电压波动的影响小。缺点：噪音及空载损失较大，效率稍低而价格较高 应用：它可用作各种弧焊的电源,柴(汽)油机驱动直流弧焊发电机,AX1-500型直流弧焊发电机,13,2.弧焊整流器(目前主流产品)原理：交流电经整流装置获得直流电的弧焊电源。一般由初、次级绕组相隔的主变压器、半导体整流元件组以及为获得所需外特性的调节装置等组成。,14,2.弧焊整流器(目前主流产品)原理：交流电经整流装置获得直流电的弧焊电源。一般由初、次级绕组相隔的主变压器、半导体整流元件组以及为获得所需外特性的调节装置等组成。优点：制造方便、价格低、空载损耗小、噪音小、焊接性能好、控制方便等优点。应用：它可作各种弧焊的电源,15,3.逆变弧焊电源(未来主流产品)原理：,ZX7-1603751552408kg,ZX7-40030053056036kg,芬兰肯比逆变焊机,16,优点：体积小，是传统焊机1/3;重量轻，是传统焊机的1/5;效率高达8595%，比传统焊机节能40%；功率因数高达0.99；微秒级的响应速度，故动特性非常好，焊接质量较传统焊机有很大的提高。应用：它可作各种弧焊的电源,ZX7-1603751552408kg,ZX7-40030053056036kg,芬兰肯比逆变焊机,17,三、脉冲弧焊电源原理：焊接电流以低频调制脉冲方式输出优点：具有效率高，输入线能量较小，可在较宽范围内控制线能量等优点应用：它主要用作气体保护焊和等离子弧焊以及手工弧焊的电源，适用于热敏感性大的高合金材料、薄板和全位置焊接等场合,18,（四）弧焊电源对比：,19,一、随焊接方法的发展而发展18世纪初 发现电弧 电能有限，不能应用1885年 碳极电弧 1886年 电阻焊1892年 金属极电弧焊 1901年 氧乙炔焊1910年 薄皮焊条 1920年 GMA 高频焊1930年 GTA 1935年 厚皮焊条1935年 埋弧焊 1940年 铁粉焊条1948年 冷压焊 1950年 低氢焊条1951年 电渣焊 1953年 CO2焊接1956年 超声波 电子束 1957年 摩擦焊1957年 等离子弧焊 1963年 爆炸焊接1965年 激光焊,20,二、随电源自身的发展而发展发展脉络:机械控制 电磁控制 电子控制 电力产品 电力电子产品 电子产品,弧焊电源从属于焊接技术，但它的出现与发展是建立在电工、电子技术基础上的，在每一时期的弧焊电源技术水平不是与焊接技术适应，而是由那个时期的电器制造水平所决定的，反过来它决定当时的焊接工艺水平。把现代电源技术中的先进方法及时引入焊接电源是焊接技术工作者的一个重要任务。,21,19世纪末，直流弧焊发电机出现20世纪20年代，交流弧焊变压器出现20世纪40年代，出现硒片制成的弧焊整流器20世纪60年代，硅整流磁放大器式电源显赫一时20世纪70年代，大力发展晶闸管电源20世纪80年代，电力电子器件GTR、MOSFET、IGBT等的不断涌现，控制技术的发展，微机的发展，使弧焊电源发生革命性变化。弧焊电源由电力设备变为电力电子设备，向半导体化、电子化发展 多种形式的弧焊整流器相继出现和完善，取代直流弧焊发电机；逆变电源的出现引发焊接电源的革命；方波交流电源取代弧焊变压器。微机、智能控制控制性能更好，工艺性能更完善。,22,（三）发展趋势：电路结构上向逆变化发展 控制上向智能化发展，模糊、神经、专家等智能控制 实现：由“硬开关”到“软开关”的转变；由“静特性控制”到“动特性控制”的转变；由“污染”到“绿色”的转变；由“模拟”到“数字”的转变；由“经验”到“智能”的转变；由“调试”到“仿真”的转变,23,（四）数字化弧焊电源的特点 焊接技术与数字信号处理（DSP)技术相融合 1.柔性化控制和多功能集成 2.适应性强 3.操作性能好 4.控制精度高 5.产品的一致性好 6.接口兼容性好 7.功能升级方便,24,（一）国外焊接电源的生产 实现逆变化 智能化 多功能化,日本,欧美,松下 OTC,Fronius Kemmpi 林肯,25,（二）国内情况1953年第一个电焊机厂建立上海电焊机厂1955年成都电焊机研究所成立据2000年统计，定点厂38家，总共1500个，年产焊机20万左右目前能生产45个系列，150余个品种，500多个规格存在不足:电焊机企业数量多、规模小，集团化差，开发能力弱。一般化的产品多，先进的焊接电源，特别是性能好、功能多的气体保护焊设备产量少，新工艺的开发与推广速度慢，每年仍需大量进口新型焊接技术与设备。每年我国仍需从境外进口较多先进焊接设备，进口总值和国内焊机的生产总值大致相当。,26,知名厂家:北京新时代 唐山松下 牡丹江欧地希 上海沪工 成都焊研威达 南通三九,27,（二）国内情况,28,29,（一）任务与目的 本课程是一门专业课，其任务是使学生掌握各类型弧焊电源的基本理论、基础知识和实验技能。(二)先修课 焊接方法 电工学(三）教材 弧焊电源及其数字化控制黄石生 新型弧焊电源及其智能控制黄石生 晶闸管弧焊电源殷树言,30,第一章 对弧焊电源的基本要求第一节 对弧焊电源外特性的要求第二节 对弧焊电源调节特性的要求第三节 对弧焊电源动特性的要求,31,（一)焊接电弧的电特性 两电极之间产生电弧时，在电弧长度方向上电场强度分布是不均匀的。阳极区和阴极区在电弧中长度很小，分别约为10-4 10-6 cm，因此可以认为两电极间距离即弧柱的长度。,32,(二)电弧静特性 当弧长一定电弧稳定燃烧时，两电极间总电压与电流之间的关系曲线称为电弧静特性曲线。A段，电流密度较小随着电流增加，电弧电压急剧下降，这段为下降特性，也称为负阻特性。B段，电流密度中等，随着电流增加电弧电压几乎保持不变，这段是水平特性，C段，电流密度大，随着电流增加电弧电压也随之明显上升，属于上升特性。,（三）焊接电弧的引燃,一、接触引弧 接触引弧是在弧焊电源通电并建立起空载电压后，电极（焊条或焊丝）与工件直接短路接触，随后拉开，从而把电弧建立起来。,34,二、非接触引弧,高压脉冲引弧电压波形 高频高压引弧电压波形,它是指在电极与工件之间存在一定的间隙，施加一定的能量，将间隙中的空气电离，形成导电通道，从而引燃电弧的一种方法。施加一定的能量的方式：高压脉冲引弧:f=50、100Hz,U=30005000V 高频高压引弧：f=150260kHz,U=20003000V,35,电源的工艺适应性(1)引弧容易(2)保证电弧稳定燃烧(3)保证焊接规范稳定(主要指焊接电流和电压)(4)可调节焊接规范 提出三大要求 外特性 调节特性 动特性,36,一.电源外特性的概念 在电源内部参数一定的条件下，改变负载时，电源输出的电压稳定值Uy与输出的电流稳定值Iy之间的关系曲线Uyf(Iy)称为电源的外特性。对于直流电源，Uy和Iy为平均值，对于交流电源则为有效值。Uy=E Iy*r0二.外特性的测量方法,电源外特性测量 电弧静特性测量 电源外特性,37,三.测量的要求 不少于8点（尽可能平均分配），包括空载、额定工作点和短路三点。四.额定工作点的计算 U=20+0.04I(I 600A)U=44(I 600A)U=14+0.05I(I 600A)U=44(I 600A)U=10+0.04I(I 600A)U=34(I 600A)U=20+0.04I(I 600A)U=44(I 600A),38,39,三.“电源电弧”系统的稳定性 在电弧焊接过程中，电源起供电作用，电弧作为供电对象而用电，从而构成“电源一电弧”系统。“电源一电弧”系统的稳定性包含两方面的含义：1系统在无外界因素干扰时，能在给定电孤电压和电流下，维持长时间的连续电弧放电，保持静态平衡。此时应有如下关系：,40,电弧伏安特性曲线在工作点上的斜率大于电源外特性曲线在工作点上的斜率,三.“电源电弧”系统的稳定性 2系统受到瞬时的外界干扰，破坏了旧的静态平衡，使焊接规范的变化。但当干扰消失之后，系统能够自动地达到新的稳定平衡，使得焊接规范重新恢复。,41,42,四.对电源外特性曲线的要求（一）选择原则 1.保证“电源一电弧”系统的稳定性;2.保证焊接规范稳定 一定形状的电弧静特性需选择适当形状的电源外特性与之相配合，才能既满足系统的稳定又能保证焊接规范稳定。（二）外特性曲线分段 空载点:空载电压要求 工作区段:分析对其形状的要求 短路区段:要说明对其形状和短路电流的要求,Uf,If,43,（三）对外特性曲线工作区段形状的要求工作区段是指外特性上在稳定工作点附近的区段1.手工电弧焊 理想外特性为恒流加外拖,44,（三）对外特性曲线工作区段形状的要求原因:1)手工弧焊工作于电弧静特性 的水平段上2)满足系统稳定性的要求:采用下降外特性的弧焊电源3)从保证焊接规范稳定,保证电弧的弹性好来考虑:垂直下降(恒流)外特性的电源是最好的4)恒流特性的短路电流过小，将造成引弧困难，电 弧推力弱、熔深浅、熔滴过渡困难。5)恒流带外拖特性既可体现恒流特性焊接规范稳定 的特点，又通过外拖增大短路电流，提高了引弧 性能和电弧熔透能力。,45,（三）对外特性曲线工作区段形状的要求2.熔化极弧焊1）等速送丝 CO2MAG、MIG焊 细丝(直径小于3mm)直流埋弧焊 理想外特性为平的外特性 原因:a)电弧静特性均是上升段 b)电源外特性为下降、平、微升 都满足系统稳定条件 c)考虑到保持弧长稳定,发挥弧长自调节作用,平的特性更理想。当弧长变化时，平外特性产生的电流偏差，将大于下降外特性的电流偏差，亦即前者的弧长恢复得快，电源电弧系统的自身调节作用较强。当弧长变化时引起电流和焊丝熔化速度变化，使孤长恢复的作用称为电源电弧系统的自身调节作用,46,（三）对外特性曲线工作区段形状的要求2.熔化极弧焊2）变速送丝 粗丝(直径大于3mm)直流埋弧焊和部分MIG焊 理想外特性为陡降特性原因：a)电弧静特性是水平段 b)满足系统稳定条件，电源外特性为下降 c)这类焊接方法中，焊丝电流密度都很小，自身调节作用不强，只能采用变速送丝来控制弧长，这种强制作用与电源外特性无关。d)选择较陡的下降特性，则在孤长变化时引起的电流偏差较小，有利于焊接规范的稳定。,47,（三）对外特性曲线工作区段形状的要求3.非熔化极弧焊 钨极氩弧焊和等离子弧焊 理想外特性为恒流特性原因：1）电弧静特性工作在水平或微升段 2）稳定焊接规范主要指稳定焊接电流 3）弧长变化时，恒流特性的电流变化最小,48,（三）对外特性曲线工作区段形状的要求4.熔化极脉冲焊 采用等速送丝，利用“电源一电弧”系统的自身调节作用来稳定焊接规范，维弧阶段和脉冲阶段分别工作于两条电源外特件上。为增强“电源一电弧”系统的自身调节作用，维弧阶段和脉冲阶段都采用平的外特性(即“平平”特性)比较好，采用“平降”特性或“降平”特性也还可以，最好是用双阶梯形特性。,弧长减少：脉冲段，恒流特性，熔滴过渡均匀；维弧段，水平特性，自调节作用强，防短路,弧长增加：维弧段，恒流特性，防断弧；脉冲段，水平特性，电压不变，电流减少，熔化速度小，防烧枪嘴。,49,（四）对空载电压的要求1.原则 1）保证引弧容易 空载电压愈高，则愈有利。2）保证电弧的稳定燃烧 3）保证电弧功率稳定 4）要有良好的经济性 5）保证人身安全 在确定空载电压时，应在满足弧焊工艺需要，在确保引弧容易和电弧稳定的前提下，尽可能采用较低的空载电压数值以利于人身安全和提高经济效益。,50,（四）对空载电压的要求2.国标规定 交流弧焊电源 直流弧焊电源 取比交流弧焊电源小10V 一般规定空载电压不得超过100v，在特殊用途中，若超过100v时必须备有自动防触电装置。,51,（五）对短路电流的要求 当电弧引燃和金属熔滴过渡到熔池时，经常发生短路。如果稳态短路电流过大会使焊条过热，药皮易脱落，使熔滴过渡中有大的积蓄能量而增加金属飞溅。但是，如果短路电流不够大，会因电磁压缩推动力不足使引弧和焊条熔滴过渡产生困难。,52,五.外特性形状的种类（一）下降外特性特点：当输出电流在运行范围内增加时，其输出电压随着急剧下降。在其工作部分每增加100A电流，其电压下降一般应大于7V。垂直下降(恒流)特性、缓降特性和恒流带外拖特性。（二）水平特性两种：一种是，随着电流增大，电弧电压接近于恒定不变(又称恒压特性)或稍有下降，电压下降率应小于7v/100A，另一种是,随着电流增大，电压稍有增高(上升特性)，电压上升率应小于10v/100A,53,一.电源的调节特性 弧焊电源能满足不同工作电压、电流的需求的可调性能为其调节性能。是通过电源外特性的调节来体现的 电弧电压和电流是由电弧静特性和弧焊电源外特性曲线相交的一个稳定工作点决定的。对应于一定的弧长，只有一个稳定工作点。因此，为了获得一定范围所需的焊接电流和电压，弧焊电源的外特性必须可以均匀调节，以便与电弧静特性曲线在许多点相交，得到一系列的稳定工作点,54,二.可调参数（一）下降特性电源的可调参数1.工作电流If 在进行弧焊时的电弧电流或这时电源输出的电流。2.工作电压Uf 弧焊电源输出的负载电压 负载电压包括电弧电压和焊接回路的电缆压降 为保证一定的电弧电压，要求工作电压随工作电流增大 工作电压与工作电流的关系为一缓升直线，称为负载特性3.最大焊接电流Ifmax 是弧焊电源通过调节所能输出的与负载特 性相应的上限电流4.最小焊接电流Ifmin5.电流调节范围,55,二.可调参数（二）平特性电源的可调参数1.工作电流If 在进行弧焊时的电弧电流或这时电源输出的电流。2.工作电压Uf 弧焊电源输出的负载电压 3.最大工作电压Ufmax4.最小工作电压Ufmin5.工作电压调节范围,56,三.弧焊电源的负载持续率 表示弧焊电源的负荷状态 弧焊电源能输出多大功率，与它的温升有着密切的关系,在弧焊电源标准中对于不同绝缘级别，规定了相应的允许温升 弧焊电源的温升除取决于焊接电流的大小外，还决定于负荷的状态，即长时间连续通电还是间歇通电 手工弧焊电源的工作周期定为5min,自动或半自动的工作周期规定为20min、l0min和5min。负载持续率额定级按国家标准规定有35%、60和100三种。手工弧焊电源取60%，轻便型者可取35,自动或半自动取100 弧焊电源铭牌上规定的额定电流Ie,就是指在规定的环境条件下，按额定负载持续率FSe规定的负载状态工作，即符合标准规定的温升限度下所允许的输出电流值。,57,四.电焊机型号编制方法A-旋转直流弧焊电源 Z-整流弧焊电源 B-交流弧焊电源M-埋弧焊机 W-非熔化极气保焊 N-熔化极气保焊 L-等离子弧焊,58,四.电焊机型号编制方法A-旋转直流弧焊电源 Z-整流弧焊电源 B-交流弧焊电源M-埋弧焊机 W-非熔化极气保焊 N-熔化极气保焊 L-等离子弧焊,59,一.动特性的概念 所谓弧焊电源的动特性，是指电弧负载状态发生突然变化时，弧焊电源输出电压与电流的响应过程，可以用弧焊电源的输出电流和电压对时间的关系来表示，它说明弧焊电源对负载瞬变的适应能力,对弧焊电源动特性好坏的评定，就主观评定而言，是有人经过试焊以后做出的。所谓动特性好，一般指引弧和重新引弧容易，电弧稳定和飞溅少。就客观评定而言，是用仪器测定参数后作出评定。,60,61,62,第二章 晶闸管式弧焊整流器第一节 预备知识第二节 概述第三节 主电路第四节 控制电路第五节 典型电源电路分析,63,一.三相电路 线电压在相位上比相应的相电压 超前30。,64,二.晶闸管工作原理1957年发明，使半导体器件从弱电领域进人了强电领域1 结构 三个PN结的四层结构 A-阳极 K 阴极 G 控制极（门极）2 工作原理(晶闸管是一个可控的单向导电开关),65,晶闸管导通必须同时具备两个条件：(1)晶闸管阳极电路加正向电压；(2)控制极电路加适当的正向电压(正触发脉冲)导通之后，控制极就失去控制作用了关断方式:(1)将阳极电流减小到使之不能维持正反馈过程;(2)断开阳极电源;(3)阳极和阴极间加一个反向电压,66,单相半波整流电路U0=0.45U单相桥式整流电路U0=0.9U,67,三.单相可控整流电路1.半波可控整流电路晶闸管在正向电压下不导通的范围称为控制角(移相角)导电范围则称为导通角,68,三.单相可控整流电路2.桥式半控整流电路正半波(a为正):负半波(b为正):,69,三.单相可控整流电路3.三相整流电路,70,一.晶闸管弧焊整流器的组成 三相工频网路电压经三相主变压器T降为几十伏的交流电压，通过晶闸管组VT的整流和功率控制，并经直流电抗器L滤波，在输出端就得到波形平滑的焊接电流 大功率晶闸管组受控于触发电路。触发脉冲的移相可以改变晶闸管的导通角的大小，导通角大，则焊接电流(电压)输出也大；反之亦然。60年代初出现，70年代中成为主流,71,一.晶闸管弧焊整流器的特点1.动特性好2.控制性能好3.结构简单4.节能5.噪音小二.分类1.三相桥式半控整流电路2.三相桥式全控整流电路3.六相半波整流电路4.带平衡电抗器双反星形整流电路,72,一.三相桥式半控整流电路(一)电路组成(二)工作过程 导通特点:SCR1、SCR3、SCR5组成共阴极组 BZ2、BZ4、BZ6组成共阳极组 每一组中三个管子轮流导通，触发脉冲互差120出现 每一时刻，两组中各有一个管子串联导通 负载电压为线电压,73,(二)工作过程1 电阻性负载 a0分别在自然换相点Wt1、wt3、wt5触发晶闸管，使其轮流导通 整流二极管在自然换相点处Wt2、wt4、wt6自然换相每个晶闸管导通120,74,(二)工作过程1 电阻性负载 a30分别在Wt1、wt4、wt5触发晶闸管，使其轮流导通每个周期有六次脉动，脉动不均匀,75,(二)工作过程1 电阻性负载 a60分别在Wt1、wt3、wt5触发晶闸管，使其轮流导通晶闸管触发的同时，恰好是整流二极管换相时刻。每只晶闸管的导通期间正好处于两只二极管的自然换相点之间。一个周期内仅有三个脉动波头a60是整流电压波形连续的临界点,76,(二)工作过程1 电阻性负载 a 60整流电压波形出现了断续.每个晶闸管当线电压为零时就自行关断，直到另一相晶闸管触发后才有电压输出。每个晶闸管的导通角都小于120.a越大，阻断时间越长，输出电压越低。a=60的波形中的垂线部分右移。电阻性负载从空载到短路移相范围180,77,(二)工作过程2 电感电阻性负载,78,(三)特点 a60 波形连续的临界点 电阻性负载从空载到短路移相范围180,79,二.三相桥式全控整流电路(一)电路组成(二)工作过程 导通特点:SCR1、SCR3、SCR5组成共阴极组 SCR2、SCR4、SCR6组成共阳极组 晶闸管不断地换相,换相时刻取决于触发脉冲的相位.每一时刻，两组中各有一个管子串联导通 负载电压为线电压,80,(二)工作过程1 电阻性负载 a0,81,82,(二)工作过程1 电阻性负载 a30、60、90a60波形连续临界点移相范围120,83,(二)工作过程2 电感电阻性负载 空载到短路 移相范围 90,84,(三)特点 电阻性负载移相范围 120 电阻电感性负载移相范围 90 输出电压每周有六个波峰，脉动较小 缺点：六只晶闸管，电路复杂,85,一.组成触发电路 移相电路 同步电路 外特性获得电路,86,二.单结晶体管触发电路1 单结晶体管,87,二.单结晶体管触发电路1 单结晶体管,88,二.单结晶体管触发电路1 单结晶体管,89,二.单结晶体管触发电路2.单结晶体管触发电路,90,91,92,93,三.闭环控制及外特性的获得,94,三.闭环控制及外特性的获得 1 只有电压负反馈,95,三.闭环控制及外特性的获得 2 只有电流负反馈3 复合负反馈,96,四.典型电路,97,第一节 概述 逆变电源工作原理、特点与分类第二节 主电路工作原理第三节 控制电路工作原理第四节 典型电路分析,98,一.逆变机制传统电源逆变电源,99,一.逆变机制 单相220V或三相380V交流网路电压经输入整流器和滤波器直接整流为310V或540V直流高压，再通过组成逆变电路的大功率开关电力电子元件（晶闸管、晶体管或场效应管等）的交替开关作用，变成几十千赫兹的中高频交流电压，后经高频变压器降为适合于焊接的几十伏交流电压。若需要采用直流电进行焊接，还需经输出整流器整流并经电抗器滤波，则把高频交流变为直流输出。工频交流 高压直流 高压高频交流 低压高频交流 直流 AC DC AC AC DC 相对于传统电源，逆变电源去除了工频变压器，从而使性能产生飞跃。,整流,逆变,降压,整流,100,二.特点,101,二.特点,102,103,二.特点,104,105,四.逆变电源分类1 按逆变器件分 晶闸管 晶体管 场效应管 IGBT,106,四.逆变电源分类1 按逆变器件分(1)耐电压值高，通常要在数百伏以上。(2)开关速度快，减少开关损耗。(3)动态特性好。(d)耐冲击电流大，可靠工作范围大。(s)热稳定性能好。,107,四.逆变电源分类2 按逆变电路拓扑结构分 单端正激 半桥式 全桥式,108,一.降压型开关电源,109,二.全桥式逆变电路,110,三.半桥式逆变电路,111,四.单端正激式逆变电源,112,一.逆变电源的调节机制,113,二.控制电路组成,114,三.脉宽调制电路,115,图1 多功能TIG焊机组成框图 图2 变极性电源工作原理,当Q1和Q3一组开关管导通、而Q2和Q4一组开关管截止时，就是DCEP半波；当Q2和Q4一组开关管导通、而Q1和Q3一组开关管截止时，就是DCEN半波。通过两组开关管的交替开通与关断，就把前级输出的直流或脉动直流，变成等幅方波交流或不等幅方波交流变极性方波交流。,变极性电源,116,主电路,117,单 片 机 控 制 系 统,图3 电源控制系统框图 图4 焊机操作面板示意图,以脉宽调制集成片TL494为核心组成电流负反馈闭环调节系统，从而获得恒流外特性。单片机不直接参与闭环控制，它负责输出相应的电流给定信号和控制信号，完成焊接方法选择、参数设定与显示、焊接时序、参数存储、串行通讯、异常报警等辅助功能。,118,变极性电源在弧焊工艺上具有以下特点：1)电弧稳定，电流过零时再引燃电弧容易，不必加特殊的稳弧器，消除了传统的高频干扰，有利于由计算机参与的自动化焊接系统正常工作。2)通过调节正负半波时间比、幅值比，在保证必要的阴极雾化作用条件下，最大限度地减少钨极为正半波的时间，使整个焊接过程向直流钨极接负方法靠近，延缓了钨极的烧损，这对于自动化焊接提高生产率有利。3)由于采用电子技术控制，可以方便地改变电弧形态、电弧作用力及对母材的热输入能量，从而有效地控制熔深及正反面成形。,119,钨极烧损对比a 刚磨好的钨极 b 直流钨极接正DCEP c 变极性In=Ip=100A tn:tp=10:10 d 变极性In=80A Ip=150A tn:tp=95:5,变极性焊接时电弧,焊件外观,变极性焊时电流波形,120,第一节 概述第二节 控制系统的关键技术第三节 弧焊电源的单片机控制第四节 智能控制第五节 弧焊电源的网络化控制,121,一、弧焊电源的控制方法分类,弧焊电源,电磁控制,机械控制,数字控制,电子控制,ARM嵌入式处理器,磁放大器式弧焊整流器,动铁动圈式,晶体管式弧焊整流器,弧焊发电机,晶体管式弧焊电源,单片微机MCU,方波交流弧焊电源,弧焊逆变器,抽头式,DSP（数字信号处理器）,弧焊整流器,弧焊变压器,弧焊整流器,弧焊变压器,122,二、弧焊电源各种控制方法的特点,机械式控制的弧焊电源 优点：结构简单、工作可靠适合建筑工地使用 缺点：参数有级调节，无功损耗大，控制性能差 适合对焊接质量要求不高的场合电磁控制式弧焊电源 优点：工作可靠性高 缺点：磁惯性大，调节速度慢，不灵活，效率低 适合野外无电源供应的场合电子控制式弧焊电源 优点：控制精度高，可控性好，参数调节范围宽，动特性好，高效，节能 缺点：控制线路复杂 适合于各种场合数字式控制的弧焊电源 优点：以微处理器为核心，控制更加灵活，改进升级容易，具有通讯能力，可实现网络化焊接 缺点：计算机的抗干扰性能较差 适合于各种场合,123,三、对弧焊电源控制系统的要求,1、适当高的空载电压2、在不同弧焊方法工作过程中参数合适的外特性曲 线形状3、足够宽的参数调解范围4、能使弧焊过程熔滴过渡平稳和减少飞溅的动态响 应,124,弧焊电源数字化控制系统的关键技术,一、工艺时序控制技术,TIG（高频引弧）工艺时序,125,一、工艺时序控制技术,保护气体,填充弧坑,焊接电压,送丝速度,焊接电流,防止粘丝,CO2气体保护焊工艺时序,126,二、引弧和收弧控制技术,1、引弧 不同的焊接方法，其引弧方式不同。TIG通常采用高频引弧，其引弧成功率较高。熔化极气体保护焊采用接触引弧的方式，若弧焊电源引弧性能不好，会产生爆丝或焊缝起点不好。2、收弧 在收弧过程中，需要考虑的是填平弧坑，减少弧坑裂纹等焊接缺陷。,127,三、一元化调节技术,所谓的一元化调节技术就是利用一个参数调节旋钮同时调节焊接电流、焊接电压和送丝速度这三个参数。所以，一元化调节技术在半自动气体保护焊中得到了一定程度的应用。这是因为，在焊接过程中，焊接电流、焊接电压和送丝速度三个参数之间需要很好的配合才能得到良好的焊接接头。焊接电流、焊接电压和送丝速度三个参数之间的关系可以从大量的工艺实验得到，并可以绘制出一条相应的一元化参数曲线。,128,四、弧焊电源输出波形控制技术,1、短路过渡的波形控制,I,U,129,2、脉冲电流的波形控制,130,五、弧焊电源的数字化控制技术,弧焊电源数字化的表现1、主电路的数字化2、控制电路的数字化3、专家数据库软件系统数字化弧焊电源的特点1、多功能集成2、接口的兼容性好3、具有更好的稳定性4、具有更高的控制精度5、便于功能升级,131,一、单片机控制的功能和特点,1、单片机控制实现的功能 外特性控制 动特性控制 预置焊接参数 实现一元化调节功能 焊接电流的波形控制 焊接工艺的控制 故障报警2、单片机控制实现的特点 便于采用先进的控制算法 控制更加灵活，系统升级方便 控制电路元器件数量下降 控制系统的可靠性高 存储能力强，便于实现一机多用 系统一致性好，便于生产制造,132,二、单片机控制原理,整流滤波,IGBT逆变,功率变压器,整流滤波,IGBT驱动,PWM发生器,参数给定,开关信号,故障信号,电流反馈,电压反馈,参数显示,通讯接口,送丝控制,A/D,I/O,I/O,A/D,I/O,SCI,D/A,133,三、单片机控制的通讯功能,计算机控制技术已经发展到后PC机时代，即以嵌入式和网络化控制为主要特征。RS-232通讯 目前，单片机中都集成有通讯接口，使用量最大的是RS-232串行通讯接口电路。CAN总线通讯 CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的通讯网络，具有通讯效率高，实时性强，稳定性好，抗干扰能力强，开发成本低等特点。它能够满足系统对通讯距离、通讯速率和稳定的要求，适合用于工业控制系统。,134,四、单片机控制的抗干扰措施,1、干扰的来源 空间电磁波，供电网络，设备内部,135,四、单片机控制的抗干扰措施,1、干扰传播的途径,136,137,138,2、干扰的抑制,隔离 变压器隔离,139,光电隔离,140,屏蔽,滤波,141,弧焊电源的控制技术随着自动控制技术的发展而发展，已经从早期的PID控制发展使用现代控制理论，如模糊控制和神经元网络控制。一、模糊控制 模糊控制是由模糊化、模糊推理和解模糊化三个部分所组成。,142,二、神经元网络控制,正向传播,人们对人脑的工作机理进行了长期不懈的探索和模拟，逐渐发展起来了一门新兴的学科人工神经元网络。这一学科的研究目的在于模拟大脑神经网络的原理来构成一种人造的“大脑”，或者说将目前的电脑变成“大脑”。,人工神经元网络（ANN）技术是一种新的信息处理方法，随着神经元网络理论研究的不断深入，越来越多的应用软件推向市场，神经元网络将成为工程技术领域内一种得心应手的数据处理工具。,143,焊接电源,主控PC机,以太网,监控模块 焊接控制器 通讯模块,焊接过程信息提取与传输系统的构成,144,ADOODBC,SQL请求 结果集,解释页面,ASPHTML,以太网络,焊接生产管理数字化与网络化系统的基本构成,145,第一节 弧焊电源的选择第二节 弧焊电源的安装和使用第三节 节约用电和安全用电第四节 焊接的安全生产,146,不同类型的焊接电源，在结构、电气性能和主要技术参数等方面有着较大的差别，其使用的场合也不同。,交直流弧焊电源的特点比较,147,交直流弧焊电源的经济性比较,148,选择弧焊电源的原则,1。焊接材料与工件材料2。焊接电流的种类3。焊接工艺方法4。弧焊电源的功率5。工作条件和节能要求6。工件重要程度和经济价值,149,一、弧焊电源的安装1、附件的选择 电缆、熔断器和开关的选择2、弧焊电源的安装 安装前的检查：电气绝缘，内部是否有损坏和松动 注意事项：外壳接地，安装场地的环境3、供电 输入电压，注意三项平衡，电网容量,150,二、弧焊电源的使用 正确地使用和维护弧焊电源，不仅能保持工作性能正常，而且还能延长弧焊电源的使用寿命。弧焊电源的是使用常识是：1、使用前按产品说明书或国家标准进行检查2、通电前仔细地检查个部分的接线是否正确，特别是焊接电缆的街头是否拧紧3、焊接中不得随意打开机壳的顶盖4、首先进行空载运行，细听其声音是否正常，风扇旋转的方向是否正确5、焊机内保持清洁，定期用压缩空气吹净灰尘6、建立必要的严格管理和使用的规章制度,151,三、弧焊电源的改装 除非特殊的情况，否则严禁改装；即使必须进行改装也应该由专业技术人员进行。,152,一、节约用电 弧焊电源是耗电量较大的用电设备之一，有电老虎之称。因此如何节约弧焊电源的用电量是具有重大的经济意义。1、使用高效节能型弧焊电源 2、提高功率因数 3、加装“节电辅具”,153,二、安全用电 焊接电源的空载电压在满足焊接工艺要求的同时，应考虑对焊工操作安全有利。焊接电源必须有足够的容量和单独的控制装置，如熔断器或自动断电装置。控制装置应能可靠的切断设备的危险电流，并安置在操作方便的地方，周围留有通道。焊机所有外露带电部分必须有完好隔离防护装置，如防护罩、绝缘隔离板等。焊机各个带电部分之间，及其外壳对地之间必须符合绝缘标准的要求，其电阻值均不小于1M。焊机的结构要合理，便于维修，各接触点和联接件应牢靠。电焊机不带电的金属外壳，必须采用保护接零或保护接地的防护措施。,154,焊条电弧焊的安全特点 空载电压高于人体所能承受的安全电压；电弧中心温度高达60008000；强烈的弧光；飞溅可能引燃易燃易爆物品；燃料管道补焊时的防爆措施不当会发生爆炸或火灾。,155,电弧切割的安全特点,注意顺风操作，注意周围场地的防火；在容器内部进行操作时应加强抽风和排除烟尘措施；使用带铜皮的专用碳棒；注意防止焊机过载烧毁。,156,电弧焊机的安全要求,符合国家的有关规定；工作环境应符合使用说明书的要求，特殊条件下应采取必要的防护措施；带电部分应有良好的防护措施火装置注意电器元件的绝缘；严禁用建筑等金属构架和设备作为焊接回路；注意安全使用与维护；外壳有良好的接地；注意用电安全，应装有漏电保护装置、熔断器和过载保护开关；注意操作人员自身的用电安全。,157,电弧切割的安全要求,防止焊机过载发热；作业场地必须有排除烟尘措施，加强通风，有条件时操作者可佩戴送风式面罩；应防止烫伤和火灾；操作者应佩戴耳塞。,158,埋弧焊的安全技术,应具有良好的绝缘，导线应理顺，防止扭转或被熔渣烧毁；控制箱和焊机外壳应可靠接地，并防止漏电；注意因焊剂突然停止供给，强烈的弧光灼伤眼睛；工作地点最好由局部抽气通风设备。,159,钨极氩弧焊安全技术放射性；戴好个人防护用品，尽量使用低放射性的钨极；高频电磁场；适当降低频率，使用金属编制网进行屏蔽；有害气体；加强抽气通风装置,160,CO2焊的安全操作技术,电弧温度约为600010000，弧光较强，加强保护；飞溅较大，焊工应穿戴好防护用具；有一氧化碳和其他有害气体产生，应排除有害气体和烟尘；预热器使用的电压不得高于36V气瓶不要靠近热源；粗丝焊时注意水冷装置，防止绝缘破坏和触电事故。,161,MIG焊的安全操作技术,定期检查电器绝缘性能；电弧温度约为600010000，弧光较强，加强保护；工作场地应具有良好的通风装置，已排除有害气体和烟尘；使用前应检查供气、供水等装置；气体应远离热源，并保证直立；大电流焊接时注意水冷装置，防止绝缘破坏和触电事故。移动时注意取出易损电子元件，重新安装后注意检查。,162,等离子焊接与切割的安全保护技术,放电击；防护光辐射；防灰尘与烟尘；防噪音；