封發(fā)勇，吳文浩，吳 艦

(貴州師范大學機械與電氣工程學院，貴州 貴陽 550014)

電焊機被列為中國十二大耗能設(shè)備之一，他是一種常用的低壓電氣設(shè)備，其在建筑、冶金、機械制造等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，其每年要消耗全國發(fā)電量的0.5%左右。在電焊機行業(yè)，由于加入了逆變技術(shù)，弧焊逆變器的運用，使得電焊機在焊接性能、頻率響應(yīng)、動態(tài)特性方面都有所提高，同時使其在焊接方面更容易實現(xiàn)自動化，電焊機重量更輕、體積更小、功率因數(shù)更高等?；『改孀兤鞯饺缃裨陔姾笝C領(lǐng)域運用比較廣泛，但逆變焊機在焊接過程中同樣存在下列問題:逆變電焊機二次側(cè)空載電壓一般都在70 V～80 V 之間，而人類的安全電壓為36 V;副邊空載電壓已經(jīng)遠遠大于安全電壓，故易造成人員傷亡，弧焊變壓器工作方式為斷續(xù)工作，其空載時間較長，因而使得弧焊變壓器的功率大，存在空載損耗。

可調(diào)式數(shù)字化電焊機以AT89C51 作為微處理器的控制核心，電路以220/380 V 作為電源為電焊機提供能源，經(jīng)過整流濾波，逆變電路，變壓器，整流濾波得到最后輸出電源;電路為節(jié)約焊機在空載運行下的損耗，在首個整流器后并聯(lián)一個儲能器(充電電容)，儲能器為散熱器提供所需要的電能;電路的開關(guān)以繼電器為主，繼電器通過單片機對IGBT 的通斷選通控制，漏電模塊M54123 通過微處理器對漏電進行保護，負極導線上進行電流檢測，將信號反饋給微處理器實現(xiàn)漏電保護，M54123 傳感器對整個電焊機實現(xiàn)實時監(jiān)控;在空載運行時通過充電電容的充放電實現(xiàn)對電路的補償。溫度檢測模塊利用DSl8B20 傳感器測量，通過紅燈的顯示方式提示溫度是否過高。利用電壓互感器和電流互感器分別檢測輸出端電壓值和電流值，并通過顯示模塊顯示出來。系統(tǒng)主電路及控制回路原理圖如圖1 所示。

圖1 電焊機工作原理圖

1 系統(tǒng)各模塊工作原理

1.1 逆變主電路模塊

主電路采用逆變電源，通過整流器整流、電容濾波、IGBT 逆變器、變壓器、輸出整流和濾波;通過電流調(diào)節(jié)器對變壓器后的電流進行調(diào)節(jié)，根據(jù)不同的需求可通過顯示模塊選擇所需電流，使得電焊機可適用在除220/380 V 電壓以外的不同焊條。

直流電可由50 Hz 的交流電經(jīng)整流器整流得到。而對于單相220 V 和三相380 V 交流電，可分別采用單相橋式和三相橋式整流得到。對于器件的電壓等級，考慮瞬間電壓的沖擊，國內(nèi)電網(wǎng)最大的波動范圍為±20%和逆變弧焊電源本身不是一個純阻性負載因素。因此.對于三相380 V 交流輸入電壓，三相整流橋式模塊的電壓等級為1 200 V，而對于單相220 V 交流輸入電壓，單相整流橋式模塊的電壓等級為800 V。器件的平均輸出電流，一般要有1.5～2 倍的安全系數(shù)，器件的電壓安全系數(shù)一般為2.5～3 倍。電路采用中心抽頭全波整流方式，通過輸出整流器將中頻變壓器輸出為20 kHz 方波電壓變成脈動直流電壓，由于在整流過程中其電壓頻率較高，故在整流中二極管選擇方面選擇恢復速度快功率大的二極管。

濾波器對輸入電壓進行電磁干擾過濾的同時對整流后的脈動直流進行平滑濾波，對于單相220 V 交流電供電的焊機，由于單相整流后的脈動紋波系數(shù)比較大，需要濾波電容的容量比較大，因此濾波電容選用2 200 μF 的電解電容器。為了使得電焊機最小焊接電流的續(xù)性同時滿足電焊機在直流弧焊方面的工藝需求，整流后的脈動直流必須選用濾波電抗器對其進行濾波。

電源可選擇用220/380 V 交流電輸入，經(jīng)過整流后得到直流電壓，變壓器選擇工作在20 kHz 或更高的頻率的中頻變壓器;變壓器傳遞的是矩形交替脈沖波，其主要作用是電壓降壓、功率傳遞和實現(xiàn)輸入、輸出之間的隔離。

1.2 繼電器保護模塊

繼電器作為受控器件，利用晶閘管IGBT 的選通控制繼電器的通斷，進而實現(xiàn)與其他模塊之間的聯(lián)系。本文中選用驅(qū)動模塊作為繼電器和AT89C51 之間的橋梁，驅(qū)動電路的作用是將控制電路的脈沖放大到足以驅(qū)動開關(guān)功率管，同時實現(xiàn)電位隔離。因IGBT 的開關(guān)特性受到驅(qū)動電路性能的影響較大，所以在驅(qū)動電路的設(shè)計中，采用前后沿很陡的P-N溝道場效應(yīng)管的驅(qū)動電路，保證IGBT 快速開通和關(guān)斷，減少開關(guān)損耗，使IGBT 工作在安全區(qū)內(nèi)。

繼電器與主回路，主電路設(shè)置有啟動、停止開關(guān);按下啟動按鈕，主回路得電，電路工作;按下停止按鈕，電路斷開;當電流互感器檢測到電焊機工作處于空載狀態(tài)時，繼電器工作，使主回路向儲能器充電，充電過程由主回路為散熱器提供所需電能，儲能器為散熱器和輔助電源提供所需電能，當檢測到電能不足時，切換電源供電;并且通過驅(qū)動電路向逆變電路實現(xiàn)PWM 脈沖調(diào)節(jié)，使焊機在較小損耗下空載運行;當電路中電壓電流發(fā)生異常狀態(tài)(漏電、線路短路等)控制繼電器回路中的IGBT 使電路斷電。

1.3 漏電檢測模塊

電焊機使用環(huán)境一般為露天環(huán)境，因為長期的日曬、雨淋、受潮等因素使得其絕緣性能下降，機殼漏電。另外，在出線端口的兩條引線，長時間受外界條件的影響，會出現(xiàn)不同程度的影響，發(fā)生漏電傷人事故。

本文采用的漏電保護電路為M54123 電路，M54123 電路是由一個鎖存器、電壓調(diào)整器和一個差分放大器構(gòu)成。其差分放大器的輸入端與檢測漏電流ZCT 的次級相連。反饋信號通過被差分放大器和電容放大積分過后發(fā)送到鎖存器的輸入端。因鎖存器的輸出有漏電保護特性，當輸入電壓小于規(guī)定值時，鎖存器為低同時保持狀態(tài)。而當漏電流過高超過了規(guī)定值范圍，其輸出端會使連接的可控硅驅(qū)動。同時因輸出是作為PWM 信號向單片機傳輸，這樣更好的為驅(qū)動模塊提供了電焊機所需要的控制信號。

圖2 M54123 漏電傳感器內(nèi)部原理圖

1.4 溫度檢測模塊

DSl8B20 溫度傳感器是一種新型單總線數(shù)字式溫度傳感器，因其擁有良好的特性被運用于很多領(lǐng)域。比如:工業(yè)制造、科學研究、氣象觀測、日常生活等等。它結(jié)合了A/D轉(zhuǎn)換和溫度測量。不但信號傳輸距離遠，同時還能之間輸出數(shù)字量，這使得在測量方面非常方便，可實現(xiàn)多點測量，同時它還擁有電路結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、低功耗等特點。

其測量范圍在－55 ℃～+125 ℃、－10 ℃～+85 ℃之內(nèi)，測量精度可達±0.5 ℃，穩(wěn)定度為1%。通過編程可實現(xiàn)9、10、11、12 位的分辨率讀出溫度數(shù)據(jù)，因此對應(yīng)的溫度量化值分別為0.5 ℃、0.25 ℃、0.125 ℃、0.062 5 ℃，芯片出廠時默認為12 位的轉(zhuǎn)換精度。引腳的功能:GND 為電壓地;DQ 為單數(shù)據(jù)總線;VDD 為電源電壓;NC 為空引腳。

當DS18B20 傳感器檢測到的溫度高于單片機中的設(shè)定值時，通過紅燈的顯示做出報警提示，并使散熱器工作在主回路中，散熱器工作在儲能器的功率小于主回路提供電源，使得傳感器感應(yīng)到電焊機溫度過高時切換為主電路供電，能夠在更高效率下維持電焊機的溫度。

1.5 散熱模塊及顯示模塊

使用高可靠的直流風機。轉(zhuǎn)速快，風力強勁，散熱效率是交流風機的1.5 倍。用于在電焊機和儲能器之間進行交換，達到在不同的工作狀態(tài)下的節(jié)能高效率工作;電流互感器和電壓互感器檢測到的電流電壓值通過數(shù)碼管進行實時顯示，為電流的調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

2 結(jié)束語

本文提出用AT89C51 對IGBT 的控制，進而將不同的輸入信號轉(zhuǎn)換為控制信號，通過PWM 控制回路功率大小，使得在空載運行時實現(xiàn)節(jié)能的目的，并通過電壓、電流的檢測，實現(xiàn)對繼電器的控制。M54123 傳感器對電焊機的實時監(jiān)控，讓電焊機更加安全可靠。

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