逆变电焊机启动分析及保护

，其运行可靠性需要进一 步提高u?i。逆变系统设计中，必须考虑合闸起动过渡 过程的特殊性。我们发现，国内厂家很少重视这 问 题，有些也只简单地介绍了合闸缓冲电路和软起动 电路。在实际应用中，应该从整体上考虑保护电路之 间的相互配合以及它们与主电路相互配合的问题， 保证 整个逆变系统能进人正常的运行过程 ， 1 合闸过渡过程的分析 1.1 合闸缓冲起动的主要方法 主 电源在合 闸上电的过程中 ，由于滤波 电容 两 端还未建立起电压，输人电压加在阻抗很小的电解 电容的两端，相当于短路;若恰好在输人电压峰值 时接通电源，整流器将流过很大的浪涌电流 输人滤 波电容越大，合闸浪涌电流越大且持续的时间越长， 会 引起开关接点 、保险丝熔断 ;同时 ，电容 器和整 流 桥多次受到大电流冲击，性能恶化，影响器件的寿 收稿日期:2W3-04-2x 作者简介 熊腊森(1947-),男 湖北云梦人‘教授.牛要从事 焊接方法及设备、新型下业电源 ,制造过程统计 控制((SPC,Spu等)教学和科研T.作 命，因此要采用缓冲起动电路限制储能电容的初始 充电电流 方法有:a串人延时继电器，将电阻与延时 继电器常开触点并联接人直流母线 合hrl后，输人电 压经过限流电阻向输入储能滤波电容充电，当储能 滤波电容充电完成后，延时继电器自动闭合，限流电 阻短接 这种电路结构简单、成本低，但是不口r控，无 法与逆变器的工作相联系，并且继电器触点的寿命 有限。b.串联可控继电器，接法同匕设计检测直流 母线电压的附加电路，当储能滤波电容电压达到一 定值时，送出控制信号，使继电器闭合，限流电阻短 接。这种电路结构也比较简单，成本不高，并且可 拧，可以与逆变器的工作相联系 但由于继电器闭 合时输人电压与储能滤波电容的电压有一定的差 值，仍存在着拉弧现象，影响继电器寿命。G多个无 极性电容并联滤波。由干无极性电容并联容量有限， 因而滤波效果差。但因不需要限流电阻、电解电容和 附加控制电路，因此电路结构更为简单，成本更低 LZ 起动过程对逆变系统的影响 直接合闸，按正常工作状态起动逆变电路，二次 侧直流输出滤波电解电容的电压为零，对于没有滤 波电感的逆变系统，则相当于短路，会有很大输人 冲击电流。因此必须设置软起动电路，控制开关管的 导通时间。另外 ，高频变压器通常以最恶劣的工作情 之谧流‘必娜裙今护、遂条酬虑份 ·29 万方数据 研究与.计 嘴辉斌 第 33卷 ?? ?? ? ? ? ? ? ?? 况〔最大工作脉冲宽度和最高温度)来设计稳态 「作 时的工作磁通密度B，使其小于B,。工作磁通密度一 般选取B-H曲线接近拐点的数值。稳态工作时，变 压器不会饱和。在合闸的过程中，磁通密度从原点(没 有剩余磁通密度)开始工作。当第一个半周期具有最 大脉冲宽度，即合闸时正好是半个周期的开始，磁通 密度将从原点沿基本磁化曲线上升到2B处，此时， 合闸瞬间最大磁通密度为2倍稳态工作磁通密度， 然后回到工作磁滞回线。变压器的二次侧接感性负 载，其电流不能突然变化，在开关管关断时要由反 向二极管续流;变压器在关机时，工作周期不完整 导致稳态过程结束，工作磁通密度没有回到原点而 回到有剩余磁通密度B,，处，这时若重新起动电 源，起动脉冲方向与剩余磁通密度方向相同时，磁 通密度又会沿关断前方向增加，则磁通密度将从B, 开始上升，第一个半周期磁通密度最大将达到2B+ B,，变压器在合闸瞬间发生饱和，产生极大的浪涌电 流，即使是很短的几个周期，也会损坏开关管。再加 之逆变电源起动和关断都是随机的，因此，为了避 免变压器出现饱和，也应该采用软起动电路，在合 闸瞬间，输出脉冲由零逐渐增加变宽，以减小浪涌 电流。 1.3 起动过渡过起中逆变系统主电路和控 制电路的配合 在合闸起动的过渡过程中，电源的建立和消失 需要一定的时间，因此，控制电路还处于一种状态 不确定的准备阶段，会输出附加脉冲;逻辑电路和 驱动电路都处于准备过程中，控制逻辑的状态不一 定正确;各种保护功能都还在进人准备的过程中，这 时逆变系统不能工作，否则就可能导致破坏性的故 障。因此在控制电源和主电源的建立和消失的过程 中，一定要闭锁控制电路，即控制电路不能输出脉 冲，只有当主电源已经正常工作后，控制电路才能 开始工作，输出脉冲信号。比如在采用PWM控制 的逆变系统中。若主电路电源和控制电源的交流供 电采用同时投闸的设计，如果电路设计不合理，合闸 起动后，主电源建立比控制电源快，处于不确定状 态的主开关管因干扰误导通而造成上、下桥臂直通， 此时各种保护电路还不能起作用(因为控制电路还 未稳定)，就会烧毁主开关管。因此，设计主电源和控 制电源建立顺序应该是:控制电源先建立，主电源 后建立。无论如何，主电源一定不能先建立，如先有 了主电源，再投人控制电源时一定会产生故障。如果 ·30-_____ XA} 是同时投人交流电源，则一定要让控制电源建立后 再建立主电源或控制电源建立的速度比主电源要 快;在突然停电时，要使主电源消失速度快于控制 电源。同时投电或同时拉掉电源，则要求逻辑设计非 常严格，不允许在电源瞬变的过程中有附加的脉冲 输出。实现方法可以按程序先投控制电源，待控制电 源建立好后，再投人主电源，也可以用电子电路延 时控制来实现。当然，即使是控制电源先独立建立， 逻辑电路也不允许送出附加脉冲。 合闸控制和软起动电路工作的好坏，直接影响 逆变系统的技术指标、使用性能和工作可靠性。设计 时要限制合闸时输人的冲击电流、起动时的输出电 压超调，合理控制软起动时间和超调恢复时间，降低 合闸和软起动过程的电磁干扰，从而有效地保护逆 变器的主开关管、输人输出的整流器件以及滤波电 容 ，提高控制 电路 的工作可靠性 2 电路的设计及分析 合闸控制电路图如图1所示。在整流回路串人 限流电阻R;,以防止产生过大的浪涌电流，同时，要 在限流电阻的两端并联继电器的常开触点K,。当电 容C，电压 卜升到一定值，常开触点闭合，从而短接 限流电阻。电路具有网压欠电压、过电压保护功能 缓冲起动和过电压、欠电压保护均采用同一个电压 检测回路，由于电路不在检测回路采样电流，回路 中的电流都是单向流动的，因此结构简单，便于分 析和设计电路参 数。 R, U 瞬VLF, R,VLC, t} }，」 、。。 U }上__ 3/., 6 r泣R引 YU U-,月莽，} N +,-卜}V D, VLC,I巾幸 图 1 2.1 过压保护 f)V 合 闸控制 电路 图 当电源合闸后，参考电压U,d有电，比较器A:输 出“00，光藕VLC,原方有电流流过，副方二极管导 通 ，输 出电路开始工作信号 。光藕的副方 三极管射极 万方数据 日究与吸计 熊腊森等:弧焊逆变电源起动过渡过程分析及保护电路设计 第 ，期 直接接地，集电极通过上拉电阻R:接电源，因此， 电路开始工作的信号为“0'，电平。当检测电路电容 C的电压上升到设定的过电压保护动作电压值U, 时，检测电压值高于岭，比较器A,输出“1"，光藕 VLC:原方没有电流流过，副方三极管不导通，送出 过电压保护动作信号OV，此信号为“1"。 由上述原理可得: 2.3 欠电压保护 设欠电压保护动作电压为Ud}。当Ud下降到Udz 时，检测电压U_;口+时，比较器A,输出翻为“1" a ? ? ? ? ? ? Ua2= RR R, U,., 叭，毋Ud2R2R,+R2 R, ~ ; "1. R,+R2夕翰， (1) 由上式解得: R:一 — .;七 R2 互虹-1 U,a (2) ? ? ? ? ? ? 正常运行时 R, ，， -钾 R +R "'-, 2 R, },卫d -lo R,一U. 式中 认二、厅 x380 V=540 V，为正常运行时C的 电压值。通常，为了减小功率损耗，R,必须取较大阻 值，至少大于2田ko设定过电压保护电压U,声50 V, U,}=5 V, F(1式(2).(4)得:R,=750 kf ,R2=6.8 dl;再代 人公式，可求出电路实际运行过电压叭,---656.5 V，运 行时采样点a点电压U_=4.852 Va 2.2 缓冲起动保护 正常运行时，比较器A2的[/+<吐，此时比较器A2 输出为“0"，其输人电流约为6 mA，三极管V导通， 继电器KA得电 常开触点K,闭合。设b点电压Ub= 0.5 V，则此时A,同相端电压矶有如下关系: 设缓冲起动电压Ud,=450 V，欠电压保护电压 Ud月50 V，由式哟、仰可求出:U",--4.043 V,U',33.145 V , R3/R432.71。取R4=2 kd2，则可取R3=5.6 k d2;由凡、 凡得:R,,}3.57 kf1，取为4.3 k dl ,将所求得的电阻 值再代人公式可得:U卜3.246 V , U乍3.947 V,认，〕 439.3 V,Ud25361.1 Vo 2.4 检测电容c的容f选择 设计要求从电容c _r得到的取样电压比主电 源的建立要延迟一段时间，比参考基准电压建立速 度要慢，这样才能使主电源一合七时，电路送出电 源异常信号;当主电源建立并稳定后，才送出电源正 常的信号。这样可以抑制瞬态电压的干扰。在分析此 电容的延迟作用时，不考虑储能电容充电的影响，可 以得到 : Ud-U, H, =卫里+C Rz (10) ? ? ? 当t=0时，UJ0)=0，则: C= (11) R,R2 R,+R, In ) R, :二~~~~二:~- U ‘广 翻 R,十Rz U'. . U.-0.7-0.5_U,U'. 一二万一一十 — 一 井 - -. 已 代‘ 代5 R3 (5) R; R,+人 合上电源时，控制电源疏有电，比较器A2输出 "1" ,b点电压为U，而R,上无电流，此时A2同相端 电压U几最高。 Um K,+N, R- (6) 电源合闸后，储能电容C,通过缓冲起动电阻民 充电，储能电容C,的电压上升，同时检测电路电容C 电压也上升，当储能电容C,的电压上升到缓冲起动电 压从时，U?矶，比较器凡输出为“0"电平，V导通， 送出电源好的握手信号PG;同时继电器KA得电，K, 闭合，切除缓冲起动电阻 整个软起动过程结束，逆 变器进人正常工作状态。光藕VLC 2的接法同v1.C, Ua,罗R2 N,+Nz )U':} (}) 当u。上升使U--- U",时，如果希望主电源合上 0.5s后才送出握手信号，则将t=0.5代人式(11)，求 得C=31.17 W F;当u.下降使到U_-<扩+时，为了抑制 干扰，希望系统在交流电10个周波内不响应，则将 t=100.02=0.2代人，求得C=17.9 W F。因此，取C= 22 w F，再代人式(I1)可求得欠电压不响应的实际 周波数为12.26，延迟时问为3.5s。考虑到储能电容 的影响，实际的延迟时间将大于此值。实际上，缓冲起 动结束时，储能电容的电压已经大于设定的缓冲起 动电压，因此，在继电器动作时，流过K,的电流很 小，故电容C的取值满足要求。 3 主电源、控制电源起动控制设计及 整机实验 系统采用主电源和控制电源单独 〔着P Page 41 粤芥扣_哪吟沙二9..4-__件1 万方数据 日究与进计 朱六妹等 激光焊监测系统信号处理电路的设计 第 ，期 ?? ? ? ?? ， ? ?? ? ? ? ?? ， ? ?? ????? ? ? ? 1 kHz，每调节一次最长时间为0.5 ms，即使调节99 次(加上软件执行时间)也只有0.5s左右。故在对光 信号进行采样时，在接收到焊接起动开始信号后延 时。.5 s的时间，即可以捕捉到动态范围较大的信 号，而不必顾及因激光功率或者板厚、焊速等 的变化带来的影响，实现了光信号放大倍数的自适 应整定调节过程。 20 40 60 80 100 120 140 160 F80 200 长度1/mm 激光功率为4 OOOW;焊速为5 m/min, 图6 未采取信号处理摄取的光信号波形 100 200、300 406 500 600 700 800 长度 l/mm 激光功率为4 000w;焊速为5 m/min, 图7 果取信号处理后激光焊的光信号波形 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? 2 试验 本研究在改变激光功率、焊接速度的情况下进 行了对比试验，试验结果见图5、图6，它们是未采取 信号处理摄取的激光焊的光信号波形。从图中可以 看出，当激光功率为1 800 W,焊接速度为1.10 m/ min，板厚8为1 mm时，采集的光信号动态范围太 小，平均值很低，不利于分析焊接过程的质量信号。 而当激光功率为4 OOOW,焊速为5 m/min时，反映 出的光信号十分强，趋于饱和。? ?? ??? ? 0 50 100 150 200 250 长度 l/mm 激光功率为 1 800 W 焊接速度为 1.10 m/min 图5 未采取信号处理摄取的光信号波形 图7与图6是在相同的条件下，采用该研究提 出的信号处理电路后所摄取的激光焊光信号瞬时 值。由此可见其动态范围较大，波形能真实反映出 实际的激光焊接的特征信号，为实时监测激光焊接 过程提供了真实的原始数据。 3 结论 经过试验研究，本研究所提供的信号处理技术 适用于工艺条件变化所引起的传感信号强弱悬殊 的场合，能根据需要将传感器的电平设定在任意位 置上，扩大其信号的动态范围，具有调节容易、使用 方便、精度高以及反应速度快等特点。 Page 31 控制的方案 合闸后，控制电源有电， 但PWM不得电;主电源只有通过按下面板的起动 开关后，才开始经过缓冲起动电路工作。电容充电 完成，送出握手信号PG，然后PWM得电，输出软起 动脉冲，软起动过程结束，整个系统进人正常工作 状态。实验证明系统工作可靠口 参考文献: f11 张熠中，姚朝亮，张爱珍，等.集成运算放大器应用[Ml 北京:世界图出版社,1998. 作用 ; b.主电源和控制电源必须按照一定的顺序建 立，才能控制附加脉冲的输出，使控制电路尽快地 稳定，以发挥保护作用; c.该合闸控制电路保护效果好，提高了逆变 电源的可靠性 。 5 结论 a.逆变电源在合闸起动的过渡过程中必须设 计缓冲起动和软起动电路，而且两者必须相互配 合，在合适的时间作用于电路，才能真正起到保护 参考文献: [I1 李宪政.逆变弧焊电源主电路器件及可靠性[fll.电焊机， 1996,26(1):4一 [21 曾 敏.IGBT弧焊逆变器可靠性的研究田.电焊机，1999, 29(8):5-8. 吕劣云么七姚书气尸滋忘茹讼 ‘41 万方数据