1、合肥工業大學材料學院合肥工業大學材料學院 李萌盛李萌盛弧焊設備及控制技術弧焊設備及控制技術1第五章第五章 電子控制型弧焊電源基礎電子控制型弧焊電源基礎2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎2弧焊電源控制系統的發展歷程弧焊電源控制系統的發展歷程電子控制型電子控制型電磁控制型電磁控制型機械調節型機械調節型弧焊變壓器弧焊變壓器弧焊變壓器弧焊變壓器直流弧焊發電機直流弧焊發電機硅弧焊整流器硅弧焊整流器晶閘管整流式弧焊電源晶閘管整流式弧焊電源脈沖弧焊電源脈沖弧焊電源逆變式弧焊電源逆變式弧焊電源 電源主電路輸出功率的大小及輸出波形受電子電路的支配，電源主電路輸出功率的大小及輸出波形受電子電路的支配，

2、兩種電路的兩種電路的連接結點連接結點是是大功率的半導體器件大功率的半導體器件。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎35.4 電子控制弧焊電源的動態特性控制電子控制弧焊電源的動態特性控制5.3 電子控制弧焊電源的調節特性電子控制弧焊電源的調節特性5.2 外特性控制外特性控制5.1 電力半導體器件電力半導體器件2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎45.1 常用電力半導體器件的種類常用電力半導體器件的種類 IGBT (絕緣柵晶體管絕緣柵晶體管) 場效應晶體管場效應晶體管 (MOSFET) 晶體管晶體管(三極管三極管) GTR 晶閘管晶閘管 (SCR)2022-3-7第五章 電子控

3、制型弧焊電源基礎5 晶閘管簡稱可控硅，廣泛應用于藥皮焊條手工電弧晶閘管簡稱可控硅，廣泛應用于藥皮焊條手工電弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護焊、等離子弧焊和熔化極氣焊、埋弧焊、鎢極氣體保護焊、等離子弧焊和熔化極氣體保護焊等焊接方法的整流式弧焊電源中。體保護焊等焊接方法的整流式弧焊電源中。 5.1.1 晶閘管晶閘管 晶閘管的結構晶閘管的結構 晶閘管的典型電路及控制原理晶閘管的典型電路及控制原理 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 晶閘管整流器的主要特點晶閘管整流器的主要特點2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎6平板式平板式N2N2P2N1P1GKA晶閘管結構與符號晶閘管結構與符號 晶閘管的結構晶

4、閘管的結構螺栓式螺栓式模塊式模塊式陰極陰極 K陽極陽極 A控制極控制極( (門極門極) )G2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎7晶閘管導通和關斷條件為：晶閘管導通和關斷條件為：1）當晶閘管承受反向陽極電壓時，不論門極）當晶閘管承受反向陽極電壓時，不論門極G承受何種電壓，晶閘管均處于阻斷狀態。承受何種電壓，晶閘管均處于阻斷狀態。2）當晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極）當晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極G承受正向電壓的情況下晶閘管才能導通。承受正向電壓的情況下晶閘管才能導通。3）晶閘管導通后，只要仍有一定的正向陽極）晶閘管導通后，只要仍有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓，不論門極G

5、電壓如何，它仍維持導通。電壓如何，它仍維持導通。4）晶閘管在導通情況下，當主回路電壓（或）晶閘管在導通情況下，當主回路電壓（或電流）減小到接近零，或者對它施加一個反向電流）減小到接近零，或者對它施加一個反向電壓，晶閘管會自然關斷或被強迫關斷。電壓，晶閘管會自然關斷或被強迫關斷。 圖圖5-3 晶閘管的典型電路晶閘管的典型電路晶閘管的典型電路及其工作原理晶閘管的典型電路及其工作原理2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎8圖5-4 晶閘管的伏安特性正向擊穿區正向擊穿區反向擊穿區反向擊穿區熔斷、燒穿區熔斷、燒穿區晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性陰極陰極K陽極陽極 A控制極控制極G2022-3-

6、7第五章 電子控制型弧焊電源基礎9晶閘管整流器的主要特點晶閘管整流器的主要特點 動特性好，響應速度快動特性好，響應速度快 控制性能好控制性能好 調節特性好調節特性好 節能、省材節能、省材 晶閘管在焊接電源中的應用晶閘管在焊接電源中的應用 主要用在可控整流、交流調壓（電阻焊設備中）、主要用在可控整流、交流調壓（電阻焊設備中）、中頻感應加熱、早期的逆變器等方面。中頻感應加熱、早期的逆變器等方面。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎10功率晶體管（功率晶體管（GTR，Giant Transistor）是一種雙極）是一種雙極性型大功率高反壓晶體管。目前性型大功率高反壓晶體管。目前GTR的電流

7、容量已經達的電流容量已經達到上千安培，在中小功率應用方面，到上千安培，在中小功率應用方面，GTR是取代晶閘管是取代晶閘管的自關斷器件之一。的自關斷器件之一。 在電子控制型弧焊電源中，既有模擬型晶體管弧焊電在電子控制型弧焊電源中，既有模擬型晶體管弧焊電源，也有開關型晶體管弧焊電源，還有晶體管式逆變弧源，也有開關型晶體管弧焊電源，還有晶體管式逆變弧焊電源。焊電源。5.1.2 功率晶體管功率晶體管2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎11N+N+PN-BEC 晶體管的內部有一個由晶體管的內部有一個由半導體材料做成的管芯，半導體材料做成的管芯，它是三層（它是三層（NPN）三端）三端（C、E、B

8、）器件，分為）器件，分為 NPN型和型和 PNP型兩類。型兩類。晶體管的結構金屬殼封裝金屬殼封裝塑料封裝塑料封裝模塊模塊集電極集電極發射極發射極基極基極NPN 型型發射極發射極基極基極集電極集電極PNP 型型2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎12晶體管的工作原理 晶體管承受晶體管承受正向集電極電壓正向集電極電壓的同時，必須讓基極的同時，必須讓基極B B和發射和發射極極E E（PNPN結）之間有結）之間有正向電流正向電流通過，管子才能導通。通過，管子才能導通。 晶體管可以工作在線性放大晶體管可以工作在線性放大狀態也可以工作在開關狀態。狀態也可以工作在開關狀態。模擬式晶體管電源：晶體管

9、工作在線性放大狀態，具有最佳的波形控制能力；模擬式晶體管電源：晶體管工作在線性放大狀態，具有最佳的波形控制能力；開關式晶體管電源：晶體管工作在開關狀態；開關式晶體管電源：晶體管工作在開關狀態；晶體管式逆變電源：晶體管工作在開關狀態；晶體管式逆變電源：晶體管工作在開關狀態；2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎135.1.3 場效應晶體管場效應晶體管場效應管分為結型場效應管和絕緣柵型場效應管，功率場效應管分為結型場效應管和絕緣柵型場效應管，功率場效應管都是絕緣柵型場效應管。絕緣柵場效應管是由場效應管都是絕緣柵型場效應管。絕緣柵場效應管是由金屬氧化物、半導體組成，金屬氧化物、半導體組成，

10、（簡稱（簡稱MOSFETMOSFET）是一種電）是一種電壓控制的單極型功率半導體器件。壓控制的單極型功率半導體器件。在電子控制型弧焊電源中，功率在電子控制型弧焊電源中，功率MOSFETMOSFET管通常作為開關管通常作為開關器件。由于其功率比較小，因此在焊接電源中需要多只器件。由于其功率比較小，因此在焊接電源中需要多只MOSFETMOSFET管并聯使用。管并聯使用。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎14場效應管的外形也有三種基本形式：金屬殼封裝、塑場效應管的外形也有三種基本形式：金屬殼封裝、塑料封裝和模塊，形狀與晶體管相似。料封裝和模塊，形狀與晶體管相似。絕緣柵型場效應管的結構類型

11、GDSN+N+P基片溝道DGS漏極漏極D源極源極S柵極柵極G場效應管的結構與符號場效應管的結構與符號2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎15場效應管的典型電路場效應管的典型電路 場效應管在工作中，漏極場效應管在工作中，漏極D和源極和源極S分分別與電源（別與電源（UC）和負載（）和負載（RL）連接，組）連接，組成場效應管主電路；它的柵極成場效應管主電路；它的柵極G和源極和源極S與控制場效應管的驅動電路相連接，組成與控制場效應管的驅動電路相連接，組成控制電路。控制電路。 為使場效應管導通，當它承受為使場效應管導通，當它承受正向漏極正向漏極電壓電壓同時，必須對柵極同時，必須對柵極G施加施加

12、正電壓正電壓。場。場效應管的柵極為絕緣結構，輸入阻抗效應管的柵極為絕緣結構，輸入阻抗 1081013 ，可以用電壓驅動，驅動功率，可以用電壓驅動，驅動功率很小。很小。場效應管的特點是場效應管的特點是工作速度快、輸入阻抗高、驅動電路簡單、熱穩定性好工作速度快、輸入阻抗高、驅動電路簡單、熱穩定性好。場效應管的工作原理漏極漏極D源極源極S柵極柵極G2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎16 絕緣柵雙極型晶體管簡稱絕緣柵雙極型晶體管簡稱IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）,它是它是MOSFET與與GTR的復合器件。的復合器件。它既有它既有MOSFET的

13、工作速度快、輸入阻抗高、驅動電路的工作速度快、輸入阻抗高、驅動電路簡單、熱穩定性好的優點，又有簡單、熱穩定性好的優點，又有GTR的載流量大、阻斷的載流量大、阻斷電壓高等多項優點，是取代電壓高等多項優點，是取代GTR的理想開關器件。近年的理想開關器件。近年來來IGBT發展很快，目前已經被廣泛地應用于各種弧焊電發展很快，目前已經被廣泛地應用于各種弧焊電源的逆變器中。源的逆變器中。 5.1.4 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎17絕緣柵雙極型晶體管的內部結構絕緣柵雙極型晶體管的內部結構 IGBT的外形有塑料封裝和模塊式兩種基本形式，的外形有塑料封裝和

14、模塊式兩種基本形式，其外形與功率雙極型晶體管相似。其外形與功率雙極型晶體管相似。MOSFET 的基本結構的基本結構IGBT 的基本結構的基本結構2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎18IGBTIGBT的等效電路及符號的等效電路及符號IGBT的圖形符號的圖形符號IGBT的等效電路的等效電路 IGBT的開通和關斷是由的開通和關斷是由柵極電壓柵極電壓UGE來控制的。柵極施以正電壓時，來控制的。柵極施以正電壓時，MOSFET內形成溝道，并為內形成溝道，并為PNP晶體管提供晶體管提供基極電流基極電流，使，使IGBT導通。導通。在柵極上施以負電壓時，在柵極上施以負電壓時，MOSFET內的溝道消失

15、，內的溝道消失，PNP晶體管的基極電晶體管的基極電流被切斷，流被切斷，IGBT即關斷即關斷. 由于由于IGBT的驅動方法與的驅動方法與MOSFET基本相同，只需控制輸入極基本相同，只需控制輸入極N溝道溝道MOSFET，因而它具有高輸入阻抗特性。，因而它具有高輸入阻抗特性。 2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎19 電壓驅動，輸入阻抗高，驅動功率小。驅動電路設計電壓驅動，輸入阻抗高，驅動功率小。驅動電路設計簡單。簡單。 高的開關速度，開關時間僅為高的開關速度，開關時間僅為GTR的的1/10，可以工，可以工作在作在10-30kHz。 電流密度高，功率大，能夠用于制造大功率電源。電流密度高

16、，功率大，能夠用于制造大功率電源。 開通損耗小，飽和壓降低，通態電阻小。開通損耗小，飽和壓降低，通態電阻小。 安全工作區寬。安全工作區寬。IGBTIGBT的優點及應用的優點及應用 目前，目前，IGBT已經成為制作各種焊接逆變電源的最好的已經成為制作各種焊接逆變電源的最好的開關器件，應用極為廣泛。開關器件，應用極為廣泛。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎20目前主流的電子控制型弧焊電源有：目前主流的電子控制型弧焊電源有： 這些類型弧焊電源具有各種外特性形狀，其獲得所需外特這些類型弧焊電源具有各種外特性形狀，其獲得所需外特性形狀的方法與機械調節型弧焊電源不同，它不是依靠電源性形狀的方法

17、與機械調節型弧焊電源不同，它不是依靠電源的機械結構，而是依靠電源中電子電路的控制來實現的。的機械結構，而是依靠電源中電子電路的控制來實現的。5.2 外特性控制外特性控制 逆變式弧焊電源逆變式弧焊電源 晶體管式弧焊電源晶體管式弧焊電源 晶閘管整流式弧焊電源晶閘管整流式弧焊電源5.2.1 5.2.1 外特性控制的基本原理外特性控制的基本原理5.2.2 5.2.2 外特性控制的應用舉例外特性控制的應用舉例5.2.3 5.2.3 電流、電壓信號的檢測電流、電壓信號的檢測2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎21電子控制型弧焊電源工作原理示意圖電子控制型弧焊電源工作原理示意圖a）晶閘管整流式）晶

18、閘管整流式b）晶體管式）晶體管式電子控制電路與電力電路的連接結點是大功率的半導體器件電子控制電路與電力電路的連接結點是大功率的半導體器件(電力半導體電力半導體)5.2.1 5.2.1 外特性控制的基本原理外特性控制的基本原理主電路主電路 控制電路控制電路 控制電路控制電路主電路主電路2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎22 控制電路控制電路主電路主電路c）逆變式）逆變式2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎23電子控制型弧焊電源是根據電流、電壓負反饋控制原理，利用電子電路對電子電子控制型弧焊電源是根據電流、電壓負反饋控制原理，利用電子電路對電子功率系統（整流器或逆變器）進行閉

19、環控制，來獲得不同的外特性曲線形狀。功率系統（整流器或逆變器）進行閉環控制，來獲得不同的外特性曲線形狀。電子控制型弧焊電源外特性控制基本原理電子控制型弧焊電源外特性控制基本原理 控制信號控制信號Uk的數學表達式：的數學表達式：)()(213fgifguknIUKmUUKKUK1、K2、K3 系統中各個放大環節的放大倍數系統中各個放大環節的放大倍數 2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎24)()(213fgifguknIUKmUUKKU由于控制信號由于控制信號Uk一般只有零點幾伏至幾伏，而放大倍數一般只有零點幾伏至幾伏，而放大倍數K3相對很大，相對很大，0)()(21fgifgunIU

20、KmUUK外特性控制的幾種方式外特性控制的幾種方式所以由：所以由：可得：可得：反饋方式反饋方式控制條件控制條件外特性方程外特性方程外特性特征外特性特征只取電弧電壓只取電弧電壓負反饋負反饋給定電壓信號給定電壓信號U Ugugu，而，而U Ugigi=0=0，nInIf f=0=0恒壓外特性恒壓外特性（平外特性）（平外特性）只取焊接電流只取焊接電流負反饋負反饋給定電流信號給定電流信號U Ugigi，而，而U Ugugu=0=0，m mU Uf f=0=0恒流外特性恒流外特性( (陡降外特性陡降外特性) )gifUnI1同時取電壓、同時取電壓、電流負反饋電流負反饋給定電壓信號給定電壓信號U Ugug

21、u與電流信號與電流信號U Ugigi斜率一定的斜率一定的下降直線下降直線mKnKIUff12mUUguf2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎251.1.只取電壓負反饋只取電壓負反饋2.2.只取電流負反饋只取電流負反饋3.3.電流截止負反饋電流截止負反饋4.4.同時采用電壓、電流負反饋同時采用電壓、電流負反饋5.5.不同時刻采用不同的反饋不同時刻采用不同的反饋6.6.恒壓、電流截止負反饋恒壓、電流截止負反饋幾種常見的反饋控制方式幾種常見的反饋控制方式通常，通常，1與與6 應用于等速送絲的熔化極氣體保護焊應用于等速送絲的熔化極氣體保護焊2與與3 可用于鎢極氬弧焊可用于鎢極氬弧焊4與與5

22、可用于藥皮焊條電弧焊與埋弧焊可用于藥皮焊條電弧焊與埋弧焊2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎265.2.2 5.2.2 外特性控制的應用舉例外特性控制的應用舉例 平外特性的控制電路平外特性的控制電路 陡降外特性的控制電路陡降外特性的控制電路 陡降帶外拖特性的控制電路陡降帶外拖特性的控制電路 自適應外拖特性的控制電路自適應外拖特性的控制電路2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎27以美國米勒電氣制造公司生產的以美國米勒電氣制造公司生產的DELTAWELD651型晶閘管型晶閘管整流式整流式CO2弧焊電源的外特性控制電路為例。弧焊電源的外特性控制電路為例。 CR1R2Uk-UkN2

23、N1N3N4RP1R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14R15R16R17R18R19VD2VD3VD4VD1-UCCUfRP2UfuUg1、平外特性的控制電路給定信號給定信號Ug由電位器由電位器RP1 的滑動的滑動點電位決定點電位決定電弧電壓反饋信號電弧電壓反饋信號Uf（Uf 0）經）經N2 差動放大而形成的差動放大而形成的電弧電壓反饋量電弧電壓反饋量Uf u = mUf ，經電阻經電阻 R14 連接到連接到R15給定信號給定信號Ug與反饋與反饋信號信號Ufu 都都經經 R15 連接連接到到 N3 的反的反相輸入端相輸入端)(52145291310775214141516

24、fgkURRPRRRPRRRRRURRPRRRRU輸出信號：輸出信號：2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎28N1N2N3N4N7N5N6RP2RP1-12V+12VRP4RP3RS+12V+12VIfUgUpUfiVR2R1R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14R15R16R17R18R19R20R21R22R23C1C2C3C4C5C6C7C8C9UkUth圖5-20 獲得陡降外特性的控制電路由比例加法器由比例加法器N3輸出控制信號輸出控制信號UkUk的大小取決于的大小取決于偏移信號偏移信號Up、電流給定信號電流給定信號Ug電流反饋信號電流反饋信號Ufi電流反

25、饋信號取自電流反饋信號取自電源主電路分流器電源主電路分流器Rs兩端，經差動放兩端，經差動放大器大器N4放大，并經放大，并經有源低通濾波器有源低通濾波器N5及及N6濾波得到電流濾波得到電流反饋信號反饋信號Ufi。2 2、陡降外特性的控制電路、陡降外特性的控制電路Ug取自電位器取自電位器 RP2，并經兩級電壓跟隨器，并經兩級電壓跟隨器N1、N2后，通過電位器后，通過電位器 RP4輸出。輸出。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎293、陡降帶外拖特性的控制電路當電弧電壓高于當電弧電壓高于15 V 時，時，VD11 截止，電壓負反饋量被隔離，只有電流截止，電壓負反饋量被隔離，只有電流負反饋起

26、作用，電源輸出特性為陡降特性或恒流特性（圖中負反饋起作用，電源輸出特性為陡降特性或恒流特性（圖中cd段）；段）； 在電弧電壓低于在電弧電壓低于 15 V 時，二極管時，二極管VD11 導通，電弧電壓導通，電弧電壓Uf 加在運算加在運算放大器放大器N1 的正極輸入端，在電流負反饋和電壓負反饋的聯合作用下，的正極輸入端，在電流負反饋和電壓負反饋的聯合作用下，獲得合適的緩降外特性（圖中獲得合適的緩降外特性（圖中dn段）。段）。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎30 自適應外拖特性控制電路是指可以隨焊接電流大小自動調節外拖特性自適應外拖特性控制電路是指可以隨焊接電流大小自動調節外拖特性控制

27、的門檻值。其特點是只要電弧電壓低于（控制的門檻值。其特點是只要電弧電壓低于（200.04If ）V，外拖電，外拖電路就起作用，并且外拖特性的拐點電壓及斜率均可無級調節。路就起作用，并且外拖特性的拐點電壓及斜率均可無級調節。4自適應外拖特性的控制電路2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎31圖圖5-23 自適應調節外拖特性控制電路自適應調節外拖特性控制電路N1、N2、N3及外圍元件組成焊及外圍元件組成焊接電流參數生成電路。接電流參數生成電路。N3的輸的輸出電壓為出電壓為（0.04If /10）V。A點的電壓為點的電壓為（200.04If ）/10 V，經過同相放大器，經過同相放大器N2后

28、，輸出后，輸出（200.04If ）/10V的電壓的電壓N5、N6 及外圍元件組成電弧電壓反饋電路，及外圍元件組成電弧電壓反饋電路，R20、R21、R22 對電對電弧電壓進行分壓，使電壓跟隨量弧電壓進行分壓，使電壓跟隨量N5 輸出的電壓始終為輸出的電壓始終為 Uf /10V，經過經過 N6反相器，得到反相器，得到- Uf /10V的輸出電壓。的輸出電壓。焊接電流參數生成電路的輸出電壓與電弧電壓焊接電流參數生成電路的輸出電壓與電弧電壓反饋電路的輸出電壓，在反饋電路的輸出電壓，在B點混合，使點混合，使B點的點的電壓為電壓為（200.04If ）- Uf/10V，并加在運，并加在運算放大器算放大器

29、N4的同相輸入端。的同相輸入端。當電弧電壓當電弧電壓 Uf 高于高于（200.04If）/10V 時，時，N4 輸出電壓為負，輸出電壓為負，VD1 截止，外拖特性控截止，外拖特性控制電路對電源輸出沒有關系，電源輸出只與電流負反饋有關，輸出陡降或恒流特性。制電路對電源輸出沒有關系，電源輸出只與電流負反饋有關，輸出陡降或恒流特性。當電弧電壓當電弧電壓 Uf 低于低于（200.04If）/10V時，時，N4 輸出電壓為正，輸出電壓為正，VD1 導通，通過電位器導通，通過電位器RP*1及電壓跟隨器及電壓跟隨器N7 加在加在PI調節器調節器N8 的同相輸入端，與電流給定信號的同相輸入端，與電流給定信號U

30、gi 、電流反饋、電流反饋信號信號NIf 聯合作用于聯合作用于N8 構成的構成的PI調節器，以獲得合適的緩降外特性。調節器，以獲得合適的緩降外特性。特點：特點：1、外拖的拐點隨著焊接電流的大小而改變，適應性強。、外拖的拐點隨著焊接電流的大小而改變，適應性強。2、調節電位器、調節電位器RP*1，使拐點電壓及外拖特性斜率發生變化，從而控制短路電流。，使拐點電壓及外拖特性斜率發生變化，從而控制短路電流。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎32 電流、電壓信號檢測的結果可以用于反饋控制獲得電源所需的電流、電壓信號檢測的結果可以用于反饋控制獲得電源所需的外特性形狀，也可以用于電源動態特性以及波

31、形控制等，還可以外特性形狀，也可以用于電源動態特性以及波形控制等，還可以用于過壓、過流保護控制等。因此，電源輸出電流、電壓的信號用于過壓、過流保護控制等。因此，電源輸出電流、電壓的信號檢測與信號處理是電子控制弧焊電源中的基本環節。檢測與信號處理是電子控制弧焊電源中的基本環節。5.2.3 電流、電壓信號的檢測 霍爾元件法霍爾元件法互感器法測量電流互感器法測量電流 取樣電阻法測電流、電壓取樣電阻法測電流、電壓檢檢測測方方法法2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎33取樣電阻法測電流、電壓取樣電阻法測電流、電壓（1 1）串聯電阻檢測電流）串聯電阻檢測電流該方法的特點及應用：該方法的特點及應用

32、： 方法簡單、易實現方法簡單、易實現; 信號不失真、相應速度快信號不失真、相應速度快; R1mUfRfR2NC弧弧焊焊電電源源負負載載R3RPR1nIfRfR2NR0C弧弧焊焊電電源源負負載載分分流流器器R3（2 2）并聯電阻檢測電壓）并聯電阻檢測電壓主要應用在小容量電源，以及要求不高的場合。主要應用在小容量電源，以及要求不高的場合。 信號較弱，抗干擾能力差信號較弱，抗干擾能力差; 主電路與控制電路不隔離。主電路與控制電路不隔離。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎34i1i2R整 流 及 信 號處 理 電 路UiN1N2（1 1）交流電流互感器）交流電流互感器互感器法測量電流互感器

33、法測量電流2121IKRINNUiR圖圖5-27 交流電流互感器交流電流互感器特點：特點：1、實現了控制電路與主電路隔離。、實現了控制電路與主電路隔離。2、只能檢測交流信號。、只能檢測交流信號。3、交流互感器的響應速度較慢。、交流互感器的響應速度較慢。一般用于電流變化速度較慢的弧焊一般用于電流變化速度較慢的弧焊電源電流的檢測。電源電流的檢測。R為取樣電阻，取樣信號為：為取樣電阻，取樣信號為：2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎35（2 2）直流電流互感器）直流電流互感器當交流電流當交流電流 i2 過零時，由直流電流過零時，由直流電流 Id 所確定的鐵心的磁狀態如右上圖，鐵心所確定的鐵

34、心的磁狀態如右上圖，鐵心 、分別工作在分別工作在a點和點和b點。當交流電流點。當交流電流 i2為正半波時，鐵心為正半波時，鐵心中的交流電流與直流中的交流電流與直流電流同方向，使電流同方向，使a點向更加飽和的方向移動，而鐵心點向更加飽和的方向移動，而鐵心中的中的b點向去磁方向移動點向去磁方向移動（圖中實線）；當交流電流為負半波時，鐵心（圖中實線）；當交流電流為負半波時，鐵心、的磁狀態沿虛線改變，即在的磁狀態沿虛線改變，即在 i2 的正、負半波中各有一個鐵心處于飽和狀態，而另一個處于不飽和狀態。的正、負半波中各有一個鐵心處于飽和狀態，而另一個處于不飽和狀態。互感器鐵心為封閉環，同時承受交流和直流電

35、流的磁化作用。互感器鐵心為封閉環，同時承受交流和直流電流的磁化作用。處于飽和狀態鐵心上的繞組的阻抗很小，由處于飽和狀態鐵心上的繞組的阻抗很小，由 i2 產生的壓降可以忽略不計，產生的壓降可以忽略不計，而在不飽和的鐵心繞組中有：而在不飽和的鐵心繞組中有：HlNiNId221當鐵心不飽和時，當鐵心不飽和時，H0，所以：，所以：221NiNId因此檢測電阻因此檢測電阻R上得到的檢測信號為：上得到的檢測信號為：diRINNkU21特點：特點：1、直流互感器可以直接檢測弧焊電源輸出的直流電流。、直流互感器可以直接檢測弧焊電源輸出的直流電流。2、檢測、控制電路與主電路實現了隔離、檢測、控制電路與主電路實現

36、了隔離3、檢測電路中的交流電源的頻率一般為、檢測電路中的交流電源的頻率一般為50Hz，因此檢測環節的響應速度較慢。，因此檢測環節的響應速度較慢。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎36IC+- - - - - - -Bd1234UHIC 霍爾元件法進行弧焊電源電流、電壓的信號檢測在電子控制霍爾元件法進行弧焊電源電流、電壓的信號檢測在電子控制電源中應用越來越廣泛。霍爾傳感器是比較理想的快速電流、電源中應用越來越廣泛。霍爾傳感器是比較理想的快速電流、電壓信號檢測電壓信號檢測傳感器，它的核心元件是霍爾元件。傳感器，它的核心元件是霍爾元件。 霍爾元件是厚度為霍爾元件是厚度為d的半導體基片。的

37、半導體基片。如果通過引線如果通過引線 l 和和 2 引入恒定電流引入恒定電流 IC，當待檢測電流在垂直于基片的，當待檢測電流在垂直于基片的方向產生磁感應強度為方向產生磁感應強度為B的磁場時，的磁場時，由于電磁感應關系在基片的另外兩由于電磁感應關系在基片的另外兩邊（邊（3、4）之間感生出霍爾電壓）之間感生出霍爾電壓UH ，這就是霍爾效應。這就是霍爾效應。圖圖5-30 霍爾效應示意圖霍爾效應示意圖 霍爾元件法霍爾元件法輸出電壓為：輸出電壓為：KH為霍爾系數；為霍爾系數； SH 為元件乘積靈敏度。為元件乘積靈敏度。當半導體的材料和尺寸確定后，二者為常數，當半導體的材料和尺寸確定后，二者為常數，這樣霍

38、爾電壓這樣霍爾電壓UH 與與 IcB 的乘積成正比。的乘積成正比。BISBIdKUccHHH2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎37UH恒流源+-IcId霍爾元件聚磁環圖圖5-31 直測式霍爾電流傳感器工作原理直測式霍爾電流傳感器工作原理特點：特點：1 1、霍爾元件中通過的電流、霍爾元件中通過的電流I IC C是是由輔助的恒流電源供給的。由輔助的恒流電源供給的。2 2、與被測電流成正比的霍爾、與被測電流成正比的霍爾電壓一般是毫伏級的，使用時還電壓一般是毫伏級的，使用時還必須附加信號放大器。必須附加信號放大器。3 3、霍爾元件無慣性、并具有、霍爾元件無慣性、并具有良好的隔離作用；但由于

39、是利用良好的隔離作用；但由于是利用磁場變化檢測電流，在使用應采磁場變化檢測電流，在使用應采取措施防止外界的電磁干擾。取措施防止外界的電磁干擾。 工作原理：工作原理：被測線路的導線穿過或繞在聚磁環上，被測電流被測線路的導線穿過或繞在聚磁環上，被測電流Id 將將產生磁場產生磁場B。當與被測電流。當與被測電流Id 成正比變化的磁場成正比變化的磁場B通過鐵心作用于通過鐵心作用于通電的霍爾元件上時，霍爾元件將產生霍爾電壓通電的霍爾元件上時，霍爾元件將產生霍爾電壓UH。檢測。檢測UH 的大的大小就可以換算出被測電流小就可以換算出被測電流Id 的大小。的大小。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎3

40、85.3 電子控制弧焊電源的調節特性電子控制弧焊電源的調節特性 電子控制弧焊電源的調節實際上是調節電子控制弧焊電源的調節實際上是調節Ugi 和和Ugu ，調節，調節Ugi 意味著意味著外特性曲線的左右平移，調節外特性曲線的左右平移，調節Ugu 意味著外特性曲線的上下移動。意味著外特性曲線的上下移動。 給定信號是一個可以調節的直流電壓信號，該信號的調節范圍決定了弧焊電源給定信號是一個可以調節的直流電壓信號，該信號的調節范圍決定了弧焊電源輸出電流或電壓的調節范圍，也就是弧焊電源外特性的調節范圍。而給定電壓信輸出電流或電壓的調節范圍，也就是弧焊電源外特性的調節范圍。而給定電壓信號往往是利用電子控制電

41、路中的直流穩壓電源，通過電阻分壓來獲得的，號往往是利用電子控制電路中的直流穩壓電源，通過電阻分壓來獲得的，采用穩采用穩壓電源提供給定信號可以保證給定信號的穩定性和一致性壓電源提供給定信號可以保證給定信號的穩定性和一致性。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎39 電子控制弧焊電源的調節實際上是調節電子控制弧焊電源的調節實際上是調節Ugi和和Ugu，調節，調節Ugi 意味著意味著外特性曲線的左右平移，調節外特性曲線的左右平移，調節Ugu 意味著外特性曲線的上下移動。意味著外特性曲線的上下移動。0Ugi1Ugi2如果這種調節是在焊如果這種調節是在焊接過程中周期性進行接過程中周期性進行呢？呢

42、？這就是脈沖焊！這就是脈沖焊！如何產生這種脈沖呢？如何產生這種脈沖呢？脈沖弧焊電源有許多種類型，而電子控制弧焊電源中應用較多的是脈沖弧焊電源有許多種類型，而電子控制弧焊電源中應用較多的是利用利用脈沖發生器產生脈沖信號，將脈沖信號作為給定信號脈沖發生器產生脈沖信號，將脈沖信號作為給定信號，使弧焊電源輸出，使弧焊電源輸出相應脈沖波形的脈沖電流或電壓。目前應用較多的脈沖波形是矩形波。相應脈沖波形的脈沖電流或電壓。目前應用較多的脈沖波形是矩形波。2022-3-7第五章 電子控制型弧焊電源基礎40 弧焊電源的主要動特性指標包括：短路電流增長速度弧焊電源的主要動特性指標包括：短路電流增長速度 di/dt

43、及短路及短路電流峰值電流峰值Ifd ，一般短路電流峰值可以通過，一般短路電流峰值可以通過 di/dt 進行調整，因此，對動進行調整，因此，對動特性的控制主要體現在特性的控制主要體現在對對 di/dt 的控制的控制。 對動特性的控制主要是通過回路中的電感來實現的。傳統弧焊電對動特性的控制主要是通過回路中的電感來實現的。傳統弧焊電源采用的電磁式電抗器的電感值改變困難，一般很難在大范圍內滿足源采用的電磁式電抗器的電感值改變困難，一般很難在大范圍內滿足焊接的最佳要求。電子控制的弧焊電源采用全新的焊接的最佳要求。電子控制的弧焊電源采用全新的電子電抗器電子電抗器以及以及波波形控制技術形控制技術來進行動特性控制，可以在大范圍內給出最優的動特性。來進行動特性控制，可以在大范圍內給出最優的動特性。目前，電子控制弧焊電源動態特性的調節通常由下述方法實現：目前，電子控制弧焊電源動態特性的調節通常由下述方法實現：（1）通過電子電抗器控制短路電流的增加速度；）通過電子電