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华意隆逆变全功能直流脉冲氩弧/手工焊机WSM-400(IGBT)380V
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品牌华意隆型号WSM-400(IGBT)380V控制方式手动焊接原理弧焊焊接材质不锈钢频段直流保护气体类型氩气用途焊接负载持续率60%电流10-400A
华意隆逆变全功能直流脉冲氩弧/手工焊机WSM-400(IGBT)380V
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&&经验理念：面对充满机遇和挑战的未来市场，我公司将坚持不断、持续发展的理念，以终为始，锐意进取，现代、国际化的规模经营步伐，与顾客同进步、与员工共发展，携手建筑业，装修业等，更好的装扮城市，不断提高做出应有的贡献。
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逆变焊机原理
内容简介《瑞凌企业培训系列教材―逆变焊机原理》 这本书结合瑞凌公司具有自主 研发知识产权的系列逆变弧焊电源，系统地阐述了目前通用逆变弧焊电源的 工作原理及几大常规机型功能模块的原理，通过大量的实际应用电路的分析 和讲解，对整个逆变式弧焊电源的主回路及各个模块（如整流模块、控制模 块、逆变部分、二次整流、辅助电源）做了详细的介绍。并结合这种焊机（如 手焊、氩弧焊、气保焊、切割机）特有的功能模块对系列焊机做了简单的入 门介绍，便于学生为以后的工作学习做准备。 本书内容深入浅出，结构体系清晰，有较强的理论和可实践性，在编写过 程力求通俗易懂，但由于时间及水平有限，出现疏漏或不当之处在所难免， 敬请大家批评指平。版次：2011 年 4 月第 1 版 印刷：2011 年 4 月第 1 次印刷目录第一章 逆变弧焊电源.....................................................................................................................1 1.1 焊机的发展过程................................................................................................................1 1.2 逆变技术............................................................................................................................2 1.3 逆变弧焊电源的特点........................................................................................................2 1.4 瑞凌逆变焊机整机原理方框图 ........................................................................................2 第二章 主回路工作原理.................................................................................................................3 2.1 主回路原理图....................................................................................................................3 2.2 组成器件说明....................................................................................................................4 2.3 整流滤波电路....................................................................................................................5 2.3.1 整流电路.................................................................................................................5 2.3.2 滤波电路.................................................................................................................6 2.4 逆变电路............................................................................................................................8 2.4.1 半桥逆变.................................................................................................................8 2.4.2 全桥逆变.................................................................................................................9 2.4.3 电子开关器件.......................................................................................................10 2.5 变压电路..........................................................................................................................10 2.6 二次整流电路..................................................................................................................10 2.7 输出电路...........................................................................................................................11 第三章 变压器...............................................................................................................................13 3.1 变压器的磁芯..................................................................................................................13 3.2 变压器的主要技术参数..................................................................................................14 3.3 变压器的工作原理..........................................................................................................14 3.4 变压器匝数的计算方法..................................................................................................15 3.5 变压器的串并联..............................................................................................................15 第四章 控制电路...........................................................................................................................19 4.1 脉宽调制..........................................................................................................................20 4.1.1 脉宽调制器 SG3525.............................................................................................20 4.1.2 脉宽调制输出.......................................................................................................21 4.2 反馈与给定......................................................................................................................21 4.2.1 反馈信号的取样...................................................................................................21 4.2.2 反馈与给定控制电路原理 ...................................................................................22 4.3 保护电路..........................................................................................................................25 4.3.1 开机保护...............................................................................................................25 4.3.2 24V 欠压保护 ........................................................................................................26 4.3.3 过热保护...............................................................................................................27 4.3.4 过流保护...............................................................................................................27 4.4 驱动控制电路..................................................................................................................29 4.4.1 驱动信号一级放大 ...............................................................................................30 4.4.2 驱动信号二级转换放大 .......................................................................................31 4.4.3 驱动信号三级转换放大 .......................................................................................31 第五章 辅助电源...........................................................................................................................33 5.1 单端反激式开关电源......................................................................................................33I5.2 单端反激式开关电源（他激）...................................................................................... 35 5.2.1 UC3843 简介 ......................................................................................................... 35 5.2.2 他激式单端反激电源原理................................................................................... 36 5.2.3 他激式单端反激电源实际电路原理................................................................... 38 5.3 升压式开关电源 ............................................................................................................. 39 第六章 原理图与实际电路板对应............................................................................................... 41 6.1 上板 ................................................................................................................................. 41 6.2 中板 ................................................................................................................................. 42 6.3 底板 ................................................................................................................................. 42 6.4 整机装配图 ..................................................................................................................... 43 第七章 手工电弧焊 ...................................................................................................................... 45 7.1 推力电流给定 ................................................................................................................. 45 7.1.1 弧长与输出电压关系........................................................................................... 45 7.1.2 推力电流给定电路............................................................................................... 46 7.2 热引弧 ............................................................................................................................. 46 第八章 钨极氩弧焊 ...................................................................................................................... 47 8.1 手开关和电磁阀控制电路 ............................................................................................. 47 8.2 高频高压控制电路 ......................................................................................................... 48 8.3 增压起弧电路 ................................................................................................................. 50 8.4 脉冲氩弧焊脉冲产生电路 ............................................................................................. 51 8.5 交直流氩弧焊的二次逆变 ............................................................................................. 51 第九章 切割机 .............................................................................................................................. 53 9.1 等离子弧的产生与特点 ................................................................................................. 53 9.2 切割机的起弧方式 ......................................................................................................... 53 9.2.1 接触式起弧 .......................................................................................................... 53 9.2.2 转移式起弧 .......................................................................................................... 54 9.3 切割机主变 ..................................................................................................................... 54 第十章 二氧化碳气体保护焊 ...................................................................................................... 57 10.1 平特性电源输出控制电路 ........................................................................................... 57 10.2 短路截流控制电路 ....................................................................................................... 58 10.3 送丝机调速稳速控制电路 ........................................................................................... 59 10.3.1 TL494................................................................................................................... 59 10.3.2 TL494 工作原理.................................................................................................. 60 10.3.3 送丝机构调速控制原理..................................................................................... 60II第一章 逆变弧焊电源本章主要介绍了以下四个内容：1.1 焊机的发展过程； 1.2 逆变技术； 1.3 逆变弧焊电源的特点； 1.4 瑞凌逆变焊机整机原理方框图；弧焊电源主要是提供适合弧焊的低电压、大电流的输出。 1.1 焊机的发展过程 焊机的发展经历了以下几个过程： 1.变压器式焊机：该种焊机直接将网电经变压后得到低压进行焊接，焊接的体积大，效 率低。 2.弧焊发电机：先将电能转换成机械能，再由机械能转换成电能，效率低。 3.二极管硅整流焊机：其结构是三相变压器降压后通过二极管整流输出供给焊接使用。 4.晶闸管（可控硅）整流焊机：采用三相变压器降压、双反星形电路整流。通过控制晶 闸管的导通脚可以实现下降特性和平特性。焊机的控制精度有一定的提高，但仍然带有较重 的变压器。 5.逆变焊机 其中逆变焊机的发展又经过了以下几个阶段： 1.晶闸管逆变焊机：晶闸管逆变焊机的逆变频率较低，约为2-3KHz左右，故变压器铁心 采用硅钢片。 2.大功率晶体管逆变焊机：逆变频率可以达到20KHz，变压器采用铁氧体铁心。但大功率 晶体管有二次击穿现象，易损坏，焊机可靠性较低。 3.场效应管逆变焊机 4.IGBT逆变焊机11.2 逆变技术什么是逆变： 在生产实践中，需要利用电子电路把直流电变成交流电，这 种对应于整流的逆向过程就定义为逆变。 逆变焊机的电路结构一般是采用 整流 即交流 逆变 直流 再整流的过程， 交流 直流。所谓直流是指电流的方向不随时间变化；而交流就是电流的方向随时间变 化。交流与直流主要强调电流的方向与时间的关系。1.3 逆变弧焊电源的特点低电压：一般在十几伏到五十伏左右； 大电流：一般在二十安培到一千安培甚至更大； 频率：一般在几十千赫兹到几百千赫兹。1.4 瑞凌逆变焊机整机原理方框图反馈2第二章 主回路工作原理本章总体性的介绍的逆变焊机的主回路工作原理，主要包括以 下几个部分：2.1 主回路原理图； 2.2 组成器件说明； 2.3 整流滤波电路； 2.4 逆变电路； 2.5 变压电路； 2.6 二次整流电路； 2.7 输出电路；2.1 主回路原理图主回路指焊机中提供功率电源的电路部分。32.2 组成器件说明1.K：电源开关 2.RT：启动电阻 焊机启动时输入电压要给后面的滤波电解电容充电。为了避免过大的开机浪涌电 流损坏开关或触发空气开关跳闸，在开机时接入启动电阻，用以限制浪涌电流。 正常工作后，启动电阻被继电器短路。实际电路中，为避免因开机浪涌电流冲击 而造成启动电阻损坏，启动电阻采用了热敏电阻（PTC和NTC），它们具有良好的耐冲 击性。 3.DB：硅桥 此硅桥用于一次整流，将工频交流电整流成脉动直流电。 4.J1：继电器 开关接通后，电流通过启动电阻给滤波电解电容充电，当电容电压达到一定值 时，辅助电源开始工作，为继电器提供24V电源，使继电器吸合，将启动电阻短路。 5.C1：低频滤波电容（电解电容） 整流后输出的直流电为脉动直流，用此电容来进行滤波，滤除电流中的低频脉动 交流成分。 6.R：放电电阻 在关机以后，滤波电容中存有很高电压，为了安全，必须用电阻将电容中的电量 放掉。7.C2：高频滤波电容 滤除整流后电路中的高频脉动成分，使输出电流更加平稳。 8.Q：开关管 开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成全桥逆变器，在驱动信号作用下，将308V直流电转变成 100KHz交流电。 9.C3：隔直电容 为避免直流电流过变压器造成变压器饱和而接入此电容。 10.T1：主变压器 变压器的作用是将逆变后的308V高压变换成适合电弧焊接所需要的几十伏的低压。 11.D：快速恢复二极管 D5、D6的作用是进行二次整流，即将100KHz的高频交流电再次转变成直流电。 12.L1：电抗器 电抗器具有平波续流作用，可使输出电流变得连续平稳，保证焊接质量。 13.RF：分流器 分流器是用锰铜制成的大功率小阻值的电阻，用于检测输出电流的大小，提供 反馈信号。42.3 整流滤波电路2.3.1 整流电路 整流电路采取桥式整流的方式。 当A点电压高于B点电压时，VD1和VD3导 通，电流流向如图1所示。当A点电压 低于B点电压时，VD2和VD4导通，电流 流向如图2所示。A图1图25桥式整流前后波形如下图所示：整流前整流后2.3.2 滤波电路 整流电路虽然可以把交流电转换为直流电，但是所输出的都是脉动直流电压， 因此必须把脉动的直流电变为平滑的直流电，这个过程就是滤波。 滤波可以分为电容滤波和电感滤波。 1.电容滤波当u2为正半周上升段期间，电容充电；当输入次级电压u2由正峰值开始下降 后，电容开始放电，直到电容上的电压uC＜u2，电容又重新充电；当u2＜uC时，电 容又开始放电，电容器C如此周而复始进行充放电，负载上便得到近似如图所示的 锯齿波的输出电压。6电容器在电路中有储存 和释放能量的作用，电源供 给的电压升高时，它把部分 能量储存起来，而当电源电 压降低时，就把能量释放出 来，从而减少脉动成分，使 负载电压比较平滑，即电容 器具有滤波作用。单相桥式整流电容滤波波形图2.电感滤波 原理：由于电感线圈的直流电阻很小，脉动电压中直流分量很容易通过电感线 圈，几乎全部加到负载上；而电感线圈对交流的阻抗很大，因此脉动电压中交流分量 很难通过电感线圈，大部分降落在电感线圈上。根据电磁感应原理，线圈通过变化的 电流时，它的两端要产生自感电动势来阻碍电流变化，当整流输出电流增大时，它的 抑制作用使电流只能缓慢上升；而整流输出电流减小时，它又使电流只能缓慢下降， 这样就使得整流输出电流变化平缓，达到滤波的效果。电感滤波72.4 逆变电路2.4.1 半桥逆变 半桥逆变电路主要由两个电容和两个功率开关器件和主变压器组成。功率开关器 件比同容量全桥逆变电路的数量减少了一半，但功率开关器件的电流比同容量全桥逆 变电路高一倍，此电路具有抗变压器磁偏能力。驱动波形 半桥逆变的工作周期分为4个时段t1、t 2、t3和t4。 tl时段：开关K1导通，K 2截止，通过电源和C1放电给主变T供电，并给电容C2充电。 t2时段：开关K1、K2都截止，负载无电流通过（死区）。t3时段：开关K1截止，K2导通，电容C2向负载放 电，同时电源向C1充电。 t4时段：开关K1、K2均截止，又形成死区。如此 反复在负载上就得到了如图所示的电流，实现了逆变 的目的。从上述分析看，在t1与t3时段里，流过变压器T的电流方向正好相反，也就是 将直流电变成了交流电。82.4.2 全桥逆变全桥逆变电路由4组功率开关器件和变压器组成，每个功率开关器件中的电流比半 桥逆变电路减少一半，可以做成较大功率的逆变焊接电源。但是全桥逆变电路不具备抗 变压器的磁偏能力，解决方法是在变压器一次回路中串联隔直电容或采用峰值电流的控 制方法来校正变压器的磁偏。t1时段电流流向 全桥逆变器每个工作周期分四个时段，分别为t1、t 2、t3、t4，其工作原理如下： 1）t1时段：Q 1、Q4导通， Q2、Q3关断 电流方向： 正极 Q1 T C1 Q4 无电流 负极 2）t2时段：Q 1、Q4、Q 2、Q3关断3）t3时段：Q1、Q4关断，Q2、Q3导通 电流方向：正极 Q2 C1 T Q3 无电流 负极 4）t4时段：Q1、Q4、Q2、Q3关断t3时段电流流向从上述分析看，在t1与t3时段里，流过变压 器T初级的电流方向正好相反，也就是将直流电 变成了交流电。主回路中点波形（变压器初级电压）92.4.3 电子开关器件1. 场效应管 逆变时场管工作在开关状态，即交替工作在截止区和饱和区，只要通过改变栅极电压来 改变PN结的导通截止便可以实现开关功能。 场效应管的突出优点在于其较高的开关频率，其每秒钟可开关50万次以上，耐压一般在 500V以上，耐温150℃（管芯），而且导通电阻小、管子损耗低，是理想的开关器件，尤其适 合在高频电路中作开关器件使用。但是场效应管的工作电流较小，高的约20A，低的一般在9A 左右，限制了电路中的最大电流，而且由于场效应管的封装形式，使得其引脚的爬电距离 （导电体到另一导电体间的表面距离）较小，在高压环境下容易被击穿，使得引脚间导电而 损坏机器或危害人身安全。 2.IGBT IGBT即绝缘栅极双极型场效应管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管） 组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。它兼有场效应管的高输入阻抗和三极管的低导 通压降两方面的有点。 1）单管IGBT：封装基本与场效应管相同，但是其相对与场效应管具有较低的导通压降。 2）IGBT模块：IGBT模块可以通过较大电流，其开关频率15KHz-30KHz之间，而且由于外封 装引脚间距大，爬电距离大，能抵御环境高压的影响，安全可靠。2.5 变压电路逆变后的信号加到主变压器初级。变压器将逆变后308V的高压变换成适合电 弧焊接所需要的几十伏的低压。2.6 二次整流电路二次整流电路主要是把经过逆变和变压器降压后的交流电再次整流得到直流 电输出。由于逆变后交流电的频率比较高，所以二次整流采用快速恢复二极管。102.7 输出电路输出电路主要包括输出电抗器和分流器。输出电抗器主要是对焊机输出的 电流进行滤波处理，使输出平滑。 而分流器主要是对输出电流进行采样 ，将采样值反馈到控制电路进而稳定 输出。11
第三章 变压器本章主要介绍了变压器，内容包括：3.1 变压器的磁芯； 3.2 变压器的主要技术参数； 3.3 变压器的工作原理； 3.4 变压器匝数的计算方法； 3.5 变压器的串并联；变压器是一个具有多线圈的耦合电感，即是由具有互感的多个线圈构成的。3.1 变压器的磁芯逆变焊机常用的变压器磁芯采用三种材料：硅钢片、铁氧体和非晶合金。 1）硅钢片：在低频场合，硅钢片是最广泛应 用的磁芯材料。此材料的特点是饱和磁密度高， 价格低廉。磁芯损耗取决于硅钢片的厚度和硅的 含量。硅含量越高，电阻率越大，则损耗越小。 2）铁氧体：铁氧体是制作高频变压器的主要 材料之一。其电阻率大约在106-1012uΩ?cm，适用于 几千到几百兆赫的频率之间。 对铁氧体软磁材料的主要要求是：初始磁导率 高，磁导率随温度的变化要小等。锰锌和镍锌铁氧 体是常用的材料。可用来制作滤波电感，高频功率 变压器，谐振电感等。 铁氧体材料最高频率主要受损耗限制。在一定 的允许损耗下，频率提高，工作磁通密度相应减 少，与提高频率来减少磁芯体积相矛盾。硅 钢 片 磁 芯铁 氧 体 磁 芯133）非晶合金：非晶合金分为铁基、铁镍基、钴基和超微晶合金四大类。各自 具有不同的特点，应用场合也不同。 钴基非晶合金在高频下的磁芯损耗最低，适用于几十到几百千赫兹的工作频 率。 铁基非晶合金的磁芯损耗比硅钢片低的多，价格比硅钢高，适用于制造中频 和工频变压器。铁镍基非晶合金参数介于铁基和钴基非晶合 金之间。具有较低的磁芯损耗和很高的磁导率。 超微晶合金适用于20KHz以上，数百千赫兹 以下的场合。广泛应用于高频变压器、谐振电感 和滤波电感磁芯。超微晶合金3.2 变压器的主要技术参数1.匝数比：变压器初级绕组的匝数（N1）与次级绕组的匝数（N2）之比称为匝数比 n，在一般情况下，它就是输入电压与输出电压之比，所以匝数比可以称为变压比。 2.绝缘电阻：绝缘电阻是施加电压与产生电流之比，即绝缘电阻=施加电压/漏电 流。如果 变压器的绝缘电阻过低，则可能出现初次级之间短路，造成电路工作异常。 3.漏感：变压器初级线圈中的电流产生的磁通并不是全部通过次级线圈，把通过次 级线圈的这部分磁通称为漏磁通。漏磁通产生的电感称为漏感。漏感的存在不仅影响变 压器的效率及性能，还会影响变压器的周围电路的工作，因此变压器的漏感越小越好。3.3 变压器的工作原理U1/U2 = N1/N2 I2/I1 = N1/N2 其中U1、N1、I1分别是变压器初级的电压、匝数和电流。 U2、N2、I2分别是变压器次级的电压、匝数和电流。143.4 变压器匝数的计算方法变压器初次级匝数与其输入输出电压及功率有关。 1.首先计算出变压器输入电压的最大值Umax和最小值Umin以及输出电压Uo。 2.根据N1/N2=U1/U2算出变压器的变比，此时输入电压取最小值Umin。 3.计算原边匝数：N1=（Umax×Tonmax）/（2×A×Bmax）。其中Tonmax为输入电压一 个周期内中正半轴所占的时间（由输入频率和占空比可以得到），A为磁芯有效截面积， Bmax为饱和磁密度（一般因材料而异，超微晶一般取0.6T）。 4.得到原边匝数后再根据之前得到的变比就可以得到变压器的匝数比。3.5 变压器的串并联1）初级串联，次级并联 U1/U2=(N1+N2+N3)/N 4 其中N4=N5=N6=N7=N8=N 9152）初级串联，次级先串后并 U1/U2=(N1+N2+N3)/(N4+N5) 其中N4=N5=N6=N7=N8=N93）初级并联，次级先串后并 U1/U2=N1/（N4+N5） 其中 N1=N2=N3 N4=N5=N6=N7=N8=N9164）初级并联，次级并联 U 1/U2=N1/N4 其中 N1=N2=N3 N4=N5=N6=N7=N 8=N9本公司焊机产品中用220V交流电供电的机器 都是采用初级并联的方式，用380V交流电供电的 机器都是采用初级串联的方式。 除了切割机之外，次级都是采用并联的方 式。切割器由于有很高的空载电压，所以次级采 用先串联再并联的方式。17
第四章 控制电路控制电路主要包括以下几个部分：4.1 脉宽调制电路； 4.2 反馈与给定； 4.3 保护电路； 4.4 驱动控制电路；控制电路功能作用 1. 给逆变器的电子开关提供控制信号。 2. 对电流反馈信号进行放大处理，并根据反馈、给定信号调节电子开关从 而控制信号的输出脉宽。 3. 对保护信号作出反应，关闭控制信号。反馈给定PWM 脉宽 调制保护电路输出驱动控制控制信号194.1 PWM脉宽调制电路脉宽调制器的工作原理：脉宽调节器的的基本工作原理是用一个电压比较 器，在一个输入端输入一个三角波，在另一个输入端输入一直流电平，比较后输 出一方波信号，改变直流电平的大小，即可改变方波信号的脉宽（如图所示）。4.1.1 脉宽调制器SG3525重要引脚： 5、6脚：为振荡器Ct、Rt接入端 f=1/Ct(0.7Rt+3Rd）(Rd为5 脚与7脚之间所接电阻) 7脚：为Ct放电端，改变Rd可改变死 区时间 8脚：慢起动，当8脚电压从1V-5V 时，脉宽从零到最大。 9脚：补偿（反馈输入）端，9脚的电 压决定了输出脉宽大小。 11、14脚：脉冲输出端，输出相位相 反的两路脉冲。 13脚：输出信号供电端。 16脚：输出+5V基准电压内部结构框图204.1.2 脉宽调制输出SG3525可输出两路相位相错开的脉冲信号，幅值为芯片供电电压。4.2 反馈与给定反馈：即是对输出的电流信号进行采样，并与设定值进行比较，并通过脉宽调制器 的输出脉宽对逆变器开关管的导通时间加以控制，保证输出电流的稳定。 给定： 是指所设定需要的输出电流，以满足焊接的工艺需求。给定可通过外接电位 器调节。4.2.1 反馈信号的取样1）分流器： 分流器是根据电流通过电阻时在电阻两 端产生电压的原理制成的。其规格有60mV/200A， 60mV/300A，60mV/400A。 2）霍尔电流传感器：霍尔电流传感器的原理是霍尔 器件的输出电压与磁场的变化有良好的线性关系，将霍尔 器件放在被测电流产生的磁场中，霍尔器件的输出电压直 接反映被测导线中电流的大小。常用霍尔传感器的规格有 200A/4V、400A/4V,500A/4V，600A/4V。分 流 器霍 尔214.2.2 反馈与给定控制电路原理1.反馈与给定原理（1）反馈信号与给定信号叠加后输入运算放大器反相输入端，由于运算放大器的闭环 特性，要求正负输入端“互需”，与给定信号叠加后，信号幅度接近于零，但不是零。 （2）当输出电流为零（空载），只有给定信号时： 3140的6脚为低 3525的9脚为高 输出满宽 （3）当输出电流的反馈信号与给定信号一定时： 3140的6脚为正电平，8050处于放大状态，3525的9脚下降低于5V，此时11、14脚脉冲输 出相应宽度的脉冲信号。（4）当给定不变，而输出电流因负载变化而改变时： 当电流突然变大时，由于反馈是负信号，反馈信号将相对变得更低，则3140的 6脚的正电平上升，由于8050反向放大，3525的9脚下降，11、14脚输出脉冲脉宽收 窄，电流回到原来状态。 2.反馈给定工作电路221）工作原理： （1）调节输出是通过调节3525的脉冲宽度，即3525的11脚和14脚输出脉冲的占空 比(占空比即有波输出的时间占整个周期的比)。而11、14脚的脉宽是通过9脚的电压调 节的。 （2）根据变压器的变比关系U1/U2=N1/N2可得出输出电压U2，但是这是在占空比为 100%的时候，当实际占空比不是100%时，输出电压U2=(U1N2/N1)D(D为占空比)。 2）利用反推法说明手焊给定电压与反馈信号 的关系： （1）根据国标的约定，手焊输出电压与 电流的关系为：Uo=20+0.04Io，假定某手工电 4V 弧焊机的主变匝比为22:4，则当要输出100A的 电流时（也就是对应输出24V的电压），则根 2.5V 据之前变压器电压、匝比及占空比的关系 308×4/22 ×D=24V可得D约为42%，对应的 1V 3525的9脚的电压大约为2.5V左右。 5% 42% 95% 占空比 3525的9脚电压（2）由于3525的9脚的电压是通过3140的6脚经1倍的反向放大器放大后产生的，并且 8050的集电极经电阻接到了3525的16脚内的5V基准电压源，且电路实现了反相功能，即 3140的6脚电压升高则3525的9脚电压降低，3140的6脚电压降低则3525的9脚电压升高，但 是两点电压和为基准5V。 由前面的计算可知3525的9脚的电压应为2.5V，则3140的6脚的电压应为5-2.5=2.5V。23（3）现在只考虑静态情况，即输出要求是稳定的100A电流，由于电容C1、C2的 作用，3140对直流信号无反馈作用，即对直流相当于开环状态，实际3140的开环放大 倍数的典型值为20000。要得到3140的6脚约为2.5V的电压，则要求3140的2脚（反向 输入端）的电压约为-0.125mV。 （4）3140的2脚的电压是反馈信号与给定信号的叠加，下面我们来分别计算 反馈信号和给定信号的大小。 （5）电路中接的分流器的规格是200A/60mV，即流过200A的电流时分流器上产生 的压降是60mV，由于分流器类似于电阻，所以当流过的电流是100A时分流器上的压降 为30mV。 （6）由图知分流器的流入端接地，则流出端A点的电压为-30mV。 （7）当不考虑给定时，由R1和R2分压可得到B点的电压为-27mV。 （8）由前面的计算可知，实际流过100A电流时对应的B点（即3140的2脚）的 电压应为-0.125mV。则给定加到3140的2脚的电压应有+26.875mV。（9）由推算出来的给定到3140的2脚的电压可以算出给 定电位器处应提供的给定电压（26.875=U 给R2/(R2+R5)）约为 2.6V，见图1。 至此我们已经由输出的100A推算出了反馈信号和给定信 号的大小并给出了控制输出的方式。 但是这种推算是在静态的条件下，然而实际焊接中的电 流不可能是不变的，实际焊接中当电流变化时会存在以下的 反馈： 负载电阻 Io UA Uo UB Io 3140的3脚电压 6脚电压3525的9脚电压当负载电阻变大导致输出电流变小时会有相反的反馈 过程，通过以上的反馈便可保持输出的恒定达到恒流的目 的。图1244.3 保护电路保护电路主要有： 1）开机保护 2）24V欠压保护 3）过热保护 4）过流保护 除了开机保护电路是为了开启瞬间避免变压器产生过流之外，其它三种保护都 是焊机工作不正常的情况下通过使3525封波实现的。而使3525封波的方式有两种， 分别是使3525的8脚电压小于1V和使3525的10脚大于10V。我司主要采用的是将3525 的8脚拉低的方法。4.3.1 开机保护 开机保护主要是通过慢起动实现的。 慢起动：如开机瞬间，3525输出的是满宽波形,则会使变压器饱和产生过流,为避免 变压器饱和,要求开机时, 3525输出的波形要慢慢展宽,这个过程称为慢起动。3525集成脉宽调制器的8脚内部接有 50uA的恒流源，8脚电平低于5V时，会限制 芯片输出波形的宽度，当8脚电平低于1V 时，将关闭控制脉冲。 刚开机时，3525的8脚恒流源通过电阻 R2给电容C11充电，由于电容两端的电压不 能突变，所以8脚电位逐渐升高，控制脉冲 逐渐展开，实现慢起动。25欠压、过热、过流保护的原理结构如下图所示，当任一保护信号触发时，3525的8脚 被拉低实现封波保护。另外由电路结构可知，过热、过流保护指示灯发光，欠压保护不 发光。4.3.2 24V欠压保护 欠压保护是对辅助电源输出异常而设置的 保护，它对辅助电源的输出值进行检测，如发 现辅助电源输出偏低，则使电路停止工作。 当辅电输出24V正常时，通过R 10、D3、R5、R28 的分压得到Q6基极电位为 ,R28 (24? D3 ) ? 0.68 V R10 ? R5 ? R28R10 +24V83525的8脚2KD3 R2715VR522KQ78050Q66K2C138050使Q6导通，Q7截止，3525的8脚不被拉低， 3525正常输出。222R28680Ω如果24V欠压，通过R10、D3、R5、R28的分压，使Q6的基极电压低于0.65V，Q6 截止，Q7导通，3525的8脚拉低，脉冲关闭。264.3.3 过热保护 过热保护电路的作用是避免机器因散热不良，环境温度过高或元器件工作异常而 损坏电路。 通常，把热敏器件（热敏开 关）置于主变压器或散热装置上， 一旦主变压器或散热装置温度过 高，热敏器件就闭合，从而触发保 护控制电路，对电路进行保护。 1）当机器过热时，热敏开关闭 合，使得输入控制电路过热信号端 接地，使得D5导通，将Q6基极拉低， Q 6截止，Q7导通，把3525的8脚拉低 实现封波。 2）外接的保护灯经热敏开关形成回路，保护指示灯亮。 当机器停止工作一段时间后，温度恢复正常，则热敏开关断开，输入控制电路 过热保护端的电压为高，D 5截止，Q6导通，Q 7截止，3525正常发波。4.3.4 过流保护27上图中的电流保护电路如下图所示：过流信号触发可控硅进而实现保护。 可控硅：可控硅可以理解为一个受控制的二极管，它也具有单向导电性， 不同之处是除了应具有阳极与阴极之间的正向偏置电压外，还必须给控制极加 一个足够大的控制电压，在这个控制电压作用下，可控硅就会像二极管一样导 通，一旦可控硅导通，控制电压即使取消，也不会影响其正向导通的工作状 态。可控硅的工作原理可以用连接的PNP 和NPN来等效 AA等效电路PNPGKGNPNK28过流保护是为了避免因元件损坏、干扰、异常等原因引起电流过大对逆变器造成损坏 而设置的。它通过电流互感器对主回路中的电流进行采样，当电流超过允许值，控制电路 中保护电路动作，停止主回路的工作。 电路采用1：300的电流互感器对主回路进行采样(电流互感器是一种电流采样器件，相 当于变压器)，保护电路采样到的电流信号流过51R和820R，并产生压降，一但这压降大于 保护控制电路中给定的基准电压，触发可控硅的控制极，使可控硅进入导通状态,可控硅导 通后: 1.使得D5导通，将Q6基极拉低，Q6截止，Q7导通，把3525的8脚拉低实现封波，实现了 过流保护。 2.外接的保护灯经可控硅形成回路，保护指示灯亮。 过流保护点的计算： 1.当过流可控硅导通时，5.1V稳压管导通，由于可控硅控制极需要1V的控制电压，因此 稳压管的阴极的电压至少要6.1V。 2.可控硅导通后流进控制极的电流很小可以忽略不计，因此电阻100R上的电流忽略，此 时4148阴极的电压为6.1V，则流过电阻51R和820R上的电流为6.1V/(51R//820R)，约为 0.13A。 3.因为采用了300:1的电流互感器，因此主回路中流过的电流为300×0.13，约为39A，即 当主回路中流过的电流大于39A时便触发过流保护。4.4 驱动控制电路294.4.1 驱动信号一级放大 SG3525输出的两个相位相反的脉冲信号首先要经过转换放大，电路原理图如下：当11脚脉冲为低电平时（即Q6截止、Q 7导通），由于三极管是电流控制型器件，所以 只有当基极上由电流流过时三极管才能导通，此时Q5上无电流流过，Q5截止；由于Q2是 NPN型三极管，电流经+24V流经15V稳压管到Q2再经Q7到地，所以Q2上有电流流过，Q2导 通，此时24V经过D4、R12、C4、R20、Q2对地形成回路给C4充电，由于C4被D1嵌位，所以C4两 端电压为左负右正的15V，而R20电阻远远小于R12，两端电压忽略不计，那么A点电平为 15V，而B点被Q2拉低，输出为0V。（忽略Q 2导通压降） 当11脚脉冲为高电平时，Q5导通，Q2截止，12V电 压加到稳压管正端。而电容C4经24V直流充电后而形成 15V的电压与12V电压串联，于是在A点得到27V的高电 平输出，而B点仍保持约12V的电压。同理，C点在3525 的14脚输出高电平时输出27V，14脚输出低电平时输出 15V，而D点则分别为12V和0V。 A、B、C、D四路输出的波形如右图所示。304.4.2 驱动信号二级转换放大 经放大的信号并不能满足驱动逆变管的相位要 求，要再次经过转换放大，其原理图如图1： 其中Q1、Q3为P型场效应管，当A、C端输 入高于27V时，场管截止，而输入低于15V时 导通；Q2、Q4为N型场效应管，当B、D输入高 于12V时导通，低于0V时截止。图1转换后得到的波形图如图2，其中用高电 平代表场效应管导通，低电平代表场效应管截 止。图24.4.3 驱动信号三级转换放大 由于开关驱动电平转换电路输出的脉冲信号不能满足逆变器对开关信号的要求，未能 保证开关电路的强有力的开通与关断，还需要经过变换，其变换电路如图所示。N2、N3、 N4、N 5电路结构一样，其中N2、N4与N3、N5相位相差180°，在此只画出一路作电路分析。当N1原边为上正下负时，N2、N4产生上正下负的感应电动势(由于线圈匝比为2：1，则 感应电动势的值为12V)；N1、N3的感应电动势经D1、R2给C 1充电，由于Z1的嵌位作用，电容 上形成左正右负5.1V压降，于是，在场效应管栅极产生12V-5.1V=6.9V的电压，这时场效应 管导通；当死区时,驱动变压器线圈中无电流通过，栅极电位保持(-5.1V)的电压，场效应 管截止；当N1为上负下正时，N2、N4上产生上负下正的感应电动势(幅值为12V)，其与电容 上的压降叠加，此时栅极电位为-17.1V，场效应管截止。31由电压波形图可以看出： 1）正端上升沿呈弧角， 这是由于电压上升时，R1、R3 控制了电压快速上升，这样， 在实际电路中，采用多只场效 应管并联做一个桥臂时，能让 这多只场效应管有充分的导通 时间，保证桥臂动作，增强电 栅极电压波形 路可靠性。 2）正端下降沿呈直角，这是由于在关断时，二极管D 2把R1短接了，这样能迅速地把 栅极电位拉低，形成强有力的关断。 3）下降沿5.1V处有强烈的毛刺，是由于二极管D2的强有力关断和变压器有漏感、电 感线圈的续流作用等原因引起的。 开关驱动电路不仅满足了逆变器所需的强有力开通与关断的要求，还把栅极电压整 个波形下沉5.1V，这样，当机器在中点产生干扰时，便有了5.1V幅值的缓冲，而不致于 因小干扰使开关误导通，保证了机器安全，提高了可靠性。 然而，由于场管参数不可能完全一样，不同参数的场效应管作桥臂时，会使中点 （-5.1V）产生漂移，降低电路可靠性，这时，可以改变R 1的阻值加以改善。32第五章 辅助电源本章主要介绍了逆变焊机中用到的几种辅助电源的形式，包括 有：5.1 单端反激式开关电源； 5.2 单端反激式开关电源（他激）； 5.3 升压式开关电源；辅助电源的作用是给控制电路、驱动电路提供稳定的低压电源。保证控制电路、驱 动电路稳定可靠的工作。要求能够输出24V、12V、5V的稳压直流电。5.1 单端反激式开关电源5.1.1 拓扑原理 1. 当开关K合上，电源给变压器供能，并以磁能的形式 储存于变压器中。N1的极性为上正下负，N 2的极性为上负下 正，二极管截止，次边无电流。 2. 当开关K断开，由于次边无电流输出，在N1的自感作 用下，变压器初级原边下端的电压超出电源电压，电感内储 蓄了较高的磁能，此时N1极性变为下正上负，由于互感的作 用N2的极性变为上正下负，二极管D导通，变压器的磁能由N2 线圈释放出来，N1线圈的下端电压开始回落。 3. 当磁能释放到一定程度，线圈N1下端电压低于电源， 电源再次给变压器供能，此时N1极性变回为上正下负，开关K 再次闭合，进入下一个周期。 4. 电路中电流电压周期性的变化（初级）使次级负载 得到稳定的供电。VCCT N1 N2DCRLK33辅助电源的供电是交流输入经过 整流滤波后得到的直流电提供的。图 中用场管代替单端反激电源模型中的 开关，通过控制开关管的导通与关断 的时间来控制变压器的充能和放能， 进而对负载提供低压。 1.开关管的导通与关断 1）导通：电源通过N1、R9给开关 管Q5的栅极供电。此时，开关管Q5导 通；同时，因N3与N1同相位，N3感生 电流给开关管栅极供电，加速开关管 Q5的导通。当Q5导通后，R9无电能供 给，要靠N3感生电流、电压维持Q5导 通。 2）关断：开关管Q5导通后，电流经开关管Q 5、R10到地，由于N1电感的作用，电流 是由小到大上升的，则电阻R10上的电压同样是由低到高上升的，当电压值上升到一定 程度时,三极管Q6导通，开关管Q5的栅极电位迅速被拉低。此时开关管Q 5截止。3）再次导通：当变压器的能量放到一定程度时，N1下端电压回落到电源电 压，由于电感的续流作用，N1下端电压会低于电源电压，电源再次通过给线圈N1充 电，产生向下的电流。同时，由于互感作用，N 3开始给Q5栅极供电，Q 5再次导通， 电源又给变压器充能，此时由C26放电供给负载能量。 2.变压器的储能与放能 1）储能：开关导通后，电源给变压器T供能，并把能量以磁能的形式储存于变 压器中。N1的极性为上正下负，N 2极性为下正上负，二极管D13反向截止，N 2无电流 通过。 2）放能：开关管关断后，由于电感线圈N1的储能续流作用，N1下端电压会上升 超出电源电压，极性变为下正上负，此时N2的感生电动势极性变为上正下负，二极 管D13导通给负载供电，同时给C26充电，变压器的磁能由次极N2释放。34小机型的辅助电源采用单端反激式开关电源（自激） 的形式，其原理电路如图：为了使电源更好的工作，实际电路中增加了以下部分： 1）稳压：当输出电压超过24V时，电流通过D14、R20使得光电耦合器中的UA1发光， UB2导通，三极管Q6导通，将开关管Q5的栅极电位迅速拉低，开关管提前截止。使得输出 保持在24V，达到稳压的目的。 2）D9钳位：当开关管Q5栅极电压高于8.2V时被D9钳位在8.2V，避免开关管栅极电压 过高损坏开关管，起到保护开关管的作用。VCC5.2 单端反激式开关电源（他激）右图中的K在实际应用中用场效应管替代，场效 应管栅极的开关驱动信号是由脉宽调制器 （UC3843）以固定的开关频率产生的，从开关管驱 动信号方面来说此辅助电源是属于他激式开关电 源。 5.2.1 UC3843简介 1.UC3843的内部结构原理图T N1 N2 C RL DK352.UC3843工作原理： 1）供电：电源由7脚输入，在施密特触发器的 控制下，电源电压大于16V时，芯片工作，低于10V 时关闭。6V的启动、关闭的差值电压可有效防止电 路在阈值电压附近工作时振荡。输入端设置了一个 34V的齐纳稳压管，保证其内部电路绝对在34V以下 工作，防止高压损坏。COMP VFB CURRENT SENSE RT/CT1 2 3 48 7 6 5VREF VCC OUTPUT GND2）振荡信号的产生：其振荡器的工作频率由4脚外接的电阻、电容值决定，由8 脚供给振荡的电源。通常，在4脚与地间接电容，4脚与8脚间接电阻，其振荡频率 f=1/T=1.8/（RtCt）。 3）2脚为误差放大器的反相输入端，同相输入端为2.5V的基准电压，2脚电压 与2.5V电压比较后得出的电压差经误差放大器放大后去控制输出脉宽。 4）脉宽调制：3843脉宽调制器的6脚外接开关器件，当开关器件流过的电流改 变（因负载变化）时，3脚所采样到的电压信号也随之改变，通过电流比较器，就 能改变输出脉冲宽度，从而调节开关管导通时间，即占空比。5.2.2 他激式单端反激电源原理361.开关管驱动信号产生 3843的6脚输出脉冲的开关频率由C6和R8决定。 2.开关管的开启与关闭 1）开启：主电源开关闭合后，电源经变压器T的初级线圈N 1供电给功率开关管Q1的漏 极。同时，UC3843的7脚也获得电源电压，经R1限流使芯片工作，6脚输出驱动脉冲，使得 开关管Q1导通。 2）关闭：开关管Q1导通后，电流经开关管Q1、R12到地，由于N1电感的作用，电流是 由小到大上升的，则电阻R12上的电压是由低到高上升的，当电压值上升到一定程度时 （大于内部误差放大器输出电压或大于1V时）, 3843的6脚输出低电位，将开关管Q1的栅 极电位迅速拉低。此时开关管Q1截止。 3.变压器的充能与放能 1）充能：开关管导通时，电源给N1充电，电能转化为磁能储存于变压器中。 2）放能：开关管断开时，由于电感（线圈N1）的续流作用，N1继续给电容C8和Q1的漏 源极电容Cds充电。 此时，在N1上的电压方向为上负下正，而N2上的感应电动势方向为上正下负，二极管 D10导通，给负载供电并向C10充电。4.稳压输出 当负载变化时，辅助电源（他激式开关电源）的输出电压、电流都将发生变 化。此时，3843芯片2脚采样到的电压信号（通过1K电阻、24V稳压管）以及3脚的 电平值（输出电流反映到N1上的电流在R12而形成的压降）也随之改变，从而使3843 内部的电流比较器输出值也发生改变，从而改变6脚的输出脉宽。 5.保护电路 如果因漏感作用干扰或不正常输入使得开关管漏源电流过大，此时，在R12上形 成的压降也变大，3843内部的电流比较器的同相输入端（3脚）电位变高，当大于 1V时，电流比较器输出翻转，变为高电平，使得锁存器锁住，芯片输出低电平，关 闭开关管，从而保护了功率开关管。375.2.3 他激式单端反激电源实际电路原理为了电路可以更好的工作，在基本原理的基础上增加了以下部分： 1.D5、R50、C8的作用：使得N1、N2上的电压不会太高，而N1上的电压也不会因 电感特性（续流）产生尖锋而损坏电路。 2.辅助电路：线圈N3及D2、C2、R5组成一个半波整流电路，维持3843的7脚供电 的稳定。 3.C36、R46：吸收作用，为了保护二极管D10。 4.过压保护：如果输入电压过高，在开关导通时，在N2上感应到的感应电动势 过高，使得D6（27V）稳压管被击穿，光耦U2动作，触发可控硅门极，可控硅导通， 拉低3843的7脚电位，芯片停止工作。385.3 升压式开关电源升压式开关电源电路原理： 1.开关K合上时，电源Vcc给电感L供电，并以 磁能的形式储存于电感L中。L的极性为左正右负， 二极管D截止，由电容C供电给负载RL。L+ - VccD KCRL2.开关K断开时，由于电感的自感作用，L极性变为右正左负，此时电感的自感电动 势与电源Vcc相当于串联。在负载RL上的电压就等于电源电压Vcc加上电感L自感电动势的 电压。 3.开关K以固定的频率开通、关断，负载RL上就获得了比电源更高的供电电压。 从以上分析可以知道，负载RL上获得了比电源更高的供电电压，故此开关电源称为 升压式开关电源。焊机应用中升压式开关电源电路原理图39具体电路工作原理分析： 1.T1处输入交流双14V经全波整流，得到一个约20V的直流电压。此电压接到7812的输 入端，输出得到12V的直流电。 2.芯片工作：12V加给3843的7脚，3843开始工作；8脚输出5.1V基准电压。3843振荡 器起振。在内部时钟控制下，6脚输出驱动脉冲。 3.储能与放能：当驱动脉冲为高电位12V时，场效应管Z44导通，电能转换成磁能的 形式存储在电感线圈中，D92M-02无电流流过。 开关管Z44导通后，电流经开关管Z44、0.1R电阻到地，由于30uH电感的作用，电流 是由小到大上升的，则0.1R电阻上的电压同样是由小到大上升的，当电压值上升到一定 程度时（大于内部误差放大器输出电压或大于1V时）, 3843的6脚输出低电位。 当驱动脉冲为低电位0V时，Z44关断，线圈放能；线圈中磁能转换成电能，此电能与 前面的20V电压串联，流过D92M-02，给1000uF/35V电容充电。并给负载供电。 4.稳压：3843的2脚接误差放大器的反相输入端，同相输入端接+2.5V基准电压。输 出电压经过47K、5.1K分压后，约2.5V加到3843的2脚，此电压与基准电压比较，得出的 电压差值经误差放大器放大后，去控制输出脉宽。以达到输出电压稳定的目的。1脚经 220K、103电容接到反相输入端，以控制放大器闭环增益，并起到稳定的作用。 5.过流保护：当Z44导通后，电流流过1W/0.1R电阻，就会在上面有一个压降，此电 压加到3843的3脚的内部电流敏感比较器，当电压超过1V时，电流敏感比较器翻转，使得 6脚无脉冲输出，达到了保护的目的。当3脚上的电压消失后，3843又继续工作。40第六章 原理图与实际电路板对应为了让大家更好的把原理图与实际焊机结合起来，本章简单 的将之前讲的电路图与在实际焊机中对应的地方做了介绍，主要 分为上板、中板、底板及整机的装配。6.1 上板； 6.2 中板； 6.3 底板； 6.4 整机装配图；6.1 上板上板主要包括辅助电源、控制模块、驱动模块、逆变、反馈给定 底板24V供电插座 控制模块 中板变压器插座 驱动变压器来自底板308V供电场效应管416.2 中板中板主要包括变压器、二次整流、直流输出。 整流管 主变压器分流器热敏开关插座 接上板逆变器6.3 底板底板主要包括启动保护、一次整流、滤波电路。启动保护硅桥电源继电 器DC308V低频滤波电容426.4 整机装配图43
第七章 手工电弧焊前几章介绍了逆变焊机的基本结构原理，它是组成各种不同焊 机的基础。 手工电弧焊机就是在这个基础结构上增加了推力电流给定电路 和热引弧电路。7.1 推力电流给定； 7.2 热引弧；7.1 推力电流给定7.1.1 弧长与输出电压关系: 弧长与输出电压成正比； 弧长越短，输出电压越低； 弧长越长，输出电压越高。 推力电流就是当焊条跟工件快要粘在一起时，焊接电流会自己增加，加速焊条熔 化，而不至于跟工件粘在一起，影响焊接工艺和焊接质量。 推力电流的另外一个作用就是弧压变小时，增大焊接电流，进而保证输出功率恒 定。U h 工件 焊条弧长推力补 偿 I457.1.2 推力电流给定电路 电压反馈回来的是负压。此电压经33K、2.4K 分压后在A点得到一个较小的负电压。由手焊弧压 公式Uo=20+0.04Io可知： 1）焊机输出端电压越大时，A点负电压越 高。则B点正电压就越小。经过三极管8050跟随器 到E点的电压也越小。E点电压大小决定推力电流 的大小。即: UOUT↑→ V↓→ UA↓→UB↓→UE↓ 所以，焊机输出端电压越高能加进去的推力电流 较小。 2）焊机输出端电压越小时，A点负电压越小。则B点正电压就越大。经过三极管 8050跟随器到E点的电压也越大。E点电压大小决定推力的大小。即: UOUT↓→ V↑→ UA↑→UB↑→UE↑ 所以，焊机输出端电压越低推力电流越大。 3）当输出端短路时，焊机输出端电压为0V，A点电压为0，则B点电压最大8.2V， 经射极跟随器到E点的电压也最大，这时推力电流最大。7.2 热引弧热引弧是在起弧瞬间在焊接电流的基础上再叠加一个一定量的电流，防止粘焊条， 方便起弧。+5V输出电流给定 6K820K 102 +1227热引弧电路的工作原理： 1.热引弧电流给定形成：在手工电弧焊 状态为空载时，无输出电流即无电流负压反 馈，此时3140的2脚为正电压比V 大，3140的6脚为0V，8050的b极无电位， 8050处于截止状态，此时12V经电阻20K与二 极管uF电容充电，由4.7uF电容与 51K电阻形成热引弧电流给定。103输出电流 100Ω 负压反馈51K 4.7uF K3CA31406PWM脉宽调制4 51 82KA80502.当手工电弧焊短路引弧时，焊条与工件接触，电焊机退出空载状态，有电流输 出，产生电流负压反馈，电流负压反馈使3140的6脚高于0.7V，使8050由截止转换为导通 状态，A点电位被拉低（对地），由于空载时4.7uF电容上储存了电能，也由于二极管 4148的反向截止， 4.7uF电容只能通过51K电阻放电，相当于在正常的输出电流给定的基 础上再叠加了一个电流给定，但此叠加了的电流给定具有时间性，随着4.7uF电容通过 51K电阻放电的结束，热引弧电流消失。焊机的输出电流恢复到正常焊接电流。46第八章 氩弧焊机原理氩弧焊机在手工电弧焊基础上增加了以下电路：8.1 手开关和电磁阀控制电路； 8.2 高频高压控制电路； 8.3 增压起弧电路； 8.4 脉冲氩弧焊脉冲产生电路； 8.5 交直流氩弧焊的二次逆变；另外在输出回路上，氩弧焊机输出采用正接方式，即：输 出负极接氩焊枪（钨极），而正极接工件。8.1 手开关和电磁阀控制电路手开关 K1+24VD73525的8脚延时开关K2+24V电磁阀C6 104DIODE Q2 R4 Q1 22K C18 C17 UF
2K 104R5 22KR6 22K C8 R7 22K 104Q3 Z2447手开关电路和电磁阀控制电路工作原理: 由上图知： 1. 手开关K 1未闭合时 1）Q1的b极无偏置电压，Q1截止，24V直流电通过电阻R 5使Q2导通，3525芯片的8脚经过 Q2对地短路，此时，3525处于封波状态，焊机无输出； 2）Q3的G极无电压，Q3截止,此时电磁阀不吸合,不提供氩气。 备注：电磁阀是气体供给控制器件，当Z24导通时，电磁阀中的电感线圈获得电流，产 生磁能，将电磁阀内部的铁块吸离气管管口，气体通过电磁阀供给焊枪；当Z24不导通时， 则电磁阀不通气，无气体供给。 2. 手开关K1闭合时： 1）24V直流电通过电阻R4、R8分压使Q1导通，Q2基极电位被拉低而关断。此时，3525 的8脚处于正常工作状态，则焊机正常工作。 2）24V直流电通过电阻R6、R7分压使Q3导通，电磁阀吸合，给焊枪供气。 3. 焊接结束： 手开关断开后，Q2导通，3525 的8脚电位重新被拉低，电路停止输出，而C17上仍存 有电能，它通过R6、R7放电供给Q3导通，保持电磁阀导通延时供气。实现了焊接对电流、 气体的控制要求。通过延时开关K2的通断控制电容C18是否接入电路，便可控制气体延时 时间的长短。8.2 高频、高压产生与控制电路氩弧焊机的起弧需要高压，为了能在手弧焊机的基础上产生高压并送到输出回路，采 用了如图的电路。488.2.1 高频 高压电路工作原理 1.四倍压整流电路工作原理 1）如图中，当U2为上正下负时，U2通过D1对C1 充电，C1被充电至 U2，C1上的电压为左负右正； 2）U2变化为上负下正时，此时电容C1上的电 压与U2相串联后通过D2对电容C2充电，C2被充电至 2U2，C2上的电压为左负右正；++2C2C4A BD4A6-+ -+C1 D1 D2 C3-+D3U1 U21 5- --+3）U2再次变化为上正下负时，此时电容C2上的电压与U 2相串联后通过D3、C1对电容 C3充电，C3被充电至2U2（U2+UC2-UC1），C3上的电压为左负右正； 4）U2再次变化为上负下正时，此时电容C3、C1上的电压与U2相串联后通过D 4、C2对电容 C 4充电，C4被充电至 2U2（U2+UC1+UC3-UC2），C4上的电压为左负右正； 5）这样，在A、B间便形成了4U 2的压降（即取UC2+UC4=4 U2的电压输出）。 2.高压的产生 上图中，经逆变后的308V的交流电先输入升压变压器升压，再采用倍压整流电路来产生 高压，最后再经引弧器16:25升压后接在输出端。图中升压变压器为22:77，将308V电压升高 约3.5倍，倍压整流为4倍压。 高压估算为308V×3.5×4=4312V。3.高频振荡发生器 高频振荡发生器由引弧器初级线圈、102/10KV、FDZ （放电嘴）组成。 1）A、B两点的压降达到4KV给两个102/10KV电容充电； 2）1KV电压可击穿1mm空气气隙，放电嘴间隙低于4mm， 放电嘴因4KV高压击穿放电，此时，相当于短路连接引弧器 初级线圈与102/10KV电容； 3）引弧器初级线圈与102/10KV产生LC高频振荡，f=1/2π LC 4）由于能量的不断补充，使得引弧器L、电容C不断产生高频振荡电流，并通过引弧 器初次级耦合（初次级匝比为16：25）输出到输出端，即焊机输出端获得了高频高压。 4.高频高压的接通与关断控制 1）氩弧焊机采用高频、高压起弧的方式，要求起 弧时有高频、高压，起弧后（进入焊接状态）高频、高 压消失。其控制原理如右图。 2）图中的J3B继电器用来控制J3A的通断，J3A作用见 高频、高压电路图，J3B通电时，J3A闭合(有高频、高 压)，J3B不通电时，J3A断开(无高频、高压)。49电路工作原理： 空载时： 1）按下焊枪开关，焊机输出为空载电压,此时AB两点为稳定电压。 2）机器有空载电压，C点电位为24.7V（ 三极管C2073的b极），e极输出24V（射极跟 随器输出），给控制高频的继电器供电，此时J3A闭合，机器有高频输出。 起弧后（焊接状态）： 起弧后，焊机有电流反馈，脉宽收窄，A点为脉冲电压（因在电感滤波前）,即在三极 管C2073的b极存在充放电过程。 1）充电时,这一脉冲电压经过56K的电阻对电容224充电； 2）放电时,电容224经过FR104与10Ω电阻(相当于把56K电阻短接)放电; 从以上可以看出放电时电阻比充电时的电阻小56K,因此电容经过一充一放,电容上没 有储存到电能；即三极管C2073的b极的平均电压接近0V，工作于截止状态；高频控制继电 器得不到电压，J3A不闭合，无高频输出。8.3 增压起弧控制为了保护轻易起弧，提高焊接质量，氩弧焊机还在输出端增设了一个增压起弧的 装置，其利用高频高压发生器的变压器的另一组次边作为增压变压器，使得高频高压 发生器工作时，也同时抬高了输出端的电压，保证起弧，起弧后，增压装置也随着高 频高压电流发生器一起被断开。其原理图如下：508.4 脉冲氩弧焊脉冲产生电路图中X1为脉冲有/无转换开关，当开关断开时有脉冲输出。 模拟PWM脉冲调制器，要产生脉冲，要将一路得三角波信号和一路直流电平进 行比较得到相应脉宽得脉冲信号。图中得U 1A就是为了产生一路三角波信号而由运 放组成得振荡器。U1B的反向端产生可调的直流电平，最终经过U1B对两路信号进行 比较得到相应的脉冲。 产生的脉冲信号与加到给定上去，相当于在原来的给定上叠加一个脉冲信 号。8.5 交直流氩弧焊的二次逆变 从图中可以看出，只要在 K1、 K2、 K3、K4上提供合适的驱动信 号，就可以完成二次逆变，即 AC/DC转换，焊机输出交流信号进 行焊接。一次逆变和二次逆变的对比区别 逆变频率 占空比 输入电压 流过逆变管的电流 负载 一次逆变 100-110KHz（MOS管） 85%-90% 一次整流输出（308或540V） 20-50A 主变压器 二次逆变 55-65Hz 20%到80%可调 50-70V 200-500A 电弧51
第九章 切割机切割机所用的热源是将自由弧压缩强化后获得电离度更高的等离 子体产生的。 因此切割机的基本原理同之前所讲的氩焊基本相同，只是切割机 需要较高的输出电压（由切割机的输出电压电流关系Uo=80+0.4Io，对 比于手焊的Uo=20+0.04Io可知切割机的输出电压比手焊大4倍，电流比 手焊小4倍），所以在主变匝比上有所不同。9.1 等离子弧的产生与特点； 9.2 切割机的起弧方式； 9.3 切割机主变；9.1 等离子弧的产生与特点通常把电弧密度为自然条件下的电弧密度（未经压缩）的电弧称为自由弧；自由弧 的导电气体没有完全电离，电弧的温度在6000℃到8000℃之间。 而在气压、电压和磁场的作用下，柱状的自由弧可以压缩成等离子弧,电弧温度可 高达15000℃-30000℃,能使金属等物体迅速熔化。 等离子弧的最大压降在弧柱区，这是由于弧柱被强烈压缩，使电场强度明显增大的 缘故。因此，等离子切割主要是利用弧柱等离子体热来加热金属进行切割。9.2 切割机的起弧方式切割机的起弧方式主要有接触起弧和转移式起弧两种。 9.2.1 接触式起弧 接触式起弧即把与电极绝缘的喷嘴直接贴在工件上，然后把高频高压电流加到极针 上，使电极喷出电弧，然后抬高喷嘴进行切割。 接触式起弧主要应用于小功率的切割机。539.2.2 转移式起弧 对于大功率的切割机，一般使用转移式起弧方式，对于转移式起弧方式，在电路原 理上增加了维弧控制电路。 转移起弧，即把电源正端通过一定的电阻和继电器开关连接到喷嘴上，使得电极与 喷嘴间形成电弧，由于有电阻限流，电弧较小；然后把喷嘴靠近工件，电极和工件间便 形成能量更大的电弧，电弧被压缩成等离子弧，而喷嘴与电源正端断开连接，维弧结 束，开始切割。9.3 切割机主变切割机主变匝比一般较小，主变输出电压较高，并且 由于二次整流管需承受较高的电压，为避免高压损坏整流 二极管，变压器变压后采用桥式整流。1.维弧控制电路 维弧控制电路主要是通过控制继电器J2B的开启关断来实现对维弧电路的控制。541）手开关未闭合时 3525封波，控制电路不工作,此时无反馈,3140的6脚输出为低电位，LM358的7脚 输出为高电位，Q4导通，继电器J 1A、J2A吸合,高频产生电路,维弧电路处于接通状态。 但是由于手开关未闭合，所以主变无输出，并无高频产生，维弧电路也只是接通 而并没有工作。 2）手开关闭合时 由于手开关闭合，所以主变有输出，并保证后面的高频产生电路工作，进而使维 弧电路也开始工作。 维弧电路工作，于是便形成了从电源正极 J2B PTC 限流电阻(R4、R5、R6) 喷嘴 电源负极的电流通路，由于限流电阻较大，导致电流很小，电流反馈也很小 (小于最小给定)，3140的6脚输出为低电位, J1A、J2A仍处于吸合状态,维弧电路一直 在工作。 3）切割时 切割时，切割枪靠近工件,小弧转为大弧,此时电流较大,反馈大于给定, 控制电路 控制脉宽收窄, 同时3140的6脚变低，LM358的7脚变高，使继电器J 1B、J2B断开，高频 产生电路、维弧电路断开。实现了正常切割时停止高频、维弧。 维弧时间的长短受热敏电阻PTC控制，当PTC发热到一定程度，PTC就自动断开维弧, 过一段时间又恢复正常。55
第十章 二氧化碳气体保护焊二氧化碳气体保护焊一般采用直流电源，其电源特性有平特性 （恒压）输出和下降特性（恒流）输出两种，恒压源需和等速送丝 机配合使用，恒流源需和变速送丝机配合。我司的CO2气体保护焊机 均是采用恒压源配合等速送丝的方式。本章将讲解平特性输出和等 速送丝控制，同时，为了防止恒压源短路时输出电流过大损坏功率 器件，还增加了短路截流控制电路。10.1 平特性电源输出控制电路； 10.2 短路截流控制电路； 10.3 送丝机调速稳速控制电路；10.1 平特性电源输出控制电路电流环电压环57气保焊电源的恒压过程与其他焊接电源如手焊与氩焊等恒流电源的工作过程 类似，只不过恒压时要采样输出电压的信号即得到电压反馈信号，然后系统根据 反馈信号与给定信号来控制输出以达到恒压的效果。 1.电压给定信号Ug和电压反馈信号Uf同时输入到U1构成的同相比例积分放大 器。当输出电压或者给定发生变化时，同相比例积分放大电路会根据反馈信号 与给定信号的变化来改变输出控制信号，再由这个控制信号与电流反馈信号的 合成信号来改变电源的输出，以达到恒压的效果。 2.同时由U1输出的信号与电流反馈If输入到U2组成的反相比例积分放大器， 控制电流的上升或下降速度并调节电流的大小。 3.最终U2的输出送入到3525的9脚控制3525的输出脉冲宽度，调节输出的稳 定。10.2 短路截流控制电路短路截流电流的设置是为了限制平特性电源输出端短路时电源输出的最大电流，防止功 率器件的损坏。 如下图所示，电流给定信号最小为-12V即其最大幅值为12V，此时电流给定达到最大， 输出电流即为截流电流，改变截流电流的大小一般可以通过改变R68的阻值或者D31的稳压值来 实现。5810.3 送丝机调速稳速控制电路送丝电路用的脉宽调制器为TL494。 10.3.1 TL494TL494功能引脚1脚：为运放1同相输入 3脚：为反馈(误差放大器反馈补偿端) 5脚：为Ct 7脚：为地 8脚：为C1 (内部驱动三极管的集电极) 9脚：为E1 (内部驱动三极管的发射极) 10脚：为E2(内部驱动三极管的发射极) 11脚：为C2(内部驱动三极管的集电极) 12脚：为Ucc 13脚：为输出控制(输出状态控制) 15脚：为运放2反相输入 14脚：为5V基准电压输出 16脚：为运放2同相输入 2脚：为运放1反相输入 4脚：为死区时间控制 6脚：为Rt5910.3.2 TL494工作原理 1）振荡信号产生5、6脚：TL494中有一振荡器，其振荡信号由阻容器件产生，振荡 频率由外接的定时元件RT、CT决定，其频率f=1.1/（RTCT）。 2）脉宽调制：与3525类似，通过改变基准电压的方式改变运放输出脉宽。即把振 荡信号（锯齿波）由反相输入端送入PWM比较器（运放），可调（控制）的基准电压由 PWM比较器的同相输入端输入。只需改变外电路的给定值，即可调节基准电压，从而调 节脉宽。 3）输出稳定控制：调节输出脉宽可通过改变PWM比较器的同相输入端（3脚）的值 来实现，但由于电网波动，负载变化等因素，会导致输出电压、电流变化。为了稳定输 出，TL494通过运放对输出回路进行采样，采样的值与设定的基准电压比较后输出一误 差信号，从而控制输出脉宽，由于这样的采样控制是一个负反馈过程，能适当改变脉 宽，使得输出稳定。另外，双运放比较输出形成还能完成过电流保护等功能。 4）输出方式控制：输出方式由13脚的电平值决定。当该端为高电平时，两路输出 分别由触发器的Q和G端控制，形成双端输出方式，当13脚为低电平时，触发器失去作 用，两路输出同时由PWM比较器后的或门输出控制，同步地工作，两路并联输出。两路 并联输出时，输出驱动电流较大。10.3.3 送丝机构调速控制原理D61 C78 15V C77R110 1K D62 15V R113 1K 100nF 10uF/35V R114 1K+24V +24V GNDQ7 IRFI9Z34GMOT+2+VccVrefC79 100nF6 51412RT CTC1 C2 E1 E28 111+MotorR116 5.1K R130 20K R132 4.7K RT7 5K C82 1uFC80 10nF7 13 1GND CON IN+9 10 4 16D63 D92-02 R129 0.1R/1W R131 10K送丝电机MOT-3-U16 TL494T IN+C81 10nFR133 120KFBR135 10K C83 10nF2IN-IN-15R134 10K3C84 R137 10K 100nFR136 10K R138 82K601）调速：送丝速度的调节是通过调节给定电位器RT7实现的，调节RT7，使得运放 1的反相输入端（TL494的2脚）的给定值改变，从而改变输出脉宽，达到调节输出电 压的目的。 从右图可以看出，改变运放1、2 输出端（即TL494的3脚）的电平高 低，便可实现调节输出电压大小（调 速）。 2）稳速：稳定送丝速度是通过负反馈控 制实现的。对送丝机的工作电压进行采样后 的信号输入到TL494的1脚（运放1的同相输入 端），当送丝电压产生波动，1脚电位相应变 化，其变化经运放1的闭环增益放大后控制输 出脉宽，形成一个负反馈的过程。 TL494调速工作波形图电路工作原理如下： 如图，反馈信号与给定信号分别从运算放大 器正负输入端输入，由运算放大器线性工作时要 求正负输入端“ 互需”的特性可知，A、B两点电位 必须相等。 假如给定电压一定时，由于某种原因使送 丝电压产生波动变高，使得A点电位比B点高， 会有以下反馈过程： （VA↑→运放1输出↑→PWM脉宽↑→TL494的 8、11脚脉宽↑→9Z34截止时间变长→送丝机电 压↓→ VA↓）。 经上述反馈过程，稳定了输出电压，达到 稳速的目的。AB613）限流、过流保护：如因电机异常或 过载而产生过大电流时，要求电路能实现限 流、过流保护功能，限流、过流保护功能是 通过负反馈控制实现的。 TL494集成PWM通过16脚（运放2的同相 输入端）对送丝机的工作电流进行采样，当 送丝机工作电流产生波动，16脚电位相应变 化，其变化经运放2的闭环增益放大后控制 输出脉宽，形成一个负反馈的过程。如负反 馈不能实现限流，则TL494的16脚所采样得 到的电压信号迅速增大，使得运放2的输出 增大，PWM比较器由于同相输入端电位的迅速上升而封波，停止输出，电路处于过流 保护状态。 图中120K与10K分压，构成限流、过流保护的基准信号，送丝机正常工作时，因运 放2的负端比正端电位高，“互需”特性不能实现，运放2输出低电位，此时，运放2对 电路功能不起作用； 当送丝机工作电流超过基准值（约4A）时会有送丝电机I↑→Ua↑→运放2输出 ↑→PWM脉宽↑→TL494的8、11脚脉宽↑→9Z34截止时间变长→送丝机电压↓→送丝电 机电流↓。经上述反馈过程，稳定了输出电流，达到限流的目的。如上述负反馈不能实现限 流，则TL494的16脚所采样得到的电压信号迅速增大，使得运放2的输出增大，PWM比较 器由于同相输入端电位的迅速上升而封波，停止输出，电路处于过流保护状态。 当过流信号消失，送丝电机便可恢复正常工作。波形图如右图。TL494过流工作波形图62
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