弧焊电源是满足弧焊工艺要求的特殊电源，即满足符合焊接工艺要求的外特性，动特性和调节特性问 ］。其中外特性占据着头等重要的位置，它决定了弧焊电源是否能够稳定的工作，它的形状还规定 了相应焊接方法中电弧放电的物理条件和所用的焊接规范。弧焊逆变电源以其节能、省材及高效而 倍受人们的青睐。我国逆变电源的研究已从3kHZ左右的晶闸管逆变电源进入到20kHZ以上 的MOSFET和IGBT弧焊逆变电源。不少学者对弧焊电源的外特性进行了研究，但这些研究 尚限于定性分析，如引入电流负反馈实现但流外特性等，而未明确系统结构及各环节参数对系统性 能的影响。本文从分析电源的伏安特性入手，阐述闭环后外特性的意义。以静态结构图表示对应的 弧焊电源原理框图，以各环节的传输方程式为基础推导出系统的外特性方程式。详细分析了几个典 型系统如具有平特性、恒流特性、缓降特性及阶梯特性（带外拖）的弧焊电源系统。用所介绍的方 法分析有关的电源系统，所得结果与调试结果相符。1弧焊电源的伏安特性弧焊电源是向焊接电弧 供电的电源装置，其伏安特性的形状与一般电源装置的伏安特性相同，为一下降特性。Uy”UO －R二Iy式中U。——电弧电压，VIy——电弧电流，AR。——电源回路的总电阻，Q2焊 接电弧的静态伏安特性k’焊接电弧是非线性负载，即电弧电压与电弧电流之间不是线性关系。当 电弧电流从小到大的大范围内变化时，焊接电弧的静特性近似成“U”形曲线卜］。其中使用的部 分可用分段折线代替，在不大的范围内可用线性系统的分析方法对其进行分析，这也是电源系统大 多采用准PI调节器的根据所在。3弧焊逆变电源的外特性分析典型的弧焊电源的原理框图如图1 所示，其中逆变器的主电路可以是单端、双单端、推挽、半桥和全桥等多种拓扑结构，电力半导体 器件可以是GTR，MOSFET，IGBT及MCT等。3．l弧焊逆变电源的外特性弧焊逆变 电源的外特性是指具有闭环调节的弧焊电源系统在内部参数一定的条件下改变负载时，电源输出的 电压稳态值U，和电流稳态值I，之间的关系曲线U，。f（I），对于直流电源，Uy和Iy为 平均值，而对于交流电源则为有效值［’］。因此，只有闭环系统才有外特性，它对应于电源及电 弧的静态伏安特性曲线族，其外特性是当负载变化时，电源静态伏安特性曲线与电弧静态伏安特性 曲线各交点的联线。3．2具有平特性的弧焊逆变电源的静特性分析原理图如图1所示，图中考虑 电压负反馈，电压反馈系数为），各环节传输方程如下式中Ry——电弧等效电阻参照图1和式（ 1）～（6），画出电源系统静态结构图如图2所示。由图2或式（）～（6）可得具有平特性的 弧焊电源系统的静特性方程式图2平特性电源系统静态结构图按式（7）绘出的静特性曲线如图3 中曲线ic当Iy＝0时，空载电压为队一大于二大U。其中K＝v一、，——————”、一。 （＋K）～’””KIKpy，为电源系统的开环放大倍数，在一定的电＿＿、＿R，＿。＿＿＿ ，。弧电流入下凸U＝7－－－Iv，为不闭环时的1／（1＋“”—””“7“”1＋K“”” ”””””’”K）倍，当K很大时，凸U～co如采用PI调节器，其外特性为一条水平线，即 所谓平特性。3．3具有恒流特性的弧焊电源的外特性分析在如图1所示的原理框图中只考虑电流 负反馈，反馈系数为产，设定值为电流UI。，反馈电流If－PI，，可画出恒流系统静态结构 图如图4，由图可以写出其外特性方程式为式中K＝KIKpp，按式（8）绘制的恒流外特性如 图3中曲线2，闭环后电流能保持恒定。图3弧焊电源外特性3．4具有缓降特性的弧焊电源外特 性分析在图1所示的原理框图中同时考虑电流负反馈和电压负反馈，其反馈系数分别为卢和y，由 图可以绘出其静态结构图如图5所示。由图5可写出具有缓降特性的电源系统的外特性方程式KI K。＿＿R。Uv＝＝－－－－－－－U。－rtH，－I、，（9）一’R、，（＋K）～sR 、JI＋K），式中厂一KIKp（尸十yR，）／R，，表明系统开环放大倍数与电压反馈系数 ／和电流反馈系数严有关，调整两系数可以达到要求的曲线硬度。曲线如图3中曲线3所示。3． 5具有阶梯形外特性的弧焊电源外特性分析下面对文献［2」所研制的实际电源系统进行分析，按 文献［2」之原理框图绘制静态特性图如图5所示，图中Um；n是PWM装置的最小脉冲宽度限 制，I，m。x是截止电弧电流。该系统采用了线性与非线性控制相合的手法，因此具有三段外特 性，当I，＜Im；n且U，＜Um；n时，系统表现为一电流反馈系统，具有恒流外特性，其静 特性方程式如下KIK、R，Uv＝7／沪宁I。－＝＝＝～＝＝I、，门门一’R、。（＋K） ‘sR、，（＋K）“’”“””式中I，＜I＿，U，＞U。n，电流设定值为I。＝K。K＿ I千三个厂人。当负载变小时电路将减小脉宽，系统R（＊干K）“‘———”————、”。。 。。l－J。、、。、。。，。、，。表现为缓降特性。当脉宽减小到T。；n时，维持该最小脉 冲宽度，系统开环，系统工作于与T。n对应输出电压U＿n所确定的静态伏安特性上。Un＿． n－I、，R、U＿．、R。U＝“一二生世一千一I、（1）一R、，RR“’当出现短路电流 时，Iy为截止电流值I。ax而不能继续增大，其外特性曲线如图3中曲线4所示。由于上述特 性中有两段是开环的静态伏安特性，因为画在一张图上并统称为外特性是不太严密的。4结论问） 介绍的分析方法用静态结构图和静态特性方程式来分析逆变弧焊电源的外特性，由干涉及的都是主 要环节，因而分析起来方便、快捷。（2）由于确定了电路结构，选定了反馈元件之后，功率放大 倍数、反馈系数、信号放大倍数及电弧电阻都已基本确定，因而本法可以实现定量分析。门）在定 量分析基础上，能在设计阶段对工艺要求的外特性和有关指标对比，而不必等到实际调试时才发现 问题，因而使用本法可以提高工作效率，减少经济损失。（4）在其他参数都已确定的情况下，从 外特性方程式中可见信号放大倍数几对外特性的影响关系，从而可以指导调试。（5）本法可以推 广到其他电子控制的弧焊电源。逆变弧焊电源系统外特性分析研究@皮佑国$华南理工大学!51 0641@麦山$华南理工大学!510641@黄石生$惠州大学!516015逆变电源;; 系统;;研究;;手弧焊应用经典控制理论中静特性的分析方法，采用结构图和静特性方程式来分 析弧焊逆变电源系统的外特性。详细分析了具有平特性、恒流特性、下降特性及阶梯特性的弧焊电源系统的外特性。本方法方便快捷，有助于提高研究和设计工作的效率和指导调试。1郑宜庭,黄石生.弧焊电源.北京:机械工业出版社,1991.
2毛三可等.IGBT逆变电源及外特性控制研究.电焊机,1993(6)
3黄石生等.绝缘门极双极晶体管的弧焊逆变器.焊接学报,1992(3)
4黄石生.机器人专用弧焊电源的探讨。全国第一届机器人学术论文,1987.
5黄石生.电子控制的弧焊电源.北京:机械工业出版社,1996.
6陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社,1994.广东省高等教育厅提供资助 。ax而不能继续增大，其外特性曲线如图3中曲线4所示。由于上述特性中有两段是开环的静态 伏安特性，因为画在一张图上并统称为外特性是不太严密的。4结论问）介绍的分析方法用静态结 构图和静态特性方程式来分析逆变弧焊电源的外特性，由干涉及的都是主要环节，因而分析起来方 便、快捷。（2）由于确定了电路结构，选定了反馈元件之后，功率放大倍数、反馈系数、信号放 大倍数及电弧电阻都已基本确定，因而本法可以实现定量分析。门）在定量分析基础上，能在设计 阶段对工艺要求的外特性和有关指标对比，而不必等到实际调试时才发现问题，因而使用本法可以 提高工作效率，减少经济损失。（4）在其他参数都已确定的情况下，从外特性方程式中可见信号 放大倍数几对外特性的影响关系，从而可以指导调试。（5）本法可以推广到其他电子控制的弧焊 电源。逆变弧焊电源系统外特性分析研究@皮佑国$华南理工大学!510641@麦山$华南理 工大学!510641@黄石生$惠州大学!516015逆变电源;;系统;;研究;;手弧焊 应用经典控制理论中静特性的分析方法，采用结构图和静特性方程式来分析弧焊逆变电源系统的外 特性。详细分析了具有平特性、恒流特性、下降特性及阶梯特性的弧焊电源系统的外特性。本方法 方便快捷，有助于提高研究和设计工作的效率和指导调试。1郑宜庭,黄石生.弧焊电源.北京:机械工业出版社,1991.
2毛三可等.IGBT逆变电源及外特性控制研究.电焊机,1993(6)
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5黄石生.电子控制的弧焊电源.北京:机械工业出版社,1996.
6陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社,1994.广东省高等教育厅提供资助
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