CN101406982A - 发电式电焊机 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种发电式电焊机，涉及电机控制技术领域，本发明的技术方案是，由调速控制器控制步进电机，通过步进电机调节发动机节气门开度，达到调整发动机转速的目的；调速控制器控制特性调节器的工作方式，特性调节器控制三相桥式可控整流电路，使电焊机输出具有恒流或恒压特性。本发明根据负载的变化情况，调整发动机转速，减少了为满足不同输出特性的要求所采用的功率器件及控制线路，降低了发电机的成本，根据是否带载以及带载大小控制发动机转速，以达到节约燃油的目的。本发明广泛用于野外使用的焊接设备。

Description

发电式电焊机

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种焊接设备。

背景技术

在野外无电源地区进行电焊作业，需要用自发电的电焊机。由于使用电焊机的环境条件相对较差，因而要求焊接设备体积小、重量轻、使用灵活方便。同时，根据不同的焊接工艺，焊接设备应具有不同的输出特性。中国专利(专利申请号：02222830.6)公开了一种多特性的内燃弧焊发电机，其发电机采用中频同步励磁发电机，定子上绕有主焊接绕组以及为满足不同的焊接特性所需要的其它多个辅助绕组，由于使用了较多的功率器件及控制线路，增加了产品成本，中频同步励磁发电机体积大、重量重、成本高。专利(专利申请号：01258392.8)公开了一种永磁发电式电焊机，发电机采用稀土永磁材料，其价格相对较贵，输出控制采用磁饱和电抗器方式，磁饱和电抗器体积大，重量重，难以满足不同焊接特性的要求。

电焊作业由于自身的特殊性，电焊机一般有一半或一半以上的时间处于空载运行，而目前的自发电式电焊机不论带载与否其发动机均工作在额定转速下，不利于节约燃油。同时，当设定工作电流或电压较小时，整流输出纹波较大，在一定程度上影响了焊接质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的上述缺陷，设计一种发电式电焊机，控制装置控制电焊机仅需一组用于焊接的输出绕组就能满足在设定的范围内恒流与恒压工作方式所要求的输出特性，同时节约燃油，降低成本。

本发明解决上述问题的技术方案是，采用多极永磁式外转子发电机，通过调整发动机的转速，使发电机的输出电压在一定的范围内按设置值的大小而变化，再经恒流或恒压调节方式控制三相桥式可控整流电路，因而无需再增加其它绕组及相应的功率器件，就能使电焊机的输出在其调节范围内满足恒流或恒压工作方式所要求的输出特性，同时达到节约燃油，降低成本的目的。

为实现上述目的，本发明设计了一种自发电式电焊机，采用调速控制器对发电机转速进行控制，特性调节器控制电焊机的输出特性。在发动机的化油器上安装调节发动机节气门开度的步进电机，由调速控制器控制步进电机，通过步进电机调节发动机节气门开度，达到调整发动机转速的目的；调速控制器控制特性调节器的工作方式，特性调节器控制三相桥式可控整流电路，使电焊机输出具有恒流或恒压特性。

发电机有一单相副绕组与三相焊接绕组。发电机单相副绕组的输出端通过整形电路后连接调速控制器。调速控制器主要包括以下功能模块：数据采集模块：用于采集设置值、电弧电压、电流、发电机单相副绕组输出电压的频率、以及节油开关与特性开关的状态；计算模块：计算电弧功率，发动机转速；PID调节模块：确定发动机的目标转速，计算转速差，进行PID调节运算；输出控制模块：利用PID调节运算结果控制步进电机的运行，控制特性调节器的工作方式。

调速控制器由单片微处理器构成，内部集成有多路A/D转换器、存储器、定时器等，通过数据采集模块、计算模块、PID调节模块、输出控制模块等完成控制功能。电流调理电路9通过电流取样电路8采样电弧电流，电压调理电路12通过电压取样电路11采样电弧电压，设置电路设置电焊机输出的电流值或电压值，由特性调节器根据电流调理电路9或电压调理电路12与设置电路所设置的值输出控制信号到脉冲形成与触发电路6，控制三相桥式可控整流电路，达到恒流或恒压输出；设置电路7、电流调理电路9、电压调理电路12的输出送到调速控制器的数据采集模块的A/D转换器端口，调速控制器中计算模块根据电弧电流和电弧电压计算电弧功率；PID调节模块根据电弧功率值与存储器中的发动机转速-负载特性曲线相比较，获得发动机的目标转速，根据设置值对目标转速进行修改，计算目标转速和当前转速的转速差，进行PID调节运算，输出控制模块输出调节发动机节气门开度的控制信号。

发电机的三相焊接绕组连接三相桥式可控整流电路，三相桥式可控整流电路由特性调节器控制。特性调节器具有恒流与恒压调节两个功能模块，根据设置值与实测值之差进行比例-积分调节，由调速控制器选择恒流与恒压调节两个功能模块中的一个，对电焊机的输出进行恒流或恒压控制。

本发明的发电式电焊机能够根据负载的变化情况，调整发动机转速，减少了为满足不同输出特性的要求所采用的功率器件及控制线路，降低了发电机的成本，同时根据负载特性调整发动机的转速，发动机不是一直处于额定转速运行，根据是否带载以及带载大小控制发动机转速，达到节约燃油的目的。

附图说明

图1为本发明的发电式电焊机的系统构成框图

图2为调速控制器构成框图

图3为特性调节器原理框图

具体实施方式

下面参照附图和实施例对本发明的实施作详细说明。图1为本发明的发电式电焊机的系统构成框图。发动机1驱动发电机2，发电机2的转子为碗形，在其外圆筒的内周均匀地安装许多(如32)块铁氧体永久磁铁，发电机2的多极定子上绕有三相绕组，这些绕组按相序并联后形成三相焊接绕组2a，同时还绕有控制用单相副绕组2b。发动机1的化油器上安装有调节节气门开度的步进电机1a。当发电机2的转子由发动机1驱动旋转时，发电机2的单相副绕组2b输出与发动机转速相对应的频率的交流电，三相焊接绕组2a也输出与发动机转速相对应的频率的三相交流电，发电机2的输出电压会随发动机转速的变化而变化。

发电机2的单相副绕组2b的输出供给电源电路4和整形电路5。电源电路4向控制电路提供工作电源和调节用的参考电压。整形电路5将其输入的交流电转换为同频率的矩形波，该矩形波被送到调速控制器14的一个输入端口，调速控制器14根据矩形波的周期实时检测发动机的转速。

三相焊接绕组2a输出的三相交流电经过三相桥式可控整流电路13整流后，经电抗器L输出直流电。同时三相焊接绕组2a的输出端连接到同步信号电路3的输入端，同步信号电路3输出的相关同步信号送到脉冲形成与触发电路6的同步信号输入端。

电流取样电路8串接在三相桥式可控整流电路输出的负端，用于采样电弧电流，其输出送到电流调理电路9的输入，电流调理电路9的输出连接到特性调节器10的一个输入端和调速控制器14的一个A/D转换端口。

电压取样电路11跨接在三相桥式可控整流电路输出的正、负端之间，用于采样电弧电压，其输出送到电压调理电路12的输入端，电压调理电路12的输出连接到特性调节器10的另一个输入端和调速控制器14的另一个A/D转换端口。

调速控制器14的控制输出端连接到特性调节器10的控制输入端，特性调节器10的输出送到脉冲形成与触发电路6的输入端，脉冲形成与触发电路6根据同步信号电路3输出的同步信号与特性调节器10的输出电压信号生成三相桥式可控整流电路13的触发信号，以控制可控整流电路输出的直流电压。

设置电路7采用调整电位器来设置电焊机输出所需要的恒流值或恒压值，该设置值输出到特性调节器10的设置值输入端和调速控制器14的一个A/D转换端口。

调速控制器14由单片微处理器构成，内部集成有多路A/D转换器、存储器、定时器等。发动机转速-负载特性曲线存储在单片微处理器的存储器里。通过数据采集模块、计算模块、PID调节模块、输出控制模块等完成控制功能。数据采集模块通过A/D转换器采样设置电路输出的设置值、电流采样电路采样的电弧电流和电压采样电路采样的电弧电压，计算模块根据采样的电弧电流和电压计算电弧功率，微处理器通过测试整形电路5所输出的矩形波信号计算发电机输出电压的频率，根据发电机输出电压的频率计算发动机当前的实际转速；微处理器实时监视节油开关K1与特性开关K2的状态；PID调节模块调用存储器中的发动机转速-负载特性曲线，根据电弧功率以及节油开关K1的状态确定发动机的目标转速，当节油开关K1断开时，按发动机转速-负载特性曲线确定目标转速，当节油开关K1闭合时，以发动机额定转速为目标转速，根据设置电路7所设置的电焊机输出的电流值或电压值，对目标转速进行修改，当设置值小于低端阀值时，按一固定比例降低上述目标转速值，当设置值大于高端阀值时，按另一固定比例提高上述目标转速值；PID调节模块计算目标转速与发动机当前的实际转速的转速差，再进行PID运算；输出控制模块对PID调节运算结果进行限幅处理，用处理后的值控制步进电机的运行，微处理器根据特性开关K2的状态控制特性调节器的工作方式，即特性调节器工作于恒流状态还是恒压状态，但当电流调理电路输出为零时，不论特性开关K2的状态如何均工作于恒流状态，以确保有一个较高的空载电压。

调速控制器14的步进电机控制信号输出到步进电机驱动电路15的输入端，以驱动步进电机1a的运行。

图2所示为调速控制器构成框图。调速控制器包括数据采集模块、A/D转换器、计算模块、定时器、存储器、PID调节模块、输出控制模块等完成调速控制所需的功能模块。

数据采集模块14a采集电流调理电路9输出的电弧电流，通过A/D转换器转换为数字量I，采集电压调理电路12输出的电弧电压，通过A/D转换器转换为数字量V，并通过A/D转换器将设置电路7所输出的模拟信号转换为数字量，用定时器1对单片微处理器的机器周期进行计数来测量整形电路5输出的矩形波信号的周期，通过单片微处理器的I/O端口获取节油开关K1与特性开关K2的状态；计算模块14b将电弧电流与电弧电压所转换的数字量I与V相乘，计算出采样时的电弧功率，并与前次采样所计算出的电弧功率按一定的比例关系进行计算，计算出本次调节所用的电弧功率值，计算模块根据定时器1的计数值-单片微处理器的机器周期的个数，按发电机2的极对数计算发动机1的实际转速；PID调节模块14c首先确定目标转速，当节油开关K1的状态为闭合时，以发动机的额定转速为目标转速，当节油开关K1的状态为断开时，按计算模块所计算出的本次调节电弧功率值与存储器中的发动机转速-负载特性曲线相比较，以此确定发动机的目标转速，然后根据数据采集模块采集的设置电路输出的设置值，按其大小对目标转速进行修改，其后用目标转速减去发动机当前的实际转速计算转速差，再按PID调节的增量式算法进行计算，以获得使发动机转速稳定于所确定的目标转速上所需要的调节发动机节气门开度的控制量；输出控制模块14d通过定时器2确定步进电机工作频率，通过对PID调节模块14c所计算的结果进行限幅处理，向步进电机驱动电路15发送相应的脉冲信号，通过步进电机带动发动机节气门来调节发动机节气门开度，进而控制发动机转速。通过所获取特性开关K2的状态控制特性调节器10是工作于恒流状态还是工作于恒压状态，但在数据采集模块14a所获得的电流调理电路输出的数字量I为零时不论特性开关K2的状态如何均工作于恒流状态。

图3所示为特性调节器电原理图。包括恒流调节电路和恒压调节电路部分。恒流调节电路中设置电路7输出端通过电阻R3连接到运算放大器U2的反向输入端，电流调理电路9的输出通过电阻R2连接到运算放大器U2的同向输入端，在该同向输入端与地之间连接有光藕PC1，电阻R4与电容C1的串联支路并联电容C2作为反馈支路跨接在U2的输出端和反向输入端之间，U2的输出通过二极管D1输出到脉冲形成与触发电路6输入端。恒压调节电路中，设置电路7输出端通过电阻R6连接到运算放大器U3的反向输入端，电压调理电路12的输出通过电阻R5连接到运算放大器U3的同向输入端，在该同向输入端与地之间连接有光藕PC2，电阻R7与电容C3的串联支路并联电容C4作为反馈支路跨接在U3的输出端和反向输入端之间，U3的输出通过二极管D2输出到脉冲形成与触发电路6输入端。

恒流调节与恒压调节方式相同，所采用的电路结构也相同，均采用设置电路所设置的恒流值与恒压值与电流调理电路和电压调理电路的实测值之差进行比例-积分PI调节，光藕PC1、PC2(只示出了输出部分)用于关闭一种调节方式。当选择恒流调节时，光藕PC1输出级断开，不影响正常的调节功能，PC2输出级导通，将运算放大器U3的同相输入端接地，其输出为零，通过二极管D2隔断运算放大器U2通过二极管D1的输出。当选择恒压调节时，其工作方式与上述恒流调节相当，只是光藕PC2输出级断开，PC1输出级导通，光藕PC1、PC2的状态由调速控制器14控制。

由上述可知，由于采用多极永磁式发电机，发电机的体积减小，重量减轻，输出频率较高，采用发动机转速-负载特性曲线与设置值来调整不同负载下发动机的转速，发电机的输出电压在一定的范围内按设置值的大小而变化，减少了为满足不同输出特性以及更大的调节范围所采用的功率器件及控制线路，降低了发电机的成本，同时通过调整发动机的转速，发动机不是一直处于额定转速运行，达到节约燃油的目的。

Claims (6)

1、一种发电式电焊机，发电机单相副绕组的输出端通过整形电路后输出矩形波到调速控制器，由调速控制器通过步进电机调节发动机节气门开度，调整发动机转速，其特征在于，调速控制器的数据采集模块采集电流调理电路9通过电流取样电路8获取的电弧电流、采集电压调理电路12通过电压取样电路11获取的电弧电压、采集设置电路7设置的电焊机运行所需要的电流值或电压值；调速控制器中A/D转换器将上述采样值转换为数字量并经过调速控制器处理输出控制信号控制发动机的转速；特性调节器输出控制信号到脉冲形成与触发电路6，脉冲形成与触发电路输出控制信号控制三相桥式可控整流电路；调速控制器的输出还控制特性调节器的工作方式，以控制三相桥式可控整流电路，使电焊机输出具有恒流或恒压特性。

2、根据权利要求1所述的发电式电焊机，其特征在于，调速控制器包括A/D转换器、数据采集模块、计算模块、定时器、存储器、PID调节模块、输出控制模块，所述计算模块根据数据采集模块采集的电弧电流和电弧电压计算电弧功率和发动机转速；PID调节模块根据电弧功率值与存储器中的发动机转速-负载特性曲线相比较，获得发动机的目标转速，根据设置电路设置的电流值或电压值对目标转速进行修改，进行PID调节运算；输出控制模块对PID调节运算的结果限幅，向步进电机驱动电路15发送脉冲信号，控制步进电机调节发动机节气门开度。

3、根据权利要求1或2所述的发电式电焊机，其特征在于，电流取样电路串接在三相桥式可控整流电路输出的负端，用于采样电弧电流；电压取样电路跨接在三相桥式可控整流电路输出的正、负端之间，用于采样电弧电压。

4、根据权利要求1或2所述的发电式电焊机，其特征在于，在调速控制器的状态采集端口连接有节油开关K1和特性开关K2，由K1的状态确定PID调节的发动机的转速为根据设置值修改的目标转速还是发动机的额定转速，由K2的状态控制特性调节器是工作于恒流状态还是工作于恒压状态。

5、根据权利要求1或2所述的发电式电焊机，其特征在于，特性调节器包括恒流调节电路和恒压调节电路两部分，恒流调节电路根据设置值与电流调理电路的输出进行调节后由脉冲形成与触发电路控制可控整流电路，恒压调节电路根据设置值与电压调理电路的输出进行调节后由脉冲形成与触发电路控制可控整流电路。

6、根据权利要求5所述的发电式电焊机，其特征在于，恒流调节电路和恒压调节电路中运算放大器同向输入端与地之间分别连接有光藕PC1、PC2，根据PC1、PC2的状态选择恒流调节或恒压调节。

Images