单片机控制交流焊机节能研究

单片机控制交流焊机节能研究 摘  要：介绍一种采用辅助起弧变压器、电流互感器并以单片机为核心的交流电弧焊机节能器，该节能器可使交流电弧焊机实现空载自停的功能，从而节约了焊机在空载时消耗的有功电能和无功电能。 关键词：单片机；节能；电弧焊机 DEVELOP AN ENERGY SAVER FOR AC ARC WELDER BASED ON SINGLE－CHIP MICROCOMPUTER Abstract: An energy saver of AC arc welder based on single-chip microcomputer is introduced in this paper.The AC arc welder without load can be cut power by using this saver,so the effective work and idle work consumed by welder without load can be save. Keywords:single-chip microcomputer; energy-saver; arc-welder 1 前言 交流电弧焊机作为一种重要的金属加工设备，在工农业生产、机械制造维修等行业获得了广泛应用。传统的焊机节能装置均采用焊机一次回路串连电容进行降压的方法来节能，此方法仅仅降低焊机一次侧电压而未将焊机从电网上切除，从而影响节能效果，而且由于焊机电压的降低造成了焊机起弧困难，影响了焊机的正常使用。 针对上述问题我们采用辅助起弧变压器、电流互感器并以单片机为核心设计出一种交流电弧焊机节能器，该节能器具有空载时将焊机自动切除，施焊时能快速启动的特点，即实现了空载自停功能，这样就把交流电弧焊机空载时的损耗降到接近于零，从而解决了交流电弧焊机空载高能耗的问题，实现了只有逆变直流电焊机才具备的空载自停功能，同时也避免了60～70V的焊机空载电压对操作工人带来的安全隐患。 2 系统结构及工作原理 系统的节能是基于焊机空载时将焊机从电网中切除以减少焊机在空载运行时的损耗，但是将焊机切除后将无法进行下次焊接的起动。为解决此问题采用了一只辅助起弧小功率变压器，该变压器的一次线圈直接联接在交流电源上，二次线圈和焊机的二次绕组并联，即并联在焊机的焊钳及接地线两端，这样当焊机被切除后，即由起弧变压器为焊钳回路提供起动电流。当焊接开始时，由于焊件和焊条接触会在起弧变压器二次回路残生一个起动电流，此电流经电流互感器接收并变换为电压信号，再经单片机处理后给出一个合闸信号使交流接触器吸合，焊机即可得电工作了。 系统结构如图1所示。 图1 系统结构图 系统结构原理如图2所示。 图2 系统结构原理图 2.1 辅助起弧变压器 辅助起弧变压器的应用要注意以下几个问题： （1）辅助起弧变压器的容量不能太小。电弧焊机从电网上切除后，辅助起弧变压器二次线圈则和焊接变压器的二次侧及焊钳三者并联，焊钳支路可视为开路，而焊接变压器的二次侧则相当于一个大的感性负载，经计算和实测，一台30kW的焊机其辅助起弧变压器的容量可选为40VA。同时这也意味着经替换后一台空载容量为几千伏安的焊机变换为容量小于40VA的感性负载，从而达到节能的目的。 （2）辅助起弧变压器的二次侧电压值需适当。经实验，起弧变压器的二次侧电压可选为10V左右，这样既限制了短路电流又可以得到较好的起动特性。 （3）焊接时应将起弧变压器的二次回路断开。焊接时焊钳和焊件之间相当于短路，如辅助起弧变压器的二次回路不断开，它将承受一个较长时间的短路电流，因此焊接时必须将辅助起弧变压器的二次回路断开，辅助起弧变压器的使用较好的解决了起弧和节能之间的矛盾。 2.2 电流互感器 电流互感器是一种电流变换装置，又称仪用变流器（也称CT）。它可以将高压电流或低压大电流变为电压较低的小电流，以供给仪用和继电器，并将仪表和继电器与高压电路和一次主回路隔离开。电流互感器的工作原理和变压器相似，是利用变压器在短路状态下电流与匝数成反比的原理制成的。它的一次线圈匝数很少（有的利用穿过CT中孔的母线作为一次），而二次线圈的匝数很多。电流互感器的二次额定电流均为5A。这使得测量仪表和继电器的制造可以 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化，简化了工艺，降低了成本，并且安全、可靠。从而电流互感器在变配电设备中得到广泛的应用。 电流互感器有以下几个特点： (1). 由于其二次所接负载为电流表和继电器的电流线圈，阻抗很小，因此电流互感器在正常工作时，相当于二次短路的变压器。 (2). 变压器的一次电流随二次负载的变化而变化，而电流互感器的一次电流由主回路的负载而定，它与二次电流的大小无关。 (3). 变压器铁心中的主磁通由一次线圈所加电压的大小而定，当一次电压不变时，二次感应电势也不变。电流互感器铁心中的磁通由一次电流决定，但二次回路阻抗变化时，也会影响二次电势。阻抗大时，二次电势高。阻抗小时，二次电势低。 (4). 变压器二次负载的变化对其各个参数的影响均很大。而电流互感器只要二次负载在额定范围内，就可以将其视为一个恒电源，也就是对二次电流影响不大。 常用的电流互感器是电磁式电流互感器，是按电磁感应原理进行工作的。电流互感器由一次绕组、二次绕组、铁心、绝缘支持物及出线端子等组成。铁心由硅钢片叠制而成。 图3表示出了电磁式电流互感器的工作原理。其一次绕组串接在电力线路中，二次绕组接测量仪器或继电保护、自动控制装置，接近于短路状态。一次绕组电流就是线路的电流，其大小取决于线路的负荷，与互感器的二次负荷无关。一次绕组通过被测电流 ，它在铁心内产生交变磁通，使二次线圈感应出相应的二次电流I2(其额定电流为5A)。如将励磁损耗忽略不计，则 N1= N2，其中N1和N2 分别为一、二次绕组的匝数。电流互感器的变流比K= ＝ 。当线路电流，即一次绕组的电流发生变化时，通过电磁感应，互感器的二次电流随之成比例的相应变化。由于电力线路中的电流一般都很大，因此，电流互感器的一次绕组匝数比较多。通过选择适当的匝数比，可以将数值不同的较大一次电流变换为较小的标准的二次电流。 图3 电流互感器的原理结构图 电磁式电流互感器正常运行时，磁势是互相平衡的，其励磁安匝很小。如果二次出现开路时，一次安匝就将会全部用于励磁，这时铁心将处于高度饱和状态，造成铁心的损耗大大增加，温度也急剧升高。尤其是在二次绕组上会感应出很高的电压，危机人员安全。另外，由于铁心中的剩磁还会影响互感器的误差，因此，无论是自试验时还是在运行时，电流互感器的二次绕组一定不能开路。 本设计采用LDZJ1-10型电路互感器，其额定电流比为400～1500／5。 2.3 交流接触器 接触器是一种在低压配电系统中应用十分广泛的电器。它是利用电磁、液压或气动原理通过控制回路的通断，来控制主电路通断的一种控制电器。接触器适用于远距离（或就近）频繁的接通和分断交直流主电路和大容量的控制电路。目前应用最广泛的是空气电磁式有触点的交流接触器和直流接触器。 2.3.1 结构及原理 接触器通用性很强，用途有多种，所以结构也有多种形式，但因有共同的功能，所以结构上总是有共同的几个部分：触头系统、灭弧系统、磁系统、辅助触头、底座等。 (1) 触头系统 它的作用式接通和断开主电路。触头由动触头、静触头组成。对触头的要求是，接通时和静触头间要有一定压力，以保证接触良好；断开时动触头间要有一定的隔离距离；动作时要快捷；触头材料导电性能耗（铜上镀银或银基合金）、耐电烧蚀。触头系统的结构有直动式和转轴式两大类。直动式广泛的应用于额定电流不很大的接触器中，转轴式多用于额定电流大的接触器中。 (2) 灭弧系统 根据额定电流的大小，灭弧系统有几种结构形式。额定电流小的接触器，采用桥式双断点触头，接触器断开时双断点使每个断点的电弧都被减弱，电弧能量不大，因而用塑料压铸成相间隔板隔离相间电弧；额定电流为几十安的接触器，触头系统为双断点桥式，灭弧装置为陶土烧制的白色灭弧罩，罩内有相间隔离板，罩上有纵缝，纵缝下方正对着触头；额定电流再大一些的接触器，装有陶土烧制的或耐火水泥的分相灭弧罩，罩上开有窗口，内嵌铁质栅片，叫灭弧栅片；还有一种是磁吹灭弧，在触头回路中流过电流的导体绕成具有几匝的空芯线圈。以上各种灭弧形式往往不单独使用。 (3) 磁系统 接触器都是借助于磁系统实现分、合动作的。磁系统更确切的说是电磁系统。在铁心上装有吸引线圈，而铁轭被弹簧顶起离开铁心有一定距离，铁轭上装有塑料制的触头座，动触头就安装在触头座上。吸引线圈通电时，铁轭被铁心吸引，克服了弹簧力而与铁心闭合，从而带动动触头运动与静触头闭合，使接触器呈接通状态；吸引线圈断电时，电磁吸力消失，铁轭在弹簧的作用下被弹开，从而时动触头离开了静触头，使接触器呈断开状态。触头系统控制交流回路的就是交流接触器，它一般是从其主回路上取用交流作操作电源。 (4) 辅助触头 有常开辅助触头也有常闭辅助触头，用于控制回路、信号显示回路等。 (5) 底座及外壳 额定电流较小的接触器外壳采用塑料压制；额定电流较大的则采用铝合金底座。额定电流大的一般采用绝缘底板组装。 接触器的工作原理很简单。当给电磁线圈接通电源后，线圈中因有电流通过而产生磁场，静铁心在电磁力的作用下，克服反作用弹簧的弹力，将动铁心向下吸合，从而使常开主触头合常开辅助触头闭合，使常闭辅助触头打开。 当切断电磁线圈的电源时，静铁心的电磁吸力消失，动铁心在反作用弹簧的作用下复位，从而使主触头打开，常开辅助触头也同时打开，常闭辅助触头闭合。 2.3.2 CJ20系列交流接触器 CJ20系列交流接触器是国内统一设计的新型产品。它采用直动双断点桥式触头结构，触头采用了银镍、银化镉等耐电弧、耐磨损和抗熔焊等特点的合金触头材料；灭弧系统采用三种结构型式：40A以上接触器采用多纵缝陶土灭弧罩；25A接触器采用带U形铁片灭弧室；而16A以下接触器不加装灭弧装置，利用双断点触头自然灭弧。电磁机构采用直动式磁系统，40A级以下为E形铁心，60A及以上为U形铁心。整体布置采用两层或三层布置，63A以上的产品由铝合金基座、塑料底板、和灭弧罩组成三段式立体结构。40A产品采用灭弧罩在上，电磁系统在下的两层主体布置。40A以上产品辅助触头由独立组件布置在主触头两侧。25A及以下产品采用了辅助触头布置在主触头上方，辅助触头、主触头及灭弧系统和电磁系统布置成三层，壳体、底座分为两段的立体布置结构，加装U形片灭弧装置。CJ20系列交流接触器结构紧凑，具有我国自己的特点。 本设计采用CJ20-10型。它的额定工作电流为5.2A～10A。 3 工作原理 单片机系统主要完成起动电流的检测、起动控制及空载断电延时时间设定等功能。系统的硬件结构如图4所示，本系统以AT89C2051为核心，并配以简单的外围接口电路，完成焊机的起动及节能控制功能。 图4 单片机系统结构图 3.1 起弧电流的检测 前述焊机空载并持续一段时间后将被切除，由辅助起弧变压器取代，而起动时则相当于将辅助起弧变压器的二次回路短接，因此会在焊条和焊件支路中流过一个起动电流，只需将此起动电流取样并传给单片机，经单片机确认后输出一个控制信号，使交流接触器吸和，焊机即可得电工作了。这里选用了电流互感器并配合零电流检测电流，从而提高了起弧灵敏度和避免了因长期过热而使电流互感器烧毁现象的出现。 3.2 起弧控制 焊机起动电流由电流互感器取出后，经零序电流检测电路变换为直流电压信号，此直流电压信号被送往AT89C2051的P1.1引脚，AT89C2051的片内集成有一个模拟比较器，P1.1为比较器反相输入端，P1.0为比较器同相输入端，P3.2为比较器输出端，这里将比较器反相端接至一电位器上，该电位器用于调整起动灵敏度。而起动电流经整流、滤波后加至同相端，这样每当起动时或正常焊接时都将在P3.2口输出一个高电平信号，单片机将以查询方式检测P3.2口的状态，并根据P3.2的状态执行不同的控制功能。 （1）当P3.2口由低电平跳变为高电平即检测到起动信号时，单片机给出一个高电平控制信号，令固态继电器导通，交流接触器吸合，焊机得电工作。 （2）当P3.2口保持为高电平即正常焊接时，则单片机将始终给出一个高电平控制信号使固态继电器开关导通，以保证焊接的正常进行。 （3）当P3.2口由高电平跳为低电平时，单片机将根据BCD拨盘开关的值执行不同的焊机断电节能延时子程序，当延时时间到，如P3.2口仍保持为低电平即无起动信号时，则单片机给出一个低电平控制信号，使固态继电器关断，交流接触器断开，焊机进入断电节能状态。 4 系统软件设计 4.1 主程序 本系统软件采用MCS-51汇编语言编写，采用模块化结构设计，主程序 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图如图5所示。 图5软件工作流程图 4.2 主程序控制过程 通过BCD拨码开关设定空载断电延时时间，并在LED上显示。 当开始焊接时，焊机得电，交流接触器主触头接通，辅助触头断开，起弧变压器二次回路切断，焊机工作。 当停止焊接时，空载断电延时起动，显示延时时间。若延时时间到，则交流接触器主触头断开，辅助触头接通，起弧变压器二次回路接通，焊机处于节能状态；若延时时间未到，则焊机保持工作状态。 5 结论 本文对如何实现交流电弧焊机的节能进行了细致的研究，提出了新的技术方案。 传统的焊机节能装置均采用焊机一次回路串连电容进行降压的方法来节能，此方法仅仅降低焊机一次侧电压而未将焊机从电网上切除，从而影响节能效果，而且由于焊机电压的降低造成了焊机起弧困难，影响了焊机的正常使用。针对上述问题，本 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 设计出了一种采用辅助起弧变压器、电流互感器并以单片机为核心的交流电弧焊机节能器。 本节能器的主要思想是通过利用小功率的电源变压器来替换大功率的焊接变压器而达到节能的目的，这样，一台空载容量为几千伏安的焊机就变换为小容量的感性负载。单片机系统则完成了系统的起动控制。 利用辅助起弧变压器及单片机技术构成的交流电弧焊机节能器，具有节能效果显著、起弧速度快、控制电路简单、成本低及可靠性高的特点。安装节能器后，可使交流电弧焊机实现空载自停的功能，这对于应用广泛、高能耗、高噪声的交流电弧焊机具有十分现实的意义。 参考文献 1 机械工人技术理论培训教材.初级电焊工工艺学.北京:机械工业出版社,1999 2 陈丙森.计算机辅助焊接技术.北京:机械工业出版社,2001 3 王文翰.焊接技术 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 .郑州:河南科学技术出版社,2000 4 余永权.ATMEL89系列单片机应用技术.北京:北京航空航天大学出版社,2002 5 郭仲礼.低压电工实用技术.北京:机械工业出版社,2002 6 步丰盛.低压电工实用技术问答.北京:机械工业出版社,2002 7 李正吾.新电工手册.合肥:安徽科学技术出版社,2002 8 王仁祥.常用低压电器原理及其控制技术.北京:机械工业出版社,2001 9 李敏,孟臣.单片机控制交流电弧焊机节能器的研制.电工技术杂志,2002 10 章建南,刘美俊.交流电弧焊机空载自停控制的实现.电器开关,2001 11 彭建,刘跃.固态继电器及在应用中一些问题的探讨.贵州工业大学学报,2000