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摘要：带温度检测的电焊发电两用机属于多用途发电机组，相比较于常见的发电机组多了一组直流电焊输出。由于交流AC和直流DC能同时输出，整机的复杂性远高于普通交流发电机组，本文在对该发电机组原理简单描述的基础上，对其控制器WAVR方案选型和电路设计进行了进一步论述，最后结合台架模拟测试和实际焊接测试，进一步验证了设计的合理性。
关键词：温度检测；电焊；发电机；控制器
1.引言：
长久以来，工业生产和建筑施工等诸多场合都离不开焊接和照明设备，这在一定程度上为电焊发电两用机提供广阔市场需求的同时，也对其产品可靠性、操作简便性等提出了更高的要求。
本文提出一种带温度检测的控制器，针对工人在使用电焊发电两用机过程中容易忽视焊接时间要求的特点，提供带温度控制的电焊发电两用机控制系统和方法，通过温度传感器有效地实现温度和最大焊接电流相互关联，特别在多种粗细焊条同时焊接的情况下，可以粗细焊条交替不间断焊接，达到控制电机温升的同时，使两用机使用效率达到最大化。
2.电焊发电两用机原理简述：
如图1所示，电焊发电两用机控制系统由发电机、大功率整流桥、电流取样线及控制器WAVR组成。WAVR通过实时采样交流输出电压、电焊电流及弧焊绕组温度，经过数字计算或模拟比较电路控制开关功率器件，将辅助绕组输入的功率转化成实时调节的电机转子励磁功率，以达到输出稳定直流焊接电流和交流电压的目的。
图1
3.电路方案选择：
目前市场上常见的一些发电机组电压调节器控制方法主要有四类：
1.采用三极管作为比较单元的模拟分立器件调节器。
这种方案的调节器产品出现的比较早，技术比较成熟，成本低廉，但缺点也很明显：产品最终性能受分立器件寄生参数影响比较大，整机调试比较困难，一致性差。近几年市场上的产品已经很少使用这种方案。
2.采用运放或比较器作为比较单元的模拟调节器。
这种方案目前市场上比较常见，成本不高，调试也比较方便，但比较单元外围分立器件比较多，使用起来灵活性也不够，如果要再引入电焊电流控制，电路会设计的过于复杂。
3. 采用数字MCU芯片控制的调节器。
这种方案的优点是系统控制灵活，方便各种复杂功能的增加；缺点是成本相比较于前两种方案要高一些，数字电路在高频大电流场合抗干扰性略显不足，一旦MCU因为程序BUG等原因死机或跑飞，发电机组输出会失控，有烧毁负载的风险。
4.采用开关电源控制芯片作为比较控制单元的调节器。
这种方案因为引入专业的PWM控制芯片，整个电路成本和设计的灵活性都介于2、3两种方案之间，控制芯片外围电路简单，调试方便，抗干扰方面明显优于方案3。
由于电焊发电两用机多用在户外施工场合，对可靠性要求更高，综合考虑4种方案，最终本设计采用方案4，采用脉宽调制集成芯片TL494作为励磁电流调节核心。
4.电路设计：
图2为基于脉宽调制集成芯片TL494控制部分原理图。交流输出电压AC取样电路通过J2接入，经过整流桥CR1后一路经由D2提供给系统控制电源LDO电路，以产生+12V和+5V两组控制系统工作电源；另一路经过R7、R8、C5、R11、C6组成的滤波网络后输入到TL494芯片脉宽比较IN+脚，电路中可调电位器R17通过调节采样幅值分压比例来调节输出电压的幅值。
直流输出电流取样通过J3接入，先经过R19，R28，R32分压，再经过U2放大器进行放大后接入2IN+脚。可调电位器R32通过调节取样分压比例来调节输出最大电流值。
TL494输出引脚C1、C2并联后（MOS_D）通过推动光耦来进一步隔离驱动功率MOS管。
图2
图3为励磁输出控制电路。J6为电机励磁输出接口，连接到电机转子绕组，前级TL494输出MOS_D信号经过光耦U4推动由Q9、Q10、Q11组成的功率管驱动电路控制功率管Q12开关。
图中，R53为励磁电流采样电阻，R52、C13、R46、C12构成励磁电流信号滤波电路，R41、C11、Q7、Q8组成励磁保护电路；R40为热敏电阻，实时检测WAVR功率管温度，当功率管温度过高时，触发励磁保护电路工作，切断Q12输出。
图3
图4为温度检测控制电路。R1、R12为NTC热敏元件，R1、R12分别布置于电机弧焊绕组线圈中间；U1、R4、R9、Q4、R58、R5、R10构成滞环比较器。电焊工作时，当弧焊绕组温升升高，MT1、MT2分压值会随着R1、R12阻值减小而减小，当MT1或MT2当中任一个电压值小于R9、R4分压值，U1比较器翻转，将P_I信号拉低，使TL494引脚2IN-电压下降，输出电流钳位到40A以下，同时U1比较器翻转电压参考值升高。
图4
5.实验结果：
实际制作一台AC：230V/22.0A/50Hz，DC：68V-25V/60A-210A样机。考虑到制造成本，发电机AC主绕组采用同心式绕组；原动机采用440排量的汽油发动机。在20℃左右环境进行台架负载模拟测试和实际焊条焊接测试。
图5 图6
图5 是带满载5kW交流负载时，示波器测试波形图：
CH1：电压比较参考值信号VIN-；CH2：交流电压分压后信号Vac；CH3：Vgs-MOS管Q12门极驱动信号；CH4：Id-励磁电流。
从波形中可以看到，正常输出额定230V/50Hz交流负载时，励磁占空比在64%左右，小于75%的设计上限，符合要求。但励磁电流为正负半周不对称的类似正弦波，分析原因是由于电机样机制造过程中两组同心绕组绕制时没能控制好两个主绕组的一致性，但这个瑕疵不影响发电机组的正常使用与测试。
考虑到普通常用3.2mm焊条使用电流在70-120A，电焊模拟负载使用120A的阻性负载进行测试。图6是带120A直流电焊模拟负载时示波器测试波形图。
CH1：电压比较参考值信号VIN-；CH2：交流电压分压后信号Vac；CH3：Vgs-MOS管Q12门极驱动信号；CH4：Id-励磁电流。
从波形中可以看到，直流电焊输出带直流负载时，交流AC正常输出，励磁电流近似矩形波。
表1为台架负载模拟测试数据，从表中数据可以看出：
在测试电流达到211A时，电焊电压降低到26V左右，AC输出电压稳定在237V左右。限流状态，负载切除后直流电焊电压67.4V，AC输出电压稳定在242V左右。
20℃测试环境温度下，机器冷态最大焊接电流211A可以连续工作372秒，限流371秒，占载率50.07%；第二次开始211A焊接电流可以连续工作235秒-280秒，限流397-420秒，占载率基本稳定在37.1%-40.2%范围内，整个测试过程中焊接和限流两种模式自动交替切换，满足设计要求。
6.结论
通过实验结果可以看出，本文所设计的基于脉宽调制集成芯片TL494作为励磁电流调节核心的控制器能达到系统所有性能要求，功率管驱动前级采用光耦隔离，保证了使用过程中WAVR本身的可靠性，弧焊绕组双NTC温度检测，保证系统一定的安全冗余设计。
参考文献：
[1]TL494 SMPS Controller datasheet.
[2]程明、张建忠、王念春. 《可再生能源发电技术》 机械工业出版社 2012.
[3]刘胜利、严仰光编著. 《现代高频开关电源实用技术》 电子工业出版社 2001.
[4]吴东升.基于TL494芯片的高效DC-DC变换器的研究与设计.电气技术，2006（5）：45-48.
作者简介：王运良，男，1981，硕士研究生，高级工程师，电子电器部经理，电机及功率电子相关设计。
论文作者:王运良,徐青松,胡明桦,金欣
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/8/29
标签：电焊论文; 电流论文; 电压论文; 绕组论文; 负载论文; 励磁论文; 电路论文; 《电力设备》2019年第7期论文;