4.3.1  外特性控制的基本原理

4.3.1 外特性控制的基本原理

电子控制型弧焊电源是根据电流、电压负反馈控制原理，利用电子电路对电子功率系统（整流器或逆变器）进行闭环控制，来获得不同的外特性曲线形状。图4-8为电子控制型弧焊电源外特性控制的基本原理图。

图4-8中的U_f、I_f是弧焊电源输出的电压和电流，mU_f、nI_f（m＜1，n＜1）是通过传感器及信号处理电路获得的电压、电流反馈信号。将输出电压、电流的反馈信号mU_f、nI_f送到电子控制系统，与给定电压、电流信号U_gu、U_gi进行比较，获得相应的偏差信号，然后通过放大等信号处理得到控制信号U_k。U_k即是功率半导体器件的控制信号，用来控制晶闸管整流弧焊电源中晶闸管触发脉冲相位，或逆变弧焊电源中半导体电子开关器件的导通时间等。

图4-8 电子控制型弧焊电源外特性控制基本原理

根据图4-2，可以得到控制信号U_k的数学表达式：

U_k=K₃[K₁（U_gu-mU_f）+K₂（U_gi-nI_f）] （4-7）

式中 K₁、K₂、K₃——系统中各个放大环节的放大倍数。

由于控制信号U_k一般只有零点几伏至几伏，而放大倍数K₃相对很大，所以有

K₁（U_gu-mU_f）+K₂（U_gi-nI_f）≈0 （4-8）

1.只取电压负反馈

如果弧焊电源控制中只取电压负反馈，而且只有给定电压信号U_gu时，即式（4-8）中的U_gi=0，nI_f=0时，则有

U_gu-mU_f≈0

即

式中 m——电压的分压比。电路系统确定后，m为常数。

由此可见，电源的输出电压U_f取决于给定电压信号U_gu。即当U_gu调定在某恒定数值时，弧焊电源输出电压U_f恒定在与之相对应的数值。也就是说，只取输出电压负反馈，弧焊电源的输出特性为图4-9所示的恒压外特性。

图4-9 恒压外特性

2.只取电流负反馈

如果弧焊电源控制中只取电流负反馈，而且只有给定电流信号U_gi时，即U_gu=0，mU_f=0时，根据式（4-8）可得

U_gi-nI_f≈0

即

式中 n——电流分流比；电路系统确定后，n为常数。

由此可见，电源的输出电流I_f取决于给定电流信号U_gi。当U_gi调定在某恒定数值时，弧焊电源输出电流I_f恒定在与之相对应的数值。换言之，只取电流负反馈，弧焊电源的输出特性应为恒流外特性。

但是，实际电路中，放大倍数K₂如果取得太大，系统易产生振荡。所以K₂一般不超过20～30，因而只能得到较为陡降的外特性，如图4-10所示，K₂取值越大，外特性陡度越高。

3.电流截止负反馈

电流截止负反馈是指，当电源的输出电流小于阈值I_th时，既不采用电流反馈，也不采用电压反馈，弧焊电源输出的特性为弧焊电源中变压器的特性（变压器的自然特性），也就是平缓特性；当电流大于阈值I_th时，采用强电流负反馈，从而可获得恒流或者陡降（见图4-11）的外特性。

图4-10 陡降外特性

图4-11 恒流外特性

4.复合负反馈

复合反馈是指在弧焊电源外特性控制中既采用电压负反馈，又采用电流负反馈。采用复合反馈可分为若干种情况：

（1）同时采用电压、电流负反馈 在弧焊电源外特性控制中，同时采用电压和电流负反馈。当弧焊电源给定信号U_gu、U_gi一定时，根据式（4-8），可得

式（4-11）表明，弧焊电源的外特性为一斜率为负的直线。

因为，I_f=0时，U_f为空载电压U₀，所以外特性方程为

相应的弧焊电源外特性形状如图4-12所示，改变n/m或K₂/K₁值，可改变外特性下降的斜率。

（2）分段采用恒压与电流截止负反馈 在弧焊电源外特性控制中，可以分段采用不同的反馈控制，而获得所需要的外特性形状。例如，以一定的电流值作为阈值I_th，当弧焊电源输出电流小于阈值I_th时，采用电压负反馈，弧焊电源输出特性为恒压特性；当电源输出电流大于阈值I_th时，采用电流负反馈，弧焊电源输出特性为恒流特性，则弧焊电源外特性形状如图4-13所示。

此种外特性控制可以用于熔化极气体保护焊的恒压外特性控制中，对电源输出的最大电流进行限制。将允许的最大焊接电流作为阈值电流I_th，正常电流输出情况下，弧焊电源的外特性是恒压特性，当焊接电流达到弧焊电源最大允许输出电流I_th时，转入恒流外特性段，使焊接电流不再增大。

图4-12 斜外特性

图4-13 平特性与恒流外特性的组合

（3）分段组合反馈 可以分段采用电流截止负反馈和电流与电压的复合负反馈。这种控制常用于焊条电弧焊恒流外拖特性的控制中。例如，在焊条电弧焊时，当弧焊电源输出电压较低时，可以认为是进入短路状态，此时需要较大的焊接电流，因此，可以设定某个输出电压（一般为8～15V）为阈值U_th，当弧焊电源的输出电压大于阈值U_th时，采用电流截止负反馈，弧焊电源的外特性为恒流特性；而电压小于阈值U_th时，同时采用电流负反馈和电压负反馈，弧焊电源的外特性为斜特性；弧焊电源外特性的形状如图4-14a所示。

也可以在电压小于阈值U_th时，采用电压负反馈，电源的输出特性为恒压特性；当电流大于事先确定的阈值电流I_th时，采用强的电流负反馈，获得恒流特性；该阈值电流I_th就是所要控制的最大短路电流值I_wd，其外特性曲线形状如图4-14b所示。

复合反馈控制可以任意进行组合，从而获得所需要的各种形状的外特性曲线，例如，熔化极脉冲电弧焊中常用的恒压特性与恒压特性、恒流特性与恒压特性、恒流特性与恒流特性以及恒压特性与恒流特性的组合等。

综上所述，在电子控制型弧焊电源中，外特性的形状是依靠电压、电流负反馈及其组合形式来控制的。表4-1列出了常用弧焊电源外特性形状与选用的负反馈控制之间的关系。

图4-14 恒流带外拖外特性

a）带斜外拖外特性 b）带恒流外拖外特性

表4-1 常用弧焊电源外特性形状与负反馈控制