張 寧

（廣州市輕工職業(yè)學(xué)校 智能控制教學(xué)部，廣州 510650）

電容器有迅速大量?jī)?chǔ)存能量的作用，又可以瞬間釋放其儲(chǔ)存的能量，充電和放電過(guò)程中能量損耗極少，而且電容器的使用壽命很長(zhǎng)。因此，電容器在儲(chǔ)能式焊機(jī)、激光電源等方面得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，人們還開(kāi)發(fā)出法拉級(jí)容量的超級(jí)電容及用于動(dòng)力上的高壓超大容量電容。當(dāng)前，它們都面臨如何簡(jiǎn)單、可靠、快速地對(duì)純?nèi)菪噪娐烦潆姷膯?wèn)題。

電容器和蓄電池都同樣是儲(chǔ)能裝置，但是它們的輸入、輸出特性截然不同，因此，給電容器的充電和給蓄電池組充電的工作狀態(tài)有著極大的差異。對(duì)于蓄電池組的充電，只要選用一個(gè)和蓄電池組電壓相近的合適電壓和一定控制措施就能實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程。由于蓄電池組有一定的內(nèi)阻，它在充電過(guò)程中會(huì)形成一個(gè)極化電壓，從而限制電流的無(wú)限增長(zhǎng)，使其穩(wěn)定在某一個(gè)相對(duì)恒定的水平。電容器的充電過(guò)程卻不一樣，因?yàn)殡娙萜鞯亩穗妷翰荒芡蛔?，它能夠向電源吸收大量的沖擊電流，如果不加以限制，它可以使充電電源在一瞬間處在近乎短路的工作狀態(tài)。電容器只有吸收足夠的能量后，其端電壓才能上升到相應(yīng)的電壓。傳統(tǒng)的給電容器充電的方法，有限流式和恒流式兩種方式。簡(jiǎn)單的限流式充電能量損耗大，而恒流式充電，其結(jié)構(gòu)控制較復(fù)雜。同時(shí)，這兩種充電方式所需的充電時(shí)間都比較長(zhǎng)。

根據(jù)電容器的充放電特性和高、低電壓之間電容器的能量?jī)?chǔ)存和傳遞關(guān)系，筆者研發(fā)了一種適用于電容性負(fù)載充電的新型系統(tǒng)，并利用單片機(jī)技術(shù)作智能化的控制。該充電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、充電快速、能量損耗少等優(yōu)點(diǎn)。下面通過(guò)闡述該系統(tǒng)在低壓儲(chǔ)能式電焊機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用，分析和討論本充電系統(tǒng)的工作原理。

1 低壓儲(chǔ)能焊機(jī)的儲(chǔ)能系統(tǒng)和控制基理

本儲(chǔ)能焊機(jī)充電的原理是基于高壓儲(chǔ)能電容的能量直接和多次地轉(zhuǎn)換為低壓儲(chǔ)能電容的能量。

充電系統(tǒng)中的高壓電源電壓為UH，高壓儲(chǔ)能電容為CH，低壓儲(chǔ)能電容為CL，待充電壓值為UL。電容器C儲(chǔ)存的能量為W，其上電壓為UC，存在公式W=0.5CU2C，從中可以看出，電容器儲(chǔ)存的能量和電容器的容量成正比，與電容器的電壓平方成正比。假設(shè)UH=10UL，那么在相同電容量的情況下，高壓電容器CH所儲(chǔ)存的能量就是同等容量的低壓電容器CL的100倍?；谶@一特性，筆者利用高壓小容量電容器多次、反復(fù)向低壓大容量電容器放電來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)充電儲(chǔ)能過(guò)程。

充電過(guò)程的控制是通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)和電壓檢測(cè)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)式程序控制，使小容量高壓電容器對(duì)大容量低壓電容自動(dòng)多次反復(fù)充電。另外，由于可控硅體積小、無(wú)噪聲、能耗小、控制方便，因此，本機(jī)用可控硅作為充放電開(kāi)關(guān)。儲(chǔ)能式焊機(jī)的儲(chǔ)能量可以達(dá)到很大，體積卻很小。在儲(chǔ)能焊機(jī)的儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，儲(chǔ)能電路采用二次充電方式，這樣可使儲(chǔ)能焊機(jī)的充電電流遠(yuǎn)小于焊接時(shí)的放電電流，儲(chǔ)能電容器組輸出的工作電壓也遠(yuǎn)小于一次充電回路的電容電壓。這樣一來(lái)，儲(chǔ)能式焊機(jī)工作時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊很小，它的特點(diǎn)是低電壓、大電流、噪聲小、操作安全，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

2 儲(chǔ)能焊機(jī)的工作原理

圖1為儲(chǔ)能式電焊機(jī)中儲(chǔ)能充電電源主回路的工作結(jié)構(gòu)原理。圖中，整流電源通過(guò)抑制電感L1、可控硅SCR1向高壓電容CH充電。因?yàn)榭煽毓栌幸粋€(gè)電流上升率的額定值di/dt，而電容器充、放電的過(guò)程很快，為了使電流的上升率不超過(guò)可控硅di/dt的額定值而導(dǎo)致可控硅損壞，需加設(shè)限流抑制電感L1?？煽毓鑃CR1的觸發(fā)是利用光電耦合可控硅1PH控制觸發(fā)，而光電耦合可控硅則由單片機(jī)系統(tǒng)控制，這種觸發(fā)方式簡(jiǎn)單、安全且可靠性高，觸發(fā)能力強(qiáng)?？煽毓鑃CR1的關(guān)斷則是自動(dòng)關(guān)斷的，即電容器CH充電完成后，充電電流小于可控硅的維持電流Iε時(shí)，可控硅即自行關(guān)斷。

圖1 儲(chǔ)能充電電路結(jié)構(gòu)原理

在一次充電回路充電完畢時(shí)，檢測(cè)電路，如檢測(cè)到低壓儲(chǔ)能電容器末被充電到設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)輸出一個(gè)脈沖觸發(fā)信號(hào)給光耦可控硅2PH，使可控硅SCR2觸發(fā)導(dǎo)通，高壓電容器CH通過(guò)L2、可控硅SCR2向低壓電容Cz放電，使電容器Cz的端電壓升高?？煽毓鑃CR2關(guān)斷后，單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)電路檢測(cè)電容器Cz的電壓。如果Cz的端電壓尚低于設(shè)定值，單片機(jī)將輸出一個(gè)信號(hào)到1PH，使可控硅SCR1觸發(fā)導(dǎo)通，再次向電容器CH充電，充電結(jié)束后單片機(jī)再輸出一個(gè)脈沖信號(hào)給2PH，使可控硅SCR2觸發(fā)導(dǎo)通，電容器CH再次向低壓電容器組Cz放電。經(jīng)過(guò)若干次這樣的反復(fù)充放電過(guò)程，電容器Cz將被充電至設(shè)定值。這時(shí)，單片機(jī)停止對(duì)可控硅SCR1、SCR2輸出觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)輸出一個(gè)充電完成信號(hào)，提示焊接工作可以執(zhí)行。此時(shí)，操作員按下焊接控制按鈕K，即可觸發(fā)SCR3導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容器Cz快速放電，在瞬間產(chǎn)生極大的焊接電流，從而實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程。因?yàn)殡娙萜鞯某?、放電過(guò)程很快，因此電容器完成的整個(gè)充電過(guò)程所需時(shí)間很短。

3 焊接能量的調(diào)節(jié)控制

電容器儲(chǔ)存的能量和電容器的容量成正比，和電容器的端電壓的平方也成正比。因此，除了用增加或減少電容器的個(gè)數(shù)來(lái)改變它的容量外，人們也可以用改變電容器充電電壓的辦法來(lái)調(diào)節(jié)焊接能量。

圖2是一個(gè)利用分壓電阻和一個(gè)電壓比較器實(shí)現(xiàn)多級(jí)輸出電壓調(diào)節(jié)的控制電路。用戶可使用波段開(kāi)關(guān)來(lái)選擇所需要的輸出電壓值，分壓電阻值可通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算去選定，這里不再贅述。

圖2 充電能量控制電路

4 儲(chǔ)能焊機(jī)中的單片機(jī)控制系統(tǒng)

4.1 硬件結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能焊機(jī)中的儲(chǔ)能充電過(guò)程及焊機(jī)的焊接過(guò)程，均由單片機(jī)控制系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)的硬件構(gòu)成框圖如圖3所示。控制系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心，除利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源，如Flash ROM、I/O口、定時(shí)器等部件外，另有擴(kuò)展的A/D轉(zhuǎn)換模塊、光電隔離電路及電壓檢測(cè)模塊、充電能量控制模塊、輸出控制模塊和保護(hù)電路等。

圖3 儲(chǔ)能焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)

其中，電壓檢測(cè)模塊用于測(cè)量?jī)?chǔ)能電容器組CZ的充電電壓。采樣所得信號(hào)經(jīng)光電隔離電路和比例放大后輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊中。A/D轉(zhuǎn)換模塊將實(shí)時(shí)采樣到的被測(cè)電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)控制系統(tǒng)中。單片機(jī)控制系統(tǒng)定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換模塊，不斷采樣充電電壓Cz的值，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制高壓電容CH和儲(chǔ)能電容器組Cz的充、放電過(guò)程，即：當(dāng)ICH≈0時(shí)，可控硅SCR1截止，使SCR2導(dǎo)通，對(duì)儲(chǔ)能電容器組CZ充電；當(dāng)ICZ≈0時(shí)，SCR2截止；如UCZ小于設(shè)定值，使SCR1導(dǎo)通，繼續(xù)第一回路的充電，如此循環(huán)至UCZ上升到設(shè)定值為止。

輸出控制模塊將單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的充放電信號(hào)經(jīng)隔離電路輸出，控制可控硅SCR1、SCR2、SCR3的工作。保護(hù)電路如果測(cè)得儲(chǔ)能電容器組輸出電壓超出警戒電壓，單片機(jī)即關(guān)斷所有輸出控制并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4.2 系統(tǒng)軟件

單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件控制流程如圖4所示。系統(tǒng)的輸入/輸出控制均通過(guò)AT89C51單片機(jī)的P1口，在上電運(yùn)行時(shí)，首先采樣充電能量控制電路的輸出信號(hào)，以確定Ucz需要充電的額定電壓值，接著從單片機(jī)的P1口輸出一脈沖觸發(fā)信號(hào)使SCR1導(dǎo)通，經(jīng)延時(shí)ty后，CH充電完成。因在充電過(guò)程中，電流會(huì)逐漸下降為0，當(dāng)該電流小于可控硅的維持電流時(shí)，SCR1截止。

圖4 儲(chǔ)能充電控制流程

從啟動(dòng)一次充電回路到啟動(dòng)二次充電回路需要延時(shí)等待一次充電過(guò)程完成。該延時(shí)時(shí)間值ty，可以在電路試驗(yàn)階段用示波器實(shí)測(cè)電容的最大充電時(shí)間來(lái)確定，即以最大的電容量和最高電壓下測(cè)出最大充電時(shí)間值ti，一般來(lái)說(shuō)，延時(shí)值ty＞ti。

當(dāng)一次充電過(guò)程完成后，輸出可控硅SCR2的觸發(fā)脈沖電壓令SCR2導(dǎo)通，開(kāi)始第2級(jí)的充電，經(jīng)延時(shí)使Cz充電完成且SCR2截止后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，采樣并檢測(cè)Ucz，如小于額定輸出電壓，重新觸發(fā)SCR1導(dǎo)通對(duì)第一級(jí)的CH充電，如此循環(huán)反復(fù)充、放電，直至Ucz等于設(shè)定的輸出值。接著，發(fā)充電完成信號(hào)，該信號(hào)接通SCR3的觸發(fā)可控硅PH3，當(dāng)按下焊接按鈕K時(shí)，則觸發(fā)SCR3導(dǎo)通，進(jìn)行焊接過(guò)程，焊接完成后，Ucz放電完畢，程序又重新開(kāi)始。

另外，如Ucz超過(guò)警戒電壓時(shí)，單片機(jī)可控制保護(hù)電路動(dòng)作，切斷所有輸出控制信號(hào)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

5 結(jié)語(yǔ)

本充電系統(tǒng)使用把高壓電容儲(chǔ)存的能量直接轉(zhuǎn)換為低壓電容器組的能量的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓電容器的充電，該電路不必用高低壓變換變壓器或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的逆變器?？刂茍?zhí)行器件可控硅，價(jià)格低廉、可靠性高且輸出容量大，使整個(gè)電路簡(jiǎn)單可靠，造價(jià)低。控制電路選用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能控制，使整個(gè)系統(tǒng)更簡(jiǎn)單合理，因而具有先進(jìn)性和實(shí)用性，不失為一種簡(jiǎn)單實(shí)用的電容性電路充電的好方法。

[1]趙亞光.微型計(jì)算機(jī)在焊接中的應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[2]余永權(quán).ATMEL 89系列Flash單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，1997.