一种焊接电源节能方法及系统
阅读说明：本技术 一种焊接电源节能方法及系统 (Energy-saving method and system for welding power supply ) 是由 刘超 孙宏伟 廖良闯 陈卫彬 张本顺 王传生 严顶 曹荣祥 于 2021-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种焊接电源节能方法及系统。通过应用本方法,当检测到焊接电源连续待机时间超过设定时间T后,焊接电源自动断电关机,有效节约电能损耗,需重新使用焊接电源时,手动重启断路器开关NFB即可。本系统包括主电路模块、控制模块、辅助电源模块。控制模块单片机最小系统中设置有主程序,用于实现本系统的控制逻辑,达成焊接电源的节能功能。本方法及系统可从根本上杜绝因焊接电源长时间待机而造成电能浪费严重的情况,给企业带来可观的经济效益并创造显著的社会效益。(The invention discloses a welding power supply energy-saving method and system. By applying the method, when the continuous standby time of the welding power supply is detected to exceed the set time T, the welding power supply is automatically powered off and shut down, so that the electric energy loss is effectively saved, and the NFB of the circuit breaker can be manually restarted when the welding power supply needs to be reused. The system comprises a main circuit module, a control module and an auxiliary power supply module. And a main program is arranged in the minimum system of the control module singlechip and is used for realizing the control logic of the system and achieving the energy-saving function of the welding power supply. The method and the system can fundamentally avoid the situation of serious electric energy waste caused by long-time standby of the welding power supply, bring considerable economic benefits to enterprises and create remarkable social benefits.)
技术领域
本发明涉及焊接电源的节能控制领域，具体涉及一种焊接电源节能方法及系统。
背景技术
焊接电源作为一种常用的焊接设备，在焊接制造领域应用非常广泛，其中，造船厂、汽车制造厂、钢结构加工厂、压力容器制造厂等单位保有的焊接电源数量与种类最多。比较常用的焊接电源类型包括二氧化碳保护焊接电源、埋弧焊接电源、氩弧焊接电源、直流焊接电源、交流手工弧焊接电源等。
通常，焊接电源利用正负极在瞬间短路时产生的高温电弧来熔化焊丝与被焊材料，以达到两者相结合的目的。为了能产生可以熔化焊丝与被焊材料的高温电弧，需要焊接电源具有较大的输出功率，例如在钢结构加工厂使用较多的二氧化碳保护焊，其额定功率大多在20kW以上，以松下YD-500ER系列焊接为例，该型焊接电源的额定功率为23.3kW。焊接电源不仅在正常工作时的额定功率比较大，其在待机状态下的功耗也不小，如逆变手工焊接电源，在待机状态的空载损耗约为200-400W，其它类型的焊接电源如埋弧焊接电源，待机状态下的空载损耗会更大。
然而，焊工在使用焊接电源进行焊接作业时并非一直处于有效工作状态，一般来说，焊工给焊接电源上电后，只在有焊接任务或整理好焊件之后才会进行焊接作业，其它时间焊接电源均处于待机状态。为了方便使用，焊工并不会为了节能而关掉处于待机状态下的焊接电源，包括午休期间，也有很多焊工不会或忘记及时关掉焊接电源。
以上的工作场景造成焊接电源处于较长时间的待机状态，据作者在北方某大型造船厂的调研统计数据，按每天8小时工作时间统计(不包括午休)，一个焊工实际的有效工作时间在4-5小时左右，取平均值4.5小时，即一个焊工每天约有3.5小时的非有效工作时间(并非只有个人偷闲原因，有些焊接工作需要事先整理焊件)，再假设焊工在午休期间没有或忘记关掉焊接电源(午休时间一般为1小时)，那么一台焊接电源在一天中可能有4.5小时处于待机状态，假定待机状态下的空载损耗为300W，则一台焊接电源每天的空载损耗约为1.35kW。一个规模中等的钢结构加工厂的焊接电源保有量约为200台，那么工厂每天焊接电源的空载损耗约为270kW，取一年中的有效开工天数为300天，则一年的焊接电源空载损耗约为81000kW，即，工厂每年在焊接电源待机损耗方面浪费约8万度电。根据以上分析数据可知，处于待机状态下的焊接电源损耗功率比较大，在规模较大的焊接制造企业中的浪费电能效应更加明显，这种情况既给企业带来了额外的经济成本开支，也不符合国家大力倡导的建设节能环保型企业及可持续发展社会的倡议。不过，目前市面上还没有比较好的方法或系统改善这一现状，因此，提出或设计一种系统来降低焊接电源的待机时间或空载损耗既有较大的经济效益也有显著的社会效益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种焊接电源节能方法及系统，当检测到焊接电源连续待机时间超过设定时间后，能够自动强制焊接电源失电停止运行，可从根本上杜绝因焊接电源长时间待机而造成的电能严重浪费情况。
为了实现发明目的，本发明提供了一种焊接电源节能方法，通过主电路模块、控制模块、辅助电路模块的相互配合实现节能；
主电路模块包括断路器开关NFB、交流接触器KM主触点、焊接电源、电流采样传感器，均串接于三相交流电源；
控制模块包括AD转换单元、单片机最小系统、接口单元；单片机最小系统内搭载有主程序、定时器T0；AD转换单元输入端连接于电流采样传感器，AD转换单元输出端连接于单片机最小系统，单片机最小系统控制端口连接于接口单元；接口单元输出端连接控制继电器KA的线圈；
辅助电源模块包括控制变压器TR、接口电源、控制电源，控制变压器TR的一次侧绕组连接三相交流电源，二次侧绕组T21串接交流接触器KM的线圈和控制继电器KA主触点，二次侧绕组T22、T23分别串联接口电源、控制电源为接口单元供电；
具体工作流程包括以下步骤：
步骤1、闭合断路器开关NFB，控制模块得电复位，控制模块中单片机最小系统控制端口输出低电平，焊接电源、控制模块正常运行；
步骤2、单片机最小系统主程序运行，执行while(1)函数；
步骤3、当定时器T0计数值对应的时间达到T时，会自动触发定时器T0中断函数；
步骤4、中断函数介入导致焊接电源失电，停止运行；主程序继续运行，但处于死循环状态。
进一步地，步骤1控制端口输出低电平控制焊接电源正常运行的具体流程为：
步骤1-1、控制端口输出低电平；
步骤1-2、控制端口、接口单元之间形成导通回路；
步骤1-3、接口单元输出端的控制继电器KA线圈得电，使得部署于控制变压器TR的二次侧绕组T21的控制继电器KA的主触点吸合，与交流接触器KM的线圈形成导通回路；
步骤1-4、部署于三相交流电源的交流接触器KM主触点吸合，焊接电源得电复位；
步骤1-5、焊接电源、控制模块正常运行。
进一步地，步骤2中while(1)函数的执行流程为：
步骤2-1、判断控制端口输出电平状态是否为低电平，如果否，则返回while(1)函数；如果是，则进入下一步；
步骤2-2、读取10组经AD转换单元转换后的电流测量值，并存放到数组A中；
步骤2-3、舍弃数组A中的最大值和最小值，计算剩余8组数值平均值，作为采样值；
步骤2-4、判断采样值是否大于设定值C，如果是，则清零并关闭定时器T0，并返回while(1)函数；如果否，则进入步骤2-5；
步骤2-5、判断定时器T0计数值是否为零，如果否，则返回while(1)函数；如果是，则进入步骤2-6；
步骤2-6、启动定时器T0，开始计数，并返回while(1)函数。
进一步地，步骤3中定时器T0中断函数的执行流程为：
步骤3-1、控制端口输出高电平；
步骤3-2、清零并关闭定时器T0；
步骤3-3、返回while(1)函数。
进一步地，步骤4中断函数介入导致焊接电源失电，停止运行的具体流程为：
步骤4-1、控制端口输出高电平；
步骤4-2、控制端口、接口单元之间无法形成导通回路；
步骤4-3、控制继电器KA的线圈失电，控制继电器KA主触点断开，无法与交流接触器KM的线圈形成导通回路；
步骤4-4、部署于三相交流电源的交流接触器KM主触点断开，焊接电源停止运行。
进一步地，步骤4执行完成后，若需重新使用焊接电源应进行步骤5重启本系统，具体流程如下：
步骤5-1，断路器开关NFB断开；
步骤5-2，控制电源失电，停止运行；
步骤5-3，断路器开关NFB重新闭合；
步骤5-4，控制模块重新得电复位；
步骤5-5，交流接触器KM主触点重新闭合；
步骤5-6、焊接电源得电复位；
步骤5-7，焊接电源、控制模块重新正常运行，完成重启系统流程。
为了实现本发明的目的，本发明还公开了一种焊接电源节能系统，包括主电路模块、控制模块及辅助电源模块；
主电路模块包括三相交流电源、断路器开关NFB、交流接触器KM、焊接电源及电流采样传感器；断路器开关NFB、交流接触器KM主触点、焊接电源串联接入三相交流电源，三相交流电源经焊接电源后输出直流电源DC+和DC-；电流采样传感器套接于焊接电源正极直流输出端DC+，且电流采样传感器的输出端连接于控制模块；
控制模块包括AD转换单元、单片机最小系统、接口单元；控制模块中AD转换单元的输入端连接电流采样传感器，AD转换单元输出端连接单片机最小系统，单片机最小系统的控制端口连接接口单元；单片机最小系统内部搭载有主程序和定时器T0；
辅助电源模块包括控制变压器TR、第一整流二极管D1、接口电源、第二整流二极管D2及控制电源；辅助电源模块中控制变压器TR的一次侧绕组T1连接三相交流电源；二次侧绕组T21串接交流接触器KM的线圈和控制继电器KA的主触点；二次侧绕组T22串接第一整流二极管D1与接口电源后连入控制模块，接口电源的参考地为GND2；二次侧绕组T23串接第二整流二极管D2与控制电源后连入控制模块，控制电源的参考地为GND1；
主电路模块用于实现三相交流电到直流电的变换，控制焊接电源及控制模块是否得电，电流采样传感器用于实现对焊接电源正极直流输出端DC+的电流采样；控制模块用于为系统主程序运行与控制逻辑实现提供载体，完成电流采样传感器输出值的AD转换及控制交流接触器KM的闭合与断开；辅助电源模块用于为控制模块提供接口电源和控制电源，接口电源和控制电源之间电气隔离。
进一步地，主电路模块中三相交流电源相线分别为L1、L2、L3，任意两相间的电压为交流380V；电流采样传感器为霍尔电流传感器CT，霍尔电流传感器CT的输出端经第一电阻R1接到控制模块中AD转换单元的输入端，第一电阻R1为下拉电阻，参考地为GND1；控制模块中接口单元设置有4个引脚；单片机最小系统通过控制端口经第二电阻R2连接至接口单元的引脚2；接口单元的引脚1连接3.3V直流电源；接口单元的引脚3经控制继电器KA的线圈接至参考地GND2；接口单元的引脚4经第三电阻R3连接24V直流电源。
进一步地，辅助电源模块中控制变压器TR的一次侧绕组T1连接三相交流电源的相线L2及相线L3，额定电压为交流380V；控制变压器TR的二次侧绕组T21的额定电压为交流36V；控制继电器KA通过控制交流接触器KM的线圈是否得电来控制交流接触器KM主触点的吸合与断开，交流接触器KM的线圈得电时，交流接触器KM的主触点吸合，交流接触器KM的线圈失电时，交流接触器KM的主触点断开；交流接触器KM通过主触点的吸合与断开来控制焊接电源是否得电，交流接触器KM的主触点吸合时，焊接电源得电，交流接触器KM的主触点断开时，焊接电源失电；控制变压器TR的二次侧绕组T22的额定电压为交流48V，接口电源为控制模块中接口单元的输出侧提供24V电源，用以驱动控制继电器KA的线圈；控制变压器TR的二次侧绕组T23的额定电压为交流12V，控制电源为控制模块中单片机最小系统、AD转换单元及接口单元的输入侧提供3.3V和5.5V直流电源。
进一步地，当控制端口输出低电平时，3.3V直流电源经接口单元的引脚1、引脚2、第二电阻R2及控制端口形成导通回路；24V直流电源经接口单元的引脚4、引脚3、控制继电器KA的线圈及参考地GND2形成导通回路，控制继电器KA的主触点吸合；控制变压器TR的二次侧绕组T21经交流接触器KM的线圈及控制继电器KA的主触点形成导通回路，交流接触器KM的主触点吸合，焊接电源得电，正常运行；当控制端口输出高电平时，3.3V直流电源、接口单元的引脚1、引脚2、第二电阻R2及控制端口之间无法形成导通回路；24V直流电源、接口单元的引脚4、引脚3、控制继电器KA的线圈及参考地GND2之间也无法形成回路，控制继电器KA的主触点断开；控制变压器TR的二次侧绕组T21、交流接触器KM的线圈及控制继电器KA的主触点之间无法形成导通回路，交流接触器KM的主触点断开，焊接电源失电，停止运行。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)易于安装应用，本发明采用分立式设计方式，首先把交流接触器KM串接入焊接电源三相交流电源L1、L2、L3中，再把控制变压器TR的一次侧绕组T1连接三相交流电源的相线L2及相线L3，最后把霍尔电流传感器CT套接到焊接电源的正极直流输出端DC+，控制模块、辅助电源及相关电缆内置于焊接电源支撑板上即可，易于应用。
2)系统成本可控，本发明采用通用化设计方式，交流接触器、变压器、电流传感器及控制模块等成本较低，使系统整体成本可控，利于推广应用。
3)节能效果显著，本发明设计的焊接电源节能系统，可从根本上杜绝因焊接电源长时间待机而造成的电能严重浪费情况，节能效果显著，推广及应用前景广阔。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明电气原理图；
图2为本发明控制逻辑运行流程图；
图3为本发明重启运行流程图；
图4为本发明主程序流程图；
图5为本发明定时器T0中断函数流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，主电路模块包括三相交流电源、断路器开关NFB、交流接触器KM、焊接电源及电流采样传感器；断路器开关NFB、交流接触器KM主触点、焊接电源串联接入三相交流电源，三相交流电源经焊接电源后输出直流电源DC+和DC-；电流采样传感器套接于焊接电源正极直流输出端DC+，且电流采样传感器的输出端连接于控制模块；控制模块K1包括AD转换单元、单片机最小系统、接口单元J1；控制模块中AD转换单元的输入端连接电流采样传感器，AD转换单元输出端连接单片机最小系统，单片机最小系统的控制端口P1.0连接接口单元J1；单片机最小系统内部设置有定时器T0；辅助电源模块包括控制变压器TR、第一整流二极管D1、接口电源、第二整流二极管D2及控制电源；辅助电源模块中控制变压器TR的一次侧绕组T1连接三相交流电源；二次侧绕组T21串接交流接触器KM的线圈和控制继电器KA的主触点；二次侧绕组T22串接第一整流二极管D1与接口电源后连入控制模块，接口电源的参考地为GND2；二次侧绕组T23串接第二整流二极管D2与控制电源后连入控制模块，控制电源的参考地为GND1。
主电路模块中三相交流电源相线分别为L1、L2、L3，任意两相间的电压为交流380V；电流采样传感器为霍尔电流传感器CT，霍尔电流传感器CT的输出端经第一电阻R1接到控制模块中AD转换单元的输入端，第一电阻R1为下拉电阻，参考地为GND1。控制模块中接口单元J1设置有4个引脚；单片机最小系统通过控制端口P1.0经第二电阻R2连接至接口单元J1的引脚2；接口单元J1的引脚1连接3.3V直流电源；接口单元J1的引脚3经控制继电器KA的线圈接至参考地GND2；接口单元J1的引脚4经第三电阻R3连接24V直流电源。辅助电源模块中控制变压器TR的一次侧绕组T1连接三相交流电源的相线L2及相线L3，额定电压为交流380V；控制变压器TR的二次侧绕组T21的额定电压为交流36V；控制继电器KA通过控制交流接触器KM的线圈是否得电来控制交流接触器KM主触点的吸合与断开，交流接触器KM的线圈得电时，交流接触器KM的主触点吸合，交流接触器KM的线圈失电时，交流接触器KM的主触点断开；交流接触器KM通过主触点的吸合与断开来控制焊接电源是否得电，交流接触器KM的主触点吸合时，焊接电源得电，交流接触器KM的主触点断开时，焊接电源失电；控制变压器TR的二次侧绕组T22的额定电压为交流48V，接口电源为控制模块中接口J1单元的输出侧提供24V电源，用以驱动控制继电器KA的线圈；控制变压器TR的二次侧绕组T23的额定电压为交流12V，控制电源为控制模块中单片机最小系统、AD转换单元及接口J1单元的输入侧提供3.3V和5.5V直流电源。
当控制端口P1.0输出低电平时，3.3V直流电源经接口J1单元的引脚1、引脚2、第二电阻R2及端口P1.0形成导通回路；24V直流电源经接口J1单元的引脚4、引脚3、控制继电器KA的线圈及参考地GND2形成导通回路，控制继电器KA的主触点吸合；控制变压器TR的二次侧绕组T21经交流接触器KM的线圈及控制继电器KA的主触点形成导通回路，交流接触器KM的主触点吸合，焊接电源得电，正常运行；当控制端口P1.0输出高电平时，3.3V直流电源、接口J1单元的引脚1、引脚2、第二电阻R2及端口P1.0之间无法形成导通回路；24V直流电源、接口J1单元的引脚4、引脚3、控制继电器KA的线圈及参考地GND2之间也无法形成回路，控制继电器KA的主触点断开；控制变压器TR的二次侧绕组T21、交流接触器KM的线圈及控制继电器KA的主触点之间无法形成导通回路，交流接触器KM的主触点断开，焊接电源失电，停止运行。
具体地，在本发明电路系统中，控制变压器TR的型号为TSMU0077，交流接触器KM的型号为LC1D80CC7C，控制继电器KA的型号为RXM2CB2BD，霍尔电流传感器CT的型号为CHCS-EKBA-1000A。
如图2所示，实现焊接电源节能功能的控制逻辑运行流程为：
步骤a1、断路器开关NFB闭合；
步骤a2、控制模块得电复位；
步骤a3、交流接触器KM主触点闭合；
步骤a4、焊接电源得电复位
步骤a5、焊接电源正常运行，控制模块正常运行；
步骤a6、控制模块判断焊接电源是否处于待机状态，如果是，则进入步骤a7；如果否，返回步骤a5；
步骤a7、控制模块判断焊接电源连续待机时间是否超过T，如果是，则进入步骤a8；如果否，则返回步骤a5；
步骤a8、交流接触器KM主触点断开；
步骤a9、焊接电源失电，停止运行；
步骤a10、控制模块继续运行，但处于死循环状态；
在本系统中，时间T设定为10分钟。
如图3所示，焊接电源因连续待机时间超过T而被强制断电停止运行，控制模块继续运行，但处于死循环状态，此时需要重新使用焊接电源时，重启系统即可，本系统重启运行流程为：
步骤b1、断路器开关NFB断开；
步骤b2、控制电源失电，停止运行；
步骤b3、断路器开关NFB重新闭合；
步骤b4、控制模块重新得电复位；
步骤b5、交流接触器KM主触点重新闭合；
步骤b6、焊接电源得电复位；
步骤b7、焊接电源重新正常运行，控制模块重新正常运行，完成重启系统流程。
如图4所示，本系统单片机最小系统为主程序运行提供载体，主程序用于实现本系统的控制逻辑，主程序执行流程为：
步骤c1、控制模块上电复位，主程序开始运行；
步骤c2、控制端口P1.0输出低电平，即P1.0＝0；
步骤c3、执行while(1)函数；
步骤c4、判断端口P1.0输出电平状态是否为0，如果否，则返回while(1)函数；如果是，则进入步骤c5；
步骤c5、AD值读取，读取10组经AD转换后电流测量值并存放到数组A中；
步骤c6、舍弃数组A中的最大值和最小值，计算剩余8组数值平均值作为采样值；
步骤c7、判断采样值是否大于设定值C，如果是，则清零并关闭定时器T0，并返回while(1)函数，如果否，则进入步骤c8；此步骤作用在于判断焊接电源是否处于待机状态；
步骤c8、判断定时器T0计数值是否为零，如果否，则返回while(1)函数；如果是，则进入步骤c9；
步骤c9、启动定时器T0，并返回while(1)函数；
在本系统中，设定值C为20A。
如图5所示，当定时器T0计数值对应的时间达到T时，会自动触发定时器T0中断函数，定时器T0中断函数的执行流程为：
步骤d1，控制端口P1.0输出高电平，即P1.0＝1；
步骤d2，清零并关闭定时器T0；
步骤d3，返回while(1)函数。
当本系统检测到焊接电源连续待机时间超过设定时间T后，强制焊接电源断电关机，有效节约电能损耗，重新使用焊接电源时，手动重启断路器开关NFB即可，因此，本系统可从根本上杜绝因焊接电源长时间待机而造成电能浪费严重的情况，给企业带来可观的经济效益并创造显著的社会效益。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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