CN100469505C

CN100469505C - 超音频方波直流脉冲弧焊电源装置

Info

Publication number: CN100469505C
Application number: CNB2007101208312A
Authority: CN
Inventors: 齐铂金; 许海鹰; 黄松涛
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2027-08-27
Also published as: CN101125388A

Abstract

本发明公开了一种适用于电弧焊接的超音频方波直流脉冲电源装置，它主要包括有整流滤波电路、峰值电流产生电路、脉冲峰值电流切换电路、基值电流产生电路；由基值电流产生电路用于产生基值电流I_b，并作用到功率二极管D_P的阴极端；由峰值电流产生电路用于产生峰值电流I_p，该峰值电流I_p经第五功率开关管T_P、功率二极管D_P后输出脉冲峰值电流I_pp；然后，基值电流I_b与脉冲峰值电流I_pp进行叠加，即得到脉冲电流I_f供给电极和工件。本发明超音频方波直流脉冲电源装置可以实现脉冲电流频率为≥20kHz，脉冲电流幅值为1～300A，脉冲电流上升率为≥50A/μs。

Description

超音频方波直流脉冲弧焊电源装置

技术领域

本发明涉及一种超音频方波直流脉冲弧焊电源装置，具体地说，是指一种适用于电弧焊接的超音频直流脉冲电源拓扑电路。

背景技术

在电弧焊接领域，方波直流脉冲电流焊接得到广泛应用，如脉冲TIG焊、脉冲MIG焊等。方波直流脉冲焊接与传统的直流焊接相比，具有显著的特点，如控制熔滴过渡、控制焊缝成形、控制焊接线能量等方面。直流脉冲焊接时，脉冲频率是其重要的参数之一，常规的直流脉冲TIG、直流脉冲MIG焊接，其频率在零点几赫兹到几百赫兹之间。这种常规的直流脉冲弧焊电源是基于传统晶闸管式、晶体管模拟式或开关式(逆变式)电源的基础上，通过恒流、恒压输出特性的控制来实现的。其基本原理是通过脉冲电流或电压给定信号通过闭环负反馈来实现。正是由于其电源控制基本原理的限制，以及焊接电缆回路电感的存在，使得这种电源不具备输出较高频如超音频(≥20kHz)方波直流脉冲电流的能力。即使具备，其输出脉冲电流的上升率、下降率、电流幅值及其波形的可控性很差。这也使得中高频、超音频方波直流脉冲电弧焊的研究未能得到深入进行的重要原因之一。而中高频、超音频方波直流脉冲电弧焊，随着频率的显著提高，会产生特殊的电磁效应和电弧超声等作用，对电弧焊接产生显著的影响。众所周知，进行电弧焊接时，焊接电流高达上百安培，要在技术上实现上百安培超音频方波直流脉冲电流，直到今天都是十分困难的。同时由于焊接回路分布电感及其参数的影响，采用常规的脉冲电弧焊接电源控制技术(见图1所示)难以实现。即使能够实现，其电流波形也将发生很大畸变。

图1中，常规脉冲焊接电源的三相或单相交流电与整流滤波电路联接，整流滤波电路输出直流电给逆变电路变换成高频交流信号，高频交流信号经第一变压器B₁传输至整流电路中整流成直流电，直流电经续流电感L_P作用在电极和工件上；第一电流传感器将采集到的第一变压器B₁上的反馈直流信号I_C(即焊接电源输出电流)输出给第一闭环PWM控制电路，第一闭环PWM控制电路对接收的反馈直流信号I_C与给定电流信号I_g进行差值比较后闭环控制输出PWM脉冲给第一驱动电路，所述PWM脉冲经第一驱动电路后分别作用到功率开关管T₂的栅极G和功率开关管T₁的栅极G上。

各端子之间的联接为：三相或单相交流电的U端、V端、W端分别与整流桥电路MD的1端、2端、3端联接，整流桥电路MD的4端、5端之间并联有滤波电容C；整流桥电路MD的4端联接至第一功率开关管T₁的集电极C，整流桥电路MD的5端联接至第二功率开关管T₂的发射极E；第一功率开关管T₁的发射极E与第二功率开关管T₂的集电极C相联；第一功率开关管T₁的集电极C经第一电容C₁后联接在第一变压器B₁的A端，第二功率开关管T₂的发射极E经第二电容C₂后联接在第一变压器B₁的A端；第一变压器B₁的B端联接在第一功率开关管T₁的发射极E与第二功率开关管T₂的集电极C之间；第一变压器B₁的C端经第一二极管D₁后与续流电感L_P的1端联接；第一变压器B₁的D端经第二二极管D₂后与续流电感L_P的1端联接；续流电感L_P的2端与电极连接；第一变压器B₁的E端与工件连接，且第一变压器B₁的E端与工件之间套接有第一电流传感器。

发明内容

为解决常规脉冲焊接电源控制技术难以实现超音频方波直流脉冲电流的难题，本发明提供了一种新型超音频方波直流脉冲电源拓扑电路结构。该超音频方波直流脉冲电源由脉冲峰值电流切换电路、基值电流产生电路、峰值电流产生电路、整流滤波电路组成；三相或单相输入的交流电经整流滤波电路后分别输出给所述峰值电流产生电路、所述基值电流产生电路；所述峰值电流产生电路用于产生峰值电流I_p；所述基值电流产生电路用于实现基值电流I_b输出；所述脉冲峰值电流切换电路用于实现脉冲峰值电流I_pp的脉冲输出，通过与基值电流I_b的叠加实现电极和工件上脉冲电流I_f的输出。

在本发明中，所述整流滤波电路由整流桥MD、滤波电容C构成。所述峰值电流产生电路由半桥式逆变电路、第一变压器B₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、续流电感L_P、第一电流传感器、第一驱动电路、第一闭环PWM控制电路构成。其各端子之间的联接为：三相或单相交流电的U端、V端、W端分别与整流桥电路MD的1端、2端、3端联接，整流桥电路MD的4端、5端之间并联有滤波电容C；整流桥电路MD的4端联接至第一功率开关管T₁的集电极C，整流桥电路MD的5端联接至第二功率开关管T₂的发射极E；逆变电路采用全桥或半桥逆变电路拓扑结构，第一功率开关管T₁的发射极E与第二功率开关管T₂的集电极C相联；第一功率开关管T₁的集电极C经第一电容C₁后联接在第一变压器B₁的A端，第二功率开关管T₂的发射极E经第二电容C₂后联接在第一变压器B₁的A端；第一变压器B₁的B端联接在第一功率开关管T₁的发射极E与第二功率开关管T₂的集电极C之间；第一变压器B₁的C端经第一二极管D₁后与续流电感L_P的1端联接；第一变压器B₁的D端经第二二极管D₂后与续流电感L_P的1端联接；第一变压器B₁的E端与第五功率开关管T_P的发射极E联接，且第一变压器B₁的E端与第五功率开关管T_P的发射极E之间套接有第一电流传感器；峰值电流产生电路中第一电流传感器将采集的第一变压器B₁上的第一反馈电流信号I_pf(即峰值电流信号)输出给第一闭环PWM控制电路，第一闭环PWM控制电路对接收的第一反馈电流信号I_pf与第一给定电流信号I_pg进行差值比较后闭环控制输出第一PWM脉冲，所述第一PWM脉冲经第一驱动电路后分别作用在第一功率开关管T₁的栅极G和第二功率开关管T₂的栅极G上。

在本发明中，所述基值电流产生电路由半桥式或全桥式逆变电路、第二变压器B₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、滤波电感L_b、第二电流传感器、第二驱动电路、第二闭环PWM控制电路组成，用于实现基值电流I_b输出。其各端子之间的联接为：整流桥电路MD的4端与第三功率开关管T₃的集电极C联接，整流桥电路MD的5端与第四功率开关管T₄的发射极E联接；第三功率开关管T₃的发射极E与第四功率开关管T₄的集电极C相联，第三功率开关管T₃的集电极C经第三电容C₃后联接在第二变压器B₂的A端，第四功率开关管T₄的发射极E经第四电容C₄后联接在第二变压器B₂的A端，第二变压器B₂的B端联接在第三功率开关管T₃的发射极E与第四功率开关管T₄的集电极C之间；第二变压器B₂的C端经第三二极管D₃后与滤波电感L_b的1端联接；第二变压器B₂的D端经第四二极管D₄后与滤波电感L_b的1端联接；第二变压器B₂的E端与第五功率开关管T_P的发射极E联接，且第二变压器B₂的E端与第五功率开关管T_P的发射极E之间套接有第二电流传感器；基值电流产生电路中第二电流传感器将采集的第二变压器B₂上的第二反馈直流信号I_bf(即基值电流信号)输出给第二闭环PWM控制电路，第二闭环PWM控制电路对接收的第二反馈直流信号I_bf与第二给定电流信号I_bg进行差值比较后闭环控制输出第二PWM脉冲，所述第二PWM脉冲经第二驱动电路后作用在第三功率开关管T₃的栅极G和第四功率开关管T₄的栅极G上。

在本发明中，所述脉冲峰值电流切换电路由第五功率开关管T_P、功率二极管D_P、尖峰电压吸收保护电路、脉冲发生电路、第三驱动电路组成；尖峰电压吸收保护电路用于吸收电压尖峰，当尖峰电压超限时，用于产生保护信号，实现对脉冲弧焊电源电路的保护。其各端子之间的联接为：续流电感L_P的2端分别与第五功率开关管T_P的发射极C和功率二极管D_P的阳极连接，功率二极管D_P的阴极分别与滤波电感L_b的2端和电极连接，第五功率开关管T_P的发射极E与工件连接(在本发明中，根据电弧焊接时直流电流极性接入的不同要求，功率二极管D_P的阳极也可以与工件连接，第五功率开关管T_P的发射极E也可以与电极连接。)；电极与工件之间并联有尖峰电压吸收保护电路，该尖峰电压吸收保护电路用于吸收电压尖峰，当尖峰电压超限时，用于产生作用于第一闭环PWM控制电路、第二闭环PWM控制电路和脉冲发生电路的保护信号U_S；脉冲发生电路按照外部输入的脉冲频率f和占空比δ生成用于第三驱动电路的脉冲序列，该脉冲序列经第三驱动电路后作用于第五功率开关管T_P的栅极G上。

本发明超音频方波直流脉冲电源的优点在于：(1)采用脉冲峰值电流切换电路、基值电流产生电路与峰值电流产生电路的组合，实现了超音频方波直流脉冲电流的输出；(2)超音频直流脉冲电流基值与峰值相互独立控制与调节，使脉冲频率f和占空比δ独立可调；(3)由于采用第五功率开关管T_P和功率二极管D_P的快速切换，可在超音频脉冲电源输出端得到陡峭的方波脉冲电流幅值为1～300A，脉冲电流上升率为≥50A/μs。

附图说明

图1是脉冲电弧焊接电源的常规结构框图。

图2是本发明超音频方波直流脉冲弧焊电源的结构框图。

图3是本发明超音频方波直流脉冲弧焊电源输出的电流波形示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图2所示，本发明超音频方波直流脉冲弧焊电源装置由脉冲峰值电流切换电路、基值电流产生电路、峰值电流产生电路、整流滤波电路组成；

在本发明中，所述整流滤波电路、所述峰值电流产生电路采用如图1所示的常规结构。即整流滤波电路可以由整流桥MD、滤波电容C构成。峰值电流产生电路由半桥式逆变电路、第一变压器B₁、第一二极管D₁、第二二极管D₂、续流电感L_P、第一电流传感器、第一驱动电路、第一闭环PWM控制电路构成。其各端子之间的联接为：三相或单相交流电的U端、V端、W端分别与整流桥电路MD的1端、2端、3端联接，整流桥电路MD的4端、5端之间并联有滤波电容C；整流桥电路MD的4端联接至第一功率开关管T₁的集电极C，整流桥电路MD的5端联接至第二功率开关管T₂的发射极E；逆变电路采用全桥或半桥逆变电路拓扑结构，第一功率开关管T₁的发射极E与第二功率开关管T₂的集电极C相联；第一功率开关管T₁的集电极C经第一电容C₁后联接在第一变压器B₁的A端，第二功率开关管T₂的发射极E经第二电容C₂后联接在第一变压器B₁的A端；第一变压器B₁的B端联接在第一功率开关管T₁的发射极E与第二功率开关管T₂的集电极C之间；第一变压器B₁的C端经第一二极管D₁后与续流电感L_P的1端联接；第一变压器B₁的D端经第二二极管D₂后与续流电感L_P的1端联接；第一变压器B₁的E端与第五功率开关管T_P的发射极E联接，且第一变压器B₁的E端与第五功率开关管T_P的发射极E之间套接有第一电流传感器；峰值电流产生电路中第一电流传感器将采集的第一变压器B₁上的第一反馈电流信号I_pf(即峰值电流信号)输出给第一闭环PWM控制电路，第一闭环PWM控制电路对接收的第一反馈电流信号I_pf与第一给定电流信号I_pg进行差值比较后闭环控制输出第一PWM脉冲，所述第一PWM脉冲经第一驱动电路后分别作用在第一功率开关管T₁的栅极G和第二功率开关管T₂的栅极G上。

本发明超音频方波直流脉冲弧焊电源装置，采用相互独立的基值电流产生电路和峰值电流产生电路，实现了超音频脉冲电流的基值与峰值的独立控制与调节；由第五功率开关管T_P和功率二极管D_P组成的脉冲峰值电流切换电路完成了将直流电转换为超音频直流脉冲电流。通过控制第五功率开关管T_p与功率二极管D_p上的脉冲峰值电流I_pp的峰值时间t_p及脉冲周期T的变化，使得电极和工件两端的超音频电流频率为≥20kHz，脉冲电流幅值为1～300A，脉冲峰值电流I_pp的上升率为≥50A/μs，如图3所示。

本发明的峰值电流产生电路输出电压为50～70V，输出电流为1～300A。

本发明的基值电流产生电路输出电压为50～70V，输出电流为1～300A。

本发明超音频方波直流脉冲弧焊电源装置的工作原理是：由基值电流产生电路产生基值电流I_b，并作用到功率二极管D_P的阴极端；由峰值电流产生电路产生峰值电流I_p，该峰值电流I_p经第五功率开关管T_p、功率二极管D_P后输出脉冲峰值电流I_pp；然后，基值电流I_b与脉冲峰值电流I_pp进行叠加，即得到脉冲电流I_f供给电极和工件。

当第五功率开关管T_P开通时，由峰值电流产生电路产生的电流由续流电感L_P、第五功率开关管T_P构成回路，此时没有脉冲峰值电流I_pp输出；当第五功率开关管T_P关闭时，由峰值电流产生电路产生的电流经续流电感L_P、功率二极管D_P后输出稳定的脉冲峰值电流I_pp°为保证脉冲峰值电流I_pp的稳定以及具有快速的电流上升率，续流电感L_P采用具有mH级较大电感量的续流电感，常规脉冲电弧焊接电源中该电感为μH级。由于续流电感L_P电感量大，在第五功率开关管T_P开通和关闭时，脉冲峰值电流I_pp的波动较小，从而实现对脉冲电流I_f中峰值电流的稳定控制。采用第五功率开关管T_P和功率二极管D_P组成的快速切换电路，可在超音频脉冲电源输出端得到陡峭的方波脉冲电流幅值为1～300A，电流上升率为≥50A/μs。

Claims

1、一种适用于电弧焊接的超音频方波直流脉冲弧焊电源装置，包括有整流滤波电路、峰值电流产生电路，其特征在于：还包括有脉冲峰值电流切换电路、基值电流产生电路；

三相或单相交流电的U端、V端、W端分别与整流桥电路MD的1端、2端、3端联接，整流桥电路MD的4端、5端之间并联有滤波电容C；整流桥电路MD的4端联接至第一功率开关管T₁的集电极C，整流桥电路MD的5端联接至第二功率开关管T₂的发射极E；第一功率开关管T₁的发射极E与第二功率开关管T₂的集电极C相联；第一功率开关管T₁的集电极C经第一电容C₁后联接在第一变压器B₁的A端，第二功率开关管T₂的发射极E经第二电容C₂后联接在第一变压器B₁的A端；第一变压器B₁的B端联接在第一功率开关管T₁的发射极E与第二功率开关管T₂的集电极C之间；第一变压器B₁的C端经第一二极管D₁后与续流电感L_P的1端联接；第一变压器B₁的D端经第二二极管D₂后与续流电感L_P的1端联接；第一变压器B₁的E端与第五功率开关管T_P的发射极E联接，且第一变压器B₁的E端与第五功率开关管T_P的发射极E之间套接有第一电流传感器；峰值电流产生电路中第一电流传感器将采集的第一变压器B₁上的第一反馈电流信号I_pf输出给第一闭环PWM控制电路，第一闭环PWM控制电路对接收的第一反馈电流信号I_pf与第一给定电流信号I_pg进行差值比较后闭环控制输出第一PWM脉冲，所述第一PWM脉冲经第一驱动电路后分别作用在第一功率开关管T₁的栅极G和第二功率开关管T₂的栅极G上；

所述基值电流产生电路各端子之间的联接为：整流桥电路MD的4端与第三功率开关管T₃的集电极C联接，整流桥电路MD的5端与第四功率开关管T₄的发射极E联接；第三功率开关管T₃的发射极E与第四功率开关管T₄的集电极C相联，第三功率开关管T₃的集电极C经第三电容C₃后联接在第二变压器B₂的A端，第四功率开关管T₄的发射极E经第四电容C₄后联接在第二变压器B₂的A端，第二变压器B₂的B端联接在第三功率开关管T₃的发射极E与第四功率开关管T₄的集电极C之间；第二变压器B₂的C端经第三二极管D₃后与滤波电感L_b的1端联接；第二变压器B₂的D端经第四二极管D₄后与滤波电感L_b的1端联接；第二变压器B₂的E端与第五功率开关管T_P的发射极E联接，且第二变压器B₂的E端与第五功率开关管T_P的发射极E之间套接有第二电流传感器；基值电流产生电路中第二电流传感器将采集的第二变压器B₂上的第二反馈电流信号I_bf输出给第二闭环PWM控制电路，第二闭环PWM控制电路对接收的第二反馈电流信号I_bf与第二给定电流信号I_bg进行差值比较后闭环控制输出第二PWM脉冲，所述第二PWM脉冲经第二驱动电路后作用在第三功率开关管T₃的栅极G和第四功率开关管T₄的栅极G上；

所述脉冲峰值电流切换电路各端子之间的联接为：续流电感L_P的2端分别与第五功率开关管T_P的发射极C和功率二极管D_P的阳极连接，功率二极管D_P的阴极分别与滤波电感L_b的2端和电极连接，第五功率开关管T_P的发射极E与工件连接；电极与工件之间并联有尖峰电压吸收保护电路，尖峰电压吸收保护电路用于吸收电压尖峰，并当尖峰电压超限用于产生作用于第一闭环PWM控制电路、第二闭环PWM控制电路和脉冲发生电路的保护信号U_S；脉冲发生电路按照外部输入的脉冲频率f和占空比δ生成用于第三驱动电路的脉冲序列，该脉冲序列经第三驱动电路后作用于第五功率开关管T_P的栅极G上。

2、根据权利要求1所述的超音频方波直流脉冲弧焊电源装置，其特征在于：峰值电流产生电路输出电压为50～70V，输出电流为1～300A。

3、根据权利要求1所述的超音频方波直流脉冲弧焊电源装置，其特征在于：基值电流产生电路输出电压为50～70V，输出电流为1～300A。

4、根据权利要求1所述的超音频方波直流脉冲弧焊电源装置，其特征在于：脉冲峰值电流切换电路完成了将直流电转换为超音频直流脉冲电流，其通过控制第五功率开关管T_P与功率二极管D_P上的脉冲峰值电流I_pp的峰值时间t_p及脉冲周期T的变化，使得电极和工件两端的超音频脉冲电流频率为≥20kHz，脉冲峰值电流I_pp的上升率为≥50A/μs，脉冲电流幅值为1～300A。