CN101125389A

CN101125389A - 超快变换变极性方波电流弧焊电源装置

Info

Publication number: CN101125389A
Application number: CNA2007101208331A
Authority: CN
Inventors: 齐铂金; 从保强; 黄松涛
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2027-08-27
Also published as: CN100460122C

Abstract

本发明公开了一种适用于电弧焊接的超快变换变极性方波电流弧焊电源装置，包括有直流电源、全桥变换电路、驱动电路、控制系统、并联吸收保护电路和辅助直流电源，所述并联吸收保护电路由功率二极管D、电解电容C_E、高频电容C和功率电阻R组成；本发明电源装置通过在直流电源与全桥变换电路之间连接续流电感L，同时在全桥变换电路的两端增加功率二极管D、电解电容C_E、高频电容C、功率电阻R和辅助直流电源；续流电感L利用流过其上的电流不能突变的特性，保证输出电流在极性变换时具有快速的电流上升率和电流下降率分别为≥50A/μs，输出变极性方波电流变换频率1Hz～20kHz，正向导通时间比10％～90％，正、负半波电流幅值5～400A。

Description

超快变换变极性方波电流弧焊电源装置

技术领域

本发明涉及一种适用于电弧焊接的电源装置，更特别地说，是指一种具有快速的电流上升率和下降率，输出变极性方波电流频率可达≥20kHz(超音频)的超快变换变极性方波电流弧焊电源装置。

背景技术

变极性焊接电源是一种替代正弦波交流和方波交流电源的新型焊接电源，其主要应用于钨极氩弧焊和等离子弧焊等。变极性电源实际上就是一种电流频率与正、负半波电流幅值、时间比可以分别独立调节的方波交流电源，常规的变极性电源结构如图2所示。由于电源结构设计上的特点，常规变极性电源输出电流在正反极性变换时，电流上升率和下降率较为缓慢(常规高频变极性方波电流最大上升率和下降率分别为＜5A/μs)，且存在着一定的过零死区时间，仅适用于在较低频率条件下工作。常用的变极性电源输出变极性电流频率均在几百赫兹以内，之所以如此，主要是因为常规的变极性电源均采用传统桥式电路，为了保证桥式电路的安全工作，在桥式电路两端并联有电容C，尽管电容C可以防止在功率开关器件两端产生高压，但同时也带来了两个主要问题：其一，第一功率开关管T₁与第二功率开关管T₂、第三功率开关管T₃与第四功率开关管T₄分别切换实现变极性电流输出时，必须设置一定的死区时间，否则将会由电容C与第一功率开关管T₁、第二功率开关管T₂或电容C与第三功率开关管T₃、第四功率开关管T₄共同导通形成短路，从而有可能造成功率开关器件的损坏。其二，由于并联电容C的存在，在进行电流极性切换时，电容C将会抑制电流极性变换时电流的上升率和下降率，这也是常规变极性电源不能工作在较高频率，以及由于死区时间的存在使得电流过零转换时易造成电弧易熄灭和不稳定的原因。

发明内容

本发明提供的一种超快变换变极性方波电流弧焊电源装置，通过在直流电源与全桥变换电路之间连接续流电感L，同时在全桥变换电路的两端增加功率二极管D、电解电容C_E、高频电容C、功率电阻R和辅助直流电源。本发明的电源装置旨在解决常规变极性方波电源输出变极性电流工作频率较低、电流极性转换时电流上升率和下降率缓慢的问题。

本发明是一种超快变换变极性方波电流弧焊电源装置，在直流电源的正极与负极之间并联有全桥变换电路，在辅助直流电源正极与负极之间并联有并联吸收保护电路，在直流电源正极与辅助直流电源正极联接有续流电感L、功率二极管D。所述并联吸收保护电路由功率二极管D、电解电容C_E、高频电容C和功率电阻R组成，其可靠地保证了第一功率开关管T₁与第二功率开关管T₂、第三功率开关管T₃与第四功率开关管T₄在高频极性变换时电路的正常工作。

本发明超快变换变极性方波电流弧焊电源实现了电流无死区时间的高频极性转换，同时具有超快的电流上升率和下降率分别为≥50A/μs，输出变极性方波电流变换频率1Hz～20kHz，正向导通时间比10％～90％，正、负半波电流幅值5～400A。

本发明超快变换变极性方波电流弧焊电源的优点在于：(1)采用一种新型的基于全桥变换电路、并联吸收保护电路的拓扑结构，实现高频变极性方波电流输出；(2)采用DSP处理器生成两路具有可调的第一重叠时间t_H和第二重叠时间t_L的第一驱动脉冲序列U₁、第二驱动脉冲序列U₂并将两路脉冲序列作用在全桥变换电路上，使得高频变极性方波电流无死区过零时间；(3)快变换高频变极性方波电流上升率和下降率分别为≥50A/μs(常规高频变极性方波电流最大上升率和下降率分别为＜5A/μs左右，本发明相对于常规高频变极性方波电流的输出提高了至少10倍，故称为超快变换)，输出变极性方波电流变换频率1Hz～20kHz，正向导通时间比10％～90％，正、负半波电流幅值5～400A。

附图说明

图1是本发明超快速变极性方波弧焊电源的结构框图。

图2是常规变极性弧焊电源的结构框图。

图3是采用DSP系统产生两路相互重叠的驱动脉冲序列。

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。

请参见图1所示，本发明是一种超快变换变极性方波电流弧焊电源装置，在直流电源的正极与负极之间并联有全桥变换电路，在辅助直流电源正极与负极之间并联有并联吸收保护电路。所述并联吸收保护电路由功率二极管D、电解电容C_E、高频电容C和功率电阻R组成，其可靠地保证了第一功率开关管T₁与第二功率开关管T₂、第三功率开关管T₃与第四功率开关管T₄在高频极性变换时电路的正常工作。在直流电源正极与辅助直流电源正极联接有续流电感L、功率二极管D。本发明电源装置的各电子器件的联接为：直流电源的正极与续流电感L的1端连接，续流电感L的2端分别与第一功率开关管T₁的集电极C、第三功率开关管T₃的集电极C、功率二极管D的阳极连接，功率二极管D的阴极与辅助直流电源的正极连接；直流电源的负极分别与第二功率开关管T₂的发射极E、第四功率开关管T₄的发射极E、辅助直流电源的负极连接；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连接，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连接；电极连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，工件连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。本发明增加续流电感L，去除如图2中所示的电容C，实现了电流无死区时间的高频极性变换，同时具有超快的电流上升率和下降率；辅助直流电源以及功率二极管D、电解电容C_E、高频电容C和功率电阻R组成的并联吸收保护电路可靠地保证了第一功率开关管T₁与第二功率开关管T₂、第三功率开关管T₃与第四功率开关管T₄在高频极性变换时电路的正常工作。

本发明的全桥变换电路中，第一功率开关管T₁、第二功率开关管T₂、第三功率开关管T₃和第四功率开关管T₄的驱动脉冲序列由控制系统中DSP处理器芯片生成。控制系统可以产生两路具有可调的第一重叠时间t_H和第二重叠时间t_L的第一驱动脉冲序列U₁、第二驱动脉冲序列U₂，第一驱动脉冲序列U₁分别提供给第一功率开关管T₁、第四功率开关管T₄，第二驱动脉冲序列U₂分别提供给第二功率开关管T₂、第三功率开关管T₃(即DSP控制系统产生的第一驱动脉冲序列U₁经驱动电路后作用在第一功率开关管T₁的栅极G与第四功率开关管T₄的栅极G上，DSP控制系统产生的第二驱动脉冲序列U₂经驱动电路后作用在第二功率开关管T₂的栅极G与第三功率开关管T₃的栅极G上。)，如图3所示，第一功率开关管T₁、第二功率开关管T₂与第三功率开关管T₃、第四功率开关管T₄可以存在一定的共同导通时间(即第一重叠时间t_H和第二重叠时间t_L，通过DSP处理器芯片调节可使第一重叠时间t_H和第二重叠时间t_L设置为一合适值，如1μs左右)，从而能够实现输出电流在极性变换时无死区的快速过零。本发明中续流电感L利用流过其上的电流不能突变的特性，保证输出电流在极性变换时具有快速的电流上升率和电流下降率(快变换高频变极性方波电流上升率和下降率分别为≥50A/μs，输出变极性方波电流变换频率1Hz～20kHz，正向导通时间比10％～90％，正、负半波电流幅值5～400A)，辅助直流电源保证电解电容C_E和高频电容C两端始终保持一定的电压水平，辅助直流电源以及功率二极管D与电解电容C_E、高频电容C和功率电阻R组成的并联吸收保护电路能够可靠地保证第一功率开关管T₁与第二功率开关管T₂、第三功率开关管T₃与第四功率开关管T₄在高频极性变换时电路的正常工作。

本发明采用基于全桥式变换的超快速变极性方波电源电路拓扑，输入为直流电源(直流电源输出空载电压50～70V，输出电流5～400A)，通过续流电感L与全桥变换电路相连接，通过功率二极管D与电解电容C_E、高频电容C、功率电阻R和辅助直流电源(辅助直流电源输出电压300～600V，输出电流0.1～5A)相连接。增加续流电感L的目的是为了使直流电源能够获得更好的输出电流稳定性，同时在输出电流极性切换时，依靠流过续流电感L上的电流不能突变的特性，增加变极性方波电流的上升率和下降率。全桥变换电路通过功率二极管D与电解电容C_E、高频电容C、功率电阻R和辅助直流电源相连可以避免在第一功率开关管T₁、第二功率开关管T₂共同导通与第三功率开关管T₃、第四功率开关管T₄共同导通时对功率开关管带来的危害，使得全桥变换电路不用设置死区时间，大大加快了变极性方波电流的过零转换时间，同时电解电容C_E、高频电容C组成的电容阵列还具有对全桥变换电路的尖峰电压的吸收保护作用。另外，由于通过辅助直流电源对电解电容C_E、高频电容C预设了一定的电压，使得电解电容C_E、高频电容C能够将输出电流极性变换时的电流上升率和下降率的延缓作用降低至一个较低的水平，进一步改善了输出电流在极性变换时的电流上升率和下降率。

Claims

1.一种适用于电弧焊接的超快变换变极性方波电流弧焊电源装置，包括直流电源、全桥变换电路、驱动电路、控制系统，其特征在于：还包括并联吸收保护电路和辅助直流电源，所述并联吸收保护电路由功率二极管D、电解电容C_E、高频电容C和功率电阻R组成；在直流电源的正极与负极之间并联有全桥变换电路，在辅助直流电源正极与负极之间并联有并联吸收保护电路，在直流电源正极与辅助直流电源正极联接有续流电感L、功率二极管D；直流电源的正极与续流电感L的1端连接，续流电感L的2端分别与第一功率开关管T₁的集电极C、第三功率开关管T₃的集电极C、功率二极管D的阳极连接，功率二极管D的阴极与辅助直流电源的正极连接；直流电源的负极分别与第二功率开关管T₂的发射极E、第四功率开关管T₄的发射极E、辅助直流电源的负极连接；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连接，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连接；电极连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，工件连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。

2.根据权利要求1所述的超快变换变极性方波电流弧焊电源装置，其特征在于：控制系统采用DSP处理器芯片，其产生两路具有第一重叠时间t_H和第二重叠时间t_L的第一驱动脉冲序列U₁、第二驱动脉冲序列U₂，第一驱动脉冲序列U₁分别提供给第一功率开关管T₁、第四功率开关管T₄，第二驱动脉冲序列U₂分别提供给第二功率开关管T₂、第三功率开关管T₃。

3.根据权利要求1所述的超快变换变极性方波电流弧焊电源装置，其特征在于：直流电源输出空载电压50～70V，输出电流5～400A。

4.根据权利要求1所述的超快变换变极性方波电流弧焊电源装置，其特征在于：辅助直流电源输出电压300～600V，输出电流0.1～5A。

5.根据权利要求1所述的超快变换变极性方波电流弧焊电源装置，其特征在于：快变换高频变极性方波电流上升率和下降率分别为≥50A/μs，输出变极性方波电流变换频率1Hz～20kHz，正向导通时间比10％～90％，正、负半波电流幅值5～400A。