CN101352776B - 变极性焊接电源二次逆变电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了变极性焊接电源技术领域中的一种变极性焊接电源二次逆变电路及其控制方法。其技术方案是，变极性焊接电源二次逆变电路包括第一续流电感L₁、第二续流电感L₂、IGBT半桥电路以及IGBT的RC缓冲电路。变极性焊接电源二次逆变电路控制方法，包括针对半桥电路中两个IGBT控制所采用的开关切换控制方法，以及在输出电流极性切换之前小于等于500μs的时间内，设定换向电流值控制输出电流的控制方法。利用本发明在进行变极性焊接的时候，可以获得较快的电流过零速度，维持电弧的稳定；同时，通过匹配换向前的焊接电流值以及IGBT的RC缓冲电路中的电阻R的参数，可以获得满足燃弧要求的再燃弧电压。

Description

变极性焊接电源二次逆变电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及变极性焊接电源技术领域，尤其是一种变极性焊接电源二次逆变电路及其控制方法。

背景技术

铝及其合金具有低温特性好、比强度高、节能环保等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、高速列车、船舶制造等工业领域的金属结构中。变极性焊接电源在铝及其合金的GTAW(钨极氩弧焊)焊接中具有去除氧化膜、减少钨极烧损、精确控制焊接热输入以及电弧稳定等综合优势，是一种焊接铝及其合金的理想电源。

变极性焊接电源的功率变换电路一般都采用两级逆变电路的结构(如附图1所示)。电网电压经整流滤波、一次逆变以及高频变压器降压之后，输出低压高频方波交流(20k Hz)，再经过次级整流、滤波以及二次逆变，输出频率较低(≤500Hz)的变极性交流焊接电流。二次逆变电路的结构、参数和控制方法对于变极性焊接电源的输出性能具有决定性的影响，而其中要解决的核心问题就是在输出电流的变极性过程中如何维持电弧的稳定，稳定的焊接电弧可以减小焊接噪声并且使焊缝成形美观。

在铝及其合金的交流(包括正弦波、方波以及变极性)GTAW焊接过程中，电流过零时电弧将瞬时熄灭，需要重新引燃电弧。而重新引燃电弧的难易与再引燃电弧瞬间电弧空间残余电离度、阴极电子发射能力以及再加电压的上升速度有关。

在采用正弦波(工频)交流进行铝及其合金的GTAW焊接时，由于电流过零速度太慢，以致电弧在电流过零熄灭后，电弧空间电离度大幅度下降，若不采取任何措施，电弧的再引燃相当困难，从而造成电弧的稳定性较差。因此，通常需要通过叠加高压脉冲来维持电弧的稳定。这不仅增加了设备的复杂性，还会给电源系统带来高频、高压干扰。

变极性焊接电源是一种特殊的方波交流电源，其焊接电流的正负半波时间和幅值4个参数均独立可调。由于其极性切换速度很快，在电流过零电弧熄灭的瞬间，电弧空间仍然保持很高的温度和残余电离度，因此电弧的再引燃与正弦波交流相比就容易得多，电弧的稳定也就相对容易。但是，即使采用变极性焊接电源，在进行铝合金的GTAW焊接时，仍然需要采取一定的措施来维持电弧的稳定。尤其是在小电流焊接时，此时电弧空间的温度较低，残余电离度较小，电弧的再引燃还是会存在一定的困难。

总的来说，维持变极性焊接电源焊接电弧稳定的关键有两个：其一，尽量加快电流的极性切换速度，维持电弧空间在电流过零瞬间的残余电离度，降低电弧再引燃的难度；其二，在电弧熄灭的瞬间，采取有效措施给电弧空间施加一定的再燃弧电压，重新引燃电弧，尤其是在小电流焊接的情况下。

发明内容

本发明提供了一种变极性焊接电源二次逆变电路及其控制方法，旨在克服全桥式二次逆变电路结构复杂、成本高以及系统效率低的缺点，并解决目前所采用的半桥式二次逆变电路在电流过零速度不够快、再燃弧电压不足等方面存在的问题。

本发明的技术方案是：一种变极性焊接电源二次逆变电路，其特征在于：所述电路包括第一续流电感L₁、第二续流电感L₂、IGBT半桥电路以及IGBT的RC缓冲电路；其中，L₁和L₂构成耦合电感，L₁的1端和L₂的1端构成同名端，L₁的2端和L₂的2端也构成同名端；L₁的1端连接到次级整流电路的正极性输出端，L₁的2端连接到半桥电路的IGBTQ₅的集电极C_Q5；L₂的2端连接到次级整流电路的负极性输出端，L₂的1端连接到半桥电路的IGBTQ₆的发射极E_Q6；作为RC缓冲电路的电阻R₅、电容C₅和电阻R₆、电容C₆分别跨接半桥电路的IGBTQ₅和Q₆的发射极和集电极上。

一种变极性焊接电源二次逆变电路控制方法，其特征在于：所述方法包括针对半桥电路中两个IGBT控制所采用的开关切换控制方法，以及在输出电流极性切换之前小于等于500μs的时间内，设定换向电流值控制输出电流的控制方法；

所述针对半桥电路中两个IGBT控制所采用的开关切换控制方法，通过共同导通开关切换控制方法或者共同截止开关切换控制方法实现；共同导通开关切换控制方法，是在两个IGBT开关切换之前，让Q₅和Q₆共同导通1-5μs的时间，形成直通；共同截止开关切换控制方法，是在两个IGBT开关切换之前，让Q₅和Q₆同时关断，截止1-5μs的时间；

所述设定换向电流值控制输出电流的控制方法，是当以超过设定换向电流值的电流焊接时，在极性切换之前小于等于500μs的时间内，将输出电流值减小为设定换向电流值，极性切换之后又将输出电流值设置为正常的焊接电流值；当以小于设定换向电流值的电流焊接时，在极性切换之前小于等于500μs的时间内，将输出电流值增大为设定换向电流值，极性切换之后又将输出电流值设置为正常的焊接电流值。

所述在输出电流极性切换之前小于等于500μs的时间内，设定换向电流值既要确保在电流极性切换过程中Q₅和Q₆两者集电极和发射极之间所承受的最大电压不会造成IGBT的击穿，又要使IGBT的RC缓冲电路提供足够大的再燃弧电压，确保变极性焊接过程电弧的稳定。

本发明提出的变极性焊接电源二次逆变电路及其控制方法，利用耦合电感的能量转移特性，在进行变极性焊接的时候，可以使焊接电流在过零后能够以相对应的续流电感(请参照附图2，L₁或者L₂)中的剩余电流值快速上升到换向后所要求的正常焊接电流值，从而可以获得较快的电流过零速度，有利于维持电弧的稳定。另一方面，电弧熄灭瞬间的再燃弧电压由换向前的焊接电流值以及IGBT的RC缓冲电路中的电阻R(请参照附图2，电阻R₅或者R₆)决定，通过匹配两者的参数可以获得满足燃弧要求的再燃弧电压。

附图说明

图1是变极性焊接电源主电路结构框图。

图2是变极性焊接电源二次逆变电路图。

图3是电弧熄灭瞬间，变极性焊接电源二次逆变电路等效电路示意图。

图4是变极性焊接电源二次逆变电路共同导通开关切换控制方法的IGBT控制信号示意图。

图5是变极性焊接电源二次逆变电路共同截止开关切换控制方法的IGBT控制信号示意图。

图6是根据本发明的实施方案，换向电流为50A时，变极性焊接电流波形示意图。

图7是双DSP数字化控制变极性焊接电源系统总体结构示意图。

图8是输出电流闭环控制方块图。

具体实施方式

下面结合附图，对实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

目前，变极性焊接电源的二次逆变电路多采用全桥结构，全桥式二次逆变电路在电源的变极性输出性能上有一定优势，但是电路结构复杂、成本高、系统效率低。半桥式二次逆变电路结构简单、成本低、系统效率相对较高，但是目前常规的半桥式二次逆变电路，在电流快速过零以及再引燃电弧的关键问题上存在不足。

附图1是变极性焊接电源主电路结构图。变极性焊接电源的主电路一般都采用两级逆变的结构，三相电网电压经输入整流滤波101、一次逆变102及高频变压器降压103之后，输出低压高频方波交流(频率一般为20kHz)，再经过次级整流、滤波以及二次逆变104，输出频率较低(500Hz以下)的变极性方波交流焊接电流。

附图2是本发明的变极性焊接电源二次逆变电路图，它采取了附图1所示的变极性焊接电源主电路结构。如附图2所示，T₁是高频降压变压器，它将一次逆变电路输出的高压、高频方波交流电压(幅值为500伏以上)降为低压的高频方波交流电压(幅值约为65V)。快恢复功率二极管D₁、D₂、D₃和D₄构成次级整流电路，R₁C₁、R₂C₂、R₃C₃以及R₄C₄分别构成4个快恢复功率二极管的反向恢复吸收网络。第一续流电感L₁、第二续流电感L₂、IGBT半桥电路(Q₅:内含二极管D₅、Q₆:内含二极管D₆)以及IGBT的RC缓冲电路(R₅、C₅和R₆、C₆)构成二次逆变主电路。焊接电弧负载R_arc通过焊接电缆连接在半桥电路两个IGBT的中点以及高频变压器的中心抽头COM之间，具体来说，工件与半桥电路两个IGBT的中点相连，钨极(焊枪)与变压器的中心抽头COM相连。结合附图2，在由正极性焊接向负极性焊接切换的过程中，本发明的变极性焊接电源二次逆变电路工作过程为：

①Q₅导通、Q₆关断，正极性焊接阶段，电流流向依次为：电感L₁→开关管Q₅→电弧负载R_arc→变压器中心抽头COM，电感L₁起到滤波续流的作用，L₁储存能量。

②Q₅导通、Q₆导通，二次逆变电路进入“直通”阶段。本发明的半桥电路的两个IGBT采取共同导通的开关切换控制方法，Q₅和Q₆在进行开关切换之前会共同导通一小段时间。这个阶段存在的时间极短，大约1～5μs，基本不会改变二次逆变电路的工作状态，只是为接下来的极性切换过程做准备。

③Q₅关断、Q₆导通，进入正极性焊接向负极性焊接的极性切换过程。假设换向之前焊接电流值为I₀，Q₅一关断，由于通过电感L₁中的电流不能突变，电流I₀将通过Q₅的RC缓冲电路进行续流。另外，由于耦合作用，电感L₁中的能量开始向电感L₂中转移，L₂中也将通过电流(电流方向从右至左)，通过电感L₁的电流I₀分为通过电弧负载的电流I₁以及通过电感L₂的电流I₂两部分，此时的电流流向依次为：电感L₁→R₅→C₅→(电弧负载R_arc、Q₆→电感L₂)，通过电弧负载的电流I₁迅速减小，通过电感L₂中的电流I₂迅速增大。一旦通过电弧负载的电流I₁减小为零，电弧瞬间熄灭。

在电弧熄灭瞬间，续流等效电路如附图3所示。通过电弧负载的电流已经为零，因此，电感L₂与电感L₁中的电流相等。另一方面，从Q₅开始关断到通过电弧负载的电流降为零，这一过程所经历的时间极短(约为几个微秒)，而且续流电感L₁的电感量较大，因此可以认为在这个过程中，电感L₁中的能量基本没有消耗在电阻R₅上，也没有转移到电容C₅上，电感L₁在换向之前所储存的能量此时分为电感L₁本身剩余的能量、储存到L₁、L₂互感中的能量以及转移到电感L₂中的能量三部分。根据这点假设，在电弧熄灭的瞬间，电感L₂与L₁中通过大小相同的电流，其大小约为换向前焊接电流值的一半，即I₀/2。

在附图2中，两个直流脉冲电压源等效于高频变压器T₁副边输出经过次级整流后的直流脉冲电压，其频率为40kHz、幅值U约为65V(2倍的U约为130V)，在电弧熄灭的瞬间，直流脉冲电压源的输出电压可以是其幅值，也可能是零。由于电感L₂与L₁此时是串联连接，通过两者的电流相同，因此，电感L₂与L₁两端的电压大小相等，方向已在附图3中标出。于是，可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{I_0{R}_5}{2}+U_{C5}=U_{L1}+U_{L2}+2u\\ U_r=U_{L1}+u\end{array}\right.$

电感L₂与L₁两端的电压大小相等，即U_L1＝U_L2；由于从Q₅开始关断到通过电弧负载的电流降为零，这一过程所经历的时间极短(约为几个微秒)，可以认为电容C₅两端电压基本没有上升，即U_C5＝0；u为高频变压器T₁副边输出经过次级整流后的直流脉冲电压的瞬时值，即u＝65V或u＝0。因此，在电弧熄灭瞬间，加在电弧空间的再燃弧电压U_r为：

$U_r=\frac{I_0{R}_5}{4}$

可见，通过选择合适的电阻R₅(或R₆)，以及设置合适的换向电流值I₀的大小，就能够提供足够高的再燃弧电压引燃电弧。一旦电弧重新引燃，通过电弧空间的电流将从I₀/2(在电弧熄火瞬间通过电感L₂中的电流大小)逐渐上升到换向后的正常焊接电流值，从而获得较快的电流极性切换速度。

在由负极性焊接向正极性焊接切换的过程中，二次逆变电路的工作过程与上文的描述类似。

附图4是本发明的针对半桥电路中两个IGBT所采用的共同导通开关切换控制方法所对应的IGBT控制信号示意图，V₅是开关管Q₅的控制信号，V₆是开关管Q₆的控制信号，两者的共同导通时间为Δt₂。根据本发明的实施方案，在开关管Q₅、Q₆可以形成直通的前提下，要求Δt₂越小越好，一般取1-5μs。考虑到IGBT的导通时间小于其关断时间，可以Δt₂取为0。

附图5是针对半桥电路中两个IGBT所采用的共同截止开关切换控制方法所对应的IGBT控制信号意图，Δt₁为开关管Q₅、Q₆控制信号的死区时间，即Q₅、Q₆共同关断的时间。本发明可以选择共同截止作为开关切换控制方法，共同截止时间大约为1-5μs。但共同导通开关切换控制方法所实现的控制效果更好。

附图6是本发明在输出电流极性切换之前小于等于500μs的时间内，设定换向电流值为50A时，控制输出电流所实现的实际变极性焊接电流波形示意图。由于再燃弧电压的大小近似与换向前的焊接电流值成正比，在电路硬件参数确定的情况下，要提供足够大的再燃弧电压，要求换向前的焊接电流值达到一定的值，这点在小电流焊接时难以保证。另外，根据附图2所进行的二次逆变电路工作过程的分析，在极性切换过程中，Q₅刚关断时，其集射极两端承受的电压最大，最大电压约为：

U_max＝I₀R₅

可见，在电路硬件参数确定的情况下，换向前的焊接电流值不能过大，否则将造成二次逆变电路中IGBT的过压击穿。因此，本发明提出在输出电流极性切换之前小于等于500μs的时间内，设定换向电流值控制输出电流的控制方法。附图6(a)为以设定换向电流值50A的电流焊接时，电流波形示意图。当以超过设定换向电流值50A的电流100A焊接时，电流波形示意图如附图6(b)所示，在极性切换之前小于等于500μs的时间内，将输出电流值减小为设定换向电流值50A，极性切换之后又将输出电流值设置为正常的焊接电流值。当以小于设定换向电流值50A的电流20A焊接时，电流波形示意图如附图6(c)所示，在极性切换之前小于等于500μs的时间内，将输出电流值增大为换向电流值50A，极性切换之后又将输出电流值设置为正常的焊接电流值。

附图7所示为双DSP数字化控制变极性焊接电源系统的总体结构图。其中，功率变换电路包括输入整流滤波、一次逆变、高频降压变压器以及二次逆变电路部分；一次逆变电路主要实现功率变换以及变压器隔离，采用全桥式电路拓扑，用于对电源的输出特性(例如输出电压、电流的大小)进行控制；二次逆变电路主要实现输出焊接电流的极性切换控制。数字化控制系统采用了基于双数字信号处理器(DSP，Motorola公司的DSP芯片DSP56F805)的主从CPU结构。主控制芯片DSP1主要负责电源系统的事件管理与控制，包括人机交互(键盘输入和液晶显示)、焊接外围扩展设备(高频引弧电路、送丝机构、电磁气阀和焊枪开关)的管理控制、通过双口RAM(DPRAM)与从控制芯片DSP2进行交互控制、焊接时序控制、电源输入输出状态监测、与上位机进行通讯等；DSP2主要对焊接电源的输出特性和极性进行数字化控制，并实时响应功率变换电路的直通、变压器饱和、输出过流和驱动电路故障等中断事件。DSP1与DSP2之间的通讯，包括数据交互、中断交互以及信号量交互，完全由双口RAM实现。

本发明的针对二次逆变半桥电路中两个IGBT控制所采用的共同导通开关切换控制方法，以及在输出电流极性切换之前小于等于500μs的时间内，设定换向电流值(如50A)控制输出电流的控制方法，均可以通过内嵌于DSP2中的软件算法来实现。二次逆变半桥电路中两个IGBT的PWM(脉宽调制)控制信号由DSP2的PWM发生模块直接输出，这两路PWM控制信号的脉宽、周期以及时序都是通过内嵌于DSP2中的程序进行设置的。另外，如附图8所示，输出电流的闭环控制是通过DSP2实现的。电流反馈通道805，将二次逆变电路803输出的电流i(t)，转换为与之成正比的电压信号x(t)，该电压信号经过DSP2的A/D转换模块804转换成数字量x(n)。输出电流给定量r(n)是通过软件程序在DSP2中给定的数字量，DSP2计算出r(n)与x(n)之间的偏差量，从而得出实际输出电流与电流给定量之间存在的偏差e(n)。DSP2通过内嵌于其中的控制算法801(PI或PID控制算法)，根据偏差量e(n)的大小，来调整一次逆变电路中PWM控制信号802的脉宽，从而实现对输出电流大小的调节，使实际输出电流的大小跟随r(n)而改变。例如，要输出50A的焊接电流，r(n)的值给定为500即可。为了实现在输出电流极性切换之前小于等于500μs的时间内，设定换向电流值(例如50A)控制输出电流的控制方法，本发明在内嵌于DSP2中的程序中，是通过修改电流给定量r(n)来实现的。具体来说，在输出电流极性切换之前的短时间内(小于等于500μs)，将电流给定量r(n)设置为换向电流对应的数字量(例如，50A的换向电流对应的数字量r(n)为500)，极性切换之后又将r(n)设置为换向后正常焊接电流值对应的数字量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种变极性焊接电源二次逆变电路，其特征在于：所述电路包括第一续流电感L₁、第二续流电感L₂、IGBT半桥电路以及IGBT的RC缓冲电路；其中，L₁和L₂构成耦合电感，L₁的1端和L₂的1端构成同名端，L₁的2端和L₂的2端也构成同名端；L₁的1端连接到次级整流电路的正极性输出端，L₁的2端连接到半桥电路的IGBT Q₅的集电极C_Q5；L₂的2端连接到次级整流电路的负极性输出端，L₂的1端连接到半桥电路的IGBT Q₆的发射极E_Q6；作为RC缓冲电路的电阻R₅、电容C₅和电阻R₆、电容C₆分别跨接半桥电路的IGBT Q₅和Q₆的发射极和集电极上；电阻R₅、电阻R₆以及换向之前的焊接电流值，在IGBT Q₅和Q₆切换时，用于控制换向电压的大小。

2.一种变极性焊接电源二次逆变电路控制方法，其特征在于：所述方法包括在二次逆变电路中，设置与电源的两个供电线和IGBT半桥电路输入端相连的第一续流电感L₁、第二续流电感L₂，在电路硬件参数确定的情况下，要提供足够大的再燃弧电压，要求换向前的焊接电流值达到一定的值，针对半桥电路中两个IGBT控制所采用的开关切换控制方法，以及在输出电流极性切换之前小于等于500μs的时间内，设定换向电流值控制输出电流的控制方法；

所述针对半桥电路中两个IGBT控制所采用的开关切换控制方法，通过共同导通开关切换控制方法或者共同截止开关切换控制方法实现；共同导通开关切换控制方法，是在两个IGBT开关切换之前，让Q₅和Q₆共同导通1-5μs的时间，形成直通；共同截止开关切换控制方法，是在两个IGBT开关切换之前，让Q₅和Q₆同时关断，截止1-5μs的时间；

所述设定换向电流值控制输出电流的控制方法，是当以超过设定换向电流值的电流焊接时，在极性切换之前小于等于500μs的时间内，将输出电流值减小为设定换向电流值，极性切换之后又将输出电流值设置为正常的焊接电流值；当以小于设定换向电流值的电流焊接时，在极性切换之前小于等于500μs的时间内，将输出电流值增大为设定换向电流值，极性切换之后又将输出电流值设置为正常的焊接电流值；

所述在输出电流极性切换之前小于等于500μs的时间内，设定换向电流值既要确保在电流极性切换过程中Q₅和Q₆两者集电极和发射极之间所承受的最大电压不会造成IGBT的击穿，又要使IGBT的RC缓冲电路提供足够大的再燃弧电压，确保变极性焊接过程电弧的稳定。

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