CN102371416B

CN102371416B - 一种单开关节能逆变焊机

Info

Publication number: CN102371416B
Application number: CN201110316403.3A
Authority: CN
Inventors: 方臣富; 罗云萌; 吴铭方; 任以明; 李峰
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2031-10-18
Also published as: CN102371416A

Abstract

本发明公开了一种单开关节能逆变焊机。所述焊机包括主电路和控制电路，主电路包括输入整流滤波电路、高频逆变电路、主变压器和半波整流电路；控制电路包括PFM控制电路，电流给定电路、电流反馈电路、隔离驱动电路、PI运算电路。所述方法外部输入经过整流滤波后进行高频逆变，高频逆变后经过主变压器变压最后经过半波整流后作为输出；输出端电流反馈电路采得的焊接电流反馈值与焊接电流给定值进行PI运算，得到的误差值作为PFM控制电路的输入信号，PFM控制电路输出信号经驱动隔离电路实现对单开关节能逆变焊机输出功率和输出特性控制。本发明结构简单、体积小、开关损耗小、电能变换效率高、工作可靠性高。

Description

一种单开关节能逆变焊机

技术领域

本发明涉及一种小功率逆变焊机及控制方法，尤其涉及其主电路拓扑和控制方式，属于焊接设备技术领域。

背景技术

目前小功率逆变焊机主电路大多采用全桥电路拓扑结构，功率开关器件较多，驱动电路比较复杂，存在着上下桥臂可能会发生“直通”，主变压器可能出现单向偏磁等问题；采用普通MOSFET为功率开关器件，导通损耗较大，电能变换效率较低；采用硬开关工作模式，开关损耗较大；采用PWM控制方式，开关频率较低且实现软开关困难。采用双管单端正激电路拓扑结构，磁芯利用率较低；电路结构较复杂等问题。

申请号为200910126057.5、名称为“便携式IGBT逆变电弧焊机”的专利申请公开了一种便携式逆变电弧焊机。该焊机主要由主电路和控制电路组成，主电路为全桥硬开关结构，包括输入整流滤波电路、逆变电路、主变压器、二次输出整流电路；控制方式采用PWM控制方式，控制电路包括PWM调节电路、驱动电路、电流反馈电路、电流给定电路。该焊机的缺点是：采用的全桥电路结构复杂；开关管工作状态为硬开关模式，开关损耗较大；上下桥臂可能会发生“直通”现象，主变压器可能出现单向偏磁，可靠性较低。

发明内容

本发明的目的是针对现有小功率逆变焊机的不足，提出一种新型的电路结构简单、开关损耗小、可靠性高的单开关节能逆变焊机。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种单开关节能逆变焊机，包括单开关节能逆变焊机的主电路和控制电路，主电路包括输入整流滤波电路、高频逆变电路、主变压器和半波整流电路；控制电路包括PFM控制电路，电流给定电路、电流反馈电路、隔离驱动电路、PI运算电路；外部输入经过输入整流滤波电路后接高频逆变电路的输入端，高频逆变电路的输出串接主变压器后接半波整流电路的输入端，半波整流后作为输出；电流反馈电路的输入端接半波整流电路的输出端，电流反馈电路和电流给定电路的输出端分别接PI运算电路的输入端，PI运算电路的输入端，PI运算电路的输出端依次PFM控制电路、隔离驱动电路后接高频逆变电路的输入端。

主电路具体连接结构是：交流220V经过空气开关S连接到高频电容C₁、压敏电阻R₁，再输入到输入整流滤波电路的整流模块BR，整流模块BR输出的直流电310V正极连至主变压器原边上端，整流模块BR输出正端接滤波电容C₂的一端、C₃的正端和死负载电阻R₂的一端，整流模块BR输出负端接滤波电容C₂的另一端、C₃的负端和死负载电阻R₂的另一端，主变压器原边下端连至Q₁集电极，Q₁发射极连至直流电310V负极；主变压器原边下端连至Q_c发射极，Q_c的集电极连至箝位电容C_c的下端；箝位电容C_c的上端接到主变压器的上端，谐振电容C_r的一端连接到Q₁的集电极，谐振电容C_r的另一端连接到Q₁的发射极；主变压器副边上端连至整流二极管D₁阳极，二极管D₁阴极连至续流二极管D₂的阴极和输出滤波电感的左端，主变压器副边下端连至续流二极管D₂的阳极和分流器的负端，分流器的正端接输出负端，输出滤波电感左端接整流二极管D₁的阴极和续流二极管D₂的阴极，输出滤波电感的右端接到输出正端。

单开关节能逆变焊机的控制方法：外部输入经过整流滤波后进行高频逆变，高频逆变后经过主变压器变压最后经过半波整流后作为输出；输出端电流反馈电路采得的焊接电流反馈值与焊接电流给定值进行PI运算，得到的误差值作为PFM控制电路的输入信号，PFM控制电路输出信号经驱动隔离电路实现对单开关节能逆变焊机输出功率和输出特性控制。

这种单开关节能逆变焊机的特征在于：单开关单端正激式主电路拓扑结构，只用一个功率开关管和一组驱动脉冲，主电路结构，功率开关管数量少，无“直通”现象，开关损耗小，驱动电路简单，可提高焊机可靠性；采用有源箝位磁复位技术可实现单管单端正激式逆变电路的主变压器磁芯复位，使变压器磁芯双向对称磁化而提高磁芯利用率；可使功率开关管实现软开关，减小开关损耗，提高功率变换效率；采用Cool MOS管作为功率开关器件，与普通MOS管相比导通损耗小，可提高逆变焊机的功率变换效率和可靠性；采用PFM控制方式，与PWM调制技术相比工作频率更高，且容易实现软开关。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1本发明的逆变焊机原理框图。

图2为图1的主电路连接图。

图3为电流给定电路。

图4为电流反馈电路。

图5为推力电流给定电路。

图6为PFM控制电路。

具体实施方式

如图1所示，本发明具有独特的主电路拓扑结构，单开关节能逆变焊机的原理框图包括主电路和控制电路，其中虚框中为控制电路部分。交流电网电压经滤波后，输出到整流桥，经整流桥整流后输出直流电，整流桥输出的直流电经高频逆变后，再经过变压器降压，经过输出快恢复二极管整流后得到脉动的直流电，经输出电感滤波后给电弧负载供电。控制电路由PFM控制芯片UC3864为核心构成，主要有电流给定电路、电流反馈电路、推力电路组成，实现对单开关节能逆变焊机输出功率和输出特性控制。

如图2所示，电网电压交流220V经空气开关S接入逆变焊机主电路，电容C₁是高频滤波电容，R₁是压敏电阻，用于防止电压尖峰，交流电经桥式整流桥BR整流后输出脉动的直流电，由C₂、C₃、R₂组成整流输出滤波电路，经滤波后得到平滑的直流电送到逆变电路。逆变电路由主变压器T₁、功率开关管Q₁、箝位开关管Q_c、箝位电容C_c组成，D_q1和D_qc分别为功率开关管Q₁和箝位开关管Q_c的体二极管，谐振电容C_r为功率开关管Q₁和箝位开关管Q_c输出等效电容。逆变电路的工作原理为：功率开关管Q₁开通时，主变压器T₁向负载提供能量，当功率开关管Q₁关断后，首先由负载电流向谐振电容C_r充电，当谐振电容C_r电压达到输入电压时，主变压器T₁原边电压过零，励磁电感与谐振电容C_r谐振，当谐振电容C_r电压达到输入电压与箝位电容电压之和时，箝位开关管Q_c的反并二极管D_qc导通，箝位电容电压作为负电压加在主变压器T₁原边，主变压器T₁励磁电感电流线性下降，主变压器T₁磁芯复位，在反并二极管D_qc导通的时候，零电压开通箝位开关管Q_c，主变压器T₁可以在箝位电容作用下反向励磁。箝位开关管Q_c的反并二极管D_qc导通时，箝位电容C_c处于充电状态；箝位开关管Q_c导通后，箝位电容C_c处于放电状态。因此可利用箝位电容C_c电压具有的浮动性实现双向对称磁化。整流桥BR输出直流电经逆变电路逆变后得到高频方波交流电，经主变压器T₁降压，由副边半波整流电路整流，半波整流电路由整流二极管D₁和续流二极管D₂组成。脉动直流电经输出滤波电感L滤波后，得到平滑的直流电送给电弧负载。

如图3至6所示，控制电路包括PFM控制电路，电流给定电路、电流反馈电路，推力电路、PI运算电路。具体连接结构是：电流给定信号加在电阻R1的左端，电阻R1的右端接稳压管ZD1的阴极、电阻R2的一端、电容C1的一端和运算放大器U1A的3脚，ZD1的阳极、R2的另一端和C1的另一端接电源地端，运算放大器型号为LM324，运算放大器U1A的2脚接到1脚，构成跟随器，运算放大器U1A的1脚输出Ig作为电流给定信号。U1A的11脚接电源地，4脚接电源+15V和去耦电容C2的一端，去耦电容的另一端接地。电流反馈信号取自输出端分流器两端，分流器的正端接电容C3的一端、电阻R3的一端、电阻R4的一端，分流器的负端、电容C3的另一端、电阻R3的另一端接电源地；R4的另一端接运算放大器U1D的12脚、电阻R5的一端、电阻R6的一端、电容C4的一端，电阻R5的另一端接推力电路的推力信号Tout，电阻R6的另一端和电容C4的另一端接到电源地，U1D的13脚接电阻R7的一端，电阻R8的一端、电容C5的一端，电阻R7的一端接电源地，电阻R8的另一端、电容C5的另一端接U1D的14脚，U1D的14脚输出电流反馈信号If。取自输出端的电压反馈信号接到二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接到电阻R9的一端，电阻R9的另一端接到运算放大器U1C的10号脚、电阻R10的一端、电容C6的一端，电阻R10的另一端和电容C6的另一端接到电源地；U1C的9脚接电容C7的一端、电阻R11的一端、电阻R12的一端，电阻R12的另一端接电源+15V，电容C7的另一端和电阻R11的另一端接到电源地；U1C的8脚接电阻R13的一端，电阻R13的另一端接滑动变阻器VR1的一端输出推力给定信号，滑动变阻器VR1的另一端接到电源地。电流给定电路输出的电流给定信号接到电阻R15的一端，R15的另一端接电阻R16的一端、电容C10的一端、运算放大器U1B的5脚，电阻R16的另一端和电容C10的另一端接电源地；电流反馈电路取得的反馈信号接到电阻R14的一端、电阻R17的一端、电阻R18的一端、电容C9的一端和U1B的6脚；电阻R17的另一端接电容C8的一端，电容C8的另一端接电容C9的另一端、电阻R18的另一端U1B的7脚和电阻R19的一端，电阻R19的另一端接电阻R20的一端、电容C11的一端、PFM控制芯片U2的2脚，PFM控制芯片型号为UC3864，电阻R20的另一端、电容C11的另一端接到电源地；U2的1脚接到10脚、接电阻R23的一端，电阻R23的另一端接U2的9脚，U2的9脚接电容C14的一端，电容C14的另一端接电源地，U2的3脚和4脚相连，U2的5脚、12脚接电源地，U2的6脚接电阻R21的一端，R21的另一端接电源地，U2的7脚接电阻R22的一端，电阻R22的另一端接电源地，U2的8脚接电容C13的一端，电容C13的另一端接电源地，U2的13脚接电源+15V和去耦电容C14的一端，去耦电容C14的另一端接地；保护电路提供的保护信号接到U2的15脚、稳压管ZD2的阴极，ZD2的阳极接电源地；U2的16脚接电容C12的一端，电容C12的另一端接电源地；U2的14脚输出接反相器U3A的1脚，U2的11脚输出接反相器U3B的3脚，U3A的2脚接U3B的4脚。

分流器上取得的焊接电流信号经滤波、放大后作为闭环控制电路的电流反馈信号；该反馈信号与焊接电流给定信号进行PI调节，得到的误差信号用于PFM控制电路的输入信号，由PFM控制电路的输出脉冲信号，经隔离驱动电路控制功率开关管的开通与关断，实现对功率电路的控制。当反馈电流大于给定电流时，PI调节输出的误差信号送到PFM控制电路，驱动脉冲频率减小，从而降低输出电流值，使输出电流等于给定电流；当反馈电流小于给定电流时，PI调节输出的误差信号送到PFM控制电路，驱动脉冲频率增大，从而提高输出电流值，使输出电流等于给定电流。通过不断的比较运算来调节驱动脉冲的频率，实时修正焊接电流，从而获得恒流外特性。在熔滴过渡过程中，当电弧电压低于13V时，为了促进熔滴过渡，推力电路输出推力给定信号Tout，叠加在反馈回路，使PI运算电路输出误差信号增大，使得PFM控制电路输出脉冲频率增大，占空比随之增大，输出电流增大，促进熔滴过渡，保证良好的焊缝成形。

Claims

1.一种单开关节能逆变焊机，包括单开关节能逆变焊机的主电路和控制电路，其特征是：主电路包括输入整流滤波电路、高频逆变电路、主变压器和半波整流电路；控制电路包括PFM控制电路、电流给定电路、电流反馈电路、隔离驱动电路、PI运算电路；外部输入经过输入整流滤波电路后接高频逆变电路的输入端，高频逆变电路的输出串接主变压器后接半波整流电路的输入端，半波整流后作为输出；电流反馈电路的输入端接半波整流电路的输出端，电流反馈电路和电流给定电路的输出端分别接PI运算电路的输入端，PI运算电路的输入端、PI运算电路的输出端依次接PFM控制电路、隔离驱动电路后接高频逆变电路的输入端；所述主电路的结构是：交流220V经过空气开关S连接到高频电容C₁、压敏电阻R₁，再输入到输入整流滤波电路的整流模块BR，整流模块BR输出的直流电310V正极连至主变压器原边上端，整流模块BR输出正端接滤波电容C₂的一端、C₃的正端和死负载电阻R₂的一端，整流模块BR输出负端接滤波电容C₂的另一端、C₃的负端和死负载电阻R₂的另一端，主变压器原边下端连至Q₁集电极，Q₁发射极连至直流电310V负极；主变压器原边下端连至Q_c发射极，Q_c的集电极连至箝位电容C_c的下端；箝位电容C_c的上端接到主变压器的上端，谐振电容C_r的一端连接到Q₁的集电极，谐振电容C_r的另一端连接到Q₁的发射极；主变压器副边上端连至整流二极管D₁阳极，二极管D₁阴极连至续流二极管D₂的阴极和输出滤波电感的左端，主变压器副边下端连至续流二极管D₂的阳极和分流器的负端，分流器的正端接输出负端，输出滤波电感左端接整流二极管D₁的阴极和续流二极管D₂的阴极，输出滤波电感的右端接到输出正端；所述PFM控制电路采用谐振型控制芯片UC3864。