CN102416519A - 电焊机防触电保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电焊机防触电保护装置，其包含脉宽调制控制单元，与该脉宽调制控制单元的输入端电路连接的防触电保护控制单元与电流控制单元。防触电保护控制单元包含：电路连接脉宽调制控制单元的输入端的积分控制电路，电路连接积分控制电路的输入端的空载状态识别电路，电路连接空载状态识别电路的输入端的输出电压检测电路，电路连接空载状态识别电路的输出端的防触电保护状态指示电路。本发明采用防触电保护控制单元检测输出电压，电流控制单元检测输出电流，向脉宽调制控制单元输出电压控制信号与电流控制信号，脉宽调制控制单元输出占空比线性可调的直流脉冲驱动逆变开关主电路，能可靠消除人体触电事故隐患，确保良好的引弧效果。

Description

电焊机防触电保护装置

技术领域

本发明涉及一种电焊机电源技术，具体涉及一种逆变手工弧焊电源的电焊机防触电保护装置。 

背景技术

电焊机是将电能转换为热能的焊接电源设备，它利用输出端正负两极在瞬间短路或放电时产生的高温电弧来熔化电焊条上的焊料和被焊材料，以实现使它们结合的目的。 

电焊机（以下称为弧焊电源）常工作在高温、潮湿而触电危险性较大的环境（如金属容器、管道内），在施焊过程中，需手工替换电焊条，根据中国国家标准（GB3805—83）规定：该类具有人体可能偶然接触且在高温、潮湿而触电危险性较大的环境的人体安全电压为交流（50Hz~500Hz）有效值12V。目前，市场上现有的逆变直流手工弧焊电源，其输出端正负两极间的空载电压一般都介于50V~120V之间，甚至更高，严重存在人体触电事故的隐患。 

为了避免人体触电事故的产生，目前市场上现有的逆变直流手工弧焊电源也有通过检测负载电流，识别焊机空载状态，关闭主电路输出，并在焊机输出端额外施加一个直流（或交流）低电压的防触电保护（VRD）措施。但这种方案存在焊机空载状态识别不准制造难度偏高、VRD功能启动迟缓存在人体触电事故的隐患、VRD状态退出到启动主电路输出的时间偏长导致引弧效果不好，而且制造成本高。 

因此，特别需要一种电焊机防触电保护（VRD）电路，既能消除人体触电事故的隐患，还能保证有良好的引弧效果，而且制造容易、成本低廉。 

发明内容

本发明提供了一种电焊机防触电保护装置，有效克服现有焊机空载状态识别不准制造难度偏高、VRD功能启动迟缓存在人体触电事故的隐患、VRD状态退出到启动主电路输出的时间偏长导致引弧效果不好，而且制造成本高的问题。 

为实现上述目的，本发明提供了一种电焊机防触电保护装置，其特点是，该装置包含脉宽调制控制单元，以及与该脉宽调制控制单元的输入端电路连接的防触电保护控制单元与电流控制单元。 

上述的脉宽调制控制单元包含脉宽调制控制电路，以及分别与该脉宽调制控制电路电路连接的输入电流反馈电路和斜率补偿电路； 

上述的脉宽调制控制电路的输出端电路连接外接的逆变开关主电路，该脉宽调制控制电路输出占空比线性可调的直流脉冲驱动逆变开关主电路。

上述的防触电保护控制单元输出电压控制信号至脉宽调制控制单元，其包含： 

积分控制电路，其电路连接脉宽调制控制电路的输入端；

空载状态识别电路，其电路连接积分控制电路的输入端；

输出电压检测电路，其电路连接空载状态识别电路的输入端；以及，

防触电保护状态指示电路，其电路连接空载状态识别电路的输出端。

上述的电流控制单元输出电流控制信号至脉宽调制控制单元，其包含： 

输出电流运算电路，其电路连接脉宽调制控制电路的输入端；以及，

分别与输出电流运算电路的输入端电路连接的输出电流反馈电路和输出电流给定电路。

本发明电焊机防触电保护装置和现有技术相比，其优点在于，本发明采用防触电保护控制单元检测输出的电压，以及电流控制单元检测输出的电流，防触电保护控制单元与电流控制单元同时根据检测得的输出电压和输出电流输出电压控制信号与电流控制信号至脉宽调制控制单元，由脉宽调制控制单元输出占空比线性可调的直流脉冲驱动逆变开关主电路，能可靠消除人体触电事故隐患，确保良好的引弧效果，符合并超越了相关国家标准（GB15579.1-2004）。 

附图说明

图1为本发明电焊机防触电保护装置的模块示意图； 

图2为本发明电焊机防触电保护装置的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明的实施例。 

如图1所示，一种电焊机防触电保护装置，该装置包含防触电保护控制单元100、电流控制单元200，以及脉宽调制控制单元（PWM控制单元）300。防触电保护控制单元100与电流控制单元200分别与脉宽调制控制单元300的输入端连接，脉宽调制控制单元300的输出端电路连接外接的电焊机的逆变开关主电路，并最终输出占空比线性可调的直流脉冲至外接的逆变开关主电路以驱动该逆变开关主电路。防触电保护控制单元100采样电焊机输出端电压，判断输出端负载状态，控制脉宽调制工作脉宽，实现≤DC12V安全空载电压的输出。 

在本发明的一个实施例中，防触电保护控制单元100用于采集电焊机输出端电压，并输出电压控制信号至脉宽调制控制单元300。该防触电保护控制单元100包含输出电压检测电路101、空载状态识别电路102、防触电保护状态指示电路103、积分控制电路104。积分控制电路104电路连接脉宽调制控制单元300的输入端。空载状态识别电路102电路连接积分控制电路104的输入端。输出电压检测电路101电路连接空载状态识别电路102的输入端，输出电压检测电路101的输入端电路连接电焊机的输出电压以采样电焊机的输出端电压。防触电保护状态指示电路103电路连接空载状态识别电路102的输出端。 

进一步，如图2所示，输出电压检测电路101包含R1、R2、R3、D1、C1。阻值为620K的电阻R1与阻值为47K的电阻R2串联连接在电焊机的输出端电压OUT+与地之间，型号为IN4148的二极管D1（反接）、阻值为22K的电阻R3，以及容值为10uF的电容C1同样依次串联在电焊机的输出端电压OUT+与地之间。该输出电压检测电路101用于检测电焊机输出端电压。 

空载状态识别电路102包含R4、R5、R6、D2、U1A。阻值为200k的电阻R4与阻值为120K的电阻R5串联在15V辅助电源与地之间。型号为MC33074的运算放大器U1A的负极输入端（管脚2）电路连接在电阻R1与R2之间，其正极输入端（管脚3）电路连接在电阻R4与R5之间，其管脚8电路连接15V辅助电源，管脚4接地，管脚1为U1A的输出端。在运算放大器U1A的正极输入端与输出端之间串联连接有型号为IN4148的二极管D2与阻值为1K的电阻R6。该空载状态识别电路102用于识别焊机空载状态。 

防触电保护状态指示电路103包含R7、LED1。阻值为2K的电阻R7与发光二级管LED1（VRD状态指示灯）依次串联连接在15V辅助电源与运算放大器U1A的输出端之间。该防触电保护状态指示电路103用于指示防触电保护（VRD）电路的启动状态。 

积分控制电路104包含R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、C2、C3、Q1、U1B。阻值为510K的电阻R9与阻值为100K的电阻R10依次串联连接在15V辅助电源与地之间。型号为MC33074运算放大器U1B的负极输入端（管脚6）通过阻值为15K的电阻R8电路连接运算放大器U1A的输出端，其负极输入端（管脚6）还通过阻值为110k的电阻R11连接15V辅助电源，U1B的正极输入端（管脚5）电路连接在电阻R9与R10之间，还通过容值为10nF的电阻C2接地， U1B的输出端与负极输入端之间还串联连接有1uF的电容C3和1K的电阻R12，U1B的输出端还通过10K的电阻R14接地。型号为MMBT3904L的晶体管Q1的基极通过100K的电阻R13连接U1B的输出端（管脚7），其发射极接地，其集电极电路连接电流控制单元200与脉宽调制控制单元300。该积分控制电路104用于输出锯齿波电压控制信号。 

进一步，该防触电保护控制单元100的工作原理：电焊机输出电压OUT+经R1与R2分压，并经C1延时后反馈给U1A的负极输入端，辅助电源+15V经R4与R5分压为5.625V送入U1A的正极输入端。 

当电焊机上电瞬间，由于U1A的负极输入端的电压存在1秒钟的RC延时，瞬间会小于U1A的正极输入端，U1A的输出端预置为高电平15V。当电焊机输出电压瞬间≥79.8V时，U1A的负极输入端电压大于5.625V ，U1A的输出端由高电平15V翻转为低电平0V，VRD状态指示灯LED1点亮。同时，辅助电源+15V与U1A输出端的0V相加后经R11与R8分压为1.97V送入U1B的负极输入端，电焊机输出电压OUT+经R9与R10分压为≥13V并经C2滤波后反馈给U1B的正极输入端，此时，U1B正极输入端的电压大于U1B负极输入端的电压，U1B输出端在R12、C3的积分作用下由低电平0V转变为线性的锯齿波电压，U1B输出端的线性锯齿波电压经R13与R14分压后送入Q1的基极，Q1工作于放大状态，减小脉宽调制控制单元300的脉宽给定信号，减小脉宽调制控制单元300所输出的脉宽调制驱动脉冲占空比，当电焊机输出电压瞬间≤12V时，U1B正极输入端的电压≤1.97V，此时，U1B正极输入端的电压小于U1B负极输入端（管脚6）的电压，U1A输出端在R12、C3的积分作用下由线性的锯齿波电压缓降为低电平0V，Q1将退出放大区进入截止状态，周而复始，最终获得稳定的DC12V焊机空载安全电压。 

在防触电保护（VRD）期间，DC12V焊机空载电压经R1与R2分压后 U1A负极输入端（管脚2）电压为0.85V，由于D2、R6的正反馈作用，U1A正极输入端的电压被箝位为0.7V，即U1A负极输入端的电压大于U1A正极输入端的电压，防触电保护（VRD）状态将被锁定。 

在电焊机引弧瞬间，焊条与工件接触，其接触电阻远远小于200Ω（根据GB15579.1-2004），此时，电焊机输出电压将急剧下降，C1中储存的电荷通过R3、D1快速释放，即U1A负极输入端的电压小于U1A正极输入端的电压，U1A的输出端恢复为高电平15V ，U1A的正极输入端恢复为5.625V，防触电保护（VRD）状态将在30毫秒内退出，VRD状态指示灯LED1熄灭，U1B负极输入端的电压转变为15V，U1B正极输入端的电压小于U1B负极输入端的电压，使U1B输出端转变为低电平0V，Q1截止，停止对脉宽调制控制单元300的控制，此时，脉宽调制控制单元300所输出的脉宽调制（PWM）驱动脉冲占空比加大，方便引弧。 

在焊接过程中，由于手工电弧焊的静动态特性决定焊机输出电压会≤34V，即使在电弧长度较高时，输出电压也会≤45V，即使外界因素导致偶尔断弧，由于R1与C1的1秒钟电压延时，U1A负极输入端的电压会≤3.17V≤U1A正极输入端的电压 5.625V，因此，在施焊过程中，防触电保护（VRD）功能是不会启动的，确保了焊接过程的稳定性。 

在施焊结束后，焊机输出电压将会再次上升至≥79.8V，如上所述，在U1A、U1B、Q1的相互作用下，焊机防触电保护（VRD）功能将在1秒钟时间之内再次启动，将焊机锁定为DC12V的安全空载电压。 

进一步，电焊机的空载电压不局限于上述的≥79.8V，如需设计小于79.8V的空载电压，须确保引弧的方便性和电弧的最小长度，同时调整R1、R2、R3、C1的参数，使其满足下述条件：最低空载电压÷(R1+R2)×R2≤5.625V、R1与C1时间常数≤1秒、R3与C1时间常数≤30毫秒。 

如图1所示，在本发明的一个实施例中，电流控制单元200用于采集电焊机输出电流，并输出电流控制信号至脉宽调制控制单元300。该电流控制单元200包含输出电流反馈电路201、输出电流给定电路202、输出电流运算电路203。输出电流运算电路203电路连接脉宽调制控制单元300的输入端，输出电流反馈电路201和输出电流给定电路202分别电路连接输出电流运算电路203的输入端。 

进一步，如图2所示，输出电流反馈电路201包含R15、R16、C5。阻值为100欧的电阻R15与阻值为22K的电阻R16串联连接，R15的另一端电路连接反馈焊接电流的信号If2，R15与R16之间通过1nF的电容C5接地。该输出电流反馈电路201用于馈送反馈焊接电流的信号If2，该反馈焊接电流的信号If2是通过串联在输出回路中的电阻分流器采集并经运算放大器放大后的0.1V～2V电压信号。 

电流给定电路202包含R17、R18、R19、C8、C9、VR1。阻值为10k的电阻R17与100nF的电容C8依次串联在输出电流给定信号Ig与地之间，该输出电流给定信号Ig是指：由操作人员通过其焊接电源上控制面板中的电流设定电位器（或单片机系统）设定的输出电流给定信号Ig。3.3k的电阻R18与范围在50k的可变电阻VR1串联连接在输出电流给定信号Ig与地之间。10k的电阻R19与10nF的电容C9串联连接在输出电流给定信号Ig与地之间。该输出电流给定电路202用于提供用户所设定焊接电流参数。 

输出电流运算电路203包含R20、R21、R22、C6、C7、D3、D4、U1D。型号为MC33074P的运算放大器U1D的正极输入端（管脚12）电路连接在R19与VR1之间。其负极输入端（管脚13）与积分控制电路104的晶体管Q1的集电极电路连接，该负极输入端（管脚13）与晶体管Q1的集电极之间依次串联连接有D3、D4和200Ω的电阻R22。运算放大器U1D的输出端（管脚14）电路连接有10k的电阻R21，电阻R21的另一端接地。运算放大器U1D的输出端与负极输入端之间串联连接有1k的电阻R20与1uF的电容C6，运算放大器U1D的输出端还电路连接有1nF的电容C7。该输出电流运算电路203用于比较计算用户设定电流参数与实际焊接电流参数，输出电流控制信号。 

进一步，电流控制单元200的工作原理：通过焊接电源上其控制面板设定的输出电流给定信号正比于所需输出电流的大小，输出电流给定信号Ig通过R17、R18、VR1分压后，再经R19、C9滤除高频干扰信号，输入运算放大器U1D同向输入端管脚12，正比于输出电流的输出电流反馈的信号If2经R15、C5滤除高频干扰信号后再经R16输入U1D反向输入端管脚13，输出电流给定信号Ig越高，U1D管脚14的输出电压越高焊接电源的输出电流越大；焊接电源输出电流越大，其反馈信号的电压If2越高，当输出电流大于给定电流时，U1D管脚13电压将高于U1D管脚12电压，U1D管脚14电压将下降，当输出电流小于给定电流时，U1D管脚13电压将低于U1D管脚12电压，U1D管脚14电压将上升，如此，周而复始，焊接电源输出电流将恒定在用户设定的大小。 

VR1用于整机电流校准，排除因元器件离散型引起的实际输出电流与设计电流不一致的问题。R20、C6、C7组成电流控制运算放大器的积分电路，确保U1D管脚14的输出电压的线性度，D3、D4组成积分电压箝位电路，以消除逆变开关电路的高频振荡，有效避免电感器件的啸叫，确保逆变开关电路的工作稳定性。 

如图1所示，在本发明的一个实施例中，脉宽调制控制单元300包含输入电流反馈电路301、斜率补偿电路302、脉宽调制控制电路303。输入电流反馈电路301和斜率补偿电路302分别与脉宽调制控制电路303电路连接。 

进一步，如图2所示，输入电流反馈电路301包含R23、R24、C10。750欧的电阻R23电路连接逆变主电路一次侧开关电流信号If1，一次侧开关电流信号If1是指：通过串联在焊接电源主变压器一次侧绕组中的电流互感器采集的峰值电流信号，R23的另一端电路连接100欧的电阻R24，R24的另一端接地。该输入电流反馈电路301用于反馈逆变主电路一次侧开关电流信号If1，实现逐个电流脉冲限制，确保功率开关管及其他功率器件的安全运行。 

斜率补偿电路302包含R25、R26、Q2。晶体管Q2的型号为MMBT3904L，该晶体管Q2的发射机电路连接阻值为680欧的电阻R25，R25的另一端电路连接R23与R24之间并通过51pF的电容C10接地。晶体管Q2的集电极与基极电路连接在13k的电阻R26的两端，其基极与集电极电路连接脉宽调制控制电路303，其基极还通过1nF的电容C11接地。该斜率补偿电路302用于提高脉宽调制控制电路303的抗干扰能力。 

脉宽调制控制电路303包含U2、C12、C13、C14。型号为UC3845N的高性能固定频率电流模式控制器U2，其COMP端（管脚1）电路连接晶体管Q1的集电极，还通过10nF的电容C12接地。U2的VF端（管脚2）接地。U2的CS端（管脚3）电路连接在R23与R24之间，以及R25与C10之间。U2的RT/CT端（管脚4）电路连接在斜率补偿电路302的R26与C11之间。U2的Vref端（管脚8）电路连接斜率补偿电路302的晶体管Q2的集电极，还通过100nF的电容C13接地。U2的VCC端（管脚7）电路连接15V辅助电源，还通过100nF的电容C14接地。U2的OUT端（管脚6）电路连接外接的电焊机的逆变开关主电路，并输出占空比线性可调的直流脉冲（脉宽调制信号）至逆变开关主电路以驱动该逆变开关主电路。U2的GND端（管脚5）接地。该脉宽调制控制电路303用于输出占空比线性可调的直流脉冲以驱动逆变开关主电路。 

进一步，该电流控制单元300的工作原理：电流控制单元300的核心部件是U2，管脚1为误差放大输出端，并可用于环路补偿，本实施例中用于输出电流线性调节信号输入；管脚2为误差放大器的反向输入端，本实施例中接地；管脚3为电流采样端，本实施例中用于主电路一次侧开关电流采样输入；管脚4为定时电容和定时电阻接入脚，设计不同的定时电容和定时电阻可以获得不同的逆变开关频率，本实施例中逆变频率为60KHz；管脚5为接地芯片脚，管脚6为PWM驱动信号输出脚，用于控制主电路一次侧开关管的开关状态，本实施例为双管正激开关电路；管脚7为芯片电源输入端，本实施例中供电电压为15V；管脚8为芯片基准电压输出端，基准电压为5V。 

U2的管脚6输出端PWM驱动信号的占空比正比于地1脚的输入电压，设定的输出电流越大，管脚1的输入电压越高，管脚6输出端PWM驱动信号的占空比也越高，一次侧开关管的开通时间越长，输出电流就越大。 

在防触电控制过程中，U2管脚1为一平均值极低的脉冲电压信号，U2管脚6输出占空比极低的PWM驱动信号，一次侧开关管的开通时间极短，通过主回路电感和电容的滤波作用，焊接电源输出端将输出符合安全电压要求的空载电压； 

U2管脚4的锯齿波电压通过Q2、R25组成的斜率补偿电路阻抗变换后与通过R23、R24分压后的一次侧开关电流信号一并输入U2管脚3，当逆变主电路一次侧开关电流信号If1≥8.75V时， U2将及时关闭管脚6的主电路开关管驱动信号，实现一次侧开关管过流保护。

本发明电焊机防触电保护装置的工作流程如下： 

当电焊机上电瞬间，输出电压检测电路101检测电焊机输出电压的变化并传输至空载状态识别电路102，空载状态识别电路102识别电焊机空载状态，通过空载状态识别电路102设定一时间参数，使电焊机在进入空载状态后1秒钟以内启动VRD功能，由空载状态识别电路102控制积分控制电路104输出电压控制信号至空载状态识别电路102，发送电压控制信号至脉宽调制控制单元300，脉宽调制控制单元300控制PWM脉冲宽度，将电焊机输出电压限制在DC12V以内，进入防触电保护（VRD）状态。同时，采用空载识别信号驱动防触电保护状态指示电路103的LED指示灯发光，以指示电焊机的防触电保护（VRD）功能的启动状态。

在电焊机引弧瞬间，输出电压检测电路101检测电焊机输出电压的变化，当电焊机输出电压将急剧下降，由空载状态识别电路102识别电焊机负载状态，并通过空载状态识别电路102实现设定一时间参数，使电焊机在进入负载状态后30毫秒钟以内退出VRD功能，启动主电路输出，停止对脉宽调制控制单元300的控制，此时，脉宽调制控制单元300所输出的脉宽调制（PWM）驱动脉冲占空比加大，方便引弧。同时，驱动防触电保护状态指示电路103的LED指示灯熄灭，以指示电焊机的防触电保护（VRD）功能的关闭状态。 

在焊接过程中，输出电压检测电路101检测电焊机输出电压的变化并传输至空载状态识别电路102，防触电保护控制单元100控制防触电保护（VRD）功能是不启动，确保了焊接过程的稳定性。 

在施焊结束后，焊输出电压检测电路101检测电焊机输出电压的变化并传输至空载状态识别电路102，空载状态识别电路102识别电焊机空载状态，空载状态识别电路102焊机防触电保护（VRD）功能将在1秒钟时间之内再次启动，将焊机锁定为DC12V的安全空载电压。 

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。 

Claims (4)

1.一种电焊机防触电保护装置，其特征在于，该装置包含脉宽调制控制单元（300），以及与所述的脉宽调制控制单元（300）的输入端电路连接的防触电保护控制单元（100）与电流控制单元（200）。

2.如权利要求1所述的电焊机防触电保护装置，其特征在于，所述的脉宽调制控制单元（300）包含脉宽调制控制电路（303），以及分别与所述的脉宽调制控制电路（303）电路连接的输入电流反馈电路（301）和斜率补偿电路（302）；

所述的脉宽调制控制电路（303）的输出端电路连接外接的逆变开关主电路，该脉宽调制控制电路（303）输出占空比线性可调的直流脉冲驱动逆变开关主电路。

3.如权利要求2所述的电焊机防触电保护装置，其特征在于，所述的防触电保护控制单元（100）输出电压控制信号至脉宽调制控制单元（300），其包含：

积分控制电路（104），其电路连接所述的脉宽调制控制电路（303）的输入端；

空载状态识别电路（102），其电路连接所述积分控制电路（104）的输入端；

输出电压检测电路（101），其电路连接所述空载状态识别电路（102）的输入端；以及，

防触电保护状态指示电路（103），其电路连接所述空载状态识别电路（102）的输出端。

4.如权利要求2所述的电焊机防触电保护装置，其特征在于，所述的电流控制单元（200）输出电流控制信号至脉宽调制控制单元（300），其包含：

输出电流运算电路（203），其电路连接所述的脉宽调制控制电路（303）的输入端；以及，

分别与所述的输出电流运算电路（203）的输入端电路连接的输出电流反馈电路（201）和输出电流给定电路（202）。

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