CN102916606B

CN102916606B - 一种新型交流脉冲电源装置

Info

Publication number: CN102916606B
Application number: CN201210393657.XA
Authority: CN
Inventors: 黄鹏飞; 卢振洋; 卢扬扬; 张永刚; 白韶军
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2032-10-16
Also published as: CN102916606A

Abstract

本发明涉及一种新型交流脉冲电源装置，包括整流滤波电路，高频脉冲电路，低频脉冲电路，以及高压稳弧电路；三相交流电经过整流滤波电路分别输入至低频脉冲电路和高频脉冲电路，高频脉冲电路输出为正负值对称的方波，其频率为5KHZ-40KHZ，低频脉冲电路输出为正负值对称的方波，其频率为0.2HZ-20HZ，高频脉冲电路与低频脉冲电路在负载处叠加，得到一串正值脉冲和一串负值脉冲交替的波形，其频率为0.2HZ-20HZ，每个脉冲的频率为5KHZ-40KHZ；三相交流电经过整流滤波电路输入至高压稳弧电路，高压稳弧电路在叠加电流过零时输出一个方波电流到负载，为负载提供额外电压。

Description

一种新型交流脉冲电源装置

技术领域

本发明属于一种新型交流脉冲电源装置，是一种高频交流脉冲电路与低频交流脉冲电路的新型叠加电路属于现代电力电子技术领域。

技术背景

电源是提供电能的装置，在工业领域中得到了广泛的应用。而焊接电源是实现焊接过程的主要设备，焊接电源从上世纪50年代弧焊发电机开始，经历了二极管整流电源、可控硅整流电源向逆变焊接电源发展的过程。随着电子功率器件的发展，功率开关管的开关频率可以达到几十千赫兹以上。在焊接过程中，我们希望在0.2HZ—20HZ低频状态下实现一个脉冲一个熔滴的控制，而又希望每个低频周期有高频的脉动电流。对于常规的脉冲电源装置，其频率能够达到10KHZ以上，但是即满足焊接工艺中低频一脉一滴的要求又要达到很高的频率，其实很难达到要求的。

发明内容

为了解决常规电源装置难以满足焊接工艺性能高频脉冲电流的难题，本发明设计了一种可以输出5KHZ-40KHz高频脉冲电流与0.2HZ-20HZ低频脉冲电流相互叠加的电路拓扑结构。该交流脉冲电源装置由整流滤波电路，高频脉冲电流电路，低频脉冲电流电路，高压稳弧电路组成。三相交流电输入经过整流桥整流与电容滤波后得到540V直流电，得到的直流电为所述的高频电流电路和低频电流电路供电。高频电流电路的输出为5KHZ-40KHz的正负值对称方波电流，低频电流电路输出为0.2HZ-20HZ正负幅值对称的方波电流。两种电路在负载处进行叠加，当高频电流电路输出正的方波电流时，此方波电流与低频电路输出的方波电流叠加，形成了都为正值脉冲电流。当高频电流电路输出负的方波电流时，此方波电流与低频电流电路输出的方波电流叠加，形成都为负值的脉冲电流。因此，叠加后的电流波形为正值脉冲电流和负值脉冲电流。

在本发明中，整流滤波电路由整流桥BR1，BR2，BR3，滤波电容C1，C2，C2组成。高频脉冲电流电路由功率开关管Q1-Q4组成的全桥电路、变压器T1、二极管D1-D4、双胞电感L1，L2、功率开关管Q9，Q10的推挽电路组成。其各端子之间的连接为：三相交流电的U端，V端，W端分别与整流桥BR1的1端，2端，3端相连，整流桥BR1的4端，5端之间并联有滤波电容C1。整流桥的4端与功率开关管Q1的集电极C端、功率开关管Q2的集电极C端相连，整流桥电路的5端与功率开关管Q3的发射极E端、功率开关管Q4的发射极E端相连；功率开关管Q1的发射极E端、功率开关管Q4的集电极C端与变压器T1原边的1端相连，功率开关管Q2的发射极E端、功率开关管Q3的集电极C端与变压器T1原边的2端相连；变压器T1副边的3端与二极管D1的A端、二极管D2的K端相连，变压器副边的4端与负载的2端相连，变压器副边的5端与二极管D3的A端、二极管D4的K端相连；二极管D1的K端、二极管D3的K端经双胞电感中的L1与功率开关管Q9的集电极C端相连；二极管D2的A端、二极管D4的A端经双胞电感中的L2与功率开关管Q10的发射极E端相连；功率开关管Q9的发射极E端、功率开关管Q10的集电极C端与负载的1端相连。

在本发明中，低频电流电路由开关管Q5-Q7构成的全桥电路、变压器T2、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、电感L3、L4、功率开关管Q11、Q12组成。其各端子之间的连接为整流桥电路的4端与功率开关管Q5的集电极C端、功率开关管Q6的集电极C端相连，整流桥电路的5端与功率开关管Q7的发射极E端、功率开关管Q8的发射极E端相连；功率开关管Q5的发射极E端、功率开关管Q8的集电极C端与变压器T2原边的1端相连，功率开关管Q6的发射极E端、功率开关管Q7的集电极C端与变压器T2原边的2端相连；变压器T2副边的3端与二极管D5的A端、二极管D6的K端相连，变压器副边的4端与负载的2端相连，变压器副边的5端与二极管D7的A端、二极管D8的K端相连；二极管D5的K端、二极管D7的K端经双胞电感中的L3与功率开关管Q11的集电极C端相连；二极管D6的A端、二极管D8的A端经双胞电感中的L4与功率开关管Q12的发射极E端相连；功率开关管Q11的发射极E端、功率开关管Q12的集电极C端与负载的1端相连。

低频电流电路施加到负载上的电流为正负幅值对称的脉冲电流，电流方向切换由功率开关管Q11，功率开关管Q12的导通与关断控制。

高压稳弧电路由开关管Q13-Q16构成的全桥电路，其输出接到负载。整流桥电路的4端与功率开关管Q13的集电极C端、功率开关管Q14的集电极C端相连，整流桥电路的5端与功率开关管Q15的发射极E端、功率开关管Q16的发射极E端相连；功率开关管Q14的发射极E端、功率开关管Q15的集电极C端与负载1端相连，功率开关管Q13的发射极E端、功率开关管Q16的集电极C端与负载2端相连；

图3(a)为功率开关管Q1、Q3和Q5、Q7导通的情况下，功率开关管Q9、Q11导通，Q10、Q12关断时电流的流动方向。高频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q1，变压器T1，Q3回到整流桥的5端；变压器T1的副边由3端流出，经过二极管D1，电感L1，功率开关管Q9，负载，最终流回到变压器T1的4端。低频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q5，变压器T2，Q7回到整流桥的5端；变压器T2的副边由3端流出，经过二极管D5，电感L3，功率开关管Q11，负载，最终流回到变压器T2的4端。流经负载的电流的方向为为从1端到2端的正方向。

图3(b)为功率开关管Q2、Q4和Q6、Q8导通的情况下，功率开关管Q9、Q11导通，Q10、Q12关断时电流的流动方向。高频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q2，变压器T1，Q4回到整流桥的5端；变压器T1的副边由5端流出，经过二极管D3，电感L1，功率开关管Q9，负载，最终流回到变压器T1的4端。低频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q6，变压器T2，Q8回到整流桥的5端；变压器T2的副边由5端流出，经过二极管D7，电感L3，功率开关管Q11，负载，最终流回到变压器T2的4端。流经负载的电流的方向为为从1端到2端的正方向。

图3(c)为功率开关管Q1、Q3和Q5、Q7导通的情况下，功率开关管Q10、Q11导通，Q9、Q12关断时电流的流动方向。高频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q1，变压器T1，Q3回到整流桥的5端；变压器T1的副边由4端流出，经过负载，功率开关管Q10，电感L2，二极管D4，最终流回到变压器T1的5端。低频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q5，变压器T2，Q7回到整流桥的5端；变压器T2的副边由3端流出，经过二极管D5，电感L3，功率开关管Q11，负载，最终流回到变压器T2的4端。流经负载的电流的方向为叠加后电流方向，从1端流向到2端。

图3(d)为功率开关管Q2、Q4和Q6、Q8导通的情况下，功率开关管Q10、Q11导通，Q9、Q12关断时电流的流动方向。高频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q2，变压器T1，Q4回到整流桥的5端；变压器T1的副边由4端流出，经过负载，功率开关管Q10，电感L2，二极管D2，最终流回到变压器T1的3端。低频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q6，变压器T2，Q8回到整流桥的5端；变压器T2的副边由5端流出，经过二极管D7，电感L3，功率开关管Q11，负载，最终流回到变压器T2的4端。流经负载的电流的方向为叠加后电流方向，从1端流向到2端。

图3(e)为高频脉冲电路与低频脉冲电路叠加电流变为到零的时刻，高压稳弧电路开始工作，此时功率开关管Q14、Q16导通，Q13、Q15关断，高压稳弧电路电流方向从负载1端流向到负载2端。

图3(f)为功率开关管Q1、Q3和Q5、Q7导通的情况下，功率开关管Q9、Q12导通，Q10、Q11关断时电流的流动方向。高频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q1，变压器T1，Q3回到整流桥的5端；变压器T1的副边由3端流出，经过二极管D1，电感L1，功率开关管Q9，负载，最终流回到变压器T1的4端。低频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q5，变压器T2，Q7回到整流桥的5端；变压器T2的副边由4端流出，经过负载，功率开关管Q12，电感L4，二极管D8，最终流回到变压器T2的5端。流经负载的电流的方向为叠加后电流方向，从2端流向到1端。

图3(g)为功率开关管Q2、Q4和Q6、Q8导通的情况下，功率开关管Q9、Q12导通，Q10、Q11关断时电流的流动方向。高频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q2，变压器T1，Q4回到整流桥的5端；变压器T1的副边由5端流出，经过二极管D3，电感L1，功率开关管Q9，负载，最终流回到变压器T1的4端。低频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q6，变压器T2，Q8回到整流桥的5端；变压器T2的副边由4端流出，经过负载，功率开关管Q12，电感L4，二极管D6，最终流回到变压器T2的3端。流经负载的电流的方向为叠加后电流方向，从2端流向到1端。

图3(h)为功率开关管Q1、Q3和Q5、Q7导通的情况下，功率开关管Q10、Q12导通，Q9、Q11关断时电流的流动方向。高频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q1，变压器T1，Q3回到整流桥的5端；变压器T1的副边由4端流出，经过负载，功率开关管Q10，电感L2，二极管D4，最终流回到变压器T1的5端。低频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q5，变压器T2，Q7回到整流桥的5端；变压器T2的副边由4端流出，经过负载，功率开关管Q12，电感L4，二极管D8，最终流回到变压器T2的5端。流经负载的电流的方向为叠加后电流方向，从2端流向到1端。

图3(i)为功率开关管Q2、Q4和Q6、Q8导通的情况下，功率开关管Q10、Q12导通，Q9、Q11关断时电流的流动方向。高频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q2，变压器T1，Q4回到整流桥的5端；变压器T1的副边由4端流出，经过负载，功率开关管Q10，电感L2，二极管D2，最终流回到变压器T1的3端。低频脉冲电路电流由整流滤波电路4端流出经过Q6，变压器T2，Q8回到整流桥的5端；变压器T2的副边由4端流出，经过负载，功率开关管Q12，电感L4，二极管D6，最终流回到变压器T2的3端。流经负载的电流的方向为叠加后电流方向，从2端流向到1端。

图3(j)为高频脉冲电路与低频脉冲电路叠加电流变为零的时刻，高压稳弧电路开始工作，此时功率开关管Q13、Q15导通，Q14、Q16关断，高压稳弧电路电流方向从负载2端流向到负载1端。

如图4所示，图4（a）为高频脉冲电路输出的电流波形，图4(b)为低频脉冲电路输出的电流波形，图4(c)为两个电路输出的电流经过叠加后负载上表现出来的电流波形。

本发明的有益效果：

相比常规的高频脉冲电源装置本发明能够达到更低的频率，相比常规的低频脉冲电源装置其能够得到高频脉动的效果，应用在焊接工艺当中，低频脉冲电流能够实现一个脉冲一个熔滴，高频的交流脉动电流能够提高电弧约束力。采用高频电流电路与低频电路的叠加组合，通过每一路功率开关管的交替通断，实现了一串正值脉冲与一串负值脉冲交替的波形。相比于常规的脉冲电流发生装置，本发明并不是每个正负值脉冲对称的，而是在一段时间内都为正值脉冲，下一段时间内都为负值脉冲，以0.2HZ-20HZ频率交替下去。而且每个脉冲频率达到5KHZ-40KHZ以上。并且在叠加电流变为零的时刻，高压稳弧电路功率开关管导通，给负载额外电压，保证电弧不熄灭。这种组合是电路结构的好处在于：正负值的脉冲交替可以调到比较低的频率，满足一脉一滴的要求；每个脉冲的频率又能达到很高的频率，能够提高电弧的约束力，负值的脉冲又能对熔滴起到搅拌作用。因此这种交流的脉冲电流装置对焊接质量起到明显的改善作用。

附图说明

图1本发明结构原理图

图2本发明与DSP结合使用的系统总体框图

图3（a）-（j）本发明工作原理图

图4（a）高频脉冲电路输出的电流波形图

图4（b）低频脉冲电路输出的电流波形图

图4（c）电流叠加后负载上的电流波形图。

图1中BR1、BR2、BR3——整流桥，C1、C2、C3——滤波电容，Q1～Q16——功率开关管IGBT，T1、T2——变压器，D1～D8——整流二极管,L1、L2、L3、L4——电感器。

图2中（1）——整流滤波电路，（2）——高频脉冲电路，（3）——低频脉冲电路，（4）——低频脉冲驱动电路，（5）——高频脉冲驱动电路，（6）——高频脉冲电流切换驱动电路，（7）——低频脉冲电流切换驱动电路，（8）——低频脉冲电路电流采样及滤波，（9）——高频脉冲电路电流采样及滤波，（10）——高压稳弧电路，（11）——人机界面，（12）——DSP控制系统。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明：

如图2所示为本发明与DSP结合使用的系统框图，整流滤波电路（1）由整流桥BR1、BR2、BR3，电容器C1、C2、C3组成；高频脉冲电流电路由功率开关管Q1-Q4，变压器T1，二极管D1-D4，双胞电感L1，L2，功率开关管Q9、Q10组成。低频脉冲电流电路由功率开关管Q5-Q8，变压器T2，二极管D5-D8，双胞电感L3、L4，功率开关管Q11、Q12组成。高频脉冲驱动电路（5）连接在DSP控制系统（12）与高频脉冲电路（2）中的功率开关管Q1～Q4之间,低频脉冲驱动电路（4）连接在DSP控制系统12与低频脉冲电路（3）中的功率开关管Q5～Q8之间；高频脉冲电流切换驱动电路（6）连接在DSP控制系统（12）与高频脉冲电路（2）中的功率开关管Q9、Q10之间，低频脉冲电流切换驱动电路（7）连接在DSP控制系统（12）与低频脉冲电路（3）中的功率开关管Q11、Q12之间；高频脉冲采样及滤波电路（9）连接在高频脉冲电路（2）与DSP控制系统12之间，低频脉冲采样及滤波电路（8）连接在低频脉冲电路（3）与DSP控制系统(12)之间。人机界面(11)与DSP控制系统(12)相连。高压稳弧电路(10)中的功率开关管Q13～Q16与DSP控制系统(12)相连。在工作过程中，高频脉冲采样及滤波电路（9），低频脉冲采样及滤波电路（8）将采样结果送给DSP控制系统（12），DSP控制系统（12）将采样结果与人机界面（11）设定的参数进行比较运算，传递信号给高频脉冲电流驱动电路（2），低频脉冲电流驱动电路（3），分别调节功率开关管Q1～Q4，功率开关管Q5～Q8的占空比，最终实现输出电流参数与人机界面（11）设定值相等，并且DSP控制系统（12）发送信号给高频脉冲电流切换驱动电路（6），控制功率开关管Q9，功率开关管Q10的开通与关断，实现高频脉冲电流正负值切换，由于脉冲基值电流与峰值电流之间的切换是通过功率开关的开通与关断实现的，所以此种电路拓扑结构可以输出高频脉冲电流。同时DSP控制系统（12）发送信号给低频脉冲电流切换驱动电路（7），控制功率开关管Q11，功率开关管Q12的开通与关断，实现低频脉冲电流正负值切换。在叠加后的电流正负值切换时，通过DSP控制系统（12）开通高压稳弧电路Q13，Q15或Q14，Q16，在电流切换变为零的时刻，辅助一高压来实现电弧的稳定。

Claims

1.一种新型交流脉冲电源装置，其特征在于：包括整流滤波电路，高频脉冲电路，低频脉冲电路，以及高压稳弧电路；三相交流电经过整流滤波电路分别输入至低频脉冲电路和高频脉冲电路，高频脉冲电路输出为正负值对称的方波，其频率为5KHZ‐40KHZ，低频脉冲电路输出为正负值对称的方波，其频率为0.2HZ‐20HZ，高频脉冲电路与低频脉冲电路在负载处叠加，得到一串正值脉冲和一串负值脉冲交替的波形，其频率为0.2HZ‐20HZ，每个脉冲的频率为5KHZ‐40KHZ；三相交流电经过整流滤波电路输入至高压稳弧电路，高压稳弧电路在叠加电流过零时输出一个方波电流到负载，为负载提供额外电压；

所述的高频脉冲电路包括功率开关管Q1—Q4，Q9—Q10，变压器T1，二极管D1—D4，双胞电感L1，L2，整流滤波电路的输出端4端连接至功率开关管Q1的集电极C端和功率开关管Q2的集电极C端，整流滤波电路另一输出端5端连接至功率开关管Q3的发射极E端和功率开关管Q4的发射极E端；功率开关管Q1的发射极E端、功率开关管Q4的集电极C与变压器T1原边输入端的一端1端相连，功率开关管Q2的发射极E端、功率开关管Q3的集电极C端与变压器T1原边输入端另一端2端相连；变压器T1副边输出端3端与二极管D1的正极A端、二极管D2的负极K端相连，变压器副边输出端4端与负载的一端2端相连，变压器副边的5端与二极管D3的正极A端、二极管D4的负极K端相连；二极管D1的负极K端、二极管D3的负极K端经双胞电感中的L1与功率开关管Q9的集电极C端相连；二极管D2的正极A端、二极管D4的正极A端经双胞电感中的L2与功率开关管Q10的发射极E端相连；功率开关管Q9的发射极E端、功率开关管Q10的集电极C与负载的另一端1端相连。

2.根据权利要求1所述的一种新型交流脉冲电源装置，其特征在于：对于整流滤波电路，包括整流桥和滤波电容，三相交流电的输入端分别与整流桥电路的输入端连接，整流桥电路的输出端与滤波电容C并联。

3.根据权利要求1所述的一种新型交流脉冲电源装置，其特征在于：低频脉冲电路包括功率开关管Q5—Q8，Q11—Q12，变压器T2，二极管D5—D8，双胞电感L3，L4，整流滤波电路的输出一端4端与功率开关管Q5的集电极C端、功率开关管Q6的集电极C端相连，整流滤波电路另一输出端5端与功率开关管Q7的发射极E端、功率开关管Q8的发射极E端相连；功率开关管Q5的发射极E端、功率开关管Q8的集电极C端与变压器T2原边输入的一端1端相连，功率开关管Q6的发射极E端、功率开关管Q7的集电极C端与变压器T2原边输入的另一端2端相连；变压器T2副边输出端3端与二极管D5的正极A端、二极管D6的负极K端相连，变压器副边输出端4端与负载的一端2端相连，变压器副边输出端5端与二极管D7的正极A端、二极管D8的负极K端相连；二极管D5的负极K端、二极管D7的负极K端经双胞电感中的L3与功率开关管Q11的集电极C端相连；二极管D6的正极A端、二极管D8的正极A端经双胞电感中的 L4与功率开关管Q12的发射极E端相连；功率开关管Q11的发射极E端、功率开关管Q12的集电极C与负载的另一端1端相连。

4.根据权利要求1所述的一种新型交流脉冲电源装置，其特征在于：高压稳弧电路包括功率开关管Q13—Q16，整流滤波电路输出端4端与功率开关管Q13的集电极C端、功率开关管Q14的集电极C端相连，整流滤波电路另一输出端5端与功率开关管Q15的发射极E端、功率开关管Q16的发射极E端相连；功率开关管Q14的发射极E端、功率开关管Q15的集电极C端与负载一端1端相连，功率开关管Q13的发射极E端、功率开关管Q16的集电极C端与负载另一端2端相连。

5.根据权利要求1所述的一种新型交流脉冲电源装置，其特征在于：高频脉冲输出电流的峰峰值I_L的范围为–450A—450A，输出电压为40V—80V，低频脉冲输出电流的峰峰值Ia的范围为–550A—550A，输出电压为40V—80V，当Ia＝550A时，I_L＝–450A—450A,电流叠加后的峰峰值Ip＝Ia+I_L,其值为100A—1000A，当I_a＝–550A时，I_L＝–450A—450A,电流叠加后的峰峰值Ip＝Ia+I_L,其值为–100A—–1000A,输出电压为40V—80V。