CN104038071A - 一种基于移相全桥的逆变式电弧喷涂电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于移相全桥的逆变式电弧喷涂电源，包括依次连接的第一整流电路、第一滤波电路、全桥电路、高频变压器T、第二整流电路和第二滤波电路，其中：所述第一整流电路连接到三相交流输入；所述第二滤波电路连接到电弧喷枪。本发明的逆变式电弧喷涂电源还包括辅助控制模块，用于控制所述全桥电路工作。本发明的逆变式电弧喷涂电源采用移相全桥控制实现了开关管的软开关，软开关技术大大降低了电源的开关损耗，提高了整机效率，节约了电能。

Description

一种基于移相全桥的逆变式电弧喷涂电源

技术领域

本发明涉及表面工程热喷涂领域，特别涉及一种基于移相全桥的逆变式电弧喷涂电源。

背景技术

电弧喷涂技术是一种经济、适用范围广、施工灵活、高效率的热喷涂方法，是一种在工业领域广泛应用的表面改性技术。随着电弧喷涂设备的不断改进，喷涂工艺得到了提升，电弧喷涂技术迎来了新的发展。

电弧喷涂的基本原理是将电弧喷涂电源加在两根连续送进的金属丝之间从而形成电弧，电弧的热量将金属熔化，利用压缩空气将熔化的金属雾化成微熔滴，高速喷向工件表面形成涂层。该涂层在不改变工件基体材料性能的基础上，可以大幅提升工件综合性能如耐磨、防腐、抗氧化、隔热等。

传统电弧喷涂电源采用工频变压器降压，整流输出恒压直流电的拓扑，优点是结构简单，但其存在的问题较多，主要有以下几点：1.由于变压器工作在工频状态，电源体积大，质量重，不利于现场尤其是复杂工况下的施工，制约了电弧喷涂技术的应用。2.整机采用无反馈的开环控制，无法对输出电流进行跟踪控制，实际使用时电流波动非常大，严重降低了电弧喷涂涂层的质量。3.输出电压的调节通过变压器抽头实现，通常分几个档位，并非无极调节，对于不同的喷涂材料无法准确的输出最优喷涂电压，影响了喷涂质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于移相全桥的逆变式电弧喷涂电源，从结构及控制方式上解决了传统喷涂机体积大、质量重、无反馈控制、无法准确控制输出电压等缺点，在缩小整机大小的基础上，提高了性能，优化了喷涂质量。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于移相全桥的逆变式电弧喷涂电源，包括依次连接的第一整流电路、第一滤波电路、全桥电路、高频变压器T、第二整流电路和第二滤波电路，其中：

所述第一整流电路连接到三相交流输入；

所述第二滤波电路连接到电弧喷枪；

所述第一滤波电路包括串联连接在所述第一整流电路两端的电感L和电容C；

所述全桥电路包括第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄，所述第一开关管Q₁和所述第三开关管Q₃串联后并联连接在所述电容C两端，所述第二开关管Q₂和所述第四开关管Q₄串联后也并联连接在所述电容C两端；

所述逆变式电弧喷涂电源还包括辅助控制模块，用于控制所述全桥电路工作；

所述辅助控制模块包括依次连接的输出采样电路、PI调节电路、PWM控制器，

所述输出采样电路连接到所述电弧喷枪，用于采集所述电弧喷枪的输出电压和输出电流；

所述PI调节电路用于将电压反馈值与预设电压参考值比较后进行PI运算，输出信号，其中，所述电压反馈值为所述输出采样电路采集到的所述电弧喷枪的输出电压；

所述PWM控制器用于将所述PI调节电路输出的信号与所述PWM控制器产生的调制波信号进行比较，改变所述PWM控制器输出脉冲信号的宽度，输出脉冲信号，所述脉冲信号用于控制所述全桥电路工作。

所述全桥电路还包括二极管D₁、二极管D₂、电容C₁和电容C₃，所述二极管D₁并联在所述第一开关管Q₁的两端；所述电容C₁也并联在所述第一开关管Q₁的两端；所述二极管D₂并联在所述第三开关管Q₃的两端；所述电容C₃也并联在所述第三开关管Q₃的两端。

所述第一开关管Q₁和所述第三开关管Q₃均为绝缘栅双极型晶体管。

所述第二开关管Q₂和所述第四开关管Q₄均为逆阻型绝缘栅双极型晶体管。

本发明的全桥电路，基于移相控制，实现零电压零电流开关（ZVZCS）。

本发明的所述逆变式电弧喷涂电源还包括辅助保护模块，用于保护所述逆变式电弧喷涂电源的安全；

所述辅助保护模块包括依次连接的检测电路和单片机控制及保护模块，其中：

所述检测电路连接到所述电弧喷枪，用于检测所述逆变式电弧喷涂电源的工作状态，输出信号；

所述单片机控制及保护模块连接到所述全桥电路，用于对所述检测电路输出的信号进行分析、处理，及时对故障进行处理，保护所述逆变式电弧喷涂电源的安全。

本发明的所述第一整流电路为三相整流桥。

本发明的逆变式电弧喷涂电源的基本工作原理是：输入的三相交流380V经过第一整流电路和第一滤波电路变成540V左右的直流电，再经由全桥电路进行逆变，变成高频方波交流电，通过高频变压器将能量传递到副边的第二整流电路，将其整流为直流电，通过第二滤波电路最终输出所需的稳定的直流电。

由于上述技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的逆变式电弧喷涂电源采用移相控制实现了开关管的软开关，软开关技术大大降低了电源的开关损耗，提高了整机效率，节约了电能。另外在减少散热的基础上，同样大大减少了散热器的体积。

本发明的逆变式电弧喷涂电源中的能量通过高频变压器传递，通常可以做到20KHz，大大降低了整机的体积和质量。

本发明的逆变式电弧喷涂电源通过对输出电压、电流的采样进行闭环控制，使得输出值与预设参考值吻合，输出波形质量高，有效提高喷涂质量。

本发明的逆变式电弧喷涂电源通过改变预设参考值，可以实现电压变化范围内任意电压的输出。

附图说明

图1为本发明的基于移相全桥的逆变式电弧喷涂电源的结构框图；

图2为本发明的基于移相全桥的逆变式电弧喷涂电源的电路原理图；

图3为图2中的全桥电路工作时的关键波形图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，并不限制发明的范围。

现有的电弧喷涂电源多采用工频变压器降压，整流输出恒压直流电的拓扑，喷涂电源中磁性元器件的体积和重量大。其他逆变式电弧喷涂电源多采用硬开关技术，开关损耗大，效率低。本发明的基于移相全桥的逆变式电弧喷涂电源，能够准确控制输出电压、电流，采用软开关技术，降低开关损耗，提高喷涂电源的效率，并且能够对喷涂电源实行实时的监控，自动实现保护。

如图1~2所示，本发明的基于移相全桥的逆变式电弧喷涂电源，包括依次连接的第一整流电路2、第一滤波电路3、全桥电路3、高频变压器5、第二整流电路6和第二滤波电路7，其中：第一整流电路2连接到三相交流输入1；第二滤波电路3连接到电弧喷枪8。

具体地，本发明的第一整流电路2为三相整流桥。

第一滤波电路3包括串联连接在第一整流电路2两端的电感L和电容C。

全桥电路4包括第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄，第一开关管Q₁和第三开关管Q₃串联后并联连接在电容C两端，第二开关管Q₂和第四开关管Q₄串联后也并联连接在电容C两端，并且第一开关管Q₁和第二开关管Q₂均与电容C的第一端相连，第三开关管Q₃和第四开关管Q₄均与电容C的第二端相连。本发明的全桥电路4还包括二极管D₁、二极管D₂、电容C₁和电容C₃，二极管D₁并联在第一开关管Q₁的两端；电容C₁也并联在第一开关管Q₁的两端；二极管D₂并联在第三开关管Q₃的两端；电容C₃也并联在第三开关管Q₃的两端。

第一开关管Q₁和第三开关管Q₃均为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

第二开关管Q₂和第四开关管Q₄均为逆阻型绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

本发明的全桥电路4，基于移相控制，实现零电压零电流开关（ZVZCS）。

本发明中，第二滤波电路7包括串联连接的电感L_f和电容C_f，电弧喷枪8并联连接在电容C_f的两端。

高频变压器T的原边绕组的第一端通过漏电感Lr连接至第一开关管Q₁和第三开关管Q₃之间的节点、原边绕组的第二端连接至第二开关管Q₂和第四开关管Q₄之间的节点，高频变压器T的第一副边绕组的第一端通过二极管D₃连接到电感L_f的输入端、第一副边绕组的第二端连接到电容C_f的输出端，高频变压器T的第二副边绕组的第一端与第一副边绕组第二端相连、高频变压器T的第二副边绕组的第二端通过二极管D₄连接至二极管D₃和电感L_f之间的节点。

第二整流电路6为全波整流电路，包括二极管D₃和二极管D₄。

在第一开关管Q₁和第三开关管Q₃之间的节点、电感L_f之间连接有隔直电容C_b。

本发明的逆变式电弧喷涂电源还包括辅助控制模块，用于控制全桥电路4工作。

辅助控制模块包括依次连接的输出采样电路9、PI调节电路10、PWM控制器11，

输出采样电路9连接到电弧喷枪8，用于采集电弧喷枪8的输出电压和输出电流；

PI调节电路10用于将电压反馈值与预设电压参考值比较后进行PI运算，输出信号，其中，电压反馈值为输出采样电路9采集到的电弧喷枪8的输出电压；

PWM控制器11用于将PI调节电路10输出的信号与PWM控制器11产生的调制波信号进行比较，改变PWM控制器11输出脉冲信号的宽度，输出脉冲信号，脉冲信号用于控制全桥电路4工作。在PWM控制器11和全桥电路4之间连接有驱动电路，PWM控制器输出的脉冲信号传送到驱动电路，通过驱动电路来控制到全桥电路4的第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄。

本发明的逆变式电弧喷涂电源还包括辅助保护模块，用于保护该逆变式电弧喷涂电源的安全；

辅助保护模块包括依次连接检测电路12、单片机控制及保护模块13，其中：

检测电路12为电压、电流、温度检测电路，其连接到电弧喷枪8，用于检测逆变式电弧喷涂电源的工作状态，输出信号；

单片机控制及保护模块13连接到全桥电路4，用于对检测电路12输出的信号进行分析、处理，及时对故障进行处理，停止工作，保护逆变式电弧喷涂电源的安全，上述所说的故障包括开路、短路、低电压、过电压等故障。

本发明的逆变式电弧喷涂电源还包括依次连接的送丝机构15、送丝速度采样模块14，送丝机构15连接到电弧喷枪8，送丝速度采样模块14连接到单片机控制及保护模块13，单片机控制及保护模块13中的单片机将相应的送丝信号输出给送丝机构15，控制送丝机构15的工作。喷涂中，将输出电流与预设参考值进行比较，如果输出电流值比输出电流预设参考值高，则减小送丝速度，减小输出电流；如果输出电流值比输出电流预设参考值低，则加快送丝速度，增大输出电流，最终使输出电流稳定在输出电流预设参考值上。

本发明的输出电压、输出电流的预设参考值由单片机控制及保护模块13中的单片机DA口进行输出。

本发明的逆变式电弧喷涂电源将三相交流输入380V的电压经过第一整流电路2和第一滤波电路3变成540V左右的直流电，再经由全桥电路进行逆变，变成高频方波交流电，此处高频开关频率选为20KHz，全桥电路4每个桥臂的两个开关管（斜对角的两个开关管，如第一开关管Q₁和第四开关管Q₄或第二开关管Q₂和第三开关管Q₃）180度互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个移相角。通过调节移相角的大小，来调节输出电压脉冲宽度，从而达到调节相应输出电压的目的。通过高频变压器将能量传递到副边的第二整流电路，将其整流为直流电，通过第二滤波电路最终输出所需的稳定的直流电。

在喷涂过程中，通过电压电流传感器对电弧喷枪的输出电压及输出电流进行采样，将输出电压与预设电压参考值进行比较并在芯片内部进行PI运算，如果输出电压值比输出电压预设参考值高，则减小脉宽调制信号（PWM）的占空比，即减小IGBT导通时间，减小输出电压；如果输出电压值比输出电压预设参考值低，则增大脉宽调制信号(PWM)的占空比，即增大了IGBT导通时间，增大输出电压，最终使输出电压稳定在预设输出电压值上。

本发明的全桥电路4采用了移相全桥软开关技术，把谐振变换技术和普通的PWM变换技术相结合，可以使开关器件在较低的电压、电流应力下实现软开关。软开关ZVS指的是开关管在导通或关断前管压降已经为零，从而实现导通损耗和关断损耗为零。

下面结合图3所示的全桥电路工作时的关键波形图对本发明的逆变式电弧喷涂电源的全桥电路的工作状态进行详细说明：图3中，为了便于说明，将开关管（Q₁、Q₂、Q₃、Q₄）的驱动波形、变压器原边电流i_p的变化、全桥输出端电压V_AB的变化、变压器副边输出二极管两端电压V_D的变化绘制于同一张图中。

（1）模态1（t₁₂~t₀）

t₁₂~t₀：Q₁和Q₄导通，高频变压器T原边电流i_p给隔直电容C_b充电，隔直电容C_b上的电压线性上升。t₀时刻，Q₁关断，进入开关模态2。

（2）模态2（t₀~t₁）

t₀时刻，Q₁关断，电流向Q₁、Q₃的结电容C₁、C₃转移，C₁充电，C₃放电，开关管Q₁两端的电压线性上升，C₁、C₃ 限制了Q₁两端电压的上升率，Q₁实现了ZVS关断。t₁时刻，C₃上的电压下降至零，随后D₃导通进入开关模态3。

（3）模态3（t₁~t₂）

t₁时刻，C₃上的电压下降至零，随后Q₃两端反向并联二极管D₃导通，起到续流作用，Q₃ 两端的电压为零，此时Q₃导通，Q₃实现零电压导通。Q₃导通以后全桥输出两端电压V_AB被钳位到零，隔直电容C_b上的电压加到漏感L_r上，变压器原边电流i_p线性下降。漏感L_r中的能量加到隔直电容C_b，变压器副边的两个整流二极管D₃、D₄同时导通给负载供电。

（4）模态4（t₂~t₃）

t₂时刻，原边电流i_p下降至零，由于电感的存在会阻止电流的变化，原边电流i_p反向续流。但是由于滞后臂Q₂和Q₄采用的是逆阻性IGBT，隔阻了负向电流，所以原边电流i_p维持为零。在这期间，隔直电容C_b的电压维持不变，Q₄仍然导通，但是没有电流流过。t₃时刻，Q₄零电流关断。变压器副边二极管D₃、D₄同时导通，各自承受一半的负载电流。

（5）模态5（t₃~t₄）

Q₄零电流关断以后，原边电流i_p仍为零，负载电流沿着D₃、D₄续流。

（6）模态6（t₄~t₅）

t₄时刻，Q₂导通，由于漏感L_r的存在，原边电流i_p无法突变，所以Q₂的导通时电流为零即零电流开通。Q₂导通以后，原边电流i_p线性增加，输出电流经D₄流向负载。

（7）模态7（t₅~t₆）

Q₂、Q₃ 同时导通，给负载供电。

从图3中可以看出，本发明的电路拓扑通过移相控制，Q₁、Q₃ 实现了零电压开关，Q₂、Q₄实现了零电流开关，大大减小了开关损耗，大大提高了整机效率。另外在减少散热的基础上，同样大大减少了散热器的体积。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，且本发明不限于上述的实施例，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于移相全桥的逆变式电弧喷涂电源，包括依次连接的第一整流电路、第一滤波电路、全桥电路、高频变压器T、第二整流电路和第二滤波电路，其中：

所述第一整流电路连接到三相交流输入；

所述第二滤波电路连接到电弧喷枪；

所述第一滤波电路包括串联连接在所述第一整流电路两端的电感L和电容C；

所述全桥电路包括第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、第四开关管Q₄，所述第一开关管Q₁和所述第三开关管Q₃串联后并联连接在所述电容C两端，所述第二开关管Q₂和所述第四开关管Q₄串联后也并联连接在所述电容C两端；

其特征在于：

所述逆变式电弧喷涂电源还包括辅助控制模块，用于控制所述全桥电路工作；

所述辅助控制模块包括依次连接的输出采样电路、PI调节电路、PWM控制器，

所述输出采样电路连接到所述电弧喷枪，用于采集所述电弧喷枪的输出电压和输出电流；

所述PI调节电路用于将电压反馈值与预设电压参考值比较后进行PI运算，输出信号，其中，所述电压反馈值为所述输出采样电路采集到的所述电弧喷枪的输出电压；

所述PWM控制器用于将所述PI调节电路输出的信号与所述PWM控制器产生的调制波信号进行比较，改变所述PWM控制器输出脉冲信号的宽度，输出脉冲信号，所述脉冲信号用于控制所述全桥电路工作。

2.根据权利要求1所述的逆变式电弧喷涂电源，其特征在于，所述全桥电路还包括二极管D₁、二极管D₂、电容C₁和电容C₃，所述二极管D₁并联在所述第一开关管Q₁的两端；所述电容C₁也并联在所述第一开关管Q₁的两端；所述二极管D₂并联在所述第三开关管Q₃的两端；所述电容C₃也并联在所述第三开关管Q₃的两端。

3.根据权利要求1或2所述的逆变式电弧喷涂电源，其特征在于，所述第一开关管Q₁和所述第三开关管Q₃均为绝缘栅双极型晶体管。

4.根据权利要求1所述的逆变式电弧喷涂电源，其特征在于，所述第二开关管Q₂和所述第四开关管Q₄均为逆阻型绝缘栅双极型晶体管。

5.根据权利要求1所述的逆变式电弧喷涂电源，其特征在于，所述逆变式电弧喷涂电源还包括辅助保护模块，用于保护所述逆变式电弧喷涂电源的安全；

所述辅助保护模块包括依次连接的检测电路和单片机控制及保护模块，其中：

所述检测电路连接到所述电弧喷枪，用于检测所述逆变式电弧喷涂电源的工作状态，输出信号；

所述单片机控制及保护模块连接到所述全桥电路，用于对所述检测电路输出的信号进行分析、处理，及时对故障进行处理，保护所述逆变式电弧喷涂电源的安全。

6.根据权利要求1所述的逆变式电弧喷涂电源，其特征在于，所述第一整流电路为三相整流桥。