CN106956062A - 一种igbt模块逆变手弧焊机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种IGBT模块逆变手弧焊机，包括逆变主电路、开关电源电路、IGBT的驱动电路和风扇智能控制电路，逆变主电路中的三相整流后的滤波电解电容和上电缓冲电路的继电器及其控制电路板放置在一个塑料护盒中，并灌注绝缘材料；开关电源电路和IGBT的驱动电路及风扇智能控制电路也放置在一个塑料护盒中，并灌注绝缘材料；本发明是三相供电电源的手工焊设备，采用IGBT模块全桥逆变及其相应的控制技术，可实现焊接电流、引弧电流和推力电流调节和输出电流及状态LED指示，以及手工焊的各项控制要求；实现了三相380V供电电源下采用IGBT模块输出大电流手工电弧焊作业的要求，满足高效和低成本生产高可靠性制造要求。

Description

一种IGBT模块逆变手弧焊机

技术领域

本发明涉及一种IGBT模块逆变手弧焊机的设计方法。属于逆变焊机技术领域。

技术背景

目前，逆变焊机产品市场的竞争十分激烈，不仅体现在价格的竞争优势上，还在很大程度上取决于焊机的电路、功能设计和可靠性等方面。

国内外市场上，IGBT逆变手弧焊机的额定电流通常在100～630A（负载持续率20～100%）的水平。然而，此类焊机，不同的结构和控制电路原理设计，电路板连接的复杂程度不同，其产品的可靠性、生产工序和制作工艺等也会完全不同。这些都会影响产品的销售和市场竞争力。如何解决额定大电流（如400A等）输出下产品的可靠性问题，是研发人员面临的技术难题。

针对此问题，本发明设计了新的焊机控制电路，实现了IGBT模块逆变手工电弧焊作业的要求，焊机具有性能好、低成本和高可靠性等优点。本发明手弧焊机的控制电路原理设计方法有自己的独特之处。

发明内容

本发明的目的在于提供一种IGBT模块逆变手弧焊机，包括逆变主电路、开关电源电路、IGBT的驱动电路和风扇智能控制电路，逆变主电路中的三相整流后的滤波电解电容和上电缓冲电路的继电器及其控制电路板放置在一个塑料护盒中，并灌注绝缘材料；开关电源电路和IGBT的驱动电路及风扇智能控制电路也放置在一个塑料护盒中，并灌注绝缘材料；本发明是三相供电电源的手工焊设备，采用IGBT模块全桥逆变及其相应的控制技术，可实现焊接电流、引弧电流和推力电流调节和输出电流及状态LED指示，以及手工焊的各项控制要求；实现了三相380V供电电源下采用IGBT模块输出大电流手工电弧焊作业的要求，满足高效和低成本生产高可靠性制造要求。

为实现上述目的采用以下技术方案：

一种IGBT逆变手弧焊机，其特征在于：包括逆变主电路、开关电源电路、IGBT的驱动电路、风扇智能控制电路、微处理器控制电路、输出显示电路、参数给定电路、热保护电路、焊机输出特性控制电路、电流检测和反馈电路、指示灯和最大及最小电路设定电路，其中：

1）逆变主电路中的三相整流后的滤波电解电容和上电缓冲电路的继电器及其控制电路板放置在一个塑料护盒中，并灌注绝缘材料；该塑料护盒通过螺丝固定在中隔板上，滤波电解电容在该电路上上面向中隔板方向焊装，并且，这些电容是穿入中隔板孔的；

2）开关电源电路和IGBT的驱动电路及风扇智能控制电路也放置在另一个塑料护盒中，并灌注绝缘材料，该塑料护盒通过螺丝固定在中隔板上；

3）微处理器控制电路、输出显示电路、参数给定电路、热保护电路、焊机输出特性控制电路、电流检测和反馈电路、指示灯和最大及最小电路设定电路设计在一块控制电路板上，该控制电路板也放置在一个塑料护盒中，并灌注绝缘材料，该塑料护盒固定在前板上。

所述的塑变主电路中的输入三相整流桥和IGBT模块安装在一块散热器上，并且，在该散热器上还安装有一个金属护盒，连接在两个IGBT模块上的两个电容、三相整流桥，以及它们的散热器被这个金属护盒包围在其中；金属护盒、散热器和焊机外壳共同组成一个屏蔽室；可防止导电性粉尘污染IGBT等器件；同时，具有防磁性干扰的作用；

八只快速恢复二极管分为上下两排，每排四只，分别设计有输出整流PCB板I 和输出整流PCB板II与各自相应的快速恢复二极管焊装在一起，在上下两排快速恢复二极管之间，还分别设计有绝缘板I和绝缘板II，以保障快速恢复二极管管脚之间有良好的绝缘性能；

挡风板安装在风扇上，挡风板可构成的良好风道。

上电缓冲电路由一个热敏电阻、三个继电器及其一个保护二极管，以及控制继电器的三极管、稳压管、电解电容和电阻组成；电解电容与输入电阻组成积分电路，通过稳压管和三极管通断，控制三个继电器动作，而继电器上触点控制热敏电阻，由于积分电路有延时，该电路起到了上电缓冲、限制逆变主电路中输入冲击电流的作用。

风扇智能控制电路部分，利用微处理器控制电路，通过控制光耦的工作状态，进而控制三极管的工作状态，实现对风机转动的智能控制；通过检测到的IGBT的散热器的温度来控制风扇工作状态。

本发明焊机的外壳部分主要包括提手、机壳和底板等部分。

本发明焊机的内部部分主要包括：PCB1电路板6及其该电路板上的开关管及其散热器I 7、变压器I 5等器件。PCB1电路板6完成加工后，放置到塑料护盒I 8中，并灌注绝缘材料，可保证PCB1电路板6具有防水、防霉、防振、防腐蚀、防尘的保护性能。塑料护盒I 8通过四个支柱及螺丝固定在其下方的中隔板15上。在PCB2电路板10上，安装和焊接有电容器9、六只电容器11等很多的元器件。这六只电容器11是面向中隔板15焊装的，即在PCB2电路板的焊接面。PCB2电路板的元件面，则是焊装电容器9等众多小尺寸器件的。PCB2电路板10完成加工后，放置到塑料护盒II 12中，并灌注绝缘材料，可保证PCB2电路板21具有防水、防霉、防振、防腐蚀、防尘的保护性能。塑料护盒II 12通过四个支柱及螺丝固定在其下方的中隔板15上。在中隔板15的上方还设置有抗干扰的磁环13和滤波电感14。滤波电感14的制作方式是：两个圆形的磁环重叠在一起，一根导线在两个磁环构成的磁芯上绕制9匝。该导线的一端连接至三相输入整流桥20的“正或+”输出端，而另外一端则连接着PCB2电路板元件面的“正或+”输入端子。磁环13的制作方式是：一个圆形的磁环，二根导线在磁环构成的磁芯上绕制若干匝。其中，一根红色导线的一端连接至焊机输出的“正或+”输出端，而该导线的另外一端则连接着前控制PCB板22；一根黑色导线的一端连接至电抗器28的一端，电抗器28的另一端则是采用大截面积的铜导线连接至焊机输出的“负或-”输出端，而该黑色导线的另外一端则连接着前控制PCB板；输入三相整流桥20和IGBT模块19和21，每个模块中有两个IGBT；IGBT是逆变主电路中的开关器件之一，安装在它们的散热器II 18上；并且，在该部件侧安装有金属护盒III 17，也就是说，两个IGBT模块和连接在IGBT模块上的两个电容、三相整流桥，以及它们的铝散热器被所设计的金属护盒包围在其中。金属护盒、散热器和焊机的外壳共同组成一个屏蔽室。可起到良好的防导电性粉尘污染IGBT等器件的作用，同时，具有防磁性干扰的作用；这在很大程度上可提高焊机的可靠性；八只快速恢复二极管40安装在散热器III 41上，八只快速恢复二极管40分为上下两排，每排四只，分别设计有输出整流PCB板I 39和输出整流PCB板II 36与各自相应的快速恢复二极管进行焊装在一起。在上下两排快速恢复二极管之间，还分别设计有绝缘板I 37和绝缘板II 38，以保障快速恢复二极管管脚之间有良好的绝缘性能，进一步提高焊机的可靠，。需要说明的是：焊机中间机芯部分的散热器III 41是通过绝缘支柱固定在焊机底板29和中隔板15之间的，并且，该散热器与底板29和中隔板15是处于电气隔离或绝缘状态的，电路上是不导通的。逆变主变压器16通过螺丝固定安装在中隔板15的下方，靠近前面板部分。输出滤波电抗器28则是通过螺丝固定安装在底板29上；上述这些主要部分共同组成焊机的机芯。

本发明焊机前面板上安装的零部件主要有：前塑料面板25、前控制PCB板22、前板23、焊接电流调节电位器24、引弧电流调节电位器、推力电流调节电位器、正极性输出焊接电缆耦合器或输出快速接头座组件、负极性输出焊接电缆耦合器或输出快速接头座组件。前控制PCB板22完成加工后，放置到一个塑料护盒中，并灌注绝缘材料，可保证前控制PCB板22具有防水、防霉、防振、防腐蚀、防尘的保护性能。正、负极的输出电缆耦合器或输出快速接头座组件用于分别连接电焊钳焊接电缆和工件夹焊接电缆。连接时的极性（即工件接正还是接负极性输出）可根据电焊条的种类或焊接工艺的要求决定。（过流或过热）保护指示灯位于前控制PCB板22上，用于指示过热或过流状态是否发生。例如，当内部器件温度过高，超过温度继电器的动作温度时，在控制电路的作用下，一方面可使该指示灯点亮。另一方面，可使焊机停止焊接或输出。后面板部分支架I 44上安装的风扇43及其挡风板42等形成良好的冷却风道，其冷却作用会使器件的温度降低。当降低到热保护器的恢复动作温度时，热保护器恢复，焊机过热现象消除。该指示灯熄灭。焊机可再次进行焊接。电流调节电位器用于进行输出电流调节；引弧电流调节电位器用于进行热引弧电流调节；推力电流调节电位器用于进行推力电流调节。前控制PCB板22上的电流表则用于显示电流参数。

本发明焊机后面板上安装的零部件主要有：后塑料面板31、冷却风扇43、三相输入电源空气开关33、电源输入电缆接线端子34及其护盒35、风扇防护罩30、空气开关支架II32部分。电源线通过供电电缆接到焊机的电源电缆接线端子34。电源空气开关33控制焊机电源的通或断。冷却风扇43位于焊机的后部，冷风从焊机机箱后面板后部的进气孔进入。同时，通过挡风板42等构成的良好风道，冷却风扇产生的冷风可对焊机内部的一些发热器件或零部件，、三相整流桥20及它们的散热器II 18、八只快速恢复二极管40及散热器III 41等进行强迫风冷，使它们得到较好的冷却，以保障焊机电路工作的可靠性。

本发明设计了新的焊机控制电路，实现了三相380V供电电源下采用IGBT模块输出大电流手工电弧焊作业的要求，其良好的电路及其结构设计也是本发明的优势所在，也是满足高效和低成本生产、高可靠性、制造技术先进性的重要保障。本发明焊机的设计有自己的独特之处。

附图说明

图1是本发明的分解结构示意图；

图2是焊机的电路原理框图；

图3是焊机电路板PCB2部分的原理图；

图4是焊机电路板PCB2的元器件布局图；

图5是焊机电路板PCB1的电路原理图；

图6是焊机电路板PCB1的元器件布局图；

图7是焊机前控制PCB部分的电路原理图；

附图中各部件的名称如下：1、螺丝；2、手柄；3、外壳；4、螺丝；5、变压器I；6、PCB1电路板；7、散热器I；8、塑料护盒I；9、电容器；10、PCB2电路板；11、电容器；12、塑料护盒II；13、磁环；14、滤波电感；15、中隔板；16、逆变主变压器；17、金属护盒III；18、散热器II；19、IGBT；20、整流桥；21、IGBT；22、前控制PCB板；23、前板；24、电流调节电位器及其旋钮；25、前塑料面板；26、负极性输出快速接头；27、正极性输出快速接头；28、电抗器；29、底板；30、风扇防护罩；31、后塑料面板；32、支架II；33、空气开关；34、输入电缆连接端子；35、护盒；36、输出整流PCB板II；37、绝缘板I；38、绝缘板II；39、输出整流PCB板I；40、快速恢复二极管；41、散热器III；42、挡风板；43、风扇；44、支架I。

具体实施方式

如附图1所示，是利用本发明制成的示例焊机的结构示意图。焊机的主要组成部分包括：

1）外壳部分。零部件主要有：提手2、机壳3和底板29等部分。

2）焊机内部部分。包括：PCB1电路板6及其该电路板上的开关管及其散热器I 7、变压器I 5等器件。PCB1电路板6完成加工后，放置到塑料护盒I 8中，并灌注绝缘材料，可保证PCB1电路板6具有防水、防霉、防振、防腐蚀、防尘的保护性能。塑料护盒I 8通过四个支柱及螺丝固定在其下方的中隔板15上。在PCB2电路板10上，安装和焊接有电容器9、六只电容器11（470μF/400V）等很多的元器件。这六只电容器11（470μF/400V）是面向中隔板15焊装的，即在PCB2电路板的焊接面。PCB2电路板的元件面，则是焊装电容器9等众多小尺寸器件的。PCB2电路板10完成加工后，放置到塑料护盒II 12中，并灌注绝缘材料，可保证PCB2电路板21具有防水、防霉、防振、防腐蚀、防尘的保护性能。塑料护盒II 12通过四个支柱及螺丝固定在其下方的中隔板15上。在中隔板15的上方还设置有抗干扰的磁环13和滤波电感14。滤波电感14的制作方式是：两个圆形的磁环重叠在一起，一根导线在两个磁环构成的磁芯上绕制9匝。该导线的一端连接至三相输入整流桥（75A/1600V等）20的“正或+”输出端，而另外一端则连接着PCB2电路板元件面的“正或+”输入端子。磁环13的制作方式是：一个圆形的磁环，二根导线在磁环构成的磁芯上绕制若干匝。其中，一根红色导线的一端连接至焊机输出的“正或+”输出端，而该导线的另外一端则连接着前控制PCB板22；一根黑色导线的一端连接至电抗器28的一端，电抗器28的另一端则是采用大截面积的铜导线连接至焊机输出的“负或-”输出端，而该黑色导线的另外一端则连接着前控制PCB板。输入三相整流桥20和IGBT模块19、21，每个模块中有两个IGBT。IGBT是逆变主电路中的开关器件之一）安装在它们的散热器II 18上。并且，在该部件侧安装有金属护盒III 17。也就是说，两个IGBT模块和连接在IGBT模块上的两个电容（20μF/800VDC）、三相整流桥，以及它们的铝散热器被所设计的金属护盒包围在其中。金属护盒、散热器和焊机的外壳共同组成一个屏蔽室。可起到良好的防导电性粉尘污染IGBT等器件的作用。同时，具有防磁性干扰的作用。这在很大程度上可提高焊机的可靠性。八只快速恢复二极管40分为上下两排，每排4只，分别设计有输出整流PCB板I 39和输出整流PCB板II 36与各自相应的快速恢复二极管进行焊装在一起。在上下两排快速恢复二极管之间，还分别设计有绝缘板I 37和绝缘板II 38，以保障快速恢复二极管管脚之间有良好的绝缘性能，进一步提高焊机的可靠性。需要说明的是：焊机中间机芯部分的散热器III 41是通过绝缘支柱固定在焊机底板29和中隔板15之间的，并且，该散热器与底板29和中隔板15是处于电气隔离或绝缘状态的，电路上是不导通的。逆变主变压器16通过螺丝固定安装在中隔板15的下方，靠近前面板部分。输出滤波电抗器28则是通过螺丝固定安装在底板29上。上述这些主要部分共同组成焊机的机芯。

3）前面板部分。其零部件主要有：前塑料面板25、前控制PCB板22、前板23、焊接电流调节电位器24、引弧电流调节电位器、推力电流调节电位器、正极性输出焊接电缆耦合器或输出快速接头座组件、负极性输出焊接电缆耦合器或输出快速接头座组件。前控制PCB板22完成加工后，放置到一个塑料护盒中，并灌注绝缘材料，可保证前控制PCB板22具有防水、防霉、防振、防腐蚀、防尘的保护性能。正、负极的输出电缆耦合器或输出快速接头座组件用于分别连接电焊钳焊接电缆和工件夹焊接电缆。连接时的极性（即工件接正还是接负极性输出）可根据电焊条的种类或焊接工艺的要求决定。（过流或过热）保护指示灯位于前控制PCB板22上，用于指示过热或过流状态是否发生。例如，当内部器件温度过高，超过温度继电器的动作温度时，在控制电路的作用下，一方面可使该指示灯点亮。另一方面，可使焊机停止焊接或输出。后面板部分支架I 44上安装的风扇43及其挡风板42等形成良好的冷却风道，其冷却作用会使器件的温度降低。当降低到热保护器的恢复动作温度时，热保护器恢复，焊机过热现象消除。该指示灯熄灭。焊机可再次进行焊接。电流调节电位器用于进行输出电流调节；引弧电流调节电位器用于进行热引弧电流调节；推力电流调节电位器用于进行推力电流调节。前控制PCB板22上的电流表则用于显示电流参数。

4）后面板部分。零部件主要有：后塑料面板31、冷却风扇43、三相输入电源空气开关33、电源输入电缆接线端子34及其护盒35、风扇防护罩30、空气开关支架II 32部分。电源线通过供电电缆接到焊机的电源电缆接线端子34。电源空气开关33控制焊机电源的通或断。冷却风扇43位于焊机的后部，冷风从焊机机箱后面板后部的进气孔进入。同时，通过挡风板42等构成的良好风道，冷却风扇产生的冷风可对焊机内部的一些发热器件或零部件，如IGBT模块（19和21）、三相整流桥20及它们的散热器II（18）、八只快速恢复二极管40（每只管60A/400V等规格）及散热器III 41等进行强迫风冷，使它们得到较好的冷却，以保障焊机电路工作的可靠性。

本发明焊机电路的工作原理简述如下：

如附图2所示。三相380V，50/60Hz供电电源通过开关S1输入到焊机的输入端。电源开关接通电网电源后，焊机通电。前面板上的白色电源指示灯点亮。从电网来的交流电，经三相整流桥整流后，变为脉动直流电。对大电解电容（470μF/400V。附图2中的右上角部分表示的是4只电容。也可以变化为六只电容，见附图1和附图3～附图4所示）进行充电，电压逐渐升高，最后变为较为稳定的直流电VCC，再输出到后级电路。

如附图3、附图2所示。上电缓冲限流热敏电阻RT1和继电器J4～J6（其触点也标识为J4～J6），以及该继电器的控制电路（包括三极管Q61；稳压管Z1；电容C8；电阻R5～R6），共同组成焊机的上电缓冲控制电路。J4～J6继电器会在电源开关接通，一定延时时间后动作，其触头J4～J6闭合或短路RT1热敏电阻。注意：附图2中没有表达出上述电阻RT1、继电器及其控制电路。阅读图时，请留意！J4～J6继电器的动作时间是滞后于电源开关S1合上时刻的，即 J4～J6继电器是延时动作的。J4～J6继电器的延时是由其控制电路来实现的。470μF/400V大电解电容起着滤波的作用。470μF/400V大电解电容的充电，先经过RT1热敏电阻，之后再短接RT1热敏电阻。当470μF/400V大电解电容上的充电电压稳定后，该继电器才动作，其触头闭合RT1热敏电阻，使本发明焊机正常逆变工作时，大电流是从继电器的触头流过的。这样的控制电路称为上电缓冲电路。主要是防止电源开关接通瞬间，由于470μF/400V大电解电容上没有电压，相当于短路，会形成较大的浪涌电流，烧坏电源开关。而上电缓冲电路的作用，就是通过合闸瞬间串入RT1热敏电阻，来限制浪涌电流的。并且，RT1热敏电阻的阻值，是随其温度上升而增大的。因此，上电缓冲电路可起到较好的保护作用。

470μF/400V大电解电容滤波电路和上述上电缓冲控制电路部分设计为一块控制板，也就是附图1中的PCB2电路板10。该电路板上元器件的布局图见附图4所示。附图4中J1接线端子对应三相整流桥输出的“+”极性端；J2接线端子对应三相整流桥输出的“-”极性端。

全桥逆变主电路由电源开关S1、三相整流桥、RT1热敏电阻、J4～J6继电器及其触点、470μF/400V大电解电容滤波电路、两个IGBT模块、逆变主变压器T、两组D（60APU04×4）快速恢复二极管等构成的输出整流电路、滤波电抗器L等部分组成。由输出正极和输出负极端输出焊接电流和电压。

如附图3、附图2所示。经过整流和大电解电容滤波后的VCC直流高电压供给由两个IGBT模块、逆变主变压器T、两组D（60APU04×4）快速恢复二极管等组成的全桥逆变主电路。其功能主要为：高压直流电转换为中频（几十KHz）交流电。逆变变压器B实现电压降压和大电流输出的变换。两组D（60APU04×4）快速恢复二极管则是把逆变变压器输出的中频交流电变换为直流电。逆变初级的电流检测互感器（200:1）用于检测逆变主变初级的电流大小，实现逆变初级或母线过流的反馈控制；电抗器L对输出的电流进行滤波。附图2中输出端部分连接的22R/5W电阻和472/2KV电容为阻容串联保护电路，用于保护快恢复二极管，防止其过压击穿。实际上，在输出整流PCB板I（附图1中的39）和输出整流PCB板II（附图1中的36）上，这样的阻容串联保护电路在电路板的两端分别设置一组。这样，两块整流PCB板上就有四组阻容串联保护电路；正、负极输出端对地（机架）连接的Y1电容（103M）为抗干扰电容，以保障输出控制回路不受来自焊接回路的干扰信号的影响。

附图2中的GA338D805A电路部分实际上就是附图1中的PCB1电路板部分。也就是附图5的部分。附图5部分的电路，按照其功能来说，主要分为三个部分。一是IGBT的驱动电路；二是开关电源电路；三是三相输入电源缺相保护控制电路。

附图2中的GA338D813A电路部分实际上就是附图1中的前控制PCB板22部分。也就是附图7的部分。附图7部分的电路，按照其功能来说，主要分为三个部分。一是焊接电流给定、引弧电流给定、推力电流给定电路；二是微处理器控制的焊接电流参数显示控制电路；三是焊机输出特性控制电路。

附图5中，驱动变压器，Q9~Q12 、Q2~Q3和Q6~Q7三极管，D14~D7二极管、Z34~Z37和Z19~Z30稳压管，以及它们外围的电阻、电容等器件组成IGBT的驱动电路部分。4个IGBT，每个IGBT的驱动电路形式是一致的。该部分电路，输入的控制信号通过附图5中J45插头引入，它们来自附图7中CN8插头部分，即输出特性等控制电路（GA338D813A）中的U2 PWM脉冲宽度调制芯片（UC3846）的A OUT和B OUT输出端。由于U2芯片输出的信号驱动功率小，故需要经过驱动功率电路进行放大，再通过驱动变压器及其外围的驱动电路去控制4个IGBT的工作状态。U2脉冲宽度调制（PWM）芯片（UC3846）输出的控制信号是两组方波脉冲信号。两组方波脉冲信号在时间上有一个固定的时间差，专业上也称为死区时间。是保障IGBT两组开关交替工作的重要参数之一。该时间是通过UC3846芯片的外围器件（RT端的电阻；CT端的电容）参数设置而确定的。至于如何确定，需要查看UC3846的相关使用资料或说明。这里不再重复。这里需要说明的是：PWM脉冲宽度调制信号是决定焊机逆变主电路输出电压和电流大小的信号。而PWM脉冲宽度调制信号则受焊机的电流调节给定信号Ug和电流负反馈信号Ufi决定。

关于附图5中的开关电源控制电路部分。该开关电源电路由开关电源变压器、T3开关管、PWM脉冲宽度调制器（UC3842），D25~D27二极管，D19、D36和D39快速二极管、U18（7915）集成稳压器，以及它们周围的电阻、电容、光耦、晶闸管等器件组成。开关电源电路产生+15V、-15V、+24V电源电压，供给相应的控制电路等带电工作。对于开关电源电路部分，由于T3开关管与开关电源变压器的初级绕组，以及它们周围的稳压管、二极管、快速二极管、很多电阻和电容等组成的电路，是属于高压回路的。为确保控制电路的安全，在附图5中，采用了U11和U19（817）光电耦合器进行隔离。开关电源PWM控制板的核心控制芯片是UC3842 PWM脉冲宽度调节器。其外围的电阻、电容可设定其工作的相关参数。至于如何确定，需要查看UC3842的相关使用资料或说明。这里不再重复。总之，UC3842 PWM脉冲宽度调节器输出的脉冲为一定工作频率的驱动脉冲，可使附图5中的T3管处于通断工作状态。在开关电源变压器的电压输出电路部分，分别获得+15V、+24V、-15V电源电压。供给不同的器件和电路使用。例如，+24V通过J30插头供给风扇工作；+24V通过J31插头供给PCB2板的J6端子，即对J4～J6继电器供电；+15V、-15V电源电压供给其它控制电路等。

关于开关电源这部分的工作原理，以上部分只是进行了简单的说明。如果需要了解本电路部分详细的工作情况，涉及到开关电源的很多知识。读者可查询相关的开关电路书籍或资料作进一步的了解。这里不再详细说明。

由开关电源部分的电路及原理可知，本发明没有采用一般的控制变压器和相关的电压变换电路来产生上述多个电源电压。开关变压器的体积和尺寸、重量远小于一般的控制变压器，这就降低本发明焊机的成本，提升了焊机的技术附加值。

关于风扇的智能控制电路，具体设计是：通过J44插头连接到风扇，利用附图7中的微处理器控制电路，通过控制光耦U19的工作状态，进而控制三极管Q8的工作状态，可以实现对风机转动的智能控制。例如，焊机长时间空载未焊接时，由于散热器和IGBT等器件温度比较低，因此，根据检测到的器件（如IGBT的散热器）温度比较低这一特征，微处理器控制系统可关闭风扇的运转。如果检测到的器件温度较高，则及时启动风扇进行冷却。这就实现了风扇状态的智能控制，使焊机产品达到了进一步节能的目的。

关于附图5中的三相输入电源缺相保护控制电路，该部分主要由光耦U12和U13、二极管D37和D38、电阻R49～R50和R69～R70以及R147，还有开关电源电路中相关的电子元器件组成。通过J36插头，连接至三相输入电源。当三相供电电源中的某一相出现缺相现象时，通过光耦U12和U13、三极管T1和Q1及其外围的控制电路，可使附图5右下角的开关电源控制芯片UC3842 的1脚软启动端电平状态变化，进而关闭开关电源的输出。从而实现焊机的缺相保护控制功能。这就进一步保障了焊机工作的可靠性。

见附图2和附图7所示。附图2中的电流检测互感器（200:1）连接至附图7中的CN7插头。电流检测和整流变换电路由电流检测互感器（200:1）、（附图7中）D7~D10二极管、（附图7中）电阻R46~R49及其外围的一些元器件等组成。通过电流检测、整流变换，最后输出电流负反馈信号Ufi。连接至输出特性控制电路中。附图7中的CN6插头，是为连接输出电流检测用的霍尔传感器而预留的接口。也就是说，本焊机设计的电路，既可采用电流检测互感器（200:1），也可使用霍尔传感器。这就为多种应用奠定了设计基础。

见附图7，输出特性控制电路由U2 PWM脉冲宽度调制芯片（UC3846）、运算放大器，以及这些器件外围的很多电阻、电容和二极管等器件组成。

见附图7，给定电路由输出电流调节电位器RP3、推力电流调节电位器RP2、热引弧电流调节电位器RP1、微处理器控制电路，以及外围的电阻、电容等器件组成。各个给定信号通过AD端子输入到微处理器控制电路。在微处理器控制的显示电路作用下，最终控制焊机逆变主电路输出的控制给定信号Ug由微处理器控制电路的PA4（DA）接口输出。焊机的输出焊接电流由数码管U1显示。最大输出电流校正电位器为VR1。最小输出电流校正电位器为VR2。最大输出电流校正电位器为VR1。通过与给定电流电位器的配合，可使焊机的输出电流符合铭牌中电流变化范围的要求。

见附图7，输出电流的显示和控制电路由微处理器IC1（STM32F051C8T6）、数码管U1（CPS5631AG）及其外围的一些电阻、电容等器件组成。也就是附图1中前控制PCB电路板部分中部分电路的原理图。其原理是：+5V通过U稳压器电路产生+3.3V电源，供给微处理器电路工作使用。SIP接口为微处理器的程序烧写接口。通过它，采用程序烧写器，把微处理器的控制软件写入单片机中。在微处理器系统电路的控制下，可采样来自AD的控制信号，包括电流给定、推力电流和引弧电流给定等。根据给定电流的信号大小，在控制软件的作用下，把相应的电流值通过数码管U1（CPS5631AG）进行显示。由于给定的电流值与实际输出的电流值是可以通过电位器校正准确的，因此，调节的电流给定值实际上也是输出电流值。此外，由于采用了微处理器电路控制系统，因此，很容易实现焊机输出电流的预置。也就是说，在没有进行焊接时，调节和显示在电流表中的电流值就是焊接时的实际电流。无需通过试焊来确定输出电流。这样就极大方便了用户的操作。

见附图7，热保护检测和控制电路由温度继电器、电阻R8～R10、电容C6～C8，IC1（STM32F051C8T6）和IC7（SM1668）及热保护指示LED（黄色）灯等器件组成微处理器控制电路共同构成。温度继电器WJ连接在附图7中左上角的CN1～CN3接口。温度继电器可以紧贴IGBT的散热器、输出快恢二极管散热器等温度检测部位进行安装。例如，在焊机输出过程中，当IGBT的散热器发生过热现象时，温度继电器动作。此时，微处理器控制电路能够检测到其工作状态，于是会进行相应的控制。可使过热保护LED（黄色）指示灯点亮，指示焊机发生过热保护。同时，通过PB12（IO-OUT）口输出高电平信号，关闭U2 PWM芯片的脉冲输出，使焊机停止输出电流。在冷却风机的作用下，当过热现象消除时，控制电路才能继续输出PWM控制信号。同时过热指示灯熄灭。这就实现了焊机过热保护。

本发明焊机手工电弧焊输出特性的控制过程简述如下：

焊机后面板的开关S1合上接通供电电源极短的时间后（此期间，焊机电路进行上电缓冲控制， J4～J6继电器有一定的延时控制），焊机内部的上述各控制板带电工作。前面板上的白色电源指示LED灯亮，指示焊机带电。

在控制电路的作用下，焊机内部的U2 PWM脉冲宽度控制电路产生一个占空比较大的脉冲信号，使IGBT的驱动电路工作，使IGBT处于交替导通状态，最终使逆变主电路输出空载电压。当操作者调节好前面板上焊接电流的给定电位器，并进行焊接时，通过电流检测环或电流互感器（200:1），由电流检测和整流变换电路可检测到逆变主电路中的变压器初级电流信号，即电流负反馈信号Ufi。该电流负反馈信号Ufi，与焊接电流控制给定信号Ug进行比较。比较后的差值信号，通过输出特性控制电路，进行PI（比例和积分）调节控制。其输出的结果控制U2 PWM芯片的脉冲宽度或占空比输出。通过IGBT的驱动电路，控制逆变主电路中IGBT的通断时间，最终决定焊机输出电流和电压的大小，实现输出电流参数的准确控制。并使焊机的输出特性为恒流带外拖的下降特性。进一步地说，当焊接电流控制给定信号Ug不变时，随着焊机电路检测到的负反馈Ufi电流信号增加，并且，达到给定的设定值后，焊接电流控制给定Ug信号与Ufi电流负反馈控制信号的差值会随电流增加而减小，通过PI控制后，使焊机输出PWM芯片的脉冲宽度或占空比减小，焊机的输出电压降低。这一过程，也就是所谓的电流截止负反馈控制。即只有当电流达到焊接电流电位器的设定值后才起作用的反馈控制。此后，随着电流微小的增加，电压降低会很多。当焊机输出电压下降到16V以下时，随着电压的降低，控制电路可使U2 PWM芯片的脉冲宽度或占空比增加，使焊接电流按照设定的参数增大，最终形成恒流带外拖的下降特性。外拖部分电流可提高推力电流电位器进行调节；焊接时的引弧电流则通过引弧电流电位器进行调节。当焊接电流给定信号变化时，电流截止负反馈设定值不同，但其它的控制过程是类似的。这样，在电位器设定的最小和最大之间，就可获得无数条下降特性曲线。这样的控制，也是满足手工电弧焊接的基本要求。

关于焊机其它部分电路的工作过程，由于以上部分已经进行了许多说明。这里就不再详细赘述了。

以上是本发明各电路部分及焊接方法的简要控制过程说明。因阐述电路原理比较复杂。以上仅给出控制的一些主要方法、思想和结果。但由于本发明已给出了详细的电路原理图，因此对于有电路阅读能力（或具备相关电路知识）的人来说，是完全可以读懂的。电路图也是一种无声的语言。但对于没有电路阅读能力（或不具备相关电路知识）的人来说，即使解释的再多，他们也是难以理解的。鉴于篇幅的关系，本专利说明书只能阐述主要的部分，以使专利说明书阅读人能够更好地理解相关的工作原理和过程。

通过上述说明可见，本发明电路设计新颖，有自己独特的设计思路和方法。可实现IGBT逆变手工电弧焊作业的要求。焊机具有低成本和高可靠性等优点。本发明焊机的设计有自己的独特之处。也是申请本专利保护的根本目的所在。

以上内容是结合具体的焊机结构和电路控制功能对本发明所作的详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对本发明所述技术领域的其他技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干其它的推演和变换，这些都应该视为属于本发明保护的范畴。

Claims (6)

1.一种IGBT逆变手弧焊机，其特征在于：包括逆变主电路、开关电源电路、IGBT的驱动电路、风扇智能控制电路、微处理器控制电路、输出显示电路、参数给定电路、热保护电路、焊机输出特性控制电路、电流检测和反馈电路、指示灯和最大及最小电路设定电路， 其中：

1）逆变主电路中的三相整流后的滤波电解电容和上电缓冲电路的继电器及其控制电路板放置在一个塑料护盒中，并灌注绝缘材料；该塑料护盒通过螺丝固定在中隔板上，滤波电解电容在该电路上上面向中隔板方向焊装，并且，这些电容是穿入中隔板孔的；

2）开关电源电路和IGBT的驱动电路及风扇智能控制电路也放置在另一个塑料护盒中，并灌注绝缘材料，该塑料护盒通过螺丝固定在中隔板上；

3）微处理器控制电路、输出显示电路、参数给定电路、热保护电路、焊机输出特性控制电路、电流检测和反馈电路、指示灯和最大及最小电路设定电路设计在一块控制电路板上，该控制电路板也放置在一个塑料护盒中，并灌注绝缘材料，该塑料护盒固定在前板上。

2.如权利要求1所述的一种IGBT逆变手弧焊机，其特征在于：所述的塑变主电路中的输入三相整流桥和IGBT模块安装在一块散热器上，并且，在该散热器上还安装有一个金属护盒，连接在两个IGBT模块上的两个电容、三相整流桥，以及它们的散热器被这个金属护盒包围在其中；金属护盒、散热器和焊机外壳共同组成一个屏蔽室；可防止导电性粉尘污染IGBT等器件；同时，具有防磁性干扰的作用。

3.如权利要求2所述的一种IGBT逆变手弧焊机，其特征在于：八只快速恢复二极管分为上下两排，每排四只，分别设计有输出整流PCB板I 和输出整流PCB板II与各自相应的快速恢复二极管焊装在一起，在上下两排快速恢复二极管之间，还分别设计有绝缘板I和绝缘板II，以保障快速恢复二极管管脚之间有良好的绝缘性能。

4.如权利要求1所述的一种IGBT逆变手弧焊机，其特征在于：挡风板安装在风扇上，挡风板可构成的良好风道。

5.如权利要求1所述的一种IGBT逆变手弧焊机，其特征在于：上电缓冲电路由一个热敏电阻、三个继电器及其一个保护二极管，以及控制继电器的三极管、稳压管、电解电容和电阻组成；电解电容与输入电阻组成积分电路，通过稳压管和三极管通断，控制三个继电器动作，而继电器上触点控制热敏电阻，由于积分电路有延时，该电路起到了上电缓冲、限制逆变主电路中输入冲击电流的作用。

6.如权利要求1所述的一种IGBT逆变手弧焊机，其特征在于：风扇智能控制电路部分，利用微处理器控制电路，通过控制光耦的工作状态，进而控制三极管的工作状态，实现对风机转动的智能控制；通过检测到的IGBT的散热器的温度来控制风扇工作状态。