CN106975821A - 一种带空载电压和多种保护控制功能的igbt逆变焊机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带空载电压和多种保护控制功能的IGBT逆变焊机，焊机是三相供电电源的焊接设备，采用IGBT单管全桥逆变及其相应的控制技术，可实现IGBT单管逆变手工电弧焊或手工焊/氩弧焊作业的要求，与市场上的其它焊机产品相比，本发明焊机电路具有空载电压控制、VRD功能，短路保护、缺相保护、三路过热保护，高压电流抑制等控制功能，可实现焊接电流、引弧电流和推力电流调节和输出电流微处理器数字显示，以及状态LED指示，具有性能好、低成本、多种保护措施、高可靠性等优点。

Description

一种带空载电压和多种保护控制功能的IGBT逆变焊机

技术领域

本发明涉及一种带空载电压和多种保护控制功能的IGBT逆变焊机，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，不仅体现在性能和价格的竞争优势上，还在很大程度上取决于焊机的可靠性。而性能和可靠性是由控制电路和结构设计决定的。

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设计，其产品的性能、可靠性、生产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输出（如315A等）、低成本下产品的上述问题，是研发人员面临的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一种带空载电压和多种保护控制功能的IGBT逆变焊机，焊机控制电路和结构可实现IGBT单管逆变手工电弧焊或手工焊/氩弧焊作业的要求，焊机具有性能好、低成本、多种保护措施、高可靠性等优点。

为实现上述目的采用以下技术方案：

一种带空载电压和多种保护控制功能的IGBT逆变焊机，包括外壳部分和内部部分，其特征在于：内部部分包括上方的中隔板、底部的支架I和控制电路，

1）在中隔板上设置有PCB1电路板和三相整流桥，PCB1电路板放置到塑料护盒I中，并灌注绝缘材料该塑料护盒通过螺丝固定在焊机内部的中隔板上；三相整流桥安装在其散热器上，该散热器通过四个螺丝固定在中隔板上，中隔板为金属隔板；

2）支架I上设置有IGBT逆变控制板、输出整流PCB板I和输出整流PCB板II，八只IGBT管安装在它们对应的散热器上，三个散热器通过螺丝固定在一塑料护盒II上，IGBT的管脚则焊接在IGBT逆变控制板上，在该电路板上还安装和焊接有IGBT驱动变压器、继电器和四只电容器，四只电容器是面向塑料护盒，焊装在IGBT逆变电路板上的， IGBT逆变电路板是放置在塑料护盒内，IGBT逆变电路板被塑料护盒II包围在其中，塑料护盒II通过压片和螺丝固定在其下方的支架I上，塑料护盒和焊机的外壳对应面可共同组成一个保护室；有六只输出快速恢复整流二极管分为上下两排，每排三只，分别与输出整流PCB板I和输出整流PCB板II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，以保障快速恢复二极管管脚之间有良好的绝缘性能，速恢复整流二极管和输出整流PCB板I和输出整流PCB板II通过散热器V固定在支架I上。

2所述的PCB1电路板上设置有焊机开关电源和缺相保护控制电路，该电路包括四个电阻，一个稳压管、三极管、光耦和二个电容，当焊机输出较高空载电压时，稳压管击穿、稳压，光耦中的输出级三极管导通，于是三极管导通，可使控制电路控制芯片的电平被拉至低电平，使控制芯片关闭其PWM脉冲波形，焊机逆变主电路停止输出。

所述的控制电路是通过三块电路控制板，分别是开关电源和缺相保护控制电路、IGBT逆变控制电路和前面板控制电路，开关电源和缺相保护控制电路设置在PCB1电路板上，IGBT逆变控制电路设置在IGBT逆变控制板上，前面板控制电路设置在前控制PCB板上。

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电路板及其该电路板上的开关管及其散热器IV 6、变压器I、电容器，PCB1电路板完成加工后，放置到塑料护盒I中，并灌注绝缘材料，可保证PCB1电路板具有防水、防霉、防振、防腐蚀、防尘的保护性能。塑料护盒I通过四个支柱及螺丝固定在其下方的中隔板上，输入三相整流桥安装在其散热器I上。而该散热器I则通过四个螺丝固定在中隔板上；由于中隔板是金属的，外加上散热器I，这就加强了输入三相整流桥的散热条件，可保障该整流桥的工作可靠性。八只IGBT模块安装在它们对应的散热器II、散热器III和散热器IV上，这三个散热器通过螺丝固定在塑料护盒II上，IGBT的管脚则焊接在IGBT逆变控制板上，在IGBT逆变电路板18上，还安装和焊接有变压器I、变压器II、、四只电容器等很多的元器件，这四只电容器是面向塑料护盒II，焊装在IGBT逆变电路板上的，即在该电路板的焊接面。该电路板的元件面。也就是说，IGBT逆变电路板是放置在塑料护盒II内的。IGBT逆变电路板被所设计的塑料护盒II包围在其中。塑料护盒II通过压片和螺丝固定在其下方的金属支架I上。塑料护盒II和焊机的外壳对应面可共同组成一个保护室。可起到良好的防止导电性粉尘污染IGBT及其电路板上器件的作用。同时，由于材料是塑料的，因此也就保障了上述电路部分的绝缘性能和爬电距离。这在很大程度上可提高焊机的可靠性。六只输出快恢复整流二极管分为上下两排，每排三只，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，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输出快恢复整流二极管26及其散热器V 25部分是通过绝缘支柱固定在焊机的支架I上的。也就是说，该部分与金属支架I和底板等部分是处于电气隔离或绝缘状态的，电路上是不导通的。而散热器V通过金属导体（如铜排或铝排）连接到焊机的输出“正或+”极性端。在中隔板的上方还设置有输入电源抗干扰的磁环。磁环的制作方式是：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三相输入整流桥的“正或+”输出端，而该导线的另外一端则连接至PCB1电路板对应的接线处；一根黑色导线的一端连接至三相输入整流桥20的“负或-”输出端，而该导线的另外一端则连接至PCB1电路板对应的接线处。逆变主变压器通过螺丝固定安装在中隔板的下方，靠近前面板部分。逆变主变压器的次级绕组是带中心抽头的。其中心抽头通过连接导线连接至焊机的输出“负或-”极性端。其初级则按照逆变主电路的原理图连接至IGBT开关部分。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、前控制PCB板、前板、焊接电流调节电位器、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。连接时的极性可根据电焊条的种类或焊接工艺的要求决定。保护指示灯位于前控制PCB板上，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。后面板部分安装的风扇45的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、冷却风扇、三相输入电源空气开关、电源输入电缆接线端子及其护套、风扇防护罩、空气开关支架II部分。电源线通过供电电缆接到焊机的电源电缆接线端子。电源空气开关控制焊机电源的通或断。冷却风扇位于焊机的后部，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及其散热器、三相整流桥10及它的散热器I、六只快速恢复二极管及散热器V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，可实现IGBT单管逆变手工电弧焊或手工焊/氩弧焊作业的要求，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。本发明专利申请保护的内容就在于保护这种焊机的电路和结构设计。

附图说明

图1是本发明制成的焊机的分解结构示意图；

图2是本发明焊机的电路原理框图；

图3是焊机的IGBT逆变控制板电路原理图；

图4是焊机的开关电源和缺相保护控制电路原理图；

图5是焊机前面板控制电路的原理图；

图6是焊机IGBT逆变控制板的元器件布局图；

图7是焊机开关电源和缺相保护控制控制板的元器件布局图；

图8是焊机前控制PCB板的元器件布局图；

附图中各部件名称如下：1、螺丝；2、提手；3、外壳；4、螺丝；5、变压器I；6、散热器VI；7、电容器；8、电路板PCB1；9、塑料护盒I；10、整流桥；11、散热器I；12、磁环；13、中隔板；14、逆变主变压器；15、散热器II；16、散热器III；17、电容器；18、IGBT逆变控制板；19、变压器I；20、变压器II；21、继电器；22、IGBT；23、塑料护盒II；24、散热器IV；25、散热器V；26、输出快恢复整流二极管；27、输出整流PCB板I；28、绝缘板I；29、绝缘板II；30、输出整流PCB板II；31、支架I；32、前控制PCB板；33、前板；34、电位器及其旋钮；35、前塑料面板；36、正极性输出快速接头；37、负极性输出快速接头；38、底板；39、风扇防护罩；40、后塑料面板；41、开关；42、支架II；43、输入电缆连接端子；44、电缆连接端子的护盒；45、风扇。

具体实施方式

如附图1所示，是利用本发明制成的示例手工焊焊机的结构示意图。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38等部分。

2）焊机内部部分。包括：PCB1电路板8及其该电路板上的开关管及其散热器IV 6、变压器I 5、电容器7等器件。PCB1电路板8完成加工后，放置到塑料护盒I 9中，并灌注绝缘材料，可保证PCB1电路板8具有防水、防霉、防振、防腐蚀、防尘的保护性能。塑料护盒I 9通过四个支柱及螺丝固定在其下方的中隔板13上。输入三相整流桥（MDS，75A/1600V）10安装在其散热器I 11上。而该散热器I 11则通过四个螺丝固定在中隔板13上。由于中隔板13是金属的，外加上散热器I 11，这就加强了输入三相整流桥10的散热条件，可保障该整流桥的工作可靠性。8只IGBT模块（22，IGBT是逆变主电路中的开关器件之一）安装在它们对应的散热器II 15、散热器III 16和散热器IV 24上。这三个散热器通过螺丝固定在塑料护盒II 23上。IGBT的管脚则焊接在IGBT逆变控制板18上。在IGBT逆变电路板18上，还安装和焊接有变压器I 19、变压器II 20、继电器（GK-A-1A-24D3HD）21、IGBT22（40A/1200V等，8只）、4只电容器17（470μF/400V）等很多的元器件。这4只电容器17（470μF/400V）是面向塑料护盒II，焊装在IGBT逆变电路板18上的，即在该电路板的焊接面。该电路板的元件面。也就是说，IGBT逆变电路板18是放置在塑料护盒II 23内的。IGBT逆变电路板18被所设计的塑料护盒II 23包围在其中。塑料护盒II 23通过压片和螺丝固定在其下方的金属支架I 31上。塑料护盒II23和焊机的外壳3对应面可共同组成一个保护室。可起到良好的防止导电性粉尘污染IGBT及其电路板18上器件的作用。同时，由于材料是塑料的，因此也就保障了上述电路部分的绝缘性能和爬电距离。这在很大程度上可提高焊机的可靠性。6只输出快恢复整流二极管（60A/400V等）26分为上下两排，每排3只，分别设计有输出整流PCB板I 27和输出整流PCB板II 30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 28和绝缘板II 29，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输出快恢复整流二极管26及其散热器V 25部分是通过绝缘支柱固定在焊机的支架I 31上的。也就是说，该部分与金属支架I 31和底板38等部分是处于电气隔离或绝缘状态的，电路上是不导通的。而散热器V 25通过金属导体（如铜排或铝排）连接到焊机的输出“正或+”极性端。在中隔板13的上方还设置有输入电源抗干扰的磁环12。磁环12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三相输入整流桥（75A/1600V等）20的“正或+”输出端，而该导线的另外一端则连接至PCB1电路板8对应的接线处；一根黑色导线的一端连接至三相输入整流桥20的“负或-”输出端，而该导线的另外一端则连接至PCB1电路板8对应的接线处。逆变主变压器14通过螺丝固定安装在中隔板13的下方，靠近前面板部分。逆变主变压器14的次级绕组是带中心抽头的。其中心抽头通过连接导线连接至焊机的输出“负或-”极性端。其初级则按照逆变主电路的原理图连接至IGBT开关部分。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35、前控制PCB板32、前板33、焊接电流调节电位器34、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36、负极性输出焊接电缆耦合器或输出快速接头座组件37。前控制PCB板32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32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32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。后面板部分安装的风扇45的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32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40、冷却风扇45、三相输入电源空气开关41、电源输入电缆接线端子43及其护套44、风扇防护罩39、空气开关支架II 42部分。电源线通过供电电缆接到焊机的电源电缆接线端子43。电源空气开关41控制焊机电源的通或断。冷却风扇45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 22及其散热器（15、16和24）、三相整流桥10及它的散热器I 11、6只快速恢复二极管26（每只管60A/400V等规格）及散热器V 25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）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。附图2中的左上部分表示的是4只电容。也就是附图3中的C5～C8这4只电容。实际上，附图2中三相整流桥与这4只电容之间，是有上电缓冲电路部分的。即有附图3中的RT1热敏电阻、继电器J1的触头J1B。只是附图2中简化了，没有画出了。如附图3、附图2所示。上电缓冲限流热敏电阻RT1和继电器J1（其触点标识为J1B），以及该继电器的控制电路（包括三极管Q1；稳压管Z1；电容C1；电阻R1～R2），共同组成焊机的上电缓冲控制电路。J1继电器会在电源开关接通，一定延时时间后动作，其触头J1闭合或短路RT1热敏电阻。附图2中没有表达出上述电阻RT1、继电器及其控制电路。J1继电器的动作时间是滞后于电源开关S1合上时刻的，即 J1继电器是延时动作的。J1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在附图1中的IGBT逆变控制板18。

全桥逆变主电路由电源开关S1、三相整流桥、RT1热敏电阻、J1继电器及其触点、470μF/400V大电解电容滤波电路、8个IGBT（附图3中的T1B、T1C、T2A、T2B、QT3A、T3B、T4A和T4B）、逆变主变压器T、两组D（60APU04，6只）快速恢复二极管等构成的输出整流电路等部分组成。由输出正极和输出负极端输出焊接电流和电压。由附图1、附图2和附图3可见，逆变主电路中的一些器件（IGBT、电解电容等）也是设计在附图1中的IGBT逆变控制板18上的。

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IGBT、逆变主变压器T、两组D（60APU04，6只）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T实现电压降压和大电流输出的变换。两组D（60APU04，6只）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。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27）和输出整流PCB板II（附图1中的30）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GA338D793A电路部分实际上就是附图1中的IGBT逆变控制板18部分。也就是附图3的部分。附图3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；二是上电缓冲控制电路；三是逆变主电路的一部分。

附图2中的GA338D791A电路部分实际上就是附图1中的电路板PCB1部分。也就是附图4的部分。附图4部分的电路，按照其功能来说，主要分为二个部分。一是开关电源电路部分；二是三相输入电源缺相保护控制电路部分。

附图2中的GA338D792A电路部分实际上就是附图1中的前控制PCB板32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，主要分为五个部分。一是焊接电流给定、引弧电流给定、推力电流给定电路等部分；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；四是过热保护和缺相保护控制部分；五是空载电压和短路保护等控制部分。

见附图5，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2和附图5所示。附图2中的电流检测互感器（200:1）连接至附图5中下部的D83~D84、D86~D87组成的整流桥输入端。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U2（UC3846）PWM为核心的焊机输出特性控制电路中，作为负反馈控制信号，参与焊机的输出电流控制过程。

关于附图4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、1Q1开关管、IC2 PWM脉冲宽度调制器（TL3842），1D5~1D6二极管，1D8、1D16和1D17快速二极管、1IC5（79L15）和1Q5（7815）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1Q1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4中，采用了1IC2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TL3842 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TL3842的相关使用资料或说明。这里不再重复。总之，3842 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4中的1Q1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1CN2～1CN4插头分别供给风扇、继电器等工作；1CN8接口的+15V、-15V电源电压连接到附图5中的CN6接口，供给其控制电路等。

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。

附图3中，驱动变压器T1（分为T1A、T1B和T1C）和T2（分为T2A、T2B和T2C），Q2~Q5 三极管，D2~D9二极管、Z2~Z8稳压管、U1和U2驱动芯片，以及它们外围的电阻、电容等器件组成IGBT的驱动电路部分。8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3中CN2插头引入，它们来自附图5中CN8插头部分，即输出特性等控制电路中的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8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控制给定信号Ug和电流负反馈信号Ufi决定。

附图5中，CN2插头是连接到+24V电源的。CN1插头则是连接到焊机输出端的，其中CN1-1是焊机输出的“负或-”极性端，CN1-2是焊机输出的“正或+”极性端。

见附图5，给定电路由输出电流调节电位器RP3、推力电流调节电位器RP1（ArcForce）、热引弧电流调节电位器RP2(hot start),以及外围的电阻、电容等器件组成。最大输出电流校正电位器为RP13。最小输出电流校正电位器为RP14。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5，输出电流的显示和数据校正控制电路由微处理器U8、数码管U11及其外围的一些电阻、电容等器件组成。其原理是：在微处理器系统电路的控制下，可采样来自RP3电位器的焊接电流给定控制信号，根据给定电流的信号大小，在微处理器控制软件的作用下，把相应的电流值通过数码管U11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RP15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。

附图5中，对于手工焊时的电弧推力控制电路，它由电阻R10～R11、R1～R2，RP1推力电流给定电位器、校正电位器RP11、光耦U23、稳压管VD31，电容C2和C14，CN1和CN2插头及其连接的电路部分组成。由于CN1插头是连接到焊机输出端的，而CN2插头是连接到+24V电源的，当焊机焊接时输出的电压较高时，稳压管VD31不会击穿和稳压，二极管D81也是截止的。这样，光耦U23中的三极管是截止的。因此，RP1推力电流给定电位器的信号无法加到其后级控制电路。相反，当焊机焊接时输出的电压较低（例如低于14V）时，稳压管VD31会击穿和稳压，二极管D81导通。光耦U23中的三极管导通。因此，+15V加给RP1推力电流给定电位器，其产生的推力电流给定信号可加到其后级控制电路，会使焊机的输出电流增加。这就实现了低输出电压下电流增加，也就是焊机手工焊时外特性控制时推力电流控制的过程。

附图5中，对于空载电压控制电路，它由电阻R15、R17、R61和R90，稳压管VD36，三极管Q5，光耦U13，电容C15和C31组成。当焊机输出较高空载电压时，稳压管VD36击穿、稳压，光耦U13中的输出级三极管导通，于是三极管Q5导通。可使U2（UC3846）PWM芯片的1脚电平被拉至低电平，使U2（UC3846）关闭其PWM脉冲波形，焊机逆变主电路停止输出。当焊机输出较低空载电压时，稳压管VD36不会击穿和稳压，光耦U13中的输出级三极管截止，于是三极管Q5截止。可使U2（UC3846）芯片输出PWM脉冲波形，焊机逆变主电路产生输出。这样就实现了焊机空载电压的控制。

附图5中，CN4可连接至“VRD”开关。CN4插头短接时，为设定了“VRD”功能。也就是焊机长时间不焊接时的“低电压输出控制”功能。通常，此时的空载电压只有十几二十伏。起到较好的安全保护作用。关于这个部分的控制，读者可结合电路原理图，自行进行分析。介于篇幅的关系，这里就不说明了。

附图5中，U5芯片是一种双向模拟开关。在集成电路内有4个独立的能控制数字及模拟信号传送的模拟开关。每个开关有一个输人端和一个输出端，它们可以互换使用。还有一个选通端（又称控制端）。当选通端为高电平时，开关导通；当选通端为低电平时，开关截止。

附图5中，CN5插头是为连接手工焊（MMA）/氩弧焊（TIG）功能设置开关而设计的。也就是说，本控制电路既可用于单功能的手工焊（MMA）控制，又可用于手工焊（MMA）/氩弧焊（TIG）两功能焊机的控制。

如果CN5插头的“1”脚和“2”脚是连通的，也就是说功能设置开关是闭合的，此时，处于氩弧焊控制；如果CN5插头的“1”脚和“2”脚是断开的，也就是说功能设置开关是不闭合的，此时，处于手弧焊控制。

对于氩弧焊控制，U5-6（即U5芯片的6脚，下列表述类似，不再重复）、U5-12和U5-13的电平为高电平（+15V），因此，U5-1与U5-2、U5-8与U5-9、U5-10与U5-11是导通的.并且U5-8与U5-9、U5-10与U5-11为低电平。因此，1）三极管Q6是截止的。这样，RP1的电弧推力电流（Arc force）信号就不可能加至后级电路；2）RP2的热引弧（hot start）电流信号就不可能加至后级电路；3）RP12的氩弧焊起始电流（Start current）信号可加至后级电路；4）光耦U14中的二极管发光，其输出级三极管导通，短接VD35稳压管。由于它与稳压管VD34是串联的。这样，就会使得氩弧焊控制状态时长时间短路保护电路（short-circuit protection）实现保护动作的电压点与手工焊控制状态时是不同的，要比手工焊状态的低很多。通常，氩弧焊状态时只有几伏，而手工焊状态时接近10伏。

例如，氩弧焊控制状态，在长时间短路保护电路中，当来自CN1的输出电压较低，低于保护点电压时，VD34稳压管由击穿、稳压状态变化为截止状态，此时U3光耦中的三极管是截止的，于是VD37稳压管会击穿、稳压，D3二极管导通，三极管Q1导通，从而关闭U2（UC3846）PWM波形的输出，最终关闭焊机逆变主电路输出，实现长时间短路保护。相反，如果来自CN1的输出电压较高，高于保护点电压时，VD34稳压管击穿、稳压，此时U3光耦中的三极管导通，于是，由于电阻R96很小，C1会快速放电，其两端电压会受R96限制，VD37稳压管会截止，D3二极管不导通，三极管Q1截止，U2（UC3846）输出PWM波形，最终使焊机逆变主电路输出。

对于手工焊控制，上述一些电路控制的过程是与氩弧焊不同的，有的电路控制结果甚至是相反的。由于上述氩弧焊控制过程等说明已经较为详细了，读者可参考它，结合电路原理图，对手工焊的一些相关控制过程自行进行分析。介于篇幅的关系，这里就不说明了。

对于附图5中的高压电流抑制电路部分，其设计思想是：当焊接电弧拉得过长，也就是电弧电压升得很高时，VD32稳压管会击穿、稳压，U4光耦中的三极管导通，可使U5-4和U5-3电平拉低至“地”电平。通过R18和U5-5电平的变化使焊机逆变主电路输出电流迅速减小。

见附图5，缺相和热保护的动作控制电路由常闭型温度继电器，电阻R51、R81、R56～R58和R72～R73，电容C37，三极管Q3及保护指示LED2（黄色）灯等器件，以及下面所述的缺相保护控制电路部分共同构成。

对于热保护控制来说，常闭型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，常闭型温度继电器动作。此时，控制电路可使三极管Q3截止或不导通，于是二极管D15导通，三极管Q1导通，U2（UC3846）PWM芯片的1脚电平被拉低至低电平，会使U2（UC3846）关闭其PWM脉冲波形，焊机逆变主电路停止输出电流。同时，可使保护LED2（黄色）指示灯点亮，指示焊机发生过热保护。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。同时保护指示灯LED2熄灭。这就实现了焊机过热保护。

在附图5中，由电阻R64、R66～R71和R98，电容C35～C36，以及运算放大器U30和热敏电阻组成的两路电路也是过热保护控制电路。PCT1和PCT2插头可分别连接两个热敏电阻。热敏电阻可以紧贴需要进行温度检测或控制的器件安装。当器件温度过高时，热敏电阻的阻值变化后，可使运算放大器输出高电平，于是，二极管D13或D14导通。保护指示灯LED2也会点亮，指示焊机发生过热保护。同时，也会使U2（UC3846）关闭其PWM脉冲波形，焊机逆变主电路停止输出电流。在冷却风机的作用下，当此类过热现象消除时，控制电路才能继续输出PWM控制信号。同时保护指示灯LED2熄灭。这也就实现了焊机的过热保护。

关于附图4中的三相输入电源缺相保护控制电路，该部分主要由光耦1IC3和1IC4、二极管1D9～1D14、电阻1R21～1R32、稳压管1VD3～1VD5和1D15等器件组成。通过1CN5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1IC3和1IC4、三极管1Q3和1Q4及其外围的电路控制作用，可使光耦1IC4动作。此时，控制电路仍然可使三极管Q3截止或不导通，二极管D15和三极管Q1导通，U2（UC3846）PWM芯片的1脚电平被拉至低电平，使U2（UC3846）关闭其PWM脉冲波形，焊机逆变主电路停止输出电流。同时，保护LED2（黄色）指示灯点亮，指示焊机发生缺相保护现象。当缺相现象消除后，控制电路才能继续输出PWM控制信号。同时保护指示灯LED2熄灭。从而实现焊机的缺相保护控制功能。

连接至附图5中CN7插头的过热保护常闭型温度继电器的两根控制线，与来自缺相保护电路1CN6插头的连接至附图5中CN7插头的控制线在接线方式是串联的。当没有出现常闭型温度继电器动作和缺相现象时，三极管Q3是导通的。这样，保护指示灯LED2是不会点亮的。若D13和D14也是截止或不导通的，即下面的过热保护电路也没有出现过热输出控制，此时D15二极管是处于截止状态的。这就不会造成焊机逆变主电路停止输出的问题。当然，前提是其它电路也是正常的。

很多三相输入电源的逆变焊机，其过热保护只有一个，甚至根本没有缺相保护控制。例如，只采用一个温度继电器安装在IGBT散热器或输出快恢复二极管的散热器上。无法实现多处温度监测点的温度控制。而本发明采用了以上多个过热保护电路，以及缺相保护电路的设计方法，这就进一步保障和提高了焊机工作的可靠性。

本发明电路用于手工电弧焊时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， J1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 （UC3846）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（UC3846）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（UC3846）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。

本发明电路用于氩弧焊时输出特性的控制过程与上述过程是十分类似的，只是其输出特性不是恒流带外拖的下降特性，而是恒流下降特性。即低电压输出时，电流是不随着电压降低而增加的，是保持基本不变的。

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。

以上是本发明焊机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，本发明焊机的电路设计新颖，有自己独特的设计思路和方法。可实现IGBT单管逆变手弧焊或手工焊/氩弧焊作业的要求。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 (3)

1.一种带空载电压和多种保护控制功能的IGBT逆变焊机，包括外壳部分和内部部分，其特征在于：内部部分包括上方的中隔板、底部的支架I和控制电路，

1）在中隔板上设置有PCB1电路板和三相整流桥，PCB1电路板放置到塑料护盒I中，并灌注绝缘材料该塑料护盒通过螺丝固定在焊机内部的中隔板上；三相整流桥安装在其散热器上，该散热器通过四个螺丝固定在中隔板上，中隔板为金属隔板；

2）支架I上设置有IGBT逆变控制板、输出整流PCB板I和输出整流PCB板II，八只IGBT管安装在它们对应的散热器上，三个散热器通过螺丝固定在一塑料护盒II上，IGBT的管脚则焊接在IGBT逆变控制板上，在该电路板上还安装和焊接有IGBT驱动变压器、继电器和四只电容器，四只电容器是面向塑料护盒，焊装在IGBT逆变电路板上的， IGBT逆变电路板是放置在塑料护盒内，IGBT逆变电路板被塑料护盒II包围在其中，塑料护盒II通过压片和螺丝固定在其下方的支架I上，塑料护盒和焊机的外壳对应面可共同组成一个保护室；有六只输出快速恢复整流二极管分为上下两排，每排三只，分别与输出整流PCB板I和输出整流PCB板II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，以保障快速恢复二极管管脚之间有良好的绝缘性能，速恢复整流二极管和输出整流PCB板I和输出整流PCB板II通过散热器V固定在支架I上。

2.如权利要求1所述的一种带空载电压和多种保护控制功能的IGBT逆变焊机，其特征在于：所述的PCB1电路板上设置有焊机开关电源和缺相保护控制电路，该电路包括四个电阻，一个稳压管、三极管、光耦和二个电容，当焊机输出较高空载电压时，稳压管击穿、稳压，光耦中的输出级三极管导通，于是三极管导通，可使控制电路控制芯片的电平被拉至低电平，使控制芯片关闭其PWM脉冲波形，焊机逆变主电路停止输出。

3.如权利要求1所述的一种带空载电压和多种保护控制功能的IGBT逆变焊机，其特征在于：所述的控制电路是通过三块电路控制板，分别是开关电源和缺相保护控制电路、IGBT逆变控制电路和前面板控制电路，开关电源和缺相保护控制电路设置在PCB1电路板上，IGBT逆变控制电路设置在IGBT逆变控制板上，前面板控制电路设置在前控制PCB板上。