CN107127422B - 一种高功率因数技术的电弧焊机电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率因数技术的电弧焊机电源，由第一二极管至第十三二极管、第一电容至第二十六电容、第一电阻至第十电阻、第一三端稳压器、第二三端稳压器、变压器、电源控制芯片和场效应管组成，本发明的电焊机主要由整流、逆变、高频整流、滤波、开关控制电源及控制系统等部分组成。控制电路产生高频率的脉宽调制波实时控制逆变器功率管的导通或关断，根据焊接电流反馈信号的大小调整控制脉冲的占空比，使焊接电流稳定在设定值，输出两极在瞬间短路时引燃电弧，利用产生的电弧来熔化电焊条和焊材，冷却后来达到使它们结合的目的，具有推广应用的价值。

Description

一种高功率因数技术的电弧焊机电源

技术领域

本发明涉及电焊机技术领域，尤其涉及一种高功率因数技术的电弧焊机电源。

背景技术

电弧焊是焊接方法中应用最为广泛的一种焊接方法。逆变电弧焊机是将单相(三相)交流电经整流后，由逆边器转变为几百至几万赫兹的中高频交流电，经降压后输出交流或直流电。整个过程由电子电路控制，使电源获得符合要求的外特性和动特性。逆变电源总的发展趋向是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并以提高可靠性、性能及拓宽用途为核心，愈来愈广泛应用于各种弧焊方法、电阻焊、切割等工艺中。高效和高功率密度(小型化)是国际弧焊逆变器追求的主要目标自之一。高频化和降低主要器件的功耗是实现这一目标的主要技术途径。

我国弧焊电源和电弧焊机制造、研究的状态，与正在蓬勃发展的国民经济的需要不相适应，产品的品种、数量、质量、性能和自动化程度还远不能满足各使用部门的要求，与世界工业发达国家比较，尚存在较大的差距。为了顺应我国工业化进程的需要，必须努力从事弧焊电源的研制，充分利用电力电子技术、计算机技术和大功率电子器件，不断提高产品质量；大力发展高效、节能、性能良好的新型弧焊电源。目前严重制约电弧焊机发展的问题之一就是其对环境的污染，在出口方面，受欧盟CE指令电磁兼容(EMC)的限制，我国逆变焊接电源很难进入欧洲市场。因此，我国的焊接电源必须加快绿色化改造进程。

在逆变电源中，最容易损坏的器件就是开关功率模块(约占整机60％的成本)。目前普遍使用的模块，如GTO、GTR、IGBT，自身无保护能力，而且考虑到产品的高频化会产生开关损耗及无源元件的损耗增大，高频寄生参数的影响以及高频电磁干扰增大等因素，所以在对功率器件选型时要增加电压电流裕量，而选型裕量的增加意味着成本的大幅度提高；我国的功率器件基本上都属于进口件。因此，除了要有完善的保护电路的基础上还要设计合理的装配工艺，以有效降低试验费用。为了提高功率因数，减小电流畸变，将开关变换器技术应用到改善电流波形和提高功率因数上来，功率因数校正新技术得到快速发展，功率因数校正电路的作用是在电网和负载之间插入校正环节，使输入电流波形逼近输入电压波形，以提高功率因数并限制开关电源的谐波电流对电网的污染。其方法很多，目前采用较多的是高频有源技术，而在有源校正技术中，升压式功率因数校正是最为常见的一种，如图1所示。现有的电源主要由线性稳压电源和开关稳压电源两大类组成。线性稳压电源的优点是稳定性好、输出电压精度高、输出纹波电压小。不足之处是要求采用工频变压器和滤波器，其体积和重量都很大，并且调整管的功耗较大，散热难，使电源的效率大大降低，一般情况均不会超过50％。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种高功率因数技术的电弧焊机电源。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明由第一二极管至第十三二极管、第一电容至第二十六电容、第一电阻至第十电阻、第一三端稳压器、第二三端稳压器、变压器、电源控制芯片和场效应管组成，交流电源的第一端同时与第一二极管的正极和第三二极管的负极连接，交流电源的第二端同时与第二二极管的正极和第四二极管的负极连接，第一二极管的负极同时与第二二极管的负极、第一电容的第一端、第一电阻的第一端、变压器第二初级的第一端、第十一电阻的第一端、第十电容的第一端和变压器第一初级的第一端连接，第三二极管的正极同时与第四二极管的正极、第一电容的第二端、第二电容的第一端、第十电容的第一端、第三电阻的第一端、第五电容的第一端、第六电容的第一端、电源控制芯片的第五引脚、第八电容的第一端、第九电容的第一端、第六二极管的负极和第十电阻的第一端连接，第一电阻的第二端同时与第二电阻的第一端、电源控制芯片的第七引脚、第二电容的第二端、第三电容的第二端和第五二极管的负极连接，第二电阻的第二端同时与电源控制芯片的第二引脚、第四电阻的第一端、第四电容的第一端和第三电阻的第二端连接，第四电阻的第二端同时与第四电容的第二端和电源控制芯片的第一引脚连接，电源控制芯片的第八引脚同时与第五电容的第二端和第五电阻的第一端连接，第五电阻的第二端同时与第六电容的第二端和电源控制芯片的第四引脚连接，第五二极管的正极与变压器第二初级的第二端连接，电源控制芯片的第六引脚与第六电阻的第一端连接，第六电阻的第二端同时与第七电容的第一端和第七电阻的第一端连接，第七电容的第二端同时与第七电阻的第二端和场效应管的栅极连接，场效应管的漏极同时与第七二极管的正极、变压器第一初级的第二端和第九电容的第一端连接，第七二极管的负极同时与第十一电阻的第二端和第十电容的第二端连接，场效应管的源极同时与第八电阻的第一端和第九电阻的第二端连接，第八电阻的第二端同时与第八电容的第二端和电源控制芯片的第三引脚连接，第九电容的第二端同时与第六二极管的正极和第十电阻的第二端连接，变压器第一次级的第一端与第八二极管的正极连接，变压器第一次级的第二端同时与第十一电容的第一端、第十二电容的第一端、第一三端稳压器的负极、第十三电容的第一端、第十四电容的第一端和第一负极输出端连接，第八二极管的负极同时与第十一电容的第二端、第十二电容的第二端和第一三端稳压器的输入端连接，第一三端稳压器的输出端同时与第十三电容的第二端、第十四电容的第二端和第一正极输出端连接，变压器第二次级的第一端与第九二极管的正极连接，变压器第二次级的第二端同时与第十五电容的第一端、第十六电容的第一端、第二三端稳压器的负极、第十七电容的第一端、第十八电容的第一端和第二负极输出端连接，第九二极管的负极同时与第十五电容的第二端、第十六电容的第二端和第二三端稳压器的输入端连接，第二三端稳压器的输出端同时与第十七电容的第二端、第十八电容的第二端和第二正极输出端连接，变压器第三次级的第一端与第十二极管的正极连接，变压器第三次级的第二端同时与第十九电容的第一端、第二十电容的第一端和三负极输出端连接，第十二极管的负极同时与第十九电容的第二端、第二十电容的第二端和第三正极输出端连接，变压器第四次级的第一端与第十一二极管的正极连接，变压器第四次级的第二端同时与第二十一电容的第一端、第二十二电容的第一端和变压器第四负极输出端连接，第十一二极管的负极同时与第二十一电容的第二端、第二十二电容的第二端和第四正极输出端连接，变压器第五次级的第一端与第十二二极管的正极连接，变压器第五次级的第二端同时与第二十三电容的第一端、第二十四电容的第一端和第五负极输出端连接，第十二二极管的负极同时与第二十三电容的第二端、第二十四电容的第二端和第五正极输出端连接，变压器第六次级的第一端与第十三二极管的正极连接，变压器第六次级的第二端同时与第二十五电容的第一端、第二十六电容的第一端和第六负极输出端连接，第十三二极管的负极同时与第二十五电容的第二端、第二十六电容的第二端和第六正极输出端连接。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种高功率因数技术的电弧焊机电源，与现有技术相比，本发明的电焊机主要由整流、逆变、高频整流、滤波、开关控制电源及控制系统等部分组成。其基本的工作原理是电网工频电经过整流后，变成直流，再经逆变器变成高频交流，通过高频脉冲变压器降压后再次整流、电感滤波得到平滑的直流电供焊接使用。控制电路产生高频率的脉宽调制波实时控制逆变器功率管的导通或关断，根据焊接电流反馈信号的大小调整控制脉冲的占空比，使焊接电流稳定在设定值，输出两极在瞬间短路时引燃电弧，利用产生的电弧来熔化电焊条和焊材，冷却后来达到使它们结合的目的，具有推广应用的价值。

附图说明

图1是现有技术的升压式功率因数校正电路图；

图2是本发明的电路结构原理图；

图3是本发明的UC3844芯片内部结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图2所示：本发明由第一二极管V1至第十三二极管V13、第一电容C1至第二十六电容C26、第一电阻R1至第十电阻R10、第一三端稳压器7812、第二三端稳压器7805、变压器、电源控制芯片UC3844和场效应管V组成，交流电源的第一端同时与第一二极管的正极和第三二极管的负极连接，交流电源的第二端同时与第二二极管的正极和第四二极管的负极连接，第一二极管的负极同时与第二二极管的负极、第一电容的第一端、第一电阻的第一端、变压器第二初级的第一端、第十一电阻的第一端、第十电容的第一端和变压器第一初级的第一端连接，第三二极管的正极同时与第四二极管的正极、第一电容的第二端、第二电容的第一端、第十电容的第一端、第三电阻的第一端、第五电容的第一端、第六电容的第一端、电源控制芯片的第五引脚、第八电容的第一端、第九电容的第一端、第六二极管的负极和第十电阻的第一端连接，第一电阻的第二端同时与第二电阻的第一端、电源控制芯片的第七引脚、第二电容的第二端、第三电容的第二端和第五二极管的负极连接，第二电阻的第二端同时与电源控制芯片的第二引脚、第四电阻的第一端、第四电容的第一端和第三电阻的第二端连接，第四电阻的第二端同时与第四电容的第二端和电源控制芯片的第一引脚连接，电源控制芯片的第八引脚同时与第五电容的第二端和第五电阻的第一端连接，第五电阻的第二端同时与第六电容的第二端和电源控制芯片的第四引脚连接，第五二极管的正极与变压器第二初级的第二端连接，电源控制芯片的第六引脚与第六电阻的第一端连接，第六电阻的第二端同时与第七电容的第一端和第七电阻的第一端连接，第七电容的第二端同时与第七电阻的第二端和场效应管的栅极连接，场效应管的漏极同时与第七二极管的正极、变压器第一初级的第二端和第九电容的第一端连接，第七二极管的负极同时与第十一电阻的第二端和第十电容的第二端连接，场效应管的源极同时与第八电阻的第一端和第九电阻的第二端连接，第八电阻的第二端同时与第八电容的第二端和电源控制芯片的第三引脚连接，第九电容的第二端同时与第六二极管的正极和第十电阻的第二端连接，变压器第一次级的第一端与第八二极管的正极连接，变压器第一次级的第二端同时与第十一电容的第一端、第十二电容的第一端、第一三端稳压器的负极、第十三电容的第一端、第十四电容的第一端和第一负极输出端连接，第八二极管的负极同时与第十一电容的第二端、第十二电容的第二端和第一三端稳压器的输入端连接，第一三端稳压器的输出端同时与第十三电容的第二端、第十四电容的第二端和第一正极输出端连接，变压器第二次级的第一端与第九二极管的正极连接，变压器第二次级的第二端同时与第十五电容的第一端、第十六电容的第一端、第二三端稳压器的负极、第十七电容的第一端、第十八电容的第一端和第二负极输出端连接，第九二极管的负极同时与第十五电容的第二端、第十六电容的第二端和第二三端稳压器的输入端连接，第二三端稳压器的输出端同时与第十七电容的第二端、第十八电容的第二端和第二正极输出端连接，变压器第三次级的第一端与第十二极管的正极连接，变压器第三次级的第二端同时与第十九电容的第一端、第二十电容的第一端和三负极输出端连接，第十二极管的负极同时与第十九电容的第二端、第二十电容的第二端和第三正极输出端连接，变压器第四次级的第一端与第十一二极管的正极连接，变压器第四次级的第二端同时与第二十一电容的第一端、第二十二电容的第一端和变压器第四负极输出端连接，第十一二极管的负极同时与第二十一电容的第二端、第二十二电容的第二端和第四正极输出端连接，变压器第五次级的第一端与第十二二极管的正极连接，变压器第五次级的第二端同时与第二十三电容的第一端、第二十四电容的第一端和第五负极输出端连接，第十二二极管的负极同时与第二十三电容的第二端、第二十四电容的第二端和第五正极输出端连接，变压器第六次级的第一端与第十三二极管的正极连接，变压器第六次级的第二端同时与第二十五电容的第一端、第二十六电容的第一端和第六负极输出端连接，第十三二极管的负极同时与第二十五电容的第二端、第二十六电容的第二端和第六正极输出端连接。

芯片内部振荡器的振荡频率由引脚8和4脚之间的电阻R5，4脚到地的电容C6来决定。由于UC3844内部有个分频器，所以驱动MOSFET功率开关管的方波频率为芯片内部振荡频率的一半；变压器原边并联的电阻R11、电容C10、二极管V7缓冲电路是用于限制高频变压器漏感造成的尖峰电压。MOSFET功率管旁边的电阻R10、电容C9、二极管V6的作用是防止MOSFET在关断过程中承受大反压。缓冲电路的二极管一般选择快速恢复二极管，而变压器二次侧的整流二极管一般选择反向恢复电压较高的超快恢复二极管。以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。开关管导通时，变压器一次侧线圈内不断储存能量；而开关管关断时，变压器将一次侧线圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电，直到下一个脉冲到来，开始新的周期。开关电源中的脉冲变压器起着非常重要的作用：一是通过它实现电场-磁场-电场能量的转换，为负载提供稳定的直流电压；二是可以实现变压器功能，通过脉冲变压器的初级绕组和多个次级绕组可以输出多路不同的直流电压值，为不同的电路单元提供直流电量；三是可以实现传统电源变压器的电隔离作用。

图2中元器件参数型号如下表：

如图3所示：电源控制芯片采用美国Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片UC3844。虽然只有8个引脚，但芯片内部构成双环控制，使电压调整率和负载调整率特性很好。误差放大器构成电压闭环控制，电流测定比较器构成电流闭环控制。启动电流小于1mA，工作频率高达500kHz，外围元件少。它适合做20W～80W的小型开关电源。其工作温度为0℃～70℃，最高输入电压30V，最大输出电流1A，能驱动双极型功率管和MOSFET。UC3842采用DIP-8形式封装。UC3844的工作原理是:反馈电压和2.5V基准电压之差,经误差放大器E/A放大后作为门限电压,与反馈电流经采样后的电压,一起送到电流感应比较器。当电流取样电压超过门限电压后,比较器输出高电平触发RS触发器,然后经或非门输出低电平,关断功率管,并保持这种状态直至振荡器输出脉冲到触发器和或非门为止。这段时间的长短由振荡器输出脉冲宽度决定。PWM信号的上升沿由振荡器决定,下降沿由功率开关管电流和输出电压共同决定。反转触发器限制PWM的占空比调节范围在0～50％之内。引脚2是电压反馈端,将取样电压加至E/A误差放大器的反相输入端,与同向输入端的2.5V基准电压进行比较,产生误差电压。利用内部E/A误差放大器可以构成电压环。引脚3是电流反馈端,电流取样电压由引脚3输入到电流比较器。当引脚3电压大于1V时,输出关闭。利用引脚3和电流比较器可以构成电流环。引脚1是补偿端,外接阻容元件以补偿误差放大器的频率特性。引脚8为5V基准电压,带载能力50mA。引脚6为推挽输出端。引脚5为公共端。引脚7为集成块工作电源端,电压范围为8V～40V。使输出驱动信号关断的方法有两种:一种是将引脚1电压降至1V以下,另一种是将引脚3电压升至1V以上。这两种方法都是使电流比较器输出高电平,PWM锁存器复位,关闭输出端,直至下一个时钟将PWM锁存器置位为止。根据这一原理,可以控制引脚1、3电压的变化,实现各种必要的保护。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种高功率因数技术的电弧焊机电源，其特征在于：由第一二极管至第十三二极管、第一电容至第二十六电容、第一电阻至第十一电阻、第一三端稳压器、第二三端稳压器、变压器、电源控制芯片和场效应管组成，交流电源的第一端同时与第一二极管的正极和第三二极管的负极连接，交流电源的第二端同时与第二二极管的正极和第四二极管的负极连接，第一二极管的负极同时与第二二极管的负极、第一电容的第一端、第一电阻的第一端、第十一电阻的第一端、第十电容的第一端和变压器第一初级的第一端连接，第三二极管的正极同时与第四二极管的正极、变压器第二初级的第一端、第一电容的第二端、第二电容的第一端、第三电容的第一端、第三电阻的第一端、第五电容的第一端、第六电容的第一端、电源控制芯片的第五引脚、第八电容的第一端、第九电阻的第一端、第六二极管的负极和第十电阻的第一端连接，第一电阻的第二端同时与第二电阻的第一端、电源控制芯片的第七引脚、第二电容的第二端、第三电容的第二端和第五二极管的负极连接，第二电阻的第二端同时与电源控制芯片的第二引脚、第四电阻的第一端、第四电容的第一端和第三电阻的第二端连接，第四电阻的第二端同时与第四电容的第二端和电源控制芯片的第一引脚连接，电源控制芯片的第八引脚同时与第五电容的第二端和第五电阻的第一端连接，第五电阻的第二端同时与第六电容的第二端和电源控制芯片的第四引脚连接，第五二极管的正极与变压器第二初级的第二端连接，电源控制芯片的第六引脚与第六电阻的第一端连接，第六电阻的第二端同时与第七电容的第一端和第七电阻的第一端连接，第七电容的第二端同时与第七电阻的第二端和场效应管的栅极连接，场效应管的漏极同时与第七二极管的正极、变压器第一初级的第二端和第九电容的第一端连接，第七二极管的负极同时与第十一电阻的第二端和第十电容的第二端连接，场效应管的源极同时与第八电阻的第一端和第九电阻的第二端连接，第八电阻的第二端同时与第八电容的第二端和电源控制芯片的第三引脚连接，第九电容的第二端同时与第六二极管的正极和第十电阻的第二端连接，变压器第一次级的第一端与第八二极管的正极连接，变压器第一次级的第二端同时与第十一电容的第一端、第十二电容的第一端、第一三端稳压器的负极、第十三电容的第一端、第十四电容的第一端和第一负极输出端连接，第八二极管的负极同时与第十一电容的第二端、第十二电容的第二端和第一三端稳压器的输入端连接，第一三端稳压器的输出端同时与第十三电容的第二端、第十四电容的第二端和第一正极输出端连接，变压器第二次级的第一端与第九二极管的正极连接，变压器第二次级的第二端同时与第十五电容的第一端、第十六电容的第一端、第二三端稳压器的负极、第十七电容的第一端、第十八电容的第一端和第二负极输出端连接，第九二极管的负极同时与第十五电容的第二端、第十六电容的第二端和第二三端稳压器的输入端连接，第二三端稳压器的输出端同时与第十七电容的第二端、第十八电容的第二端和第二正极输出端连接，变压器第三次级的第一端与第十二极管的正极连接，变压器第三次级的第二端同时与第十九电容的第一端、第二十电容的第一端和第三负极输出端连接，第十二极管的负极同时与第十九电容的第二端、第二十电容的第二端和第三正极输出端连接，变压器第四次级的第一端与第十一二极管的正极连接，变压器第四次级的第二端同时与第二十一电容的第一端、第二十二电容的第一端和变压器第四负极输出端连接，第十一二极管的负极同时与第二十一电容的第二端、第二十二电容的第二端和第四正极输出端连接，变压器第五次级的第一端与第十二二极管的正极连接，变压器第五次级的第二端同时与第二十三电容的第一端、第二十四电容的第一端和第五负极输出端连接，第十二二极管的负极同时与第二十三电容的第二端、第二十四电容的第二端和第五正极输出端连接，变压器第六次级的第一端与第十三二极管的正极连接，变压器第六次级的第二端同时与第二十五电容的第一端、第二十六电容的第一端和第六负极输出端连接，第十三二极管的负极同时与第二十五电容的第二端、第二十六电容的第二端和第六正极输出端连接；

所述第一二极管至第十三二极管、所述第一电容至第二十六电容、所述第一电阻至第十一电阻、所述第一三端稳压器、所述第二三端稳压器的元器件参数型号如上表。