CN107947601B - 一种高频高压引弧器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高频高压引弧器，所述高频高压引弧器，包括：整流滤波电路1，驱动模块2，升压型电力电子变压器3，高频高压振荡电路4；所述整流滤波电路1的输入为高频交流电压，输出为稳定的直流电压；所述驱动模块2的两路驱动信号受外控制端控制实现启动和停止；所述驱动模块2的两路带死区的占空比和频率都固定的驱动信号分别驱动升压型电力电子变压器3中半桥LLC谐振变换器的上桥臂和下桥臂；所述升压型电力电子变压器3实现输出高频交流高压；所述高频高压振荡电路4实现高频振荡并进步一升压；本发明克服了传统高频高压引弧器的缺点，具备体积小，重量轻，控制灵活，引弧功率强劲，响应速度快，占载率高，可靠性好的特点。

Description

一种高频高压引弧器
技术领域
本发明涉及电力电子技术及其应用领域，特别是涉及一种适用于氩弧焊接电源高频高压非接触式起弧装置。
背景技术
氩弧焊接电源是一种非熔化极气体保护焊接设备，可以对碳钢、不锈钢、铝、铝镁合金、铜等多种金属材料进行焊接，广泛应用于压力容器、医疗设备、高速铁路装备等工业制造和生产领域，在我国装备制造业中发挥重要作用。氩弧焊接电源的起弧操作分为非接触起弧和接触起弧，为避免焊枪钨针污染工件，绝大多数应用中氩弧焊接电源都是采用高频高压引弧器实现非接触起弧。传统高频高压引弧器主要有两种方案：一种由工频高漏抗升压变压器和振荡电路构成，例如专利《一种与逆变焊机配用的高频引弧器(专利号ZL96247049.x)》，其优点是高频引弧功率强劲，可靠性较好；缺点是占载率低，工频变压器体积和重量都较大，成本较高，对振荡电路中元器件的质量要求较高；另一种方案是采用高压包的反激式变换器和振荡电路构成，例如专利《逆变焊机专用高频引弧器(专利号ZL02283471.0)》和专利《基于高压放电保护器的高频引弧器(授权公告号CN 203304744U)》，其优点是体积较小，成本较低，缺点是引弧功率较小，可靠性较差。为此，本发明提出了一种高频高压引弧器，能够同时拥有两种传统引弧方案的优点并且同时克服两种传统引弧方案的缺点，具备体积小，重量轻，控制灵活，引弧功率强劲，响应速度快，占载率高，可靠性好的特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于氩弧焊接电源的高频高压引弧器，能够同时拥有两种传统引弧方案的优点并且同时克服两种传统引弧方案的缺点，实现体积小，重量轻，控制灵活，引弧功率强劲，响应速度快，占载率高，可靠性好的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高频高压引弧器，所述高频高压引弧器，包括：整流滤波电路1，驱动模块2，升压型电力电子变压器3，高频高压振荡电路4；所述整流滤波电路1的输入为高频交流电压，输出为稳定的直流电压；所述驱动模块2的两路驱动信号受外控制端控制实现启动和停止；所述驱动模块2的两路带死区的占空比和频率都固定的驱动信号分别驱动升压型电力电子变压器3中半桥LLC谐振变换器的上桥臂和下桥臂；所述升压型电力电子变压器3实现输出高频交流高压；所述高频高压振荡电路4实现高频振荡并进步一升压。
所述高频高压引弧器在氩弧焊接电源中的应用如图2所示。
所述整流滤波电路1，其输入端1_1，1_2通过绕组从氩弧焊接电源的主变压器获取能量，因获得的电能是高频交流电能，整流滤波电路1中的4个整流二极管采用的是快恢复型二极管，LC滤波电路因为是对高频电能脉冲滤波，所以LC滤波器的体积和重量大大减小。
所述驱动模块外接一个控制信号ctr，ctr可以控制驱动模块驱动信号的产生和关断，用以控制高频高压引弧器的启动和停止；所述驱动模块在启动模式时，有两路带死区时间的互补对称的驱动脉冲信号输出，分别驱动半桥电路的上、下桥臂；所述的两路驱动脉冲信号的死区时间一般取升压型电力电子变压器3中所选用的MOSFET的关断时间的3～5倍；所述的两路驱动脉冲信号的占空比小于但接近50％，其频率固定不可调，其频率fs取值为：
Figure GDA0002887731420000021
式中的Lr和Cr分别为升压型电力电子变压器3中谐振腔的谐振电感和谐振电容。
所述升压型电力电子变压器3采用LLC谐振变换器实现高频升压，谐振腔中的谐振电感Lr和激磁电感Lm集成在LLC谐振升压变压器T1内；所述升压型电力电子变压器3中的变压器的初次级匝比a为
Figure GDA0002887731420000022
式中，Vin为整流滤波电路1输出的直流电压值，Vout为变压器T1次级输出电压值，为保证变压器T1次级输出电压能够击穿高频高压振荡电路4中的放电器F中钨极之间的空气气隙，Vout取值一般大于2000VAC；
所述升压型电力电子变压器3中LLC谐振腔的谐振电感的取值，应该满足：
Figure GDA0002887731420000023
较大的谐振电感可以避免升压型电力电子变压器3输出端短路(例如起弧过程中钨针与工件发生触碰短路)的情况下，LLC谐振腔中初级电流不会大于所限制的最大电流，确保电路的可靠性。
所述高频高压振荡电路4由放电器F，高压谐振电容C3以及升压变压器T2组成，当放电器F中钨极之间的空气气隙被击穿，高压谐振电容C3和升压变压器T2初级等效电感L3谐振，谐振频率为：
Figure GDA0002887731420000024
同时谐振电流流过变压器T2初级，将能量传递到变压器T2次级，用于实现氩弧焊接电源的非接触式起弧，起弧所需能量由升压LLC谐振变压器T1不断补充。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的一种高频高压引弧器，起弧所需能量取自氩弧焊接电源的主功率高频变压器，能量获取方式非常方便，不需额外电路；因为输入端是对高频能量进行整流滤波，相应的滤波电路体积可以很小；升压电路采用固定频率的半桥LLC模式的电力电子变压器方式，LLC谐振腔的驱动频率大于但接近谐振腔的固有谐振频率，以确保变压器T1次级出现短路状况时谐振腔的等效输入阻抗任然保持感性，LLC谐振变换器的两个功率MOSFET仍能工作在零电压开关(ZVS)状态，确保了电路的可靠性；整个电路都工作在高频状态，功率密度大，有效地减小了引弧器的体积；LLC谐振变换的高效率电能传递特征确保了引弧器的引弧功率强劲和较高的占载率，整个电路结构简洁可靠，便于模块化，成本具有优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种高频高压引弧器的原理图；
图2为本发明实施例一种高频高压引弧器应用示意图；
图3为本发明实施例一种高频高压引弧器驱动频率选取范围示意图；
图4为本发明实施例一种高频高压引弧器中变压器T1的绕组结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种应用于氩弧焊接电源的高频高压引弧器，能够同时拥有两种传统引弧方案的优点并且同时克服两种传统引弧方案的缺点，实现体积小，重量轻，控制灵活，引弧功率强劲，响应速度快，占载率高，可靠性好的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种高频高压引弧器，所述高频高压引弧器，如图1所示，包括：整流滤波电路1，驱动模块2，升压型电力电子变压器3，高频高压振荡电路4；所述整流滤波电路1的输入为高频交流电压，输出为稳定的直流电压；所述驱动模块2的两路驱动信号受外控制端控制实现启动和停止；所述驱动模块2的两路带死区的占空比和频率都固定的驱动信号分别驱动升压型电力电子变压器3中半桥LLC谐振变换器的上桥臂和下桥臂；所述升压型电力电子变压器3实现输出高频交流高压；所述高频高压振荡电路4实现高频振荡并进步一升压。
所述高频高压引弧器在氩弧焊接电源中的应用如图2所示。
所述整流滤波电路1，其输入端1_1，1_2通过绕组从氩弧焊接电源的主变压器获取能量，共模滤波电感L1和高频电容C1可以有效滤除高频干扰，避免引弧高频串入焊接电源主回路；因引弧器获得的电能是高频交流电能，整流滤波电路1中的4个整流二极管采用的是快恢复型二极管，LC滤波电路因为是对高频电能脉冲滤波，所以LC滤波器的体积和重量大大减小；整流滤波电路1的输出为直流电压，作为升压型电力电子变压器3的输入电压，该电压的取值一般不超过300VDC，可以通过调节氩弧焊接电源主变压器上的取电绕组的匝数来调节。
所述驱动模块外接一个控制信号ctr，ctr可以控制驱动模块驱动信号的产生和关断，用以控制高频高压引弧器的启动和停止，控制实现方式简单而且响应速度快；所述驱动模块在启动模式时，有两路带死区时间的互补对称的驱动脉冲信号输出，分别驱动半桥电路的上、下桥臂；所述的两路驱动脉冲信号的死区时间一般取升压型电力电子变压器3中所选用的MOSFET的关断时间的3～5倍；所述的两路驱动脉冲信号的占空比小于但接近50％，其频率固定不可调，驱动频率的选取范围如图3所示。
图3纵轴为归一化电压增益，横轴为归一化频率fn：
Figure GDA0002887731420000041
由LLC谐振变化器的特性知道，当归一化频率fn≥1时，无论负载为何种状态，谐振腔的阻抗特性都为感性；但归一化频率fn远大于1时，LLC谐振变换器的效率会大幅降低且直流电压增益也会降低，因此，驱动频率的选择如图3所示，应当满足大于谐振频率fr并且尽量接近(约等于)fr。
所述升压型电力电子变压器3采用LLC谐振变换器实现直流-直流(DC/DC)隔离升压，谐振腔中的谐振电感Lr和激磁电感Lm集成在LLC谐振升压变压器T1内；所述升压型电力电子变压器3中的变压器T1的初次级匝比a见公式(2)，为确保后级高频高压振荡电路4中的放电器F能可靠工作，升压型电力电子变压器3中的变压器T1的次级输出的高频交流电压应该大于2000VAC；通过调节变压器T1初次级线圈的匝比可以调节氩弧焊枪钨针到工件之间的有效起弧距离。
所述升压型电力电子变压器3中的变压器T1的绕组结构图如图4所示，由于初级绕组匝数较少，次级绕组匝数较多且考虑绝缘层对磁芯窗口空间的挤占，因此变压器T1的骨架采用非对称双槽结构，为降低磁芯气隙对绕组的边缘效应的影响，两个绕组线槽之间有隔离挡墙，初级绕组绕在窗口面积较小的线槽中，次级绕组绕在窗口面积较大的线槽中。
所述高频高压振荡电路4由放电器F，高压谐振电容C3以及升压变压器T2组成，当放电器F中钨极之间的空气气隙被击穿，高压谐振电容C3和升压变压器T2初级等效电感L3谐振，同时谐振电流流过变压器T2初级，将能量传递到变压器T2次级，经变压器T2升压后用于实现氩弧焊接电源的非接触式起弧，起弧所需能量由升压LLC谐振变压器T1不断补充。
本发明提供的一种高频高压引弧器具备体积小，重量轻，控制灵活，引弧功率强劲，响应速度快，占载率高，可靠性好的特点，适合氩弧焊接电源中进行非接触起弧功能的实现。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种高频高压引弧器，其特征在于，包括：整流滤波电路(1)，驱动模块(2)，升压型电力电子变压器(3)，高频高压振荡电路(4)；所述整流滤波电路(1)的输入为高频交流电压，输出为稳定的直流电压；所述驱动模块(2)的两路驱动信号受外控制端控制实现启动和停止；所述驱动模块(2)的两路带死区的占空比和频率都固定的驱动信号分别驱动升压型电力电子变压器(3)中半桥LLC谐振变换器的上桥臂和下桥臂；所述升压型电力电子变压器(3)实现输出高频交流高压；所述高频高压振荡电路(4)实现高频振荡并进步一升压；
所述半桥LLC谐振变换器包括MOS管Q1、MOS管Q2、电感Lr、电感Lm、和电容Cr，所述MOS管Q1的漏极连接所述整流滤波电路(1)的正输出端，所述MOS管Q1的源极连接所述MOS管Q2的漏极，所述MOS管Q2的源极连接所述整流滤波电路(1)的负输出端，所述电感Lr的一端连接所述MOS管Q1的源极，所述电感Lr的另一端连接电感Lm的一端，所述电感Lm的另一端连接至所述电容Cr的一端，所述电容Cr的另一端连接至所述MOS管Q2的源极，所述电感Lm与所述变压器(3)的原边绕组并联；所述整流滤波电路(1)输入的高频交流电压通过绕组取自氩弧焊接电源的主功率变压器；所述整流滤波电路(1)的输出直流电压值取值控制在300VDC以内；
所述驱动模块(2)的脉冲驱动信号的频率fs为固定值，取值范围是：
Figure FDA0002887731410000011
式中，Lr和Cr分别为LLC谐振腔的谐振电感和谐振电容，驱动频率fs大于且接近升压型电力电子变压器(3)的谐振频率；
所述升压型电力电子变压器(3)中的变压器的初次级匝比a为
Figure FDA0002887731410000012
式中，Vin为整流滤波电路1输出的直流电压值，Vout为变压器T1次级输出的高频交流电压值，取值一般大于2000VAC；
谐振电感要满足：
Figure FDA0002887731410000013
式中，Po为升压型电力电子变压器(3)的输出功率，谐振电感满足上式可确保变压器T1次级出现短路时限制变压器T1初级电流不超过所限制的最大电流；所述高频高压振荡电路(4)由放电器F，高压谐振电容C3以及升压变压器T2组成，当放电器F中钨极之间的空气气隙被击穿，高压谐振电容C3和升压变压器T2初级等效电感L3谐振，同时谐振电流流过变压器T2初级，将能量传递到变压器T2次级，经变压器T2升压后用于实现氩弧焊接电源的非接触式起弧，起弧所需能量由升压LLC谐振变压器T1不断补充；
所述高频高压振荡电路(4)中的变压器T2的初次级升压比a1:a2＝2:8；
变压器T1的骨架采用非对称双槽结构。
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