CN110026654A - 一种宽范围输入的抗干扰高性能数字焊接电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽范围输入的抗干扰高性能数字焊接电源，包括开关电源电路、BUCK电路、逆变电路、二次整流电路、过流保护电路、控制单元，所述开关电源电路用于将输入交流电压转化为直流电压信号并输出至BUCK电路；所述BUCK电路用于将直流信号进行滤波整形、降压以及过压保护；所述逆变电路用于将来自BUCK电路的电压信号转换为交流信号；所述二次整流电路用于将来自逆变电路的交流电压进行整流滤波；所述过流保护电路用于监测当前电流值并在过流时切断电流；所述控制单元用于与用户交互、控制本焊接电源的工作状态，本发明具有输入电压范围广、抗干扰能力强的优点。
Description
技术领域：
本发明涉及焊接电源技术领域，具体的说涉及一种宽范围输入的抗干扰高性能数字焊接电源。
背景技术：
在目前的电焊机市场上，主流的电焊机逆变电源以单电压输入为主。若输入电压超过额定输入值会损坏焊机，若小于额定输入值则会导致焊接性能降低。由于市场需要，曾出现过具有双电压切换功能的焊接电源，这类焊接电源带有倍压电路或者切换变压器抽头电路，可以实现在两种电压输入时，焊机均可正常工作，并且具有相同的焊接性能。但是，切换电路会存在稳定性不足的问题，一旦切换电路产生误判现象，焊机有损坏的隐患。
与此同时，焊接电源是一个强电和一个弱电配合使用的电源系统。在焊接过程中，焊接电源的电流值最高可达上千安培，导致焊接电源形成较大的电磁场。电磁场的产生给焊接电源系统的数字处理器造成了极大影响，以至于不能正常工作。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种宽范围输入的抗干扰高性能数字焊接电源，用以克服上述问题，具有输入范围广、抗干扰能力强的优点，解决了当前焊接电源输入范围窄、需要选择输入电压、强电对数字信号干扰强的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种宽范围输入的抗干扰高性能数字焊接电源，包括开关电源电路、BUCK电路、逆变电路、二次整流电路、过流保护电路、控制单元，
所述开关电源电路用于将输入交流电压转化为直流电压信号并输出至BUCK电路；
所述BUCK电路用于将接受到的直流信号进行滤波整形、降压并将转换后的电压输出至逆变电路以及过压保护；
所述逆变电路用于将来自BUCK电路的电压信号转换为交流信号并将其输出至二次整流电路；
所述二次整流电路用于将来自逆变电路的交流电压进行整流滤波并输出至过流保护电路；
所述过流保护电路用于监测当前电流值，若超过阈值，则自动切断电流以保护设备；
所述控制单元与所述BUCK电路、逆变电路、二次整流电路、过流保护电路连接，用于与用户交互、控制本焊接电源的工作状态。
进一步的，所述开关电源电路的输入电压范围为80V-550V。
进一步的，所述BUCK电路包括斩波电路、电压反馈与保护电路以及PWM控制与电压判断电路，
所述斩波电路包括多个滤波电容、IGBT开关管、储能电感、多个二极管、IGBT驱动芯片、分压电阻，用于对输入电压进行滤波、斩波、输出电压以及电压反馈信号UVF；
所述电压反馈与保护电路用于接受所述电压反馈信号UVF并判断其值，若超过阈值则控制IGBT开关管输出低电压，停止输出电压以保护设备；
所述PWM控制与电压判断电路用于判断输入电压的范围以及控制所述IGBT驱动芯片是否接收PWM波。
进一步的，所述逆变电路包括IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4，BUCK电路的输出端口连接至IGBT1、IGBT2的漏极，IGBT3、IGBT4的源极与GND相连。
进一步的，所述控制单元包括单片机单元以及DSP单元，
所述控制单元用于人机交互、协调各个单元配合工作以及控制电源系统的工作状态；
所述DSP单元用于从人机交互系统获得焊接参数，实现电流波形相位的匹配与控制，保证焊接过程中电流的精确输出；实现送气、送丝、引弧等数字信号的时序控制以及相关故障诊断及保护功能。
进一步的，所述DSP单元包括DSP最小系统、DSP外围应用电路、IGBT驱动电路、保护电路、电压电流反馈控制电路、送丝电路。
进一步的，所述控制单元与控制面板之间设置有π形滤波电路，所述控制单元与所述开关电源电路、BUCK电路、逆变电路设置有光电隔离电路。
本发明的有益效果是：
(1)本发明具有结构简单、设计合理、安装维护快捷的优点；
(2)本发明设置有电压反馈与保护电路过流保护电路，能实时监测电流与电压，当发生过流或过压等紧急情况时，能直接切断电流或电压，具有安全性高、保护性好的优点；
(3)本发明设置有PWM控制与电压判断电路能自动根据当前的输入电压，自动选择电路的工作模式，具有输入电压范围广、使用方便的优点；
(4)本发明的控制单元与控制面板之间设置有π形滤波电路以及光电隔离电路，能有效降低电源系统对数字信号的干扰，具有抗干扰能力强、控制准确的优点。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的斩波电路原理图；
图3是本发明的电压反馈与保护电路；
图4是本发明的PWM控制与电压判断电路的电路原理图；
图5是本发明的逆变电路的电路原理图；
图6是本发明的控制单元的光电隔离原理图。
具体实施方式：
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
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。
实施例1，图1是本发明的结构示意图，图2是本发明的斩波电路原理图，图3是本发明的电压反馈与保护电路，图4是本发明的PWM控制与电压判断电路的电路原理图，图5是本发明的逆变电路的电路原理图，图6是本发明的控制单元的光电隔离原理图。
请参阅图1-图5所示，一种宽范围输入的抗干扰高性能数字焊接电源，包括开关电源电路、BUCK电路、逆变电路、二次整流电路、过流保护电路、控制单元，
所述开关电源电路用于将输入交流电压转化为直流电压信号并输出至BUCK电路；
所述BUCK电路用于将接受到的直流信号进行滤波整形、降压并将转换后的电压输出至逆变电路以及过压保护；
所述逆变电路用于将来自BUCK电路的电压信号转换为交流信号并将其输出至二次整流电路；
所述二次整流电路用于将来自逆变电路的交流电压进行整流滤波并输出至过流保护电路；
所述过流保护电路用于监测当前电流值，若超过阈值，则自动切断电流以保护设备；
所述控制单元与所述BUCK电路、逆变电路、二次整流电路、过流保护电路连接，用于与用户交互、控制本焊接电源的工作状态。
所述开关电源电路的输入电压范围为80V-550V。
所述BUCK电路包括斩波电路、电压反馈与保护电路以及PWM控制与电压判断电路，
所述斩波电路包括多个滤波电容、IGBT开关管、储能电感、多个二极管、IGBT驱动芯片、分压电阻，用于对输入电压进行滤波、斩波、输出电压以及电压反馈信号UVF；
所述电压反馈与保护电路用于接受所述电压反馈信号UVF并判断其值，若超过阈值则控制IGBT开关管输出低电压，停止输出电压以保护设备；
所述PWM控制与电压判断电路用于判断输入电压的范围以及控制所述IGBT驱动芯片是否接收PWM波。
所述逆变电路包括IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4，BUCK电路的输出端口连接至IGBT1、IGBT2的漏极，IGBT3、IGBT4的源极与GND相连。
所述控制单元包括单片机单元以及DSP单元，
所述控制单元用于人机交互、协调各个单元配合工作以及控制电源系统的工作状态；
所述DSP单元用于从人机交互系统获得焊接参数，实现电流波形相位的匹配与控制，保证焊接过程中电流的精确输出；实现送气、送丝、引弧等数字信号的时序控制以及相关故障诊断及保护功能。
所述DSP单元包括DSP最小系统、DSP外围应用电路、IGBT驱动电路、保护电路、电压电流反馈控制电路、送丝电路。
所述控制单元与控制面板之间设置有π形滤波电路，所述控制单元与所述开关电源电路、BUCK电路、逆变电路设置有光电隔离电路。
工作原理：在图2中，C1、C2为滤波电容。开关管采用IGBT，L2为储能电感；当电感释放L2能量时，提供续流回路。U0为本斩波电路的输出电压，经过电阻R12和R13分压，得到输出电压的反馈信号VF。芯片U3为IGBT驱动芯片，芯片的2脚为输入端，由PWM控制与电压判断电路产生的PWM脉冲信号进入2脚，6脚与7脚为输出脚，产生用于驱动IGBT1的脉冲信号，控制IGBT1的开关。当驱动芯片U3输出为高电平时，IGBT1开通，此时输出为经过整流后的直流电压，在此过程中电感L2储存能量；当驱动芯片U3输出为低电平时，IGBT1关断，此时输出为L2所释放的能量，由于电感的特性，使回路中的电流缓慢下降，直至开关管的下一次开通。在本电路中，当电感取值过小时，对电流平波作用过弱，可能使得电感电流断续。因此，为了保证电感电流连续，电感L2应大于电感电流临界状态时的电感，即临界电感。经过计算和测试，最终取电感值为550μH。
在图3中，为了防止电压过高时损坏电路，或者电压过低时焊机性能不良，设计了电压反馈和保护电路。电压反馈信号VF经过电阻R14限流进入运放U1C的反相端，与同相端的信号进行比较，运放同相端U1C+为开关电源产生的+15V信号经过分压所得。若VF＞U1C+，则U1C的输出为低，此时PWM芯片UC3842的2脚电压反馈端由VF的大小决定，若VF过大，此时运放U1D的同相输入端电压大于U1D的反相输入端电压，运放U1D的输出为高电平，光耦U4A、三极管V4导通，OFF信号与UC3842的1脚接地，变为零，逆变电路与BUCK电路中的IGBT关断，防止焊机损坏。若VF过小，运放U1C的输出为高电平，输出经过电阻R18与R19分压，进入UC3842的2脚，提供给电压反馈一个固定电压值，限制脉冲宽度。经过测试，设置当UVF大于390V时，进入过电压保护，锁止UC3842的3脚，同时拉低驱动光耦的2脚；当电压低于300V时，UC3842的2脚为固定值，产生额定脉冲宽度。
在图4中，若焊机输入电压为190V时，不需要BUCK电路工作，若BUCK电路持续工作，会导致BUCK电路输出电压较低，影响焊机性能。因此设计了PWM控制与电压判断电路。经过整流后的直流电压+HT经过电阻分压进入运放U1B的反相输入端，+15V经过电阻R46与电阻R47所确定电压作为基准电压进入运放的同相输入端，若+HT较小，判断此时处于低电压状态，则运放U1B的输出为高电平，三极管V7导通，UC3842的4脚接地，变为零，此时输出PWM一直为高电平，锁定BUCK电路，使BUCK电路的开关管常开。若U+HT较大，判断此时为高电压，则运放U1B的输出为低电平，三极管V7关断，BUCK电路正常工作。经过测试，设置当输入电压低于400V时，判断为190V输入；当输入电压高于400V时，判断为380V或者440V输入。PWM波可以用于送丝，无需送丝电源控变。
逆变电路如图5所示，BUCK电路的输出电压U0连接至IGBT1、IGBT2的漏极，IGBT3、IGBT4的源极与GND相连。由于BUCK电路的输出电压U0在输入电压为AC190-440V时保持不变，因此IGBT在选型时只需满足输入AC190V时的耐压值，可以有效地降低成本。本发明选用的IGBT耐压值为600V。
控制单元的光电隔离原理图如图6所示，所述控制单元与控制面板之间设置有π形滤波电路，所述控制单元与所述开关电源电路、BUCK电路、逆变电路设置有光电隔离电路。π形滤波电路能有效滤除电路中的噪声信号。光电隔离电路能有效隔离强电和弱点，以达到较小强电对控制单元的影响。
与此同时，本发明的主控板设置有控制单元，能够抑制短路断开后达到正常电弧电压前焊接电流的过度增长，同时也能控制焊接电源在单位时间内的功率输出。使用超威弧电压喷射过渡焊接技术时，能通过不断降低弧压来减小弧长，电弧在等离子体压力下形成熔滴。熔滴尺寸均匀而且形成速度很快，熔滴不断的粘结在一起形成熔滴链再接触到熔池。当熔滴和熔池接触时，电阻快速较小，电压降低，电流上升至短路电流。在超威弧电弧中使用数字化控制来阻止能量的剧增，所以在焊接过程中可以很快超过飞溅最容易产生的区域，从而达到避免飞溅的目的，使焊接时无飞溅。并且，本发明在控制单元的控制下小电流过度稳定，大电流飞溅降低，恒流引弧，100％引弧成功率。
在使用超威弧焊接时，本发明可以允许焊丝伸出焊枪较长，有些焊接部位焊枪不易达到，使用超威弧焊能对这些部位进行焊接，增强熔化穿透性。显著提高了成型效果，使根部成型更紧密，更狭窄。
在强大等离子电弧推力下造就了高熔深，手工作业时可以轻松保持电弧的方向稳定。短路焊接时避免产生焊接咬边，高效的焊接速度，提高工作效率，比一般的气保焊机焊接快一倍以上。使用超威弧焊接时焊缝狭窄，热量影响区小，焊接能量小，工作变形小。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (7)
1.一种宽范围输入的抗干扰高性能数字焊接电源，包括开关电源电路、BUCK电路、逆变电路、二次整流电路、过流保护电路、控制单元，其特征在于，
所述开关电源电路用于将输入交流电压转化为直流电压信号并输出至BUCK电路；
所述BUCK电路用于将接受到的直流信号进行滤波整形、降压并将转换后的电压输出至逆变电路以及过压保护；
所述逆变电路用于将来自BUCK电路的电压信号转换为交流信号并将其输出至二次整流电路；
所述二次整流电路用于将来自逆变电路的交流电压进行整流滤波并输出至过流保护电路；
所述过流保护电路用于监测当前电流值，若超过阈值，则自动切断电流以保护设备；
所述控制单元与所述BUCK电路、逆变电路、二次整流电路、过流保护电路连接，用于与用户交互、控制本焊接电源的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种宽范围输入的抗干扰高性能数字焊接电源，其特征在于：所述开关电源电路的输入电压范围为80V-550V。
3.根据权利要求1所述的一种宽范围输入的抗干扰高性能数字焊接电源，其特征在于：所述BUCK电路包括斩波电路、电压反馈与保护电路以及PWM控制与电压判断电路，
所述斩波电路包括多个滤波电容、IGBT开关管、储能电感、多个二极管、IGBT驱动芯片、分压电阻，用于对输入电压进行滤波、斩波、输出电压以及电压反馈信号UVF；
所述电压反馈与保护电路用于接受所述电压反馈信号UVF并判断其值，若超过阈值则控制IGBT开关管输出低电压，停止输出电压以保护设备；
所述PWM控制与电压判断电路用于判断输入电压的范围以及控制所述IGBT驱动芯片是否接收PWM波。
4.根据权利要求1所述的一种宽范围输入的抗干扰高性能数字焊接电源，其特征在于：所述逆变电路包括IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4，BUCK电路的输出端口连接至IGBT1、IGBT2的漏极，IGBT3、IGBT4的源极与GND相连。
5.根据权利要求1所述的一种宽范围输入的抗干扰高性能数字焊接电源，其特征在于：所述控制单元包括单片机单元以及DSP单元，
所述控制单元用于人机交互、协调各个单元配合工作以及控制电源系统的工作状态；
所述DSP单元用于从人机交互系统获得焊接参数，实现电流波形相位的匹配与控制，保证焊接过程中电流的精确输出；实现送气、送丝、引弧等数字信号的时序控制以及相关故障诊断及保护功能。
6.根据权利要求1所述的一种宽范围输入的抗干扰高性能数字焊接电源，其特征在于：所述DSP单元包括DSP最小系统、DSP外围应用电路、IGBT驱动电路、保护电路、电压电流反馈控制电路、送丝电路。
7.根据权利要求1所述的一种宽范围输入的抗干扰高性能数字焊接电源，其特征在于：所述控制单元与控制面板之间设置有π形滤波电路，所述控制单元与所述开关电源电路、BUCK电路、逆变电路设置有光电隔离电路。
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