CN201002166Y

CN201002166Y - 一种高频igbt逆变式手工焊接电源

Info

Publication number: CN201002166Y
Application number: CNU2006201545247U
Authority: CN
Inventors: 黄石生; 王振民; 凌德怡; 陈毅丹
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2016-12-08

Abstract

本实用新型公开了一种高频IGBT逆变式手工焊接电源，包括机箱和内置电路，内置电路包括主电路、反馈闭环控制电路，主电路包括整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和整流平滑模块组成；反馈闭环控制电路包括平均电流电压检测模块、焊接参数给定模块、比较器、控制系统、脉宽调制模块和高频驱动模块组成。本实用新型可靠性高，效率高达88％，节能，负载持续率高达80％，重量轻，体积小，易于实现多特性和多功能以及多种材料焊接的转换，一元化调节、自动匹配焊接参数，操作简单、快捷。本实用新型动态特性优良，焊接过程稳定，飞溅少，成形好，自动电网波动补偿功能。

Description

一种高频IGBT逆变式手工焊接电源

技术领域

本实用新型涉及高频IGBT逆变技术领域，具体是指一种高频IGBT逆变式手工焊接电源。

背景技术

目前，在手工焊领域，由于其工艺所需要较大的电流、大功率，国内外传统的手工焊电源主要以硅整流和晶闸管整流式为主，整流式电源工作相对可靠，技术上也比较成熟，但设备体积庞大、笨重、能耗低、效率低，且由于其结构原因，动静态特性方面也不够理想。晶体管式弧焊逆变器的出现，虽然提高了逆变频率，达到20kHz的水平，且有利于提高效率、减小体积重量，但是存在二次击穿和需要较大的电流驱动。大功率场效应管弧焊逆变器只需要极微小的电流就能实现开关控制，而且速度更快、无二次击穿。但是，场效应管也存在着一定的不足之处，其推广应用受到限制。具体说来，大功率场效应管弧焊电源主要存在以下几个方面的问题：

(1)单管容量小。耐高压(800V以上)仅有数安培，需采用多管并联，生产和调试较麻烦。弧焊电源的使用环境恶劣，有些焊接现场是二十四小时连续作业，所以对其可靠性要求非常高。目前，硬开关逆变弧焊电源由于高频寄生振荡、负载频繁复杂变化、电磁干扰、偏磁等原因，特别是大功率焊接条件下，弧焊电源存在可靠性不够的问题。

(2)管子功率损耗较大。场效应管由于通态电阻比较大，饱和压降一般在3～4V以上，导通管子功率损耗比较大。

(3)场效应管的耐高压性能较差。

(4)不易实现焊接电源的大功率大电流化。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提出一种高频IGBT逆变式手工焊接电源，该电源可靠性高、效率达88％，节能，负载持续率高达80％，焊接工艺可实现多参数优化匹配，焊接质量高，并减少对电网的干扰。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：所述一种高频IGBT逆变式手工焊接电源，包括机箱和内置电路，所述内置电路包括主电路、反馈闭环控制电路，所述主电路由整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和整流平滑模块组成，所述整流滤波模块外接三相交流输入电源，所述整流平滑模块外接负载；所述反馈闭环控制电路由平均电流电压检测模块、焊接参数给定模块、比较器、控制系统、脉宽调制模块和高频驱动模块组成，所述平均电流电压检测模块的一端与负载相连接，另一端与比较器输入端相连接，所述焊接参数给定模块与比较器另一输入端相连接，所述比较器的输出端与控制系统相连接，所述控制系统与脉宽调制模块相连接，所述脉宽调制模块与高频驱动模块相连接，所述高频驱动模块与高频逆变模块相连接。

为了更好地实现本实用新型，所述主电路还包括安全保护电路，所述安全保护电路包括网压检测模块、电压保护模块组成；所述网压检测模块的一端与三相交流电源相连接，另一端与电压保护模块相连接，所述电压保护模块与脉宽调制模块相连接。

本实用新型的设计原理为：本实用新型采用IGBT逆变技术，其单管或者模块的容量比较大，饱和压降比较低，有利于减少管子功率损耗。在本实用新型中，由三相工频交流电经过整流滤波模块成为平滑直流电后进入高频逆变模块，然后通过功率变压模块、整流平滑模块进入负载。与此同时，控制系统根据电流电压检测模块检测到负载的电流、电压信号与焊接参数给定模块给定的参数进行比较，经过控制系统的模糊控制算法运算，发给脉宽调制模块一个信号，脉宽调制模块根据控制系统的算法产生两路PWM信号，这两路PWM信号通过高频驱动模块放大去控制高频逆变模块的开关管的开通和关断，从而得到20KHz高频高压电，高频高压电再经过功率变压模块转换成符合焊接工艺要求的大电流低电压的焊接电流，再经过整流平滑模块得到更加平滑的焊接电流，也就是外环电流模糊闭环控制过程；网压检测模块检测三相工频电压，把检测到的电压信号送给电压保护模块，如出现过压、欠压的现象，电压保护模块将送给脉宽调制模块一个信号，产生低电平通过高频驱动模块关断高频逆变模块的开关管，保护主电路安全工作。

本实用新型与现有的技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型采用先进的高频IGBT逆变技术，可靠性高，效率高达88％，节能，比可控硅式节电最高达30％，空载损耗为其十分之一以下。负载持续率高达80％，重量轻，体积小。

2、本实用新型的控制核心，易于实现多特性和多功能，以及多种焊接材料的转换，一元化调节、自动匹配焊接参数，操作简单、快捷。

3、本实用新型采用优化动特性控制，动态特性优良，焊接过程稳定，飞溅少，成形好。自动电网波动补偿功能——电网波动±15％不影响焊机输出参数。

附图说明

图1是本实用新型的电路方框图；

图2是本实用新型的主电路原理图；

图3是本实用新型的主电路中高频逆变模块的电路原理图；

图4是本实用新型的主电路中整流滤波模块的电路原理图；

图5是本实用新型的脉宽调制模块和高频驱动模块的电路原理图；

图6是本实用新型的安全保护电路的电路原理图；

图7是本实用新型的控制系统的电路原理图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型做进一步的详细说明，但本实用新型的实现方式并不限于此。

如图1所示，本实用新型所述一种高频IGBT逆变式手工焊电源包括机箱和内置电路，内置电路包括主电路、反馈闭环控制电路。主电路由依次连接的整流滤波模块101、高频逆变模块102、功率变压模块103和整流平滑模块104组成。整流滤波模块101与三相交流输入电源相连接，整流平滑模块104与负载相连接。反馈闭环控制电路包括平均电流电压检测模块109、焊接参数给定模块110、比较器112、控制系统111、脉宽调制模块107和高频驱动模块108组成，平均电流电压检测模块109的一端与负载相连接，另一端与比较器112的输入端相连接，焊接参数给定模块110与比较器112的另一输入端相连接，比较器112的输出端与控制系统111相连接，控制系统111与脉宽调制模块107相连接，脉宽调制模块107与高频驱动模块108相连接，高频驱动模块108与高频逆变模块102相连接。主电路中还包括安全保护电路，该电路包括网压检测模块105、电压保护模块106组成；网压检测模块105的一端与接入的三相交流电源相连接，另一端与电压保护模块106相连接，电压保护模块106与脉宽调制模块107相连接。网压检测模块105检测三相交流输入电压，为常用的电压检测装置。电压保护模块106为一常用的比较器，实现欠压或者过压保护。焊接参数给定模块110由两个电位器组成，给定焊接电压。比较器112采用TL084比较器，对外环检测信号与焊接给定参数进行比较。平均电流电压检测模块109为电流电压传感器，与负载连接。

如图2所示，在主电路中，三相交流输入电源接整流滤波模块101的整流块B1，然后连接滤波环节L1、C2、C3、C4、C5、R1、R2，再连接高频逆变模块102的逆变桥VT₁～VT₄，C6～C8，输出接功率变压模块103的高频功率变压器T1初级，变压器次级串接整流平滑模块104的饱和电感LS1、LS2，再经过高频全波整流电路D1～D8、续流二极管D9～D12、滤波环节L2、C12、C13、C14后输出直流电，以上环节构成功率主电路，高频逆变模块102的包括两个两单元的IGBT VT₁～VT₄。平均电流电压检测模块109为传感器HALL，与负载连接。

如图3所示，在高频逆变模块中，为防止IGBT开通和关断时瞬间的电流、电压冲击造成IGBT的损坏在IGBT，在IGBT的C和E极之间并联RC吸收保护电路。

如图4所示，在整流滤波模块中，D1～D4为快速二极管组用于输出整流，R1、C15和R2、C16分别组成上下两组对称的二极管的RC吸收回路。

如图5所示，脉宽调制模块107和高频驱动模块108主要由脉宽调制模块107的误差放大电路、反相器芯片ULN2003A、集成控制芯片SG3525及其外围电路，以及高频驱动模块108的两个相同的脉冲变压器M1和M2、芯片2SK1417、M74HC4049和CD4011及其外围电路组成。

如图6所示，在安全保护电路中，CN6连接温控模块，与过热、过流以及关断信号的信号线和三个与门逻辑电路以及反相器芯片ULN2003A相连接，通过ULN2003A的16脚与集成控制芯片SG3525的10脚相接。系统输出端与集成控制芯片SG3525的引脚2相连，作为集成控制芯片SG3525的输入信号，在SG3525内部与误差信号比较，使集成控制芯片SG3525输出相应的两路PWM信号。该两路互补的PWM信号分别进入高频驱动模块SC0724M，作为逆变桥开关管VT₁～VT₄的驱动信号。

如图7所示，控制系统主要由PALCE22V10Q、反相器ULN2003A以及辅助电路相互连接组成。PALCE22V10Q系统作为外环电流模糊控制的核心，外环采样电流与给定信号的偏差在内部进行模糊运算过程，输出信号作为脉宽调制模块107中集成控制芯片SG3525的脚2输入信号，该信号同注入的电流比较，确定驱动信号的大小，从而控制电源的输出。

上述电路中，图2中的平均电流电压检测模块为传感器HALL，同比较器112相连接，再与控制系统111的PALCE22V10Q通过反相器ULN2003A相连接。控制系统111输出端同脉宽调制模块107的集成控制芯片SG3525的引脚2相连，集成控制芯片SG3525的输出端11、14脚分别与高频驱动模块108的两个驱动环节的5、16管脚相连接，驱动环节的输出分别与高频逆变模块102的四个开关管的G、E极相连接，上述环节构成反馈闭环控制电路。逆变后的高频(20KHz)高压电经变压器T1降压后通过高频整流由快速二极管(D1～D2，D5～D8)并联构成的全波整流电路，再经输出电感L2滤波后输出。

应用本实用新型时，三相工频交流电经过整流滤波模块101后成为平滑直流电后进入高频逆变模块102，控制系统111根据电流电压检测模块109检测到负载的电流、电压信号与焊接参数给定模块110给定的参数进行比较，经过控制系统111的模糊控制算法运算，发给脉宽调制模块107一个信号，脉宽调制模块107根据控制系统111设定的算法产生两路PWM信号，这两路PWM信号通过高频驱动模块108放大去控制高频逆变模块102的开关管的开通和关断，从而得到20KHz高频高压电，高频高压电再经过功率变压模块103转换成符合焊接工艺要求的大电流低电压的焊接电流，再经过整流平滑模块104得到更加平滑的焊接电流，也就是外环均值模糊闭环控制过程。网压检测模块105检测三相工频电压，把检测到的电压信号送给电压保护模块106，如出现过压、欠压的现象，电压保护模块106将送给脉宽调制模块107一个信号，产生低电平通过高频驱动模块108关断高频逆变模块102的开关管，保护主电路安全工作。

如上所述，即可较好地实现本实用新型。

Claims

1、一种高频IGBT逆变式手工焊电源，包括机箱和内置电路，其特征是，所述内置电路包括主电路、反馈闭环控制电路，所述主电路包括整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和整流平滑模块组成，所述整流滤波模块外接三相交流输入电源，所述整流平滑模块外接负载；所述反馈闭环控制电路包括平均电流电压检测模块、焊接参数给定模块、比较器、控制系统、脉宽调制模块和高频驱动模块组成，所述平均电流电压检测模块的一端与负载相连接，另一端与比较器输入端相连接，所述焊接参数给定模块与比较器另一输入端相连接，所述比较器的输出端与控制系统相连接，所述控制系统与脉宽调制模块相连接，所述脉宽调制模块与高频驱动模块相连接，所述高频驱动模块与高频逆变模块相连接。

2、根据权利要求1所述的一种高频IGBT逆变式手工焊电源，其特征是，所述主电路还包括安全保护电路，所述安全保护电路包括网压检测模块、电压保护模块组成；所述网压检测模块的一端与三相交流电源相连接，另一端与电压保护模块相连接，所述电压保护模块与脉宽调制模块相连接。

3、根据权利要求1所述的一种高频IGBT逆变式手工焊电源，其特征是，所述控制系统主要由PALCE22V10Q和反相器ULN2003A及其外围电路组成。

4、根据权利要求1所述的一种高频IGBT逆变式手工焊电源，其特征是，所述脉宽调制模块主要由误差放大电路、反相器芯片ULN2003A、集成控制芯片SG3525及其外围电路组成。

5、根据权利要求1所述的一种高频IGBT逆变式手工焊电源，其特征是，所述高频驱动模块由两个相同的脉冲变压器M1和M2、芯片2SK1417、M74HC4049和CD4011及其外围电路组成。