CN201283465Y

CN201283465Y - 一种igbt逆变式方波交流与直流tig氩弧焊电源

Info

Publication number: CN201283465Y
Application number: CNU2008202027390U
Authority: CN
Inventors: 黄石生; 廖红武
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2018-10-31

Abstract

本实用新型为一种IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源，包括机箱和内置电路，内置电路包括两次逆变主电路、给定与电流反馈比较控制及驱动电路；两次逆变主电路由三相工频输入整流滤波模块、中频一次逆变模块、功率降压变压模块、中频整流平滑模块和二次逆变模块依次连接组成，给定与电流反馈比较控制及驱动电路由电流电压检测模块、脉冲参数给定模块、比较器、单片机控制模块、脉宽调制模块和中频驱动模块、二次逆变驱动模块与二次逆变脉宽调制模块相互连接组成，多功能参数调节模块与单片机控制模块相连接，单片机控制模块分别连接高频引弧模块和人机对话面板。本实用新型波形理想、可控参数多，适用于铝、镁等轻金属合金的焊接。

Description

一种IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源

技术领域

本实用新型涉及中频逆变技术领域，具体是指一种两次逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源。

背景技术

目前，在TIG氩弧焊电源领域，国内外传统的交、直流氩弧焊电源主要有：(1)以弧焊变压器和硅整流器组成，并通过变换输出正弦交流或直流电供TIG电弧焊使用；(2)以硅整流器和晶闸管整流器输出直流和在直流输出端再加整流桥，通过整流桥串有电抗器的对角线输出近似的方波交流等等种类。一般来说，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、能耗高效率低，而且由于其结构和控制方式原因，动静态特性方面不够理想，只能获得近似的方波交流，存在过零点不够快、电弧稳定性欠佳、可控参数少、不灵活等缺点，不能很好的满足TIG氩弧焊工艺需要的大电流、大功率的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源，该电源结构简单、体积小、质量轻、节能，具有良好的动特性，方波交流波形理想、过零点快、电弧稳定性好，可控电参数多且灵活。

为实现本实用新型的目的采用如下技术方案：一种IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源，包括机箱和内置电路，所述内置电路包括两次逆变主电路、给定与电流反馈比较控制及驱动电路；所述两次逆变主电路由依次连接的输入整流滤波模块、中频一次逆变模块、功率降压变压模块、中频整流平滑模块和二次逆变模块组成，其中输入整流滤波模块与三相工频交流输入电源相连接，二次逆变模块与负载相连接；所述给定与电流反馈比较控制及驱动电路包括电流电压检测模块、脉冲参数给定模块、比较器、单片机控制模块、脉宽调制模块和中频驱动模块、二次逆变驱动模块与二次逆变脉宽调制模块组成，其中，电流电压检测模块的一端与负载相连接，另一端与比较器的输入端相连接，脉冲参数给定模块与比较器的另一输入端相连接，比较器的输出端分别与单片机控制模块、脉宽调制模块相连接，单片机控制模块与脉宽调制模块相连接，脉宽调制模块与中频驱动模块相连接，中频驱动模块与中频逆变模块相连接，单片机控制模块与二次逆变脉宽调制模块相连接，二次逆变脉宽调制模块与二次逆变驱动模块相连接，二次逆变驱动模块与二次逆变模块相连接；多功能参数调节模块与单片机控制模块相连接，单片机控制模块分别连接高频引弧模块和人机对话面板。

为了更好地实现本发明，所述两次逆变主电路包括安全保护电路，所述安全保护电路由网压检测模块、电压保护模块、温度检测模块、过热保护模块组成；其中，网压检测模块一端与三相工频交流输入电源连接，另一端与电压保护模块相连接，电压保护模块分别与脉宽调制模块、单片机控制模块相连接；温度检测模块一端与中频一次逆变模块相连接，另一端与过热保护模块相连接，过热保护模块与脉宽调制模块相连接。

所述二次逆变模块主要由两个两单元的IGBT、RCD吸收保护电路及其外围电路组成。

所述脉宽调制模块主要由给定与反馈比较、差值放大电路、脉宽调制器芯片SG3525及其外围电路组成。

所述单片机控制模块主要由单片机PALCE22V10H、逻辑电路芯片ULN2004A及其外围电路组成。

所述高频引弧模块主要由芯片IC1555、高频开关场效应管及其外围电路组成。

所述二次逆变脉宽调制模块主要由脉宽调制器芯片SG3525、脉宽调制反相器芯片CD4049、反馈比较、差值放大电路及其外围电路组成。

本实用新型的原理是这样的：本实用新型采用两次逆变技术，其设计原理如下：

1、一次逆变技术：通过“工频AC-DC-中频AC-DC”变换，实现直流TIG氩弧焊接方法。由于把工频50Hz提高到中频20～30KHz，进行大功率降压的变换，大幅度的提高功率变压器的频率，使得弧焊电源中的中频功率变压器用的铜铁材料、体积、质量等大幅度的减小，而且由于电子功率器件工作于高速开关状态，功率变压器又是采用铁损很小的磁芯材料，因而效率很高和可控性能好。主电路中由于存在电容，功率因数提高，无功损耗小，对网电的冲击小，节能效果明显。同时因频率很高，主电路中滤波电感值和电磁惯性也很小，焊接回路的时间常数小，并可实现对动态特性进行无级、灵活的控制，便于获得优良的动特性和焊接性能。

2、二次逆变技术：在一次逆变技术，即在“工频AC-DC-中频AC-DC”变换的基础上，用现代电子功率开关模块加一级“DC-低频方波AC”的变换，全过程为：“工频AC-DC-中频AC-DC-低频方波AC”，从而获得输出方波交流的TIG氩弧焊接电源。

本实用新型所采用的两次逆变主电路，其中一次逆变采用半桥式拓扑或全桥逆变式拓扑结构，视功率而定；二次逆变采用半桥式拓扑结构。引弧采用高频器串联于焊接主回路进行引弧。脉宽调制是通过基准给定值与差值放大值进行比较，而产生两组相位差180°的驱动信号，控制电子功率逆变开关管“IGBT”，按照一定的时序导通与关断，实现“DC-中频AC”和“DC-低频方波AC”逆变转换。电流反馈是在负载电流输出端用霍尔元件检测输出电流，获得的采样信号，经过放大、比较，再输送到一次逆变的脉宽调制模块，改变一次逆变模块功率IGBT管的导通与关断时间及其工作规律的，获得所需的恒流特性和实现占空比的调节以及功率调节。方波交流的输出，通过单片机的给定信号，输送到二次逆变脉宽调制模块，控制二次逆变模块功率IGBT管的导通与关断时间及其工作规律，实现方波交流波形、频率、正负半波的比例等的多参数调节。

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、采用双重(两次)逆变技术，即在一次逆变技术的基础上，再增加二次逆变和低频调制技术，可获得输出比较理想的低频方波交流和直流电源，所获得电源的方波交流波形理想、过零点快、电弧稳定性更好，清除难熔金属氧化物能力强，无磁偏吹，可控电电参数多且灵活，除了用于焊接不锈钢、铜、钛等及其合金外，特别还特别适合于铝、镁等轻金属合金的高难度TIG焊接。

2、采用现代电子功率开关管与脉宽调制芯片、磁损耗极小的非晶态磁芯，实现“工频与中频”的转换，大幅度提高交流电的频率，使降压功率变压器的用材、体积、减小，可控参数多，且灵活，动特性得到较大改善。

3、采用单片机对整机的工作时序、输出焊接规范参数、电流波形、上下半波的宽度比、频率进行协同控制、调节以及对输入电压、输出电流、功率器件的温度等进行检测反馈、比较，获得恒流特性和进行过高过低输入电压、输出过流、关键功率器件过热等的安全保护监控与人机对话，使整机操作更方便，更人性化。

4、采用高频引弧模块控制引弧，实现非接触引弧。

附图说明

图1是本实用新型IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源的内置电路方框图；

图2是本实用新型IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源的两次逆变主电路原理图；

图3是本实用新型IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源的脉宽调制模块和中频驱动模块电路原理图；

图4是本实用新型IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源的单片机控制系统电路原理图；

图5是本实用新型IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源的高频引弧电路原理图；

图6是本实用新型IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源的中频一次逆变模块原理图；

图7是本实用新型IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源的整流模块电路原理图；

图8是本实用新型IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源的二次逆变模块电路原理图；

图9是本实用新型IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源的二次逆变脉宽调制模块和二次逆变驱动模块电路原理图；

图10是本实用新型IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源的脉冲参数给定模块电路原理图；

图11是本实用新型IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源的二次逆变脉宽调制模块原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

本实用新型一种IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源，包括机箱和内置电路，内置电路包括两次逆变主电路、给定与电流反馈比较控制及驱动电路，其结构方框图如图1所示：两次逆变主电路由依次连接的输入整流滤波模块101、中频一次逆变模块102、功率降压变压模块103、中频整流平滑模块104和二次逆变模块115组成，其中输入整流滤波模块101与三相工频交流输入电源相连接，二次逆变模块115与负载相连接；给定与电流反馈比较控制及驱动电路包括电流电压检测模块112、脉冲参数给定模块117、比较器、单片机控制模块107、脉宽调制模块108和中频驱动模块109、二次逆变驱动模块116与二次逆变脉宽调制模块118组成，其中，电流电压检测模块112的一端与负载相连接，另一端与比较器的输入端相连接，脉冲参数给定模块117与比较器的另一输入端相连接，比较器的输出端分别与单片机控制模块107、脉宽调制模块108相连接，单片机控制模块107与脉宽调制模块108相连接，脉宽调制模块108与中频驱动模块109相连接，中频驱动模块109与中频逆变模块102相连接，单片机控制模块107与二次逆变脉宽调制模块118相连接，二次逆变脉宽调制模块118与二次逆变驱动模块116相连接，二次逆变驱动模块116与二次逆变模块115相连接；多功能参数调节模块119与单片机控制模块107相连接，单片机控制模块107分别连接高频引弧模块113和人机对话面板114。两次逆变主电路还包括安全保护电路，安全保护电路由网压检测模块105、电压保护模块106、温度检测模块110、过热保护模块111组成；其中，网压检测模块105一端与三相工频交流输入电源连接，另一端与电压保护模块106相连接，电压保护模块106分别与脉宽调制模块108、单片机控制模块107相连接；温度检测模块110一端与中频一次逆变模块102相连接，另一端与过热保护模块111相连接，过热保护模块111与脉宽调制模块108相连接。在安全保护电路中，网压检测模块105检测三相工频交流输入电源的电压，采用常用的电压检测装置，如比较器芯片LM393做信号判定。电压保护模块106采用常用的TL084比较器，对反馈电流信号与给定电流参数进行比较，实现欠压与过压保护。电流电压检测模块112为电流电压传感器，与负载连接。温度检测模块110一端与中频一次逆变模块102中的检测温度的散热片相连接，另一端与过热保护模块111相连接，过热保护模块111与脉宽调制模块108相连接，起到过热保护作用。多功能参数调节模块119与单片机控制模块107相连接，多功能参数调节模块119产生数字信号给定单片机控制模块107，然后单片机控制模块107根据不同的数字信号去控制各个模块，实现多功能参数运行。

如图2所示，在两次逆变主电路中，三相工频交流输入电源接输入整流滤波模块101，然后连接滤波环节L₁、C₅、C₆、C₇、C₈，再连接中频一次逆变模块102，输出接功率降压变压模块103的中频功率降压变压器T1初级，T1的次级经过中频整流电路VD₁～VD₄，输出直流电，中频整流电路VD₁～VD₄接二次逆变模块115中的滤波环节L₂、C₉、C₁₀、C₁₇、R₉后接负载和输出方波交流电，以上环节构成两次功率逆变主电路，中频一次逆变模块102包括两个两单元的IGBT(VT₁～VT₂)，二次逆变模块115包括两个两单元的IGBT(VT₃～VT₄)。同时，电流电压检测模块112为传感器，与输出负载端相连接。

如图3所示，一次逆变的脉宽调制模块108和中频驱动模块109主要由脉宽调制模块108的给定与反馈比较、差值放大电路、集成控制芯片SG3525及其外围电路，以及中频驱动模块109及辅助电路相互连接组成。过流保护的电流反馈经过比较放大与集成控制芯片SG3525的引脚2相连，作为集成控制芯片SG3525的输入信号。在集成控制芯片SG3525内部与差值信号比较，使集成控制芯片SG3525输出相应的两路PWM信号。该两路互补(相位差180°)的PWM信号分别作为中频一次逆变模块102中的逆变桥开关管VT₁～VT₂的驱动信号。同时，电流电压检测模块112同基准电流、电压信号比较后，与脉宽调制模块108的集成控制芯片SG3525相连。

如图4所示，单片机控制模块107主要由单片机PALCE22V10H、逻辑电路芯片ULN2004A以及辅助电路相互连接组成。单片机PALCE22V10H系统主要实现外部监控与人机对话的功能。外部监控信号如电源指示、故障指示、气压指示、检气等都是通过单片机PALCE22V10H来控制的，焊接模式的选择、方波交流焊接时的频率、正、负半波的宽度比、起弧电流和收弧电流、焊接电流、高频引弧、焊接自保持、数字电流表等的控制也都是通过单片机控制模块107来完成的。利用单片机控制模块107控制外部监控与人机对话，使得本焊接电源的多参数控制，控制方便，使得本弧焊电源的使用更简易，易于推广。逻辑电路芯片ULN2004A接各种保护电路，如欠压保护、过压保护、过热保护，然后与单片机PALCE22V10H或脉宽调制模块108相连接。

如图5所示，在高频引弧模块113中，通过芯片IC1555触发器控制高频开关场效应管快速打开与关闭，实现T1的原边产生高频脉冲信号，通过与负载电路耦合的变压器，使输出端得到高频信号。在高压、高频下使得非接触引弧得以实现。

如图6所示，在中频一次逆变模块102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的C和E极之间并联RC吸收保护电路。

如图7所示，在整流滤波模块101中，VD₁～VD₄为快速二极管组用于输出整流，R₁、C₁₅和R₂、C₁₆与R₁₀、C₁₈和R₁₁、C₁₉分别组成桥式整流对称的二极管的RC吸收回路。

如图8所示，在二次逆变模块115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的C和E极之间并联RCD吸收保护电路。其中VT_3-1、VT_3-2为正半波，VT_4-1、VT_4-2为负半波，直流正半波长时间开通，负半波关断，方波交流正半波与负半波交替开通与关断。

如图9所示，在二次逆变脉宽调制模块118和二次逆变驱动模块116中，U₁为正半波驱动，U₂为负半波驱动，直流时U₁为正信号驱动，U₂为负信号驱动，方波交流两者交替开通与关断。

如图10所示，在多功能参数调节模块119中有交直流交叉波形控制器，可以调节交直流交叉波形占空比/混合频率等参数，直接产生数字信号给定单片机控制模块107，然后单片机控制模块107控制实现交直流交叉波形占空比/混合频率等参数运行工作。

如图11所示，二次逆变脉宽调制模块118主要由脉宽调制器芯片SG3525、脉宽调制反相器芯片CD4049、反馈比较、差值放大电路及其外围电路组成。在脉宽调制器芯片SG3525内部与差值信号比较，使脉宽调制器芯片SG3525输出相应的一路PWM信号给脉宽调制反相器芯片CD4049分成正反电路两路PWM信号。该两路互补(相位差180°)的PWM信号分别作为二次逆变驱动模块116中的逆变桥开关管VT3～VT4的驱动信号。

本实用新型是这样工作的：三相工频交流输入电源经过输入整流滤波模块101后成为平滑直流电，然后进入中频一次逆变模块102，单片机控制模块107将电流电压检测模块112检测到负载的电流与设定值进行比较，经过单片机控制模块107的控制算法运算，各发给一次逆变的脉宽调制模块108和二次逆变脉宽调制模块118一个输入信号，脉宽调制模块108根据单片机控制模块107设定的算法产生两路PWM信号，这两路PWM信号通过中频驱动模块109放大去控制中频一次逆变模块102的开关管的开通和关断，从而得到20～30KHz中频高压电，中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中频交流电，经过中频整流平滑模块104得到更加平滑的直流电，再经过二次逆变模块115输出(单片机控制模块107的控制算法运算，发给二次逆变脉宽调制模块118控制二次逆变驱动模块116，也就是外环均值闭环控制过程)。温度检测模块110检测散热片温度，送给脉宽调制模块108从而控制中频一次逆变模块102，形成过热保护控制控制，以保证电源的安全工作；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108一个控制信号，产生低电平通过中频驱动模块109关断中频一次逆变模块102的开关管和中断对二次逆变模块115的供电，从而保护两次逆变主电路安全工作。

将本实用新型公开的IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源与氩弧焊枪(外购件)连接：所述氩弧焊枪包括焊枪、焊接电缆、通氩气管道和冷却水管道及快速接头，所述的焊枪输入端与焊接电缆、氩气管道和冷却水管道连接，所述焊接电缆、氩气管道和冷却水管道的另一端，与快速接头连接和集成，所述的快速接头的另一端与本实用新型的IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源机壳输出端口连接，逆变式弧焊电源机壳输出的另一端口与接焊接工件的焊接电缆连接，得到IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊机，将所得焊机用于不锈钢、铜、钛等及其合金的直流焊接，焊接质量高，可控电参数多且灵活，还可用于焊接铝、镁等轻金属合金。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1、一种IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源，包括机箱和内置电路，其特征是，所述内置电路包括两次逆变主电路、给定与电流反馈比较控制及驱动电路；所述两次逆变主电路由依次连接的三相工频输入整流滤波模块、中频一次逆变模块、功率降压变压模块、中频整流平滑模块和二次逆变模块组成，其中输入整流滤波模块与三相工频交流输入电源相连接，二次逆变模块与负载相连接；所述给定与电流反馈比较控制及驱动电路包括电流电压检测模块、脉冲参数给定模块、比较器、单片机控制模块、脉宽调制模块和中频驱动模块、二次逆变驱动模块与二次逆变脉宽调制模块组成，其中，电流电压检测模块的一端与负载相连接，另一端与比较器的输入端相连接，脉冲参数给定模块与比较器的另一输入端相连接，比较器的输出端分别与单片机控制模块、脉宽调制模块相连接，单片机控制模块与脉宽调制模块相连接，脉宽调制模块与中频驱动模块相连接，中频驱动模块与中频逆变模块相连接，单片机控制模块与二次逆变脉宽调制模块相连接，二次逆变脉宽调制模块与二次逆变驱动模块相连接，二次逆变驱动模块与二次逆变模块相连接；多功能参数调节模块与单片机控制模块相连接，单片机控制模块分别连接高频引弧模块和人机对话面板。

2、根据权利要求1所述IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源，其特征是，所述两次逆变主电路包括安全保护电路，所述安全保护电路由网压检测模块、电压保护模块、温度检测模块、过热保护模块组成；其中，网压检测模块一端与三相工频交流输入电源连接，另一端与电压保护模块相连接，电压保护模块分别与脉宽调制模块、单片机控制模块相连接；温度检测模块一端与中频一次逆变模块相连接，另一端与过热保护模块相连接，过热保护模块与脉宽调制模块相连接。

3、根据权利要求1所述IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源，其特征是，所述二次逆变模块主要由两个两单元的IGBT、RCD吸收保护电路及其外围电路组成。

4、根据权利要求1所述IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源，其特征是，所述脉宽调制模块主要由给定与反馈比较、差值放大电路、脉宽调制器芯片SG3525及其外围电路组成。

5、根据权利要求1所述IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源，其特征是，所述单片机控制模块主要由单片机PALCE22V10H、逻辑电路芯片ULN2004A及其外围电路组成。

6、根据权利要求1所述IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源，其特征是，所述高频引弧模块主要由芯片IC1555、高频开关场效应管及其外围电路组成。

7、根据权利要求1所述IGBT逆变式方波交流与直流TIG氩弧焊电源，其特征是，所述二次逆变脉宽调制模块主要由脉宽调制器芯片SG3525、脉宽调制反相器芯片CD4049、反馈比较、差值放大电路及其外围电路组成。