CN201856023U - 一种双逆变式大功率igbt方波交直流氩弧焊电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源，包括机箱和内置电路系统，内置电路系统包括并联设置的两个双逆变电路，两个双逆变电路之间通过程序协同控制模块连接；任一双逆变电路包括双逆变主电路单元和主电路控制单元。本实用新型实现大功率方波交流波形、频率、正负半波的幅值与比例等的多参数调节，降低造价、减少占地面积和提高可靠性与多参数软性控制性能，可解决不锈钢、钛、铝、镁等轻金属及其合金厚大工件的1000A级大功率、高速的方波交流和直流TIG焊接难题，还可用于方波交直流埋弧焊等工艺。

Description

一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源 

技术领域

本实用新型涉及氩弧焊电源技术领域，特别涉及一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源。 

背景技术

目前，在氩弧焊电源领域，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氩弧焊使用；(2)以硅整流器和晶闸管整流器输出直流，并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种类。(3)以整流器和IGBT逆变式全桥电路输出较好的方波交流或直流等弧焊电源种类。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。以整流器和IGBT逆变式全桥电路虽能输出较好的方波交流、直流弧焊电源，节能效果好，可控参数多，但目前通常只能输出500A～630A以下的电流，不能满足厚大工件或高速高效TIG的氩弧焊、埋弧焊等工艺，氩弧焊、埋弧焊等工艺一般需要1000A～1250A的大功率电流，目前一般采用的方法是采用多台设备并联使用，而采用多台设备并联，不仅成本高，而且存在占地大操作使用不方便等诸多问题。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种结构较为紧凑、能满足多种厚度工件焊接的双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源。 

本实用新型的技术方案为：一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源，包括机箱和内置电路系统，所述内置电路系统包括并联设置的两个双逆变电路，两个双逆变电路之间通过协同控制模块连接； 

任一双逆变电路包括双逆变主电路单元和主电路控制单元； 

(1)双逆变主电路单元包括依次连接的以下各模块： 

整流滤波模块，用于将来自三相工频交流电源的交流电转换为平滑的直流电； 

一次中频逆变模块，通过控制其内部IGBT的开关与周期，将整流滤波模块输出的直流电进行转换，提供20～30KHz的中频高压电； 

功率变压模块，用于将一次中频逆变模块提供的中频高压电转换成符合焊接工艺要求的大电流低电压中频交流电； 

中频整流平滑模块，用于将大电流低电压中交流电转换为平滑的大电流低电压中频直流电； 

二次逆变模块，通过控制其内部IGBT的开关与周期，将中频整流平滑模块输出的大电流低电压中频直流电进行转换，输出方波交流电； 

整流滤波模块的输入端与三相工频交流电源连接，两个双逆变电路的二次逆变模块并联后其输出端外接电弧负载； 

(2)主电路控制单元包括以下模块： 

电流电压检测模块，用于检测双逆变主电路单元向电弧负载输出的电流值和电压值，得到各项参数的检测值； 

焊接参数给定模块，用于设定电弧负载所需电流电压的额定值，得到各项参数的设定值； 

比较器，用于比较电弧负载电流电压各项参数的检测值和设定值，并将比较结果送至单片机控制模块； 

单片机控制模块，用于计算来自比较器的比较结果，产生两路信号，并分别将这两路信号输送给一次中频逆变脉宽调制模块和二次逆变脉宽调制模块； 

一次中频逆变脉宽调制模块，根据单片机控制模块设定的算法发来的一路信号，产生两路PWM信号，并通过一次中频逆变驱动模块进行放大和隔离； 

一次中频逆变驱动模块，用于驱动一次中频逆变模块中IGBT的开关与周期； 

二次逆变脉宽调制模块，根据单片机控制模块的另一路信号，产生两路PWM信号，并通过二次逆变驱动模块进行放大和隔离； 

二次逆变驱动模块，用于驱动二次逆变模块中IGBT的开关与周期； 

其中，电流电压检测模块的输入端与电弧负载连接，电流电压检测模块的输出端与比较器的输入端连接；焊接参数给定模块与比较器的另一输入端连接，比较器的输出端与单片机控制模块连接；单片机控制模块的输出端分别与一次中频逆变脉宽调制模块、二次逆变脉宽调制模块连接；一次中频逆变脉宽 调制模块的输出端与一次中频逆变驱动模块连接，一次中频逆变驱动模块的输出端与一次中频逆变模块连接；二次逆变脉宽调制模块的输出端与二次逆变驱动模块连接，二次逆变驱动模块的输出端与二次逆变模块连接； 

两个双逆变电路的单片机控制模块通过协同控制模块连接。 

为了更好地保证本实用新型的安全工作，所述任一双逆变电路中还设有安全电路单元，安全电路单元包括网压检测模块、电压保护模块、温度检测模块和过热保护模块，网压检测模块的输入端与三相工频交流电源连接，网压检测模块的输出端与电压保护模块连接，电压保护模块的输出端与一次中频逆变脉宽调制模块连接，温度检测模块的输入端与一次中频逆变模块连接，温度检测模块的输出端与过热保护模块连接，过热保护模块的输出端与一次中频逆变脉宽调制模块连接； 

其中，网压检测模块用于检测三相交流电源的电压值；电压保护模块用于判断所检测到的电压值是否出现过压或欠压的情况，并产生相应的控制信号；温度检测模块用于检测一次中频逆变模块内散热片的温度值；过热保护模块用于判断所检测到的温度值是否出现过热的情况，并产生相应的控制信号。 

为了方便对本实用新型的控制，所述内置电路系统还外接有人机对话面板。 

所述一次中频逆变模块采用逆变式全桥拓扑结构，包括两个并联设置的IGBT管组，各IGBT管组分别包括两个IGBT，各IGBT管组的输出端与功率变压模块连接。 

所述二次逆变模块采用逆变式硬开关半桥拓扑结构，包括滤波环节和两个并联设置的IGBT管组，各IGBT管组分别包括两个IGBT，各IGBT管组的输出端与滤波环节连接，滤波环节的输出端与电弧负载连接。 

所述一次中频逆变脉宽调制模块和一次中频逆变驱动模块相连接组成的电路包括依次连接的误差放大电路、反相器芯片ULN2003A、集成控制芯片SG3525、两个脉冲变压器T1和T2、芯片2SK1417、芯片M74HC4049和芯片CD4011。 

所述二次逆变脉宽调制模块和二次逆变驱动模块相连接组成的电路包括依次连接的脉宽调制控制芯片和脉宽调制反相器。 

所述单片机控制模块包括相连接的单片机PALCE22V10H和反相器ULN2003A。 

所述焊接参数给定模块中设有交叉波形控制器NE555，交叉波形控制器 NE555的输出端与比较器连接。 

本实用新型一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源，其原理如下： 

1、设计两组结构相同且相互并联设置的双逆变电路，两个双逆变电路之间通过协同控制模块连接并统一协同控制，实现两组并联的双逆变电路严格同步协同运行，可靠输出大功率的方波交流、直流电及其多参数的柔性调节和控制。 

2、设计双逆变式技术：由两个分别置于功率变压模块两端的一次中频逆变模块、二次逆变模块来实现方波交流、直流电的变换输出和多参数匹配调节与控制；具体为： 

(1)一次中频逆变技术：位于功率变压模块的输入端，用现代电子功率开关IGBT模块通过“工频AC-DC-中频AC-DC”的变换，即用一次中频逆变式技术，实现直流TIG氩弧焊接方法。由于把工频50Hz提高到中频20～25KHz，进行大功率降压的变换，大幅度提高功率变压模块中功率变压器的频率，使得弧焊逆变器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，中频功率变压器又是采用铁损很小的非晶态磁芯材料，因而效率很高和可控性能好。双逆变主电路单元中由于存在电容，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，双逆变主电路单元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：在一次中频逆变技术，即“工频AC-DC-中频AC-DC”变换的基础上，位于功率变压模块的输出端，用现代电子功率开关IGBT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”，从而获得方波交流TIG氩弧焊接电源。 

3、本实用新型所采用的两组结构相同的相互并联的双逆变电路，通过协同控制模块相连接并统一协同控制。每组双逆变主电路由完全相同的电路结构形式组成：其中一次中频逆变模块采用全桥逆变式拓扑结构；二次逆变模块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。经过单片机控制模块的模糊控制算法运算，发给一次中频逆变脉宽调制模块一个信号。一次中频逆变脉宽调制模块根据单片机控制模块的算法产生两组相位差180°的PWM信号。这两路PWM信号通过一次中频驱动模块放大去控制一次中频逆 变模块的功率开关管IGBT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转换降压和快速二极管的整流，获得大电流低电压的直流电。电流反馈是在电弧负载输出端用霍尔元件检测输出电流及电压，获得的采样信号，经过放大、比较，再输送到一次中频逆变脉宽调制模块，改变一次中频逆变模块的功率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。 

二次逆变模块中方波交流电的输出，通过单片机控制模块的给定信号，输送到二次逆变脉宽调制模块，控制二次逆变模块的功率IGBT管的导通与关断时间及其工作规律，完成“DC-中频AC”和“DC-低频方波AC”逆变转换，实现大功率方波交流波形、频率、正负半波的幅值与比例等的多参数调节。 

本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果： 

1、本实用新型采用两组结构相同的相互并联的主机双逆变主电路，通过协同控制模块与控制系统的相连接和统一协同控制，实现大功率方波交流波形、频率、正负半波的幅值与比例等的多参数调节，取代现有用两台500/630A的TIG氩弧焊机并联使用，降低造价、减少占地面积和提高可靠性与多参数软性控制性能。可解决不锈钢、钛、铝、镁等轻金属及其合金厚大工件的1000A级大功率、高速的方波交流和直流TIG焊接难题，还可用于方波交直流埋弧焊等工艺。 

2、本实用新型采用桥式IGBT双逆变技术，即在一次全桥式IGBT高频逆变技术的基础上，再增加二次逆变和低频调制技术，使输出的低频方波交流或直流电源使用性能较为理想，所获得的弧焊电源不仅具有抗电磁干扰性能强、逆变频率、效率、可靠性更高、节电更好，而且输出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，除了其直流输出用于焊接不锈钢、铜、钛等及其合金外，其方波交流输出还特别适合于铝、镁等轻金属及其合金的高难度TIG焊接。 

3、本实用新型采用现代电子功率开关IGBT管与移相脉宽调制芯片、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，焊接性能得到较大改善。 

4、本实用新型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、频率等进行通讯和协同控制、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。 

5、本实用新型还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是本实用新型的内置电路结构示意图。 

图2是图1中双逆变主电路单元的电路原理图。 

图3是图1中一次中频逆变模块的电路原理图。 

图4是图1中中频整流平滑模块的电路原理图。 

图5-1或图5-2是图1中一次中频逆变脉宽调制模块与一次中频逆变驱动模块相连接的电路原理图。 

图6是图1中二次逆变模块的电路原理图。 

图7是图1中二次逆变脉宽调制模块与二次逆变驱动模块连接的电路原理图。 

图8是图1中安全保护单元中温度检测模块与过热保护模块相连接的电路原理图。 

图9是图1中单个双逆变电路的电路原理图。 

图10是图1中协同控制模块的电路原理图。 

图11是本实用新型在氩弧焊模式有自锁时的时序图。 

图12是本实用新型在氩弧焊模式无自锁时的时序图。 

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的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。 

实施例 

本实施例一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源，包括机箱和内置电路系统，内置电路系统的结构如图1所示，包括并联设置的两个双逆变电路，两个双逆变电路之间通过协同控制模块连接； 

任一双逆变电路包括双逆变主电路单元和主电路控制单元，任一双逆变电路的电路原理如图9所示，双逆变主电路单元的电路原理如图2所示； 

(1)双逆变主电路单元包括依次连接的以下各模块： 

整流滤波模块101，用于将来自三相工频交流电源的交流电转换为平滑的直流电； 

一次中频逆变模块102，通过控制其内部IGBT的开关与周期，将整流滤波模块输出的直流电转换，提供20～30KHz的中频高压电； 

功率变压模块103，用于将一次中频逆变模块提供的中频高压电转换成符合焊接工艺要求的大电流低电压中频交流电； 

中频整流平滑模块104，用于将大电流低电压中交流电转换为平滑的大电流低电压中频直流电； 

二次逆变模块114，通过控制其内部IGBT的开关周期，将中频整流平滑模块输出的大电流低电压中频直流电转换，输出方波交流电； 

整流滤波模块101的输入端与三相工频交流电源连接，两个双逆变电路的二次逆变模块114并联后其输出端外接电弧负载； 

(2)主电路控制单元包括以下模块： 

电流电压检测模块109，用于检测双逆变主电路单元向电弧负载输出的电流值和电压值，得到各项参数的检测值； 

焊接参数给定模块110，用于设定电弧负载所需电流电压的额定值，得到各项参数的设定值； 

比较器113，用于比较电弧负载电流电压各项参数的检测值和设定值，并将比较结果送至单片机控制模块111； 

单片机控制模块111，用于计算来自比较器113的比较结果，产生两路PWM信号，并分别将这两路信号输送给一次中频逆变脉宽调制模块107和二次逆变脉宽调制模块116； 

一次中频逆变脉宽调制模块107，根据单片机控制模块111设定的算法发来的一路信号，产生两路相位差180°的PWM信号，并通过一次中频逆变驱动模块108进行放大和隔离； 

一次中频逆变驱动模块108，用于驱动一次中频逆变模块102中IGBT的导通或关闭与周期； 

二次逆变脉宽调制模块116，根据单片机控制模块111的另一路信号，产生两路相位差180°的PWM信号，并通过二次逆变驱动模块115进行放大和隔离； 

二次逆变驱动模块115，用于驱动二次逆变模块114中IGBT的开关与周期； 

其中，电流电压检测模块109的输入端与电弧负载连接，电流电压检测模块109的输出端与比较器113的输入端连接；焊接参数给定模块110与比较器113的另一输入端连接，比较器113的输出端与单片机控制模块111连接；单片机控制模块111的输出端分别与一次中频逆变脉宽调制模块107、二次逆变脉宽调制模块116连接；一次中频逆变脉宽调制模块107的输出端与一次中频逆变驱动模块108连接，一次中频逆变驱动模块108的输出端与一次中频逆变模块102连接；二次逆变脉宽调制模块116的输出端与二次逆变驱动模块115连接，二次逆变驱动模块115的输出端与二次逆变模块114连接； 

两个双逆变电路的单片机控制模块111通过协同控制模块112连接。 

为了更好地保证本实施例电源的安全工作，如图1所示，任一双逆变电路中还设有安全电路单元，安全电路单元包括网压检测模块105、电压保护模块106、温度检测模块117和过热保护模块118，网压检测模块105的输入端与三相工频交流电源连接，网压检测模块105的输出端与电压保护模块106连接，电压保护模块106的输出端与一次中频逆变脉宽调制模块107连接，温度检测模块117的输入端与一次中频逆变模块102连接，温度检测模块102的输出端与过热保护模块118连接，过热保护模块118的输出端与一次中频逆变脉宽调制模块107连接； 

其中，网压检测模块105用于检测三相交流电源的电压值；电压保护模块106用于判断所检测到的电压值是否出现过压或欠压的情况，并产生相应的控制信号；温度检测模块117用于检测一次中频逆变模块102内散热片的温度值；过热保护模块118用于判断所检测到的温度值是否出现过热的情况，并产生相应的控制信号。 

安全电路单元中温度检测模块117与过热保护模块118相连接的电路原理如图8所示，CN6接一次中频逆变模块上的散热片，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。过热保护模块118的输出端，与依次中频逆变脉宽调制模块107的集成控制芯片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信号分别进入一次中频逆变驱动模块108，作为一次中频逆变模块102中功率IGBT管VT₁～VT₄的驱动信号，在出现过热、过流等现象时关断IGBT管桥组。 

为了方便对本实施例电源的控制，内置电路系统还外接有人机对话面板。 

上述电源结构中，双逆变主电路单元的电路原理如图2所示，三相工频交流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，再连接一次中频逆变模块102，输出端连接功率变压模块103的功率降压变压器T₁初级，T₁的次级经过中频整流平滑模块104的电路VD_1A～VD_4A，输出直流电，中频整流平滑模块104的电路VD_1A～VD_4A连接二次逆变模块105中的滤波环节L₂、C₉、C₁₀、C₁₇、R₉，再连接电弧负载，输出方波交流电。以上环节构成双逆变主电路。任一双逆变电路的电路原理如图9所示，在单片机控制模块111的电路原理图中，主要由PALCE22V10H、反相器ULN2003A以及辅助电路相互连接组成，PALCE22V10H作为闭环电流模糊控制的核心，采样电流与给定信号的偏差在内部进行模糊运算，输出信号作为一次中频逆变脉宽调制模块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。 

一次中频逆变模块102的电路原理如图3所示，采用软开关逆变式移相全桥拓扑结构，包括LC谐振电路和两个并联设置的IGBT管组，各IGBT管组分别包括两个IGBT，各IGBT管组的输出端与LC谐振电路连接，LC谐振电路的输出端与功率变压模块连接。 

二次逆变模块114采用逆变式硬开关半桥拓扑结构，无死区时间，容易维弧，包括滤波环节和两个并联设置的IGBT管组，各IGBT管组分别包括两个IGBT，各IGBT管组的输出端与滤波环节连接，滤波环节的输出端与电弧负载连接。如图6所示，为了防止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G3-1、G4-1为正半波，G3-2、G4-2为负半波，直流正半波常时间开通，负半波关断，方波交流正半波与负半波交替开通与关断。 

一次中频逆变脉宽调制模块107和一次中频逆变驱动模块108相连接组成的电路如图5-1或图5-2所示，包括依次连接的误差放大电路、反相器芯片ULN2003A、集成控制芯片SG3525、两个脉冲变压器T1和T2、芯片2SK1417、芯片M74HC4049和芯片CD4011。一次中频逆变脉宽调制模块107产生两路波形互补的信号分别进入一次中频逆变驱动模块108，一次中频逆变驱动模块108将两路信号进行加强和给双逆变式大功率方波交直流氩弧焊电源输入驱动信号。 

二次逆变脉宽调制模块116和二次逆变驱动模块115相连接组成的电路如 图7所示，包括依次连接的脉宽调制控制芯片和脉宽调制反相器。图中U3为脉宽调制控制芯片，其14脚为脉宽调制信号，2脚为脉宽调制输入信号给定，U4为脉宽调制反相器，用于传输驱动信号。二次逆变脉宽调制模块116产生两路波形互补的信号分别进入二次逆变驱动模块115，二次逆变驱动模块115将两路信号进行加强和给二次逆变模块的逆变半桥开关管VT₅～VT₈输入驱动信号，实现方波交流正半波与负半波交替开通与关断。 

单片机控制模块111包括相连接的单片机PALCE22V10H和反相器ULN2003A。 

焊接参数给定模块110中设有交叉波形控制器NE555，交叉波形控制器NE555的输出端与比较器113连接。 

中频整流平滑模块的电路原理如图4所示，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。 

协同控制模块112的电路原理如图10所示，两组相互并联的双逆变电路的控制系统电路分别与图中的CN1、CN2和CN3、CN4端子连接，CN8与焊接小车(在自动焊接场合用)的控制电路相连，焊接小车上的启动按钮按下则图中继电器RLY1开关吸合，导致SHUTDOWN1端接地，从而触发两组双逆变主电路可以同时开通。两组双逆变主电路单元并联的电流反馈显示信号则通过LM324的叠加和放大计算，送到电流显示端口ID SP。 

本实施例一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源使用时，当电源系统为有自锁的氩弧焊模式时，其时序如图11所示；当电源系统为无自锁的氩弧焊模式时，其时序如图12所示。 

本实施例一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源，其原理如下： 

1、设计两组结构相同且相互并联设置的双逆变电路，两个双逆变电路之间通过协同控制模块连接并统一协同控制，实现两组并联的双逆变电路严格同步协同运行，可靠输出大功率的方波交流、直流电及其多参数的柔性调节和控制。 

2、设计双逆变式技术：由两个分别置于功率变压模块两端的一次中频逆变模块、二次逆变模块来实现方波交流、直流电的变换输出和多参数匹配调节与控制；具体为： 

(1)一次中频逆变技术：位于功率变压模块的输入端，用现代电子功率 开关IGBT模块通过“工频AC-DC-中频AC-DC”的变换，即用一次中频逆变式技术，实现直流TIG氩弧焊接方法。由于把工频50Hz提高到中频20～25KHz，进行大功率降压的变换，大幅度提高功率变压模块中功率变压器的频率，使得弧焊逆变器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，中频功率变压器又是采用铁损很小的非晶态磁芯材料，因而效率很高和可控性能好。双逆变主电路单元中由于存在电容，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，双逆变主电路单元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：在一次中频逆变技术，即“工频AC-DC-中频AC-DC”变换的基础上，位于功率变压模块的输出端，用现代电子功率开关IGBT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”，从而获得方波交流TIG氩弧焊接电源。 

3、本实用新型所采用的两组结构相同的相互并联的双逆变电路，通过协同控制模块相连接并统一协同控制。每组双逆变主电路由完全相同的电路结构形式组成：其中一次中频逆变模块采用全桥逆变式拓扑结构；二次逆变模块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。经过单片机控制模块的模糊控制算法运算，发给一次中频逆变脉宽调制模块一个信号。一次中频逆变脉宽调制模块根据单片机控制模块的算法产生两组相位差180°的PWM信号。这两路PWM信号通过一次中频驱动模块放大去控制一次中频逆变模块的功率开关管IGBT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转换降压和快速二极管的整流，获得大电流低电压的直流电。电流反馈是在电弧负载输出端用霍尔元件检测输出电流及电压，获得的采样信号，经过放大、比较，再输送到一次中频逆变脉宽调制模块，改变一次中频逆变模块的功率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。 

二次逆变模块中方波交流电的输出，通过单片机控制模块的给定信号，输送到二次逆变脉宽调制模块，控制二次逆变模块的功率IGBT管的导通与关断时间及其工作规律，完成“DC-中频AC”和“DC-低频方波AC”逆变转换，实现大功率方波交流波形、频率、正负半波的幅值与比例等的多参数调节。 

本实施例的双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源使用时，其具体 工作过程为： 

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，然后进入一次中频逆变模块102，单片机控制模块111将电流电压检测模块109检测到电弧负载的电流与设定值进行比较放大，经过单片机控制模块111模糊逻辑控制算法运算与控制，各发给一次中频逆变脉宽调制模块108和二次逆变脉宽调制模块116一个输入信号，一次中频逆变脉宽调制模块116根据单片机控制模块111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108放大和隔离去控制一次中频逆变模块102的开关管的开通和关断，从而得到20～25KHz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114输出(单片机控制模块111的控制算法运算，发给二次逆变脉宽调制模块116一个输入信号控制二次逆变驱动模块115，也就是外环均值闭环控制过程)。温度检测模块117检测散热片温度，依次送给过热保护模块118和一次中频逆变脉宽调制模块108，从而控制一次中频逆变模块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，产生低电平通过一次中频逆变驱动模块107关断一次中频逆变模块102的开关管和中断对二次逆变模块114的供电，从而保护两次逆变主电路安全工作。 

如上所述，便可较好地实现本实用新型，上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围；即凡依本实用新型内容所作的均等变化与修饰，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。 

Claims (9)

1.一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源，其特征在于，包括机箱和内置电路系统，所述内置电路系统包括并联设置的两个双逆变电路，两个双逆变电路之间通过协同控制模块连接；

任一双逆变电路包括双逆变主电路单元和主电路控制单元；

(1)双逆变主电路单元包括依次连接的以下各模块：

整流滤波模块，用于将来自三相工频交流电源的交流电转换为平滑的直流电；

一次中频逆变模块，通过控制其内部IGBT的开关与周期，将整流滤波模块输出的直流电进行转换，提供20～30KHz的中频高压电；

功率变压模块，用于将一次中频逆变模块提供的中频高压电转换成符合焊接工艺要求的大电流低电压中频交流电；

中频整流平滑模块，用于将大电流低电压中交流电转换为平滑的大电流低电压中频直流电；

二次逆变模块，通过控制其内部IGBT的开关与周期，将中频整流平滑模块输出的大电流低电压中频直流电进行转换，输出方波交流电；

整流滤波模块的输入端与三相工频交流电源连接，两个双逆变电路的二次逆变模块并联后其输出端外接电弧负载；

(2)主电路控制单元包括以下模块：

电流电压检测模块，用于检测双逆变主电路单元向电弧负载输出的电流值和电压值，得到各项参数的检测值；

焊接参数给定模块，用于设定电弧负载所需电流电压的额定值，得到各项参数的设定值；

比较器，用于比较电弧负载电流电压各项参数的检测值和设定值，并将比较结果送至单片机控制模块；

单片机控制模块，用于计算来自比较器的比较结果，产生两路信号，并分别将这两路信号输送给一次中频逆变脉宽调制模块和二次逆变脉宽调制模块；

一次中频逆变脉宽调制模块，根据单片机控制模块的一路信号，产生两路相位差180°的PWM信号，经一次中频逆变驱动模块放大和隔离；

一次中频逆变驱动模块，用于驱动一次中频逆变模块中IGBT的开关与周期； 

二次逆变脉宽调制模块，根据单片机控制模块的另一路信号，产生两路相位差180°的PWM信号，经二次中频逆变驱动模块放大和隔离；

二次逆变驱动模块，用于驱动二次逆变模块中IGBT的导通或关闭；

其中，电流电压检测模块的输入端与电弧负载连接，电流电压检测模块的输出端与比较器的输入端连接；焊接参数给定模块与比较器的另一输入端连接，比较器的输出端与单片机控制模块连接；单片机控制模块的输出端分别与一次中频逆变脉宽调制模块、二次逆变脉宽调制模块连接；一次中频逆变脉宽调制模块的输出端与一次中频逆变驱动模块连接，一次中频逆变驱动模块的输出端与一次中频逆变模块连接；二次逆变脉宽调制模块的输出端与二次逆变驱动模块连接，二次逆变驱动模块的输出端与二次逆变模块连接；

两个双逆变电路的单片机控制模块通过协同控制模块连接。

2.根据权利要求1所述一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源，其特征在于，所述任一双逆变电路中还设有安全电路单元，安全电路单元包括网压检测模块、电压保护模块、温度检测模块和过热保护模块，网压检测模块的输入端与三相工频交流电源连接，网压检测模块的输出端与电压保护模块连接，电压保护模块的输出端与一次中频逆变脉宽调制模块连接，温度检测模块的输入端与一次中频逆变模块连接，温度检测模块的输出端与过热保护模块连接，过热保护模块的输出端与一次中频逆变脉宽调制模块连接；

其中，网压检测模块用于检测三相交流电源的电压值；电压保护模块用于判断所检测到的电压值是否出现过压或欠压的情况，并产生相应的控制信号；温度检测模块用于检测一次中频逆变模块内散热片的温度值；过热保护模块用于判断所检测到的温度值是否出现过热的情况，并产生相应的控制信号。

3.根据权利要求1所述一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源，其特征在于，所述内置电路系统还外接有人机对话面板。

4.根据权利要求1所述一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源，其特征在于，所述一次中频逆变模块采用逆变式全桥拓扑结构，包括两个并联设置的IGBT管组，各IGBT管组分别包括两个IGBT，各IGBT管组的输出端与功率变压模块连接。

5.根据权利要求1所述一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源，其特征在于，所述二次逆变模块采用逆变式硬开关半桥拓扑结构，包括滤波环节和两个并联设置的IGBT管组，各IGBT管组分别包括两个IGBT，各IGBT管组的输出端与滤波环节连接，滤波环节的输出端与电弧负载连接。 

6.根据权利要求1所述一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源，其特征在于，所述一次中频逆变脉宽调制模块和一次中频逆变驱动模块相连接组成的电路包括依次连接的误差放大电路、反相器芯片ULN2003A、集成控制芯片SG3525、两个脉冲变压器T1和T2、芯片2SK1417、芯片M74HC4049和芯片CD4011。

7.根据权利要求1所述一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源，其特征在于，所述二次逆变脉宽调制模块和二次逆变驱动模块相连接组成的电路包括依次连接的脉宽调制控制芯片和脉宽调制反相器。

8.根据权利要求1所述一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源，其特征在于，所述单片机控制模块包括相连接的单片机PALCE22V10H和反相器ULN2003A。

9.根据权利要求1所述一种双逆变式大功率IGBT方波交直流氩弧焊电源，其特征在于，所述焊接参数给定模块中设有交叉波形控制器NE555，交叉波形控制器NE555的输出端与比较器连接。 

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