CN202317371U

CN202317371U - 逆变焊接电源智能偏磁检测与处理装置

Info

Publication number: CN202317371U
Application number: CN2011204414614U
Authority: CN
Inventors: 段彬; 张承慧; 孙兴; 黄长伟; 张光先
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2021-11-10

Abstract

本实用新型公开了一种逆变焊接电源智能偏磁检测与处理装置；包括传感器及信号调理模块，加/减法器模块，比例调节器，比较器，控制器输入信号调理模块，数字控制器，调节电压输入模块。采集焊接电流的传感器及信号调理模块，将信号输送至加/减法器模块，调节电压输入模块将信号输送至加/减法器模块，信号经加/减法器模块处理后输送至比较器；主变压器一次侧电流经传感器及信号调理模块处理后输送至比例调节器，比例调节器输送信号至比较器，比较器将加/减法器模块、比例调节器输送的信号进行比较，比较器将信号输送至控制器输入信号调理模块，信号调理模块将信号输送至数字控制器；稳定性、可靠性高，通用性强。

Description

逆变焊接电源智能偏磁检测与处理装置

技术领域

本实用新型涉及焊接技术领域，尤其涉及一种逆变焊接电源智能偏磁检测与处理装置。

背景技术

自20世纪80年代始，经过二三十年的发展，逆变焊接电源以其高效节能、动态响应快、控制灵活、便于波形的精细控制等优点，已经成为国际焊接设备市场中的主要发展方向。但可靠性低的问题是制约焊接电源快速发展的瓶颈，其中偏磁现象的存在是最为关键的问题。由于多种因素导致两个PWM半周期内，施加在主变压器上的脉冲幅度或宽度不相等，将在主变压器中产生直流分量，励磁电流发生急剧变化，磁化曲线严重畸变，导致主变压器偏磁，从而使主变压器一次侧电流陡升(一般为几个微秒)。短时间内过流，将使功率器件热损耗加大，发生爆裂等永久性损害。

目前主电路抗偏磁的措施主要由以下几种方法：(1)在变压器磁路中加一定的气隙，改善其磁导率的线性度，但会影响变压器的输出功率，增大其体积和重量。(2)工程上一简单又实用的方法，是在变压器的一次侧增加隔直电容器，阻断直流分量。该方法能够较大的抑制由正、反方向电压幅度不等引起的偏磁，但由于主变压器的工作状况还要受到二次侧输出电流的影响，偏磁无法完全消除。(3)申请号为200910215161.1的发明申请“一种逆变焊接电源抗偏磁装置”中，通过在主变压器一次侧串联线性电感，来增加系统抗偏磁能力。然而该方法抑制了电流上升率，降低了系统的动态响应性能，在对实时性要求较高的工艺方法有较大的局限。(4)申请号为99235012.3的专利“开关电源抗偏磁的控制电路装置”针对开关电源设计了一种抗偏磁控制电路，该方法将变压器一次侧反馈电流进行斜坡补偿电路，然后与预置的给定进行比较，输出信号送到模拟PWM芯片中，来切断发生畸变的电流。随着焊接工艺的改进，焊接电流波形也多种多样，如脉冲MIG焊、冷金属过渡焊等，该方法单一的给定比较和传统的模拟PWM芯片控制，已难以满足目前高效的焊接工艺和高性能的数字焊接电源的需求。上述现有技术的缺陷是：无法完全消除偏磁，降低系统的动态响应性能，难以满足高效的焊接工艺，特别是精细的熔滴控制以及高性能的数字焊接电源系统的需求问题。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决现有技术仅能在一定程度上抑制偏磁，且会降低系统的动态响应性能，难以满足高效的焊接工艺，如精细的熔滴控制等，和高性能的数字焊接电源系统的需求的问题；提供一种逆变焊接电源智能偏磁检测与处理装置；当主变压器偏磁、导致一次侧电流急剧增大时，本系统中的偏磁检测电路通过主变压器一次侧电流和焊接电流的同时采集，由检测电路立即检测到偏磁信号及其宽度，并将信息反馈给数字控制器，由相应的控制策略调整PWM输出脉冲，实现偏磁快速、有效地抑制；具有一致性好，稳定性、可靠性高，通用性强、普适度高，控制策略灵活多变、智能性好的优点。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种逆变焊接电源智能偏磁检测与处理装置，包括传感器及信号调理模块，加/减法器模块，比例调节器，比较器，控制器输入信号调理模块，数字控制器，调节电压输入模块；采集焊接电流的传感器及信号调理模块，将经传感器及信号调理模块处理的焊接电流信号输送至加/减法器模块，调节电压输入模块将信号输送至加/减法器模块，信号经加/减法器模块处理后输送至比较器；主变压器一次侧电流经传感器及信号调理模块处理后输送至比例调节器，比例调节器输送信号至比较器，比较器将加/减法器模块，以及比例调节器输送的信号进行比较，比较器输出的信号经过控制器输入信号调理模块，输送至数字控制器。

加/减法器主要包括电阻R3、R4、R5、R6和运算放大器U_{1_1A}；电阻R5两端分别连接电流霍尔传感器和U_{1_1A}的同相输入端；电阻R6一断连接U_{1_1A}的同相输入端，一端接地；电阻R3一端连接U_{1_1A}的反相输入端，一端连接调节电压输入模块的输出；电阻R4一端连接U_{1_1A}的反相输入端，一端连接在U_{1_1A}的输出端。

比例调节器主要包括电阻R7、R8和运算放大器U_{1_1B}；电阻R7一端接地，一端连接在运算放大器U_{1_1B}的反相输入端；电位器R8一端连接U_{1_1B}的反相输入端，一端连接U_{1_1B}的输出端。

数字控制器采用单片机、DSP或FPGA。

本实用新型的工作原理为：同时采集主变压器一次侧电流和焊接电流，并进行信号调理，将变压器一次侧电流调整为同相脉冲信号，与焊接反馈电流分别由加法器/减法器和比例调节器进行调幅，然后由比较器输出，获得偏磁信号产生的位置和宽度，经信号调理环节后，发送给数字控制器。根据偏磁信号出现的位置和强弱，由相应控制策略快速调节PWM占空比，改变当前方向的伏秒积，产生适当的PWM驱动信号，使正、反方向伏秒积趋于平衡，主变压器迅速脱离饱和，恢复正常的磁滞回线工作区，达到消除偏磁的目的。同时还可通过监控焊接电源的最大输出电流。具体的方案和工作流程是：由电流霍尔传感器实时获取焊接电流，并转换成电压信号U_i1，与由电阻R1和电位器R2分压产生的U_m一起，经由电阻R3、R4、R5、R6和运算放大器U_{1_1A}构成的减法器累加，输出幅度可调的电流反馈信号，其中电位器R2的作用是调节反馈电流幅值，确定偏磁现象出现的临界点；同时，由电流互感器获取主变压器一次侧电流信号，并转换成同相脉冲电流信号，经由电阻R7、R8和运算放大器U_{1_1B}构成的比例调节器，输出幅值可调的反馈信号；将获取并变换的主变压器一次侧电流和输出的焊接电流信号，经比较器U2_1A比较，可及时获得偏磁信号送至数字控制器进行处理。上拉电阻R9用来确保控制器能够接收准确的偏磁信号。控制器则可在检测出偏磁信号后，调整后续PWM驱动脉冲的占空比，使主变压器恢复正常的磁滞回线工作区，达到消除偏磁的目的，提高系统稳定性和可靠性。

数字控制器可以采用单片机、DSP或FPGA，无论哪种方式，均要保证此程序的最高优先级。焊接电源一旦发生偏磁，检测电路立刻输出触发信号给数字控制器，使计数器开始工作计时，当偏磁持续时间小于m，则认为系统本身能够自动调节此次偏磁现象，不必进行干扰；当偏磁持续时间超过m(m的值很小，一般为几个微秒)，则立即关闭各路PWM输出，提前结束本周期PWM脉冲，并且增加下个周期的PWM占空比(下周期PWM占空比＝本周期PWM占空比×N，N＞1)，促使主变压器磁芯工作曲线回归正常状态，从而消除偏磁现象。由于偏磁检测电路全部采用了模拟器件搭建，所以能够及时、正确的检测出偏磁信号；而检测出的偏磁信号又传送至数字控制器，可编程实现多种控制策略，适应不同工艺、不同场合和应用背景下的偏磁现象处理。另外，主变压器偏磁时，励磁电流将发生急剧变化，使主变压器饱和，主变压器一次侧电流波形发生畸变，然而此时在焊接电流中不会产生明显的特征信号，且系统偏磁时，变压器一次侧电流陡升时间一般在几个微秒之内，因此偏磁信号检测和控制处理的时间不能超过几个微秒，且越快越好。因此，利用该特点，引入变压器一次侧电流反馈闭环将能够有效的抑制过流，纠正变压器偏磁，实时保护IGBT，弥补桥式电路本身的不足，提高系统稳定性。

本实用新型的有益效果：本方法充分利用逆变焊接电源主回路输入输出的变比关系和先进的数字控制技术，来同时采集和处理主变压器一次侧电流和焊接电流，因此，具有以往措施没有的优点：

(1)一致性好，稳定性高。由模拟电路搭建检测平台和数字技术构筑控制系统的设计理念，将完全能够满足快速偏磁现象的处理要求，并且大大提高系统抗扰动性，一致性好，便于实现和产业化应用。

(2)通用性强，普适度高。因本方法采用了变压器一次侧电流和焊接电流同时采集与处理的方法，所以无论是直流焊、脉冲焊、冷金属过渡焊等焊接工艺，均可沿用此方案。

(3)控制策略灵活多变，智能性好。相比传统的模拟电路搭建的控制平台，本方法可根据实际工程应用的多样性和特殊性，设计不同的控制策略(本例中给出的是典型的控制方法)，实现偏磁现象的自动处理。

附图说明

图1是本实用新型偏磁检测及控制系统功能框图；

图2本实用新型偏磁检测与处理方案电路图；

图3偏磁智能控制策略流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施案例对本实用新型做进一步说明。

逆变焊接电源智能偏磁检测与处理装置，如图1～3所示，包括传感器及信号调理模块，加/减法器模块，比例调节器，比较器，控制器输入信号调理模块，数字控制器，调节电压输入模块。采集焊接电流的传感器及信号调理模块，将经传感器及信号调理模块处理的焊接电流信号输送至加/减法器模块，调节电压输入模块将信号输送至加/减法器模块，信号经加/减法器模块处理后输送至比较器；主变压器一次侧电流经传感器及信号调理模块处理后输送至比例调节器，比例调节器输送信号至比较器，比较器将加/减法器模块，以及比例调节器输送的信号进行比较，比较器将信号输送至控制器输入信号调理模块，信号调理模块将信号输送至数字控制器。加/减法器主要包括电阻R3、R4、R5、R6和运算放大器U_{1_1A}；电阻R5两端分别连接电流霍尔传感器和U_{1_1A}的同相输入端；电阻R6一断连接U_{1_1A}的同相输入端，一端接地；电阻R3一端连接U_{1_1A}的反相输入端，一端连接调节电压输入模块的输出；电阻R4一端连接U_{1_1A}的反相输入端，一端连接在U_{1_1A}的输出端。比例调节器主要包括电阻R7、R8和运算放大器U_{1_1B}；电阻R7一端接地，一端连接在运算放大器U_{1_1B}的反相输入端；电位器R8一端连接U_{1_1B}的反相输入端，一端连接U_{1_1B}的输出端。数字控制器采用单片机、DSP或FPGA。逆变焊接电源智能偏磁实时检测电路的控制方法是，焊接电源一旦发生偏磁，检测电路立刻输出触发信号给数字控制器，数字控制器接收到偏磁信号后，其内的计数器开始工作计时。根据不同的焊接条件，当偏磁持续时间小于3微秒时，则认为系统本身能够自动调节此次偏磁现象，不必进行干扰；当偏磁持续时间超过3微秒时，则立即关闭各路PWM输出，提前结束本周期PWM脉冲，并且增加下个周期的PWM占空比(N＞1)，促使主变压器磁芯工作曲线回归正常状态，从而消除偏磁现象。

上述虽然结合附图对实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims

1.一种逆变焊接电源智能偏磁检测与处理装置，其特征是，包括传感器及信号调理模块，加/减法器模块，比例调节器，比较器，控制器输入信号调理模块，数字控制器，调节电压输入模块，采集焊接电流的传感器及信号调理模块，将经传感器及信号调理模块处理的焊接电流信号输送至加/减法器模块，调节电压输入模块将信号输送至加/减法器模块，信号经加/减法器模块处理后输送至比较器；主变压器一次侧电流经传感器及信号调理模块处理后输送至比例调节器，比例调节器输送信号至比较器，比较器将加/减法器模块，以及比例调节器输送的信号进行比较，比较器将信号输送至控制器输入信号调理模块，信号调理模块将信号输送至数字控制器。

2.如权利要求1所述的逆变焊接电源智能偏磁检测与处理装置，其特征是，所述加/减法器主要包括电阻R3、R4、R5、R6和运算放大器U_{1_1A}；电阻R5两端分别连接电流霍尔传感器和U_{1_1A}的同相输入端；电阻R6一断连接U_{1_1A}的同相输入端，一端接地；电阻R3一端连接U_{1_1A}的反相输入端，一端连接调节电压输入模块的输出；电阻R4一端连接U_{1_1A}的反相输入端，一端连接在U_{1_1A}的输出端。

3.如权利要求1所述的逆变焊接电源智能偏磁检测与处理装置，其特征是，所述比例调节器主要包括电阻R7、R8和运算放大器U_{1_1B}；电阻R7一端接地，一端连接在运算放大器U_{1_1B}的反相输入端；电位器R8一端连接U_{1_1B}的反相输入端，一端连接U_{1_1B}的输出端。

4.如权利要求1所述的逆变焊接电源智能偏磁检测与处理装置，其特征是，所述数字控制器采用单片机、DSP或FPGA。