CN203448847U - 一种大功率双丝脉冲mig焊逆变电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大功率双丝脉冲MIG焊逆变电源系统，包括通过CAN总线相连的主机电源和从机电源，所述主机电源和从机电源均包括有主电路和控制电路，所述主电路由两台或两台以上的全桥逆变器并联而成，包括有依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块，该输入整流滤波模块与三相交流输入电网连接，该输出整流滤波模块与电弧负载连接；所述控制电路包括有电压电流检测模块、故障保护模块、DSP数字化协同控制模块、人机界面模块、高频驱动模块。本实用新型采用全桥逆变器并联的主电路，结合先进的DSP数字化协同控制技术，能够成倍提高双丝焊的输出功率、焊接速度和焊丝熔覆效率。

Description

一种大功率双丝脉冲MIG焊逆变电源系统

技术领域

本实用新型涉及高效化和高速化焊接技术的技术领域，尤其是指一种大功率双丝脉冲MIG焊逆变电源系统。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展，国内的一些大型企业为了提高重要构件的焊接效率和焊接质量，增强产品在国内外市场的竞争力，开始从国外引进双丝高效自动焊装备，但主要是细双丝自动焊接工艺及设备。现有技术中，厚大结构往往需要几至几十道、层焊缝才能填满焊接坡口，从使用性能和效果上来看，存在着不少问题。尤其在造船业、管道、大型钢结构等行业对大厚板要求往往较难以较少的层次、道数较快地填满坡口，而且焊缝长达十多米、几十米，这样迫切要求进一步实现更高速、高效、节能的焊接。传统双丝焊难于进一步提速的主要原因是由于受开关器件功率的限制，其焊接电流一般在500A以下。高效化焊接是目前焊接界的研究热点，对提高焊接生产效率效果明显。高效化焊接工艺创新和装备创新是焊接技术创新的重要支撑之一，高效化焊接主要表现在两个方面：一是薄板焊接时焊接速度的大幅提高；二是厚板焊接时熔敷效率的大幅提升。要实现对中厚板的高效化焊接，关键在于焊接电流的进一步提高，因而用户要求采用大功率双丝焊焊接工艺及设备。尽管国内外已研发和生产大功率双丝高速自动焊设备，但仅用于埋弧焊，虽然埋弧高速焊在一定程度上解决了厚大焊件的速度问题，但由于它埋弧，看不见熔池的形成过程，另外需要大量的时间人工清理焊渣，同时焊剂的性能局限了焊速的提高，严重影响了焊接质量和生产效率的进一步提高。

由此可见，现有的双丝脉冲MIG焊技术，主要有以下几个方面的缺点：

1、焊接电流小，输出功率小。

2、对于中厚板，难以一次性实现成型的高效、高速化焊接。

3、焊接速度慢，焊丝熔覆效率低，焊接生产效率低。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种大功率双丝脉冲MIG焊逆变电源系统，该系统能克服单套开关管功率受限，输出电流不能太大的缺点，具有输出电流大的特点，粗丝在大电流热作用下产生的融化系数高、熔滴量大，熔池宽而深，能够很快填满大焊件的坡口，而且大功率双电弧在一个熔池上燃烧，总的焊接热输入大，可以大大提高焊接速度和生产效率，适用于中厚板焊接，特别是一次成型的快速焊接。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种大功率双丝脉冲MIG焊逆变电源系统，包括为前丝提供电流并协同控制整个系统的主机电源和为后丝提供电流的从机电源，该主机电源和从机电源之间通过CAN总线相连，所述主机电源和从机电源均包括有主电路和控制电路，其中，所述主电路由两台或两台以上的全桥逆变器并联而成，包括有依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块，该输入整流滤波模块与三相交流输入电网连接，该输出整流滤波模块与电弧负载连接；所述控制电路包括有电压电流检测模块、故障保护模块、DSP数字化协同控制模块、人机界面模块、高频驱动模块，该电压电流检测模块的一端与电弧负载相连，其另一端与DSP数字化协同控制模块的A/D输入端相连，该故障保护模块的一端与三相交流输入电网相连，其另一端与DSP数字化协同控制模块相连，该高频驱动模块的一端与高频逆变模块相连，其另一端与DSP数字化协同控制模块的PWM输出端相连，该人机界面模块与DSP数字化协同控制模块相连。

所述DSP数字化协同控制模块包括有型号为TMS320F28335的DSP芯片，主机电源和从机电源通过各自DSP芯片内嵌的CAN模块实现主机电源和从机电源之间的数字化协同控制。

所述故障保护模块包括有分别与与门电路连接的过压检测电路、欠压检测电路、过流检测电路、过温检测电路。

所述DSP芯片内嵌有用于产生PWM信号的ePWM输出模块。

所述DSP数字化协同控制模块产生的PWM信号经高频驱动模块增强驱动能力后得到IGBT开关信号，所述IGBT开关信号直接作用于高频逆变模块的IGBT，控制其通断。

所述电压电流检测模块将采集到的电压信号经分压、LC滤波后，再经过光耦隔离后进入DSP数字化协同控制模块的A/D转换通道；同时，该电压电流检测模块采用型号为HDC400BS的霍尔传感器检测焊接电流，该霍尔传感器输出的电流信号变换成电压信号后，再经过滤波后进入DSP数字化协同控制模块的A/D转换通道。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

（1）输出电流大；本实用新型采用模块化的设计思想，将两台或两台以上的全桥逆变器并联后作用于一个电弧负载，可以保证在单个开关器件功率受限的情况下也能增大输出电流。

（2）稳定性高；由于采用两台或两台以上的全桥逆变器并联方式工作，通过均流技术可以保证两台或两台以上的全桥逆变器的输出电流基本一致，这样就能保证每台全桥逆变器的工作负载不至于太重，可以大大减少电路出现故障的情况，另外，DSP优异的控制性能也能保证系统工作在比较稳定的状态。

（3）焊接效率高；双丝焊相比单丝焊效率已然有较大的提升，大功率双丝焊由于输出电流很大，能在较短的时间内向焊丝输入更多的能量，所以能以更快的速度熔化更粗的焊丝，大大提高焊接效率。

（4）焊接质量高；在大功率双丝焊过程中，熔池的体积大，热量输入也大，并且两个大功率电弧的同时存在改变了熔池中的热量分布特点，从而可以解决单丝高速焊和传统双丝高速焊产生的缺陷，这是因为大功率双丝焊中前丝的电弧使得母材发生熔化，使液体金属充分的流动，后丝的电弧可以补充热量到熔池的后部，即前丝电弧热量传递很少的部分，故液体金属可以流到熔池的边缘地区，较好地解决了咬边的问题。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构框图。

图2为本实用新型的主电路的电路原理图。

图3为本实用新型的高频驱动模块的电路原理图。

图4为本实用新型的电压电流检测模块的电路原理图。

图5为本实用新型的故障保护模块电路原理图。

图6为本实用新型的DSP数字化协同控制模块的结构框图。

图7a为本实用新型的主机电源控制流程图。

图7b为本实用新型的从机电源控制流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实施所述的大功率双丝脉冲MIG焊逆变电源系统，包括主机电源和从机电源，该主机电源和从机电源之间通过CAN总线相连，主机电源负责为前丝提供电流以及协同控制整个系统，从机电源负责为后丝提供电流，两根焊丝间没有电气连接；软件上，从机电源接收主机电源的控制，主、从机电源间通过CAN总线通信交换数据；其中，所述主电路由两台全桥逆变器并联而成，成倍增大了主机电源和从机电源的电流输出能力，当然也可以由两台以上的全桥逆变器并联而成，具体视实际情况而定，该主电路包括有依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块，该输入整流滤波模块与三相交流输入电网连接，该输出整流滤波模块与电弧负载连接；所述控制电路包括有电压电流检测模块、故障保护模块、DSP数字化协同控制模块、人机界面模块、高频驱动模块，该电压电流检测模块的一端与电弧负载相连，其另一端与DSP数字化协同控制模块的A/D输入端相连，该故障保护模块的一端与三相交流输入电网相连，其另一端与DSP数字化协同控制模块相连，该高频驱动模块的一端与高频逆变模块相连，其另一端与DSP数字化协同控制模块的PWM输出端相连，该人机界面模块与DSP数字化协同控制模块相连。所述DSP数字化协同控制模块包括有型号为TMS320F28335的DSP芯片，主机电源和从机电源通过各自DSP芯片内嵌的CAN模块实现主机电源和从机电源之间的数字化协同控制。主机电源或从机电源的两台或两台以上的全桥逆变器的输出电流并联后共同作用于电弧负载；故障保护模块采用电压检测装置检测电网电压；检测过温信号，采用温度继电器；检测初级过流信号采用霍尔电流传感器；电压电流检测模块采用电压电流传感器检测电弧负载电压电流；主机电源和从机电源分别通过各自的人机界面模块输入给定焊接参数（脉冲频率、脉冲占空比、峰值电流、基值电流、峰值弧压、送丝速度等参数），反馈的电弧电压和焊接电流通过主机电源和从机电源各自的人机界面模块的液晶屏显示。主机电源和从机电源的工作过程如下：三相交流电通过输入整流滤波模块变成低纹波直流电，PWM信号控制高频逆变模块的IGBT导通与关闭将低纹波直流电逆变成高频交流电，该高频交流电通过功率变压模块降压成符合焊接要求的低电压交流电，该低电压交流电再通过输出整流滤波模块变成平滑直流电，该直流电与另一台或多台全桥逆变器的输出直流电并联后输入到电弧负载；工作时，通过人机界面模块输入两根焊丝的预定输出电流大小，同时DSP数字化协同控制模块通过电压电流检测模块采集到电弧电压和焊接电流信号，DSP程序即将人机界面模块给定的电弧电压和焊接电流信号与从电压电流检测模块采集到的两路电弧电压和焊接电流信号相比较，经过PI控制算法产生一个控制信号作用于DSP芯片的ePWM模块，通过动态改变PWM占空比来控制两台或两台以上的并联全桥逆变器的IGBT通断以保持输出电压或电流的稳定。过压、欠压、过流和过温检测电路检测三相工频电压、初级电流和散热器温度，把检测到的电压、电流和温度信号送给故障保护模块，如出现过压、欠压、过流和过温的现象，故障保护模块将送给DSP芯片一个低电平故障保护信号，DSP芯片响应故障信号产生低电平PWM信号通过高频驱动模块关断高频逆变模块的开关管，以保护主电路，保证其安全工作；为减小电弧间作用力对焊接质量的影响，主、从机电源之间通过CAN总线通信保证主、从机电源处于交替相位工作模式。

如图2所示，三相交流380V电压经整流滤波后成低纹波的直流电压，然后提供给由高频逆变模块和变压器T1、T2组成的并联逆变电源；逆变桥开关管VT1～VT4和逆变桥开关管VT5～VT8分别由控制电路驱动导通与关闭，产生的高频交流电再分别经变压器T1、T2降压后，在变压器的次级得到交变的电压；经过肖特基二极管VD1～VD4全波整流成直流，经输出电抗器L2、L4滤波后汇合，提供给电弧负载使用。从机电源主电路的实施方法同主机电源一致。

如图3所示，DSP芯片的供电电压是3.3V，其输出的高速PWM信号也只有3.3V，不足以驱动高频逆变模块的IGBT的通断，故需要增强该PWM信号的驱动能力，其具体做法为：由DSP芯片产生的两路互补的PWM信号经过高频驱动模块，产生四组两两相同的推挽式脉冲驱动，分别作为逆变桥开关管VT1～VT4的驱动信号，控制开关管通断。从机电源驱动电路的实施方式同主机电源一致。

如图4所示，所述电压电流检测模块采用型号为HDC400BS的霍尔传感器检测焊接电流，由于DSP芯片的A/D输入信号范围在0～3.3V之间，故必须将霍尔传感器输出的小电流信号首先变换成电压信号，再经过滤波后进入A/D转换通道。具体实施方式如图4所示。在整个电源系统中，电源的主回路工作在强电状态，而DSP控制系统工作在弱电状态，电压反馈时采取电压信号隔离措施，可以使强电和弱电之间保持控制信号联系，从而切断电气联系。采集到的电压信号经分压、LC滤波后通过光耦PC827隔离，得到0～+3.3V的反馈电压信号给DSP芯片的A/D输入通道。

如图5所示，焊接逆变电源工作在较高的电压、大电流的状态下，现场焊接环境恶劣，必需设计保护电路，对主电路进行保护，防止欠压、过压、过流、过热等现象。图5所示的故障保护模块包括有分别与与门电路连接的过压检测电路、欠压检测电路、过流检测电路、过温检测电路，检测到的四路信号经过与门电路进入DSP芯片，其具体工作原理为：过压和欠压检测电路将三相交流输入电网经工频变压器降压后，用桥式整流电路整流成直流电压信号后供给电阻分压电路，分别调节桥式电路电阻R39、R26和R38、R24的大小，就可以改变电网过压和欠压的阀值，即可起到过压和欠压保护作用，过温检测电路通过检测散热器上的温度继电器的断开来实现过温保护，得到CN1的①②断开信号输入比较器U6A的反相输入端，U6A作为比较器进行电压比较，其同相端为给定参考电压，当散热器的温度低于温度继电器阀值温度时，温度继电器闭合，比较器U6A反相输入端为低电平，比较器U6A输出高电平；当散热器的温度高于温度继电器阀值温度时，温度继电器断开，比较器U6A反相输入端为高电平，比较器U6A输出低电平，此信号可引起DSP数字化协同控制模块的故障保护中断。过流检测电路检测初级电流信号经滤波后给比较器U6B的反相输入端，U6B作为比较器，其同相输入端为给定参考电流，当检测到的初级电流大于给定参考电流时，比较器U6B输出低电平，此信号可引起DSP数字化协同控制模块的故障保护中断；与门U13的输出经光耦U14后与DSP数字化协同控制模块的PWM错误引脚

相连接，当与门U13输出端输出过压、欠压、过温和过流检测信号出现欠压、过压、过温和过流故障时，与门输出低电平，经U14光耦后输出低电平，作为DSP数字化协同控制模块的故障保护中断的触发信号输入DSP数字化协同控制模块的PWM错误引脚

，进入故障保护中断服务子程序，实现故障保护。一旦DSP芯片的

引脚检测到保护信号，则引发中断，在中断服务程序中，将故障信号作为PWM封锁信号，将PWM输出引脚置为高阻态，用来封锁驱动信号，关闭功率器件，以起到及时保护的作用。整个过程不需要程序干预，全部自动完成，这对实现各种故障状态的实时快速处理非常有用。

如图6所示，主机电源和从机电源的DSP芯片内嵌有ePWM输出模块，满足多路PWM输出的要求；死区时间通过软件编程设置；通过RS232接口还可以与上位机进行通信，显示相关数据和获取相关参数；各自包含的A/D模块能采集经电压电流检测模块采样而来的信息；FLASH模块能存储一系列预先设置的焊接参数，组成焊接数据库。主机电源和从机电源间的焊接信息通过两块DSP芯片之间的CAN总线交换。

如图7a和图7b所示，本大功率双丝脉冲MIG焊逆变电源系统的数字化协同控制方法具体如下：

主机电源和从机电源在焊接之前系统经过初始化并验证通信后，焊接启动，主机电源向从机电源发送引弧指令，从机电源接收到此信号后，主机电源和从机电源同时进行引弧动作（如提前送气、慢送丝等），此时送丝速度从小到大递增，当电流达到一定值，进入正常的焊接程序。在峰值阶段，电流采样值与峰值电流给定值相比较，实现峰值电流输出；在基值阶段，电流采样值与基值给定值相比较，实现基值电流输出。主机电源引弧后立即启动峰值时间定时器和脉冲半周期定时器，并进入峰值电流阶段，峰值时间到则切换到基值电流阶段并启动基值时间定时器，在主机基值电流阶段脉冲半周期定时时间到则向从机电源发送协同信号，此后主机基值时间到则启动峰值时间定时器和脉冲半周期定时器，并由基值电流阶段切换到峰值电流阶段，如此往复循环，实现主机峰值电流与基值电流的切换；从机电源引弧后即启动基值时间定时器，并进入基值电流阶段，然后判断是否接收到主机发送的协同信号，接收到协同信号后，从机电源触发启动峰值时间定时器并进入峰值电流阶段，从机峰值时间到则又启动基值时间定时器并由峰值电流阶段切换到基值电流阶段，然后再次等待主机电源发过来的协同信号触发进入峰值电流阶段，如此不断循环往复，实现主、从机电源的交替相位工作模式；在主、从机电源实现交替相位电流输出的过程中，程序不断检测焊枪开关信号，当主机电源检测到焊枪断开信号后，主机程序进入收弧控制阶段并向从机电源发送收弧信号，从机电源收到收弧信号（或从机焊枪开关断开）后也进入收弧阶段，最后主、从机电源停止焊接并循环等待新的焊枪开关信号。

以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大功率双丝脉冲MIG焊逆变电源系统，包括为前丝提供电流并协同控制整个系统的主机电源和为后丝提供电流的从机电源，该主机电源和从机电源之间通过CAN总线相连，其特征在于：所述主机电源和从机电源均包括有主电路和控制电路，其中，所述主电路由两台或两台以上的全桥逆变器并联而成，包括有依次电气连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块，该输入整流滤波模块与三相交流输入电网连接，该输出整流滤波模块与电弧负载连接；所述控制电路包括有电压电流检测模块、故障保护模块、DSP数字化协同控制模块、人机界面模块、高频驱动模块，该电压电流检测模块的一端与电弧负载相连，其另一端与DSP数字化协同控制模块的A/D输入端相连，该故障保护模块的一端与三相交流输入电网相连，其另一端与DSP数字化协同控制模块相连，该高频驱动模块的一端与高频逆变模块相连，其另一端与DSP数字化协同控制模块的PWM输出端相连，该人机界面模块与DSP数字化协同控制模块相连。

2.根据权利要求1所述的大功率双丝脉冲MIG焊逆变电源系统，其特征在于：所述DSP数字化协同控制模块包括有型号为TMS320F28335的DSP芯片，主机电源和从机电源通过各自DSP芯片内嵌的CAN模块实现主机电源和从机电源之间的数字化协同控制。

3.根据权利要求1所述的大功率双丝脉冲MIG焊逆变电源系统，其特征在于：所述故障保护模块包括有分别与与门电路连接的过压检测电路、欠压检测电路、过流检测电路、过温检测电路。

4.根据权利要求2所述的大功率双丝脉冲MIG焊逆变电源系统，其特征在于：所述DSP芯片内嵌有用于产生PWM信号的ePWM输出模块。

5.根据权利要求1所述的大功率双丝脉冲MIG焊逆变电源系统，其特征在于：所述DSP数字化协同控制模块产生的PWM信号经高频驱动模块增强驱动能力后得到IGBT开关信号，所述IGBT开关信号直接作用于高频逆变模块的IGBT，控制其通断。

6.根据权利要求1所述的大功率双丝脉冲MIG焊逆变电源系统，其特征在于：所述电压电流检测模块将采集到的电压信号经分压、LC滤波后，再经过光耦隔离后进入DSP数字化协同控制模块的A/D转换通道；同时，该电压电流检测模块采用型号为HDC400BS的霍尔传感器检测焊接电流，该霍尔传感器输出的电流信号变换成电压信号后，再经过滤波后进入DSP数字化协同控制模块的A/D转换通道。

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