CN205057265U - 一种宽电压自适应的大功率逆变电焊机 - Google Patents

Abstract

一种宽电压自适应的大功率逆变电焊机，主要包括宽电压开关电源模块及依次连接的EMC和整流模块、滤波储能及功率因数补偿模块、尖峰浪涌吸收模块、全桥逆变器模块、中心控制模块，EMC和整流模块的输入端连接外界电源，宽电压开关电源模块的输入端与EMC和整流模块连接，其输出端连接在中心控制模块上。本实用新型由于采用在逆变电焊机中加入了滤波储能及功率因数补偿模块、尖峰浪涌吸收模块的硬件方案，并配合在中心控制模块的算法上做了相应的改进，使得改进后的逆变电焊机在不做成本和性能妥协的基础上，能够自动适应各地区大幅度变化的电压，且不受复杂电气干扰的影响，性能稳定可靠，功能贴近需要，从而方便地满足了各地区客户的使用要求。

Description

一种宽电压自适应的大功率逆变电焊机

技术领域

本实用新型涉及大功率逆变电焊机技术领域，具体是涉及一种宽电压自适应的大功率逆变电焊机。

背景技术

随着时代的发展，逆变电焊机在实际工作中必须面对不同国家使用不同电网标准的电压，客户使用的电气环境也多样复杂：像施工、矿井、工业生产现场等等。因此，逆变电焊机的工作电压变化范围大，而工作现场往往具有其他大型用电设备带来的多次谐波干扰，电网的电源的功率因素也是不能得到保障的。如果电焊机能够在上述具有复杂干扰的各种工作环境下同样能够保持优良的逆变电焊机外特性，保持优秀的焊接质量，无疑在电焊机销售市场上能够占据相当的主动。

近年来，逆变电焊机生产设计领域确实也出现了几种在一定程度上能够适应不同复杂电压环境的电焊机设计。比如：有通过两个逆变全桥的串联和并联的变换来拓宽适用工作电压范围的设计；有采用人工切换电焊机电源电路的方式来拓宽适用工作电压范围的设计；有采用电焊机前端加入降压开关电源拓扑电路来达到输入电压范围增大的设计。然而，上述这些设计方案，要么必须增加多一套逆变电路的元件而付出高成本的代价；要么明显笨重了，也容易带来人为的操作失误；要么电焊机能承受的功率受到了很大限制，成本也是没有竞争力。因此，上述的这些设计方案都各自有不可调和的缺点，最后势必在市场竞争中成为短板。

发明内容

本实用新型的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种使用更方便，性能更可靠，在不会大幅度增加成本的基础上，能够自动适应国内外180V～460V输入电压等级的具有良好宽电压自适应能力和干扰抵御能力的大功率逆变电焊机。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型所述的宽电压自适应的大功率逆变电焊机，其特点是：主要包括宽电压开关电源模块及依次连接的EMC和整流模块、滤波储能及功率因数补偿模块、尖峰浪涌吸收模块、全桥逆变器模块、中心控制模块，所述EMC和整流模块的输入端连接外界电源，所述宽电压开关电源模块的输入端与EMC和整流模块连接，其输出端连接在中心控制模块上，所述全桥逆变器模块的输出端连接焊接电极，所述中心控制模块根据控制设定的目标值以及传感器测量得到的电流信号和输出电压信号进行快速计算后输出符合要求的PWM驱动信号来控制全桥逆变器模块的工作。

其中，所述滤波储能及功率因数补偿模块包括大电感量的电感L1及大容量的电容C1、电容C2、电容C3和电容C4，所述电容C1并联在电感L1的输入端且与EMC和整流模块的输出端连接，所述电容C4并联在电感L1的输出端，所述电容C2和电容C3串联后并联在电感L1与电容C4之间。

所述尖峰浪涌吸收模块包括尖峰电压吸收电路、浪涌电压吸收电路和开关储能电路，所述尖峰电压吸收电路由并联在全桥逆变器模块的四个IGBT开关器件上的大容量无感电容C6、大容量无感电容C7及四路阻容组合电路组成，所述各路阻容组合电路分别由一个电阻和一个电容串联形成，所述浪涌电压吸收电路由并联在全桥逆变器模块输入端的压敏电阻VR1组成，所述开关储能电路由电感L2和电容C5组成，所述电感L2和电容C5串联后并联在全桥逆变器模块的输入端。

所述全桥逆变器模块由变压器T1、电流互感器CT1、快速整流二极管D1、快速整流二极管D2、平波电抗器L3及并联在电路中的两组IGBT开关器件组成，其中一组IGBT开关器件由IGBT开关器件Q1和IGBT开关器件Q2组成，且IGBT开关器件Q1的发射极与IGBT开关器件Q2的集电极连接；另一组IGBT开关器件由IGBT开关器件Q3和IGBT开关器件Q4组成，且IGBT开关器件Q3的发射极与IGBT开关器件Q4的集电极连接；所述变压器T1初级线圈的一端经电流互感器CT1连接在IGBT开关器件Q1与IGBT开关器件Q2之间，其另一端连接在IGBT开关器件Q3与IGBT开关器件Q4之间；所述变压器T1次级线圈的一端与快速整流二极管D1的正极端连接，其另一端与快速整流二极管D2的正极端连接，所述快速整流二极管D1和快速整流二极管D2的负极端连接后与中心控制模块及焊接电极的正极端连接，所述平波电抗器L3的输入端与变压器T1次级线圈的中间抽头连接，其输出端与中心控制模块及焊接电极的负极端连接。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：

本实用新型通过对滤波储能及功率因数补偿模块、尖峰浪涌吸收模块以及全桥逆变器模块进行针对性的硬件改造，并对应地改进了中心控制模块的控制策略，使其能够自适应控制全桥逆变器模块的工作，即对传感器测量得到的电流信号及输出电压信号能够进行实时快速的处理，从而在不做成本和性能妥协的基础上，使得逆变电焊机能够自动适应国内外180V～460V多种输入电压等级的各种供电线路的能力，同时还具有良好的宽电压自适应能力和干扰抵御能力，这样既确保了逆变电焊机的输出空载电压始终恒定，又保持了逆变电焊机在负载工作的情况下输出的外特性稳定不变，从而方便地满足了客户在实际复杂使用环境下的需求。同时，本实用新型还具有使用更方便，性能更可靠及价格实惠等优点。本实用新型所述的电路结构可用于TIG氩弧焊机或者MIG/MAG气体保护焊机中，而且本实用新型特别适用于各种酸性焊条和碱性焊条以及不锈钢、铸铁、铜、铝等焊条的焊接。

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

附图说明

图1为本实用新型的组成原理框图。

图2为本实用新型所述滤波储能及功率因数补偿模块的电路拓扑图。

图3为本实用新型所述尖峰浪涌吸收模块的电路拓扑图。

图4为本实用新型所述全桥逆变器模块的电路拓扑图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所述的宽电压自适应的大功率逆变电焊机，主要包括宽电压开关电源模块6及依次连接的EMC和整流模块1、滤波储能及功率因数补偿模块2、尖峰浪涌吸收模块3、全桥逆变器模块4、中心控制模块5。其中，EMC和整流模块1的输入端连接外界电源，宽电压开关电源模块6的输入端与EMC和整流模块1连接，其输出端连接在中心控制模块5上，全桥逆变器模块4的输出端连接焊接电极。本实用新型实施的关键是：通过对滤波储能及功率因数补偿模块2、尖峰浪涌吸收模块3、全桥逆变器模块4作针对性的硬件设计，为自适应大幅度的工作电压提供物质保障；同时，配合中心控制模块5的自适应控制算法来调节全桥逆变器模块4的工作，即是中心控制模块5根据控制设定的目标值以及电路中传感器测量得到的电流信号和输出电压信号进行快速计算后输出符合要求的PWM驱动信号来控制全桥逆变器模块4的工作。

由于当电网输入的工作电压过低时，全桥逆变器模块的正常工作就会面临严峻的考验，其根本原因是工作电压过低时，全桥逆变器模块不能从电网及时吸取足够的电流。而且，逆变电焊机的全桥逆变器模块的工作电源是由电网的三相或者两相的交流经整流成直流提供，而由电网输入的电流往往混合复杂的电气环境带来的3次和5次谐波，从而导致电压波形畸变，呈脉冲状，输入的含有多次谐波的电流必然干扰全桥逆变器模块的正常工作，容易造成全桥逆变器故障。因此，为解决低电压输入的情况导致全桥逆变器模块4不能正常工作的问题以及为抵御逆变电焊机的复杂工作电气环境可能带来的多次谐波的电源干扰，本实用新型通过在电源输入前端加入滤波储能及功率因数补偿模块2的方法来达到抵御电压水平降低恶化以及电源功率因素变坏的负面影响，通过滤波储能及功率因数补偿模块2为逆变电焊机的后级全桥逆变器模块4的顺利工作提供了能源保障。所述滤波储能及功率因数补偿模块2是由非线性无源器件和储能元件组合形成。其具体电路拓扑结构如图2所示，该滤波储能及功率因数补偿模块2包括大电感量的电感L1及大容量的电容C1、电容C2、电容C3和电容C4。其中，电容C1并联在电感L1的输入端且与EMC和整流模块1的输出端连接，电容C4并联在电感L1的输出端，电容C2和电容C3串联后并联在电感L1与电容C4之间，而且在电容C1与电感L1之间并联有压敏电阻VR1，在电容C2上并联有电阻R1，在电容C3上并联有电阻R2。由于电感L1具有很大电感量、很小直流电阻，电容C1、电容C2、电容C3和电容C4有很大容量，因此这种组合对抑制多次谐波，减小输入电流波形的畸变，提高输入功率因数，以减小电网污染非常有效。更重要的是在滤波储能及功率因数补偿模块2的作用下，无论在三相电源输入还是单相电源输入，无论电源输入电压高还是低，都能满足大功率全桥逆变器模块吸入所需的能量。当逆变电焊机的设计容量为30KW的情况下，如果三相电源输入最高电压460VAC时，滤波储能及功率因数补偿模块空载电压为650VDC，负载电压为600VDC，上述滤波储能及功率因数补偿模块能提供55A的稳定电流供给全桥逆变器模块；而当三相电源输入最低电压180VAC时，滤波储能及功率因数补偿模块空载电压为250VDC，负载电压为220VDC，上述滤波储能及功率因数补偿模块也能提供150A的稳定电流供给全桥逆变器模块。因此，在电源输入端口引入上述滤波储能及功率因数补偿模块2的设计，是逆变电焊机能够自适应180V～460V的宽输入电压的重要能源保障。

由于全桥逆变器模块4的开关速度很快，IGBT关断时或FWD反向恢复时会产生上升速率很高的尖峰电压，同时由于电路存在配线电感成分，在关断的瞬间会引发很高的浪涌电压。而且，由IGBT器件在开关工作中产生的尖峰电压和浪涌电压的幅度与工作电压正相关，当工作电压在接近460V附近的高工作电压范围时，尖峰电压和浪涌电压将有可能超过IGBT的最高耐受电压，从而导致IGBT关断时将使其电流电压的运行轨迹超出IGBT固有的安全工作区域而损坏。因此，为解决全桥逆变器模块4在高电压输入在情况下，容易被IGBT开关器件在关断时产生的或者FWD反向恢复时所产生的，超过IGBT承受能力的尖峰电压所烧毁，本实用新型中加入了尖峰浪涌吸收模块3，通过该尖峰浪涌吸收模块3能有效防止全桥逆变器模块4因意外产生的过压而损坏。如图3所示，该尖峰浪涌吸收模块3包括尖峰电压吸收电路、浪涌电压吸收电路和开关储能电路，其中，浪涌电压吸收电路由并联在全桥逆变器模块4输入端的压敏电阻VR1组成；开关储能电路由电感L2和电容C5组成，且电感L2和电容C5串联后并联在全桥逆变器模块4的输入端，通过开关储能电路能够消除浪涌的产生；尖峰电压吸收电路由并联在全桥逆变器模块4的四个IGBT开关器件上的大容量无感电容C6、大容量无感电容C7及四路阻容组合电路组成，而各路阻容组合电路分别由一个电阻和一个电容串联形成。如图所示，并联在IGBT开关器件Q1的集电极和发射极两端的阻容组合电路由电阻R1和电容C8组成，并联在IGBT开关器件Q2的集电极和发射极两端的阻容组合电路由电阻R2和电容C9组成，并联在IGBT开关器件Q3的集电极和发射极两端的阻容组合电路由电阻R3和电容C10组成，并联在IGBT开关器件Q4的集电极和发射极两端的阻容组合电路由电阻R4和电容C11组成。将尖峰电压吸收电路设置成这种结构形式能够对IGBT产生的尖峰进行重叠吸收。由于将尖峰浪涌吸收模块3设置成重叠吸收电路，该重叠吸收电路的吸收容量足够大，有效避免了IGBT因集电极－发射极流过大电流而产生的尖峰过压而损坏。

全桥逆变器模块4是本实用新型具有自动适应国内外180V～460V多种输入电压等级能力的主要实施环节。如图4所示，该全桥逆变器模块4由变压器T1、电流互感器CT1、快速整流二极管D1、快速整流二极管D2、平波电抗器L3及并联在电路中的两组IGBT开关器件组成。其中一组IGBT开关器件由IGBT开关器件Q1和IGBT开关器件Q2组成，且IGBT开关器件Q1的发射极与IGBT开关器件Q2的集电极连接；另一组IGBT开关器件由IGBT开关器件Q3和IGBT开关器件Q4组成，且IGBT开关器件Q3的发射极与IGBT开关器件Q4的集电极连接。而变压器T1初级线圈的一端经电流互感器CT1连接在IGBT开关器件Q1与IGBT开关器件Q2之间，其另一端连接在IGBT开关器件Q3与IGBT开关器件Q4之间。而变压器T1次级线圈的一端与快速整流二极管D1的正极端连接，其另一端与快速整流二极管D2的正极端连接。快速整流二极管D1和快速整流二极管D2的负极端连接后与中心控制模块5及焊接电极的正极端连接。而平波电抗器L3的输入端与变压器T1次级线圈的中间抽头连接，其输出端与中心控制模块5及焊接电极的负极端连接。通过上述中心控制模块5的自适应控制调节补偿技术，根据反馈的电流信号、输出电压信号和实时控制的设定，输出两路恰当占空比的相差180度的PWM驱动信号驱动IGBT开关器件Q1、IGBT开关器件Q2、IGBT开关器件Q3和IGBT开关器件Q4共同配合工作，使得逆变电焊机输出空载电压在输入工作电压变化的情况下始终稳定不变。当电网输入电压变低时PWM占空比变大，而当电网输入电压变高时PWM占空比变小，使得全桥逆变器模块能够自动适应大变化范围的电网输入电压，从而提供稳定的功率传递给逆变电焊机的变压器T1和快速整流二极管D1、快速整流二极管D2。

本实用新型所述大功率逆变电焊机的宽电压自适应功能主要是通过对滤波储能及功率因数补偿模块、尖峰浪涌吸收模块、全桥逆变器模块进行针对宽电压自适应的设计，并配合中心控制模块的自适应控制调节补偿技术，即是对传感器检测的负载电压和电流信号进行实时处理，在不用做出生产成本或者机器性能妥协的情况下，使得逆变电焊机能够自动适应不同的外部输入电压。经过控制策略优化后的逆变电焊机的输出空载电压始终恒定；而当逆变电焊机工作起弧后,逆变电焊机的电源外特性变为恒流外特性，使其符合30KW以下的大功率逆变电焊机的电源外特性要求。本实用新型有效地实现了逆变电焊机自动适应国内外180V～460V多种输入电压等级的各种供电线路的能力，使得逆变电焊机的输出空载电压始终恒定，在逆变电焊机负载工作的情况下输出所需的外特性电流曲线，从而方便地满足了客户在实际复杂使用环境下的需求。

本实用新型是通过实施例来描述的，但并不对本实用新型构成限制，参照本实用新型的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本实用新型权利要求限定的范围之内。

Claims (4)

1.一种宽电压自适应的大功率逆变电焊机，其特征在于：主要包括宽电压开关电源模块（6）及依次连接的EMC和整流模块（1）、滤波储能及功率因数补偿模块（2）、尖峰浪涌吸收模块（3）、全桥逆变器模块（4）、中心控制模块（5），所述EMC和整流模块（1）的输入端连接外界电源，所述宽电压开关电源模块（6）的输入端与EMC和整流模块（1）连接，其输出端连接在中心控制模块（5）上，所述全桥逆变器模块（4）的输出端连接焊接电极，所述中心控制模块（5）根据控制设定的目标值以及传感器测量得到的电流信号和输出电压信号进行快速计算后输出符合要求的PWM驱动信号来控制全桥逆变器模块（4）的工作。

2.根据权利要求1所述的宽电压自适应的大功率逆变电焊机，其特征在于：所述滤波储能及功率因数补偿模块（2）包括大电感量的电感L1及大容量的电容C1、电容C2、电容C3和电容C4，所述电容C1并联在电感L1的输入端且与EMC和整流模块（1）的输出端连接，所述电容C4并联在电感L1的输出端，所述电容C2和电容C3串联后并联在电感L1与电容C4之间。

3.根据权利要求1所述的宽电压自适应的大功率逆变电焊机，其特征在于：所述尖峰浪涌吸收模块（3）包括尖峰电压吸收电路、浪涌电压吸收电路和开关储能电路，所述尖峰电压吸收电路由并联在全桥逆变器模块（4）的四个IGBT开关器件上的大容量无感电容C6、大容量无感电容C7及四路阻容组合电路组成，所述各路阻容组合电路分别由一个电阻和一个电容串联形成，所述浪涌电压吸收电路由并联在全桥逆变器模块（4）输入端的压敏电阻VR1组成，所述开关储能电路由电感L2和电容C5组成，所述电感L2和电容C5串联后并联在全桥逆变器模块（4）的输入端。

4.根据权利要求1所述的宽电压自适应的大功率逆变电焊机，其特征在于：所述全桥逆变器模块（4）由变压器T1、电流互感器CT1、快速整流二极管D1、快速整流二极管D2、平波电抗器L3及并联在电路中的两组IGBT开关器件组成，其中一组IGBT开关器件由IGBT开关器件Q1和IGBT开关器件Q2组成，且IGBT开关器件Q1的发射极与IGBT开关器件Q2的集电极连接；另一组IGBT开关器件由IGBT开关器件Q3和IGBT开关器件Q4组成，且IGBT开关器件Q3的发射极与IGBT开关器件Q4的集电极连接；所述变压器T1初级线圈的一端经电流互感器CT1连接在IGBT开关器件Q1与IGBT开关器件Q2之间，其另一端连接在IGBT开关器件Q3与IGBT开关器件Q4之间，所述变压器T1次级线圈的一端与快速整流二极管D1的正极端连接，其另一端与快速整流二极管D2的正极端连接，所述快速整流二极管D1和快速整流二极管D2的负极端连接后与中心控制模块（5）及焊接电极的正极端连接，所述平波电抗器L3的输入端与变压器T1次级线圈的中间抽头连接，其输出端与中心控制模块（5）及焊接电极的负极端连接。