DE202009008641U1

DE202009008641U1 - IGBT-Wechselrichter-Lichtbogenschweißmaschine

Info

Publication number: DE202009008641U1
Application number: DE200920008641
Authority: DE
Original assignee: SHENZEN JASIC TECHNOLOGY DEV C; Shenzen Jasic Technology Development Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN JASIC TECHNOLOGY CO., LTD., CN
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2019-06-23

Abstract

Wechselrichter-Lichtbogenschweißmaschine mit einem Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT), die einen Hauptstromkreis, einen angeschlossenen Steuerkreis und einen Hilfsspannungsversorgungs-Stromkreis aufweist, wobei:
der Hauptstromkreis eine Eingangs-Gleichrichter-Siebschaltung, einen Invertierungsstromkreis, einen Hochfrequenz-Transformator und eine zweite Ausgangs-Gleichrichterschaltung umfasst,
der Steuerkreis einen Pulsweitenmodulator-Stromkreis (PWM), einen IGBT-Steuerkreis, eine Stromrückkopplungsschaltung und einen vom Benutzer vorgegebene Wert an Schweißstrom als vorgegebene Stromschaltung umfasst, wobei in einem Spannungsregler die vorgegebene Stromschaltung und die durch Stromteiler empfangene Stromrückkopplungssignale verglichen werden, um eine Fehlerspannung zu erhalten, welche den PWM-Stromkreis steuert, wobei so ein Impulssignal mit einer bestimmten Impulsbreite entsteht, welches durch den IGBT-Stromkreis den IGBT des Hauptstromkreises antreibt, wobei der Schweißstrom durch den Hauptstromkreis erhalten wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Invertierungsstromkreis eine Vollbrücke-Schalterstruktur aufweist, in der IGBT G1, G3 und G2, G4 die durchgehenden Brückenarme bilden, durch die Gleichstrom in Hochfrequenz-Rechteckwellen-Wechselstrom umgewandelt wird,
der Hochfrequenz-Transformator einen Eisenkern und einen druckfesten und wärmebeständigen Isolierwerkstoff zwischen den Primärspulen und...

Description

Technisches Gebiet
Dieses Gebrauchsmuster betrifft eine Wechselrichter-Lichtbogenschweißmaschine und insbesondere eine tragbare IGBT-Wechselrichter-Lichtbogenschweißmaschine.
Stand der Technik
Eine herkömmliche kleine Lichtbogenschweißmaschine verwendet in der Regel Leistungs-MOSFETs (Nachfolgend MOSFET genannt) als wichtigstes Schaltungsgerät. Deshalb hat diese Lichtbogenschweißmaschine mit Wechselrichter einige Mängel wie im Folgenden beschrieben. Erstens, ein MOSFET kann nicht einen großen Strom erzeugen. In dieser Schweißmaschine müssen mehrere MOSFET parallel geschaltet werden. Dadurch wird die Möglichkeit des Auftretens von Störungen der Schweißmaschine erhöht. Zweitens heizen sich wegen der höheren invertierenden Frequenz das MOSFET und eine schnelle Diode leicht auf und wegen der begrenzten Struktur des Transformators kann die Wärme nicht schnell abgeleitet werden. Trotz der höheren invertierenden Frequenz muss die Schweißmaschine mit dem gleichen Strom und der gleichen Leistung eine großen Kühlkörper und Lüfter haben. So ist ein kleinerer Rauminhalt nur schwer zu erreichen. Drittens sind die Kosten bei den gleichen Parametern relativ höher, da es viele MOSFETs, Kühlkörper und Lüfter mit einem großen Rauminhalt und so weiter gibt.
Inhalt des Gebrauchsmusters
Der Zweck dieses Gebrauchsmusters liegt darin, eine Wechselrichter-Lichtbogenschweißmaschine mit hoher Zuverlässig keit, geringer Größe und niedrigen Kosten und insbesondere eine tragbare Lichtbogenschweißmaschine bereitzustellen.
Zur Erreichung der genannten Ziele, verwendet dieses Gebrauchsmuster ein technisches Programm, nämlich eine tragbare IGBT-Wechselrichter-Lichtbogenschweißmaschine (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor; Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode). Diese tragbare GBT-WechselrichterLichtbogenschweißmaschine weist einen Hauptstromkreis, einen angeschlossenen Steuerkreis und einen Hilfsspannungsversorgungs-Stromkreis auf.
Der Hauptstromkreis umfasst eine Eingangs-Gleichrichter-Siebschaltung, einen Invertierungsstromkreis, einen Hochfrequenz-Transformator und eine zweite Ausgangs-Gleichrichterschaltung. Der Hauptstromkreis kann zum Beispiel eine 50 Hz-Netzstromversorgung durch einen Gleichrichter in Gleichstrom und dann durch Invertierung in Hochfrequenz-Wechselstrom und anschließend durch einen zweiten Gleichrichter in Gleichstrom für das Schweißen umwandeln.
Der Steuerkreis umfasst einen Pulsweitenmodulator-Stromkreis (PWM), einen IGBT-Steuerkreis, eine Stromrückkopplungsschaltung, eine vorgegebene Stromschaltung, die ein vom Benutzer vorgegebener Wert von Schweißstrom ist. Die vorgegebene Stromschaltung und die durch Stromteiler empfangenen Stromrückkopplungssignale werden in dem Spannungsregler verglichen, um so die Fehlerspannung zu bekommen. Die Fehlerspannung steuert den PWM-Stromkreis, so dass ein Impulssignal mit einer bestimmten Impulsbreite entsteht. Dieser Impuls treibt durch den IGBT-Stromkreis den IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) des Hauptstromkreises an. Dann wird der Schweißstrom durch den Hauptstromkreis erhalten. Die Wechselrichter-Lichtbogenschweißmaschine gemäß diesem Gebrauchsmuster ist dadurch gekennzeichnet, dass der Invertierungsstromkreis eine Vollbrücke-Schalterstruktur verwendet, wobei IGBT G1, G3 und G2, G4 die durchgehenden Brückenarme bilden. Durch sie wird Gleichstrom in Hochfrequenz-Rechteckwellen-Wechselstrom umgewandelt. Durch den Hochfrequenz-Transformator erhält man am Ausgang einen gleichgerichteten Niederspannungsgleichstrom. Eine Widerstand-Kapazität, die an beiden Enden von IGBT parallel geschaltet ist, ist das Netzwerk für die Absorption der Basisspitzenspannung. Dieser Hochfrequenz-Transformator dient als Leistungsübertragung und elektrische Isolierung auf der Stromschaltung. Dieser Hochfrequenz-Transformator umfasst einen Eisenkern, bevorzugt einen Eisenkern aus Mikro-Kröne Legierung. Es ist ein druckfester und wärmebeständiger Isolierwerkstoff zwischen den Primärspulen und Sekundärspulen vorgesehen.
Der PWM-Steuerkreis verwendet bevorzugt einen Modulator-Chip U2 mit einer kontrollierten Impulsbreite für den Ausgangsstrom an beiden Enden.
Es ist bevorzugt, dass der PWM-Regelungschip Modulator-Chip U2 mit einer kontrollierten Impulsbreite für den Ausgangsstrom an beiden Enden vom Modell KA3846 ist. Dieses KA3846 Modell verwendet eine Methode der Kontrolle durch den Basisspitzenstrom, um die Impuls-Kontrolle Schritt für Schritt zu realisieren.
Es wird bevorzugt, dass der IGBT-Steuerstromkreis die Schnittstelle zwischen IGBT in dem Invertierungsstromkreis und dem Steuerkreis ist, um eine Isolierung, Verstärkung und einen Schutz des PWM-Signals zu realisieren.
Weil der Invertierungsstromkreis gemäß diesem Gebrauchsmuster eine Vollbrücke-Schalterstruktur verwendet, wobei IGBT G1, G3 und G2, G4 die durchgehenden Brückenarme bilden. IGBT als das Leistungsgerät der dritten Generation hat die Vorteile von MOSFET und Triode GTR mit großer Leistung und die Vorteile wie z. B. eine große Kapazität, einen geringen Schaltverlust, eine hohe Druckfestigkeit, eine gute thermische Stabilität, eine leicht Bedienbarkeit usw., und profitiert von den Vorteilen des IGBT. So muss die Wechselrichter-Lichtbogenschweißmaschine gemäß diesem Gebrauchsmuster nicht durch mehrere Rohrleitungen paralle geschaltet werden, so kann die Zuverlässigkeit der Schweißmaschine erhöht werden, und wegen der niedrigen Wärmeerzeugung sind große Kühler und Lüfter nicht erforderlich, so dass dadurch die Größe der ganzen Maschine erheblich verkleinert werden kann.
Weil in dem Hochfrequenz-Transformator, der in der Schweißmaschine gemäß dieses Gebrauchsmusters verwendet wird, ein Eisenkern aus einer Mikro-Krönelegierung verwendet wird und in den Primärspulen und Sekundärspulen ein druckfester und wärmebeständiger Isolierwerkstoff verwendet wird, kommt es zu Vorteile wie etwa eine große Leistungsdichte, eine einfache Wärmeableitung, eine einfache Installation usw.. Weil die Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom ist Echtzeit-Invertierung. In diesem Prozess ist die Frequenz des Wechselstroms ziemlich hoch, nämlich ein paar Tausend Hertz. Wegen der hohen Frequenz sind die Wicklungen der Spulen des Haupttransformators wenig und ist auch der Eisenkern klein, so dass die Größe der Schweißmaschine klein und das Gewicht leicht ist, der Verlust des Transformators ist auch gering. Somit kann die Frequenz der Maschine vergrößert werden.
Der Modulator-Chip U2 mit der kontrollierten Impulsbreite für den Ausgangsstrom an beiden Enden der Schweißmaschine gemäß diesem Gebrauchsmuster ist vom Modell KA3846. Dieses KA3846 Modell verwendet die Methode der Kontrolle durch Basisspitzenstrom, um die Impuls-Kontrolle Schritt für Schritt zu realisieren. Die Vorteile der Methode der Kontrolle durch Basisspitzenstrom sind wie folgt:

1. schrittweise Impulskontrolle, schnelle dynamische Reaktion, hohe Ausgangsgenauigkeit, gute Stabilität;
2. ein vorübergehender Schutz ist möglich, so dass IGBT-Überstrom effektiv verhindert werden kann;
3. sie kann das Auftreten von magnetischen Verzerrungen des Hochfrequenz-Transformators verhindern, eine schwere magnetische Verzerrung kann Schäden für IGBT und sogar Haupttransformer verursachen.

Weil gemäß diesem Gebrauchsmuster bevorzugt KA3846 verwendet wird, kann die Arbeitszuverlässigkeit der Maschine verbessert werden. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Schweißmaschine gemäß dem Gebrauchsmuster zuverlässig ist und eine kleine Größe mit niedrigen Kosten hat.
Beschreibung der Abbildungen
Die Schweißmaschine gemäß diesem Gebrauchsmuster wird anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert:
1 zeigt einen Schaltplan der Maschine dieses Gebrauchsmusters, einschließlich des Hauptstromkreises und der damit verbundenen Stromkreise.
2 zeigt einen Schaltplan des in 1 dargestellten Hauptstromkreises.
3 zeigt eine schematische Anordnung der PWM-Steuerung in dem Steuerkreis aus 1.
4 zeigt einen Schaltplan des IGBT-Antriebs in dem Steuerkreis aus 1.
5 zeigt einen Schaltplan der Stromrückkopplungsschaltung und vorgegebenen Stromschaltung in dem Steuerkreis aus 1.
6 zeigt einen Schaltplan der in 1 dargestellten Hilfsspannungsversorgung.
Konkrete Aufführungsform
Wie in 1 dargestellt, weist eine tragbare IGBT-Wechselrichter-Lichtbogenschweißmaschine gemäß diesem Gebrauchsmuster einen Hauptstromkreis, einen Steuerkreis und einen Hilfsspannungsversorgungs-Stromkreis auf. In der 1, weist der Hauptstromkreis einen Steuerkreis, eine Treiberschaltung und einen Strom außerhalb des Rahmens des Stromkreises der Hilfsspannungsversorgung auf, wobei die Treiberschaltung nämlich der IGBT-Steuerkreis ist.
Der Hauptstromkreis umfasst eine Gleichrichter-Eingangs-Siebschaltung, einen Invertierungsstromkreis, einen Hochfrequenz-Transformator und ein zweite Ausgangs- Gleichrichterschaltung. Der Hauptstromkreis ist der grundlegende und wichtige Teil in der Schweißmaschine, seine wichtigste Funktion ist die Umwandlung des Wechselstroms in den Gleichstrom für das Schweißen.
Der Hauptstromkreis ist der Hauptteil für die Erreichung der Invertierung. Der Hauptstromkreis wandelt eine 50 Hz Netzstromversorgung durch einen Gleichrichter in Gleichstrom, dann durch Invertierung in Hochfrequenz-Wechselstrom und anschließend durch einen zweiten Gleichrichter in Gleichstrom für das Schweißen um. Die Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom ist eine Echtzeit-Invertierung. In diesem Prozess kann die Frequenz des Wechselstroms ziemlich hoch sein, nämlich bis zu ein paar Tausend Hertz. Wegen der hohen Frequenz sind die Wicklungen der Spulen des Haupttransformers wenig und der Eisenkern ist auch klein, so dass die Größe der Schweißmaschine klein und das Gewicht leicht sein kann. Der Verlust des Transformators ist auch gering, so dass die Frequenz der Maschine erhöht werden kann.
Wie in 2 gezeigt ist, weist die Eingangs-Gleichrichter-Siebschaltung einen Netzschalter, eine Gleichrichterbrücke, eine schaltende Amplitudenbegrenzerschaltung und Anschlüsse der Siebschaltung auf. Ihre Hauptaufgabe ist es, eine stabile Gleichspannungsversorgung für den Invertierungsstromkreis zu liefern.
Wie in 2 gezeigt ist, verwendet der Invertierungsstromkreis eine Vollbrücke-Schalterstruktur, von der der IGBT G1, G3 und G2, G4 die durchgehenden Brückenarme bildet. Durch sie wird Gleichstrom in Hochfrequenz-Rechteckwellen Wechselstrom umgewandelt, wobei durch den Hochfrequenz-Transformer am Ausgang Niederspannungsgleichstrom gleichgerichtet herauskommt. Eine Widerstand-Kapazität, die an beiden Enden von IGBT parallel geschaltet ist, ist das Netzwerk für die Absorption der Basisspitzenspannung. So kann die Basisspitzenspannung wegen der Leckagen des Haupttransformators bei dem Ausschalten des Schalters absorbiert werden, um Schäden wegen der IGBT-Überspannung zu verhindern.
Gemäß diesem Gebrauchsmuster wird ein IGBT Schaltgerät verwendet. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) als das Leistungsgerät der dritten Generation hat die Vorteile von MOSFETs und Triode GTR mit einer großen Leistung und den Vorteilen wie z. B. einer großen Kapazität, einem geringen Schaltverlust, einer hohen Druckfestigkeit, einer guten thermischen Stabilität, einer leichten Bedienbarkeit usw., und es profitiert von den Vorteilen des IGBT. So muss dieses Gebrauchsmuster nicht durch mehrere Rohrleitungen parallel geschaltet werden, so kann die Zuverlässigkeit der Schweißmaschine erhöht werden, wegen der niedrigen Wärmeerzeugung sind großer Kühler und Lüfter nicht erforderlich und so kann die Größe der ganzen Maschine erheblich verkleinert werden.
Wie in 2 dargestellt ist, dient der Hochfrequenz-Transformator zur Leistungsübertragung und elektrischen Isolierung auf der Stromschaltung. Beim Gebrauch hat er eine große Leistung und hohe Wärmeableitung, und auch eine gute Dammeigenschaft. So sind ein Teil der hohen Kosten von entscheidender Bedeutung.
In diesem in dem Gebrauchsmuster eingesetzten Hochfrequenz-Transformator kann ein Eisenkern, z. B. aus einer Mikro-Kröne-Legierung, verwendet werden. In den Primärspulen und Sekundärspulen kann ein druckfester und wärmebeständiger Isolierwerkstoff verwenden werden, der die Vorteile wie eine große Leistungsdichte und eine einfache Wärmeableitung hat und auch einfach zu installieren ist, usw..
Wie in 2 dargestellt ist, wandelt eine zweite Ausgangs-Gleichrichterschaltung den Hochfrequenz-Niederspannungswechselstrom durch Invertierung in Gleichstrom um. Dadurch kann er für das Schweißen verwendet werden. Wegen der Hochfrequenz des Wechselstroms wird eine schnelle Diode verwendet.
Durch den Steuerkreis wird der Schweißvorgang gesteuert. Der genannte Stromkreis umfasst einen PWM-Stromkreis, einen IGBT-Steuerkreis, eine Stromrückkopplungsschaltung, eine vorgegebene Stromschaltung, die der vom Benutzer vorgegebene Wert des Schweißstroms ist. Die vorgegebene Stromschaltung und das durch Stromteiler empfangene Stromrückkopplungssignal werden in dem Spannungsregler verglichen und so erhält man die Fehlerspannung. Die Fehlerspannung steuert den PWM-Stromkreis. So entsteht ein Impulssignal mit einer bestimmten Impulsbreite. Dieser Impuls treibt durch den IGBT-Stromkreis den IGBT des Hauptstromkreises an, dann wird der Schweißstrom durch Hauptstromkreis erhalten. Der in diesem Gebrauchsmuster eingesetzte Steuerkreis wird im Einklang mit dem Inhalt wie folgt beschrieben:
Wie in 3 dargestellt ist, wird in den PWM-Steuerkreis der PWM-Regelungschip U2, z. B. das Modell KA3846, verwendet. Das ist ein Modulator-Chip U2 mit einer kontrollierten Impulsbreite für den Ausgangsstrom an beiden Enden. Dieses Modell KA3846 verwendet die Methode der Kontrolle durch Basisspitzenstrom. Die Vorteile der Methode der Kontrolle durch Basisspitzenstrom sind wie folgt:

1. schrittweise Impulskontrolle, schnelle dynamische Reaktion, hohe Ausgangsgenauigkeit, gute Stabilität;
2. ein vorübergehender Schutz kann einen IGBT-Überstrom effektiv verhindern;
3. sie kann das Auftreten von magnetischen Verzerrungen des Hochfrequenz-Transformators verhindern, denn eine schwere magnetische Verzerrung kann Schäden für IGBT und sogar Haupttransformer verursachen.

Durch die Anwendung des Modells KA3846 in diesem Gebrauchsmuster kann die Zuverlässigkeit der ganzen Maschine verbessert werden.
Wie in 4 dargestellt ist, ist der IGBT-Steuerstromkreis die Schnittstelle zwischen IGBT und dem Steuerkreis (siehe 1, die Treiberschaltung ist der IGBT-Steuerstromkreis), um die Isolierung, Verstärkung und den Schutz des PWM-Signals zu realisieren. Der Steuerkreis spielt eine wichtige Rolle bei der normalen Arbeit des IGBT. In diesem Gebrauchsmuster kann der Antriebtransformator T1 verwendet werden. Dadurch können Schäden an dem IGBT effektiv verhindert werden. Außerdem hat er einen billigen Preis, die Arbeitszuverlässigkeit wird weiter verbessert und die Kosten werden gesenkt.
Wie in 5 dargestellt ist, ist die Stromrückkopplungsschaltung und die vorgegebene Stromschaltung, die in diesem Gebrauchsmuster eingesetzt werden, für eine Handschweißmaschine. Der Konstantstrom braucht die Stromstärke der Stromrückkopplungsschaltung. Diese Schweißmaschine verwendet einen Stromteiler für die Erfassung der Stromstärke. Der Stromteiler hat niedrige Kosten und eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit.
Wie in 6 dargestellt ist, liefert der Stromkreis der Hilfsspannungsversorgung den Niederspannungsgleichstrom für den Steuerkreis. Die in diesem Gebrauchsmuster verwendete Hilfsspannungsversorgung verwendet ein Schaltnetzteil.

Claims

Wechselrichter-Lichtbogenschweißmaschine mit einem Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT), die einen Hauptstromkreis, einen angeschlossenen Steuerkreis und einen Hilfsspannungsversorgungs-Stromkreis aufweist, wobei: der Hauptstromkreis eine Eingangs-Gleichrichter-Siebschaltung, einen Invertierungsstromkreis, einen Hochfrequenz-Transformator und eine zweite Ausgangs-Gleichrichterschaltung umfasst, der Steuerkreis einen Pulsweitenmodulator-Stromkreis (PWM), einen IGBT-Steuerkreis, eine Stromrückkopplungsschaltung und einen vom Benutzer vorgegebene Wert an Schweißstrom als vorgegebene Stromschaltung umfasst, wobei in einem Spannungsregler die vorgegebene Stromschaltung und die durch Stromteiler empfangene Stromrückkopplungssignale verglichen werden, um eine Fehlerspannung zu erhalten, welche den PWM-Stromkreis steuert, wobei so ein Impulssignal mit einer bestimmten Impulsbreite entsteht, welches durch den IGBT-Stromkreis den IGBT des Hauptstromkreises antreibt, wobei der Schweißstrom durch den Hauptstromkreis erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Invertierungsstromkreis eine Vollbrücke-Schalterstruktur aufweist, in der IGBT G1, G3 und G2, G4 die durchgehenden Brückenarme bilden, durch die Gleichstrom in Hochfrequenz-Rechteckwellen-Wechselstrom umgewandelt wird, der Hochfrequenz-Transformator einen Eisenkern und einen druckfesten und wärmebeständigen Isolierwerkstoff zwischen den Primärspulen und Sekundärspulen umfasst, wobei eine Widerstand-Kapazität, die an beiden Enden von IGBT parallel geschaltet ist, das Netzwerk für die Absorption der Basisspitzenspannung ist, und wobei der Hochfrequenz-Transformator Niederspannungsgleichstrom gleichgerichtet liefert.
Die Wechselrichter-Lichtbogenschweißmaschine nach Anspruch 1, wobei der Hauptstromkreis angepasst ist, eine 50 Hz-Netzstromversorgung durch den Gleichrichter in Gleichstrom und dann durch Invertierung in Hochfrequenz-Wechselstrom und anschließend durch den zweiten Gleichrichter in Gleichstrom zum Schweißen umzuwandeln.
Die Wechselrichter-Lichtbogenschweißmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er ein PWM-Regelungschip Modulator-Chip U2 vom Modell KA3846 mit einer kontrollierten Impulsbreite für den Ausgangsstrom an beiden Enden umfasst, wobei das Modell KA3846 eine Methode der Kontrolle durch Basisspitzenstrom verwendet, um die Impuls-Kontrolle Schritt für Schritt zu realisieren.
Die Wechselrichter-Lichtbogenschweißmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der IGBT-Steuerkreis die Schnittstelle zwischen IGBT in dem Invertierungsstromkreis und dem Steuerkreis ist, um die Isolierung, Verstärkung und den Schutz des PWM-Signals zu realisieren.
Die Wechselrichter-Lichtbogenschweißmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenkern des Hochfrequenz-Transformators aus einer Mikro-Kröne-Legierung besteht.
Die Wechselrichter-Lichtbogenschweißmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie tragbar ist.