专利名称：一种高频igbt逆变式埋弧焊接电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高频IGBT逆变技术领域，具体是指一种高频IGBT逆 变埋弧焊接电源。
背景技术：
目前，在埋弧焊领域，由于其工艺所需要的大电流、大功率，国内外传 统的埋弧焊电源主要以硅整流和晶闸管整流式为主，整流式电源工作相对可 靠，技术上也比较成熟，但设备体积庞大、笨重、能耗低、效率低，且由于 '其结构原因，动静态特性方面也不够理想。晶体管式弧焊逆变器的出现，虽 然提高了逆变频率，且有利于提高效率、减小体积重量，但是存在二次击穿 和需要较大的电流驱动。大功率场效应管弧焊逆变器只需要极微小的电流就 能实现开关控制，而且速度更快、无二次击穿。但场效应管也存在着一定的 不足之处，其推广应用受到限制。具体说来，大功率场效应管弧焊电源主要 存在以下几个方面的问题(1) 单管容量小。耐高压(800V以上)仅有数安培，需采用多管并联， 生产和调试较麻烦。弧焊电源的使用环境恶劣，有些焊接现场是二十四小时 连续作业，所以对其可靠性要求非常高。目前，硬开关逆变弧焊电源由于高 频寄生振荡、负载频繁复杂变化、电磁干扰、偏磁等原因，特别是大功率焊 接条件下，弧焊电源存在可靠性不够的问题。(2) 管子功率损耗较大。场效应管由于通态电阻比较大，饱和压降一般 在3 4V以上，导通管子功率损耗比较大。(3) 场效应管的耐高压性能较差。(4) 不易实现焊接电源的大功率大电流化。发明内容本实用新型的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提出 一种高频IGBT逆变埋弧焊接电源，效率髙达90%，冲击电流小，可靠性髙， 节能，焊接速度快，焊接工艺可实现多参数优化匹配，焊接质量高，并减少
对电网的干扰，适合大功率焊接。本实用新型的目的通过如下技术方案实现所述一种高频IGBT逆变埋弧 焊接电源，包括机箱和内置电路，所述内置电路包括两组结构相同的相互并 联的主机电源电路，所述主机电源电路包括主电路和反馈闭环控制电路构成， 所述主电路由整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和整流平滑模块 依次连接组成，所述整流滤波模块外接三相交流输入电源，所述整流平滑模块外接负载；所述反馈闭环控制电路由平均电流电压检测模块、比较器、控制系统、脉宽调制模块和高频驱动模块依次连接组成，所述平均电流电压检 测模块一端与负载相连接，另一端与比较器输入端相连接，所述比较器另一 输入端连接焊接参数给定模块，所述比较器输出端与控制系统相连接，所述高频驱动模块与高频逆变模块相连接；所述两组主机电源电路的控制系统通 过程序控制模块相连接。为了更好地实现本实用新型，所述主电路还包括安全保护电路，所述安 全保护电路包括网压检测模块、电压保护模块依次连接组成，所述网压检测 模块一端外接三相交流电源，另一端与电压保护模块连接，所述电压保护模 块与脉宽调制模块相连接。本实用新型的设计原理为本实用新型采用IGBT逆变技术，其单管或者 模块的容量比较大，耐压达1200V以上，电流容量可达600A，特别适合较大 功率焊接应用场合。饱和压降比较低，有利于减少管子功率损耗。本实用新 型由两个主机电源电路相互并联组成，主电路结构相同，程序控制模块调节 输出电流以及外端显示。三相工频交流电经过整流滤波模块后成为平滑直流 电后进入高频逆变模块，然后通过功率变压模块、整流平滑模块进入负载。 与此同时，控制系统根据平均电流电压检测模块检测到负载的电流、电压信 号与焊接参数给定模块给定的参数进行比较，经过控制系统的模糊控制算法 运算，发给脉宽调制模块一个信号，脉宽调制模块根据控制系统的算法产生 两路PWM信号，这两路PWM信号通过高频驱动模块放大去控制高频逆变模 块的开关管开通和关断，从而得到20KHz高频高Jdi电，高频高压电再经过功 率变压模块转换成符合焊接工艺要求的大电流低电压的焊接电流，再经过整 流平滑模块得到更加平滑的悍接电流，也就是反馈模糊闭环控制过程；网压 检测模块检测三相工频电压，把检测到的电压信号送给电压保护模块，如出 保护模块将送给脉宽调制模块一个信号，产生低 电平通过高频驱动模块关断高频逆变模块的开关管，保护主电路安全工作。 本实用新型与现有技术相比，具有如—卜.优点和有益效果1、 本实用新型采用先进的高频IGBT逆变技术，效率高达90%，冲击电 流很小，可靠性髙，节能，体积小，重量轻，移动方便。2、 本实用新型的控制核心，易于实现多特性和多功能，以及多种焊接材料的转换， 一元化调节、自动匹配焊接参数，操作简单、快捷。3、 本实用新型采用数字化动特性控制技术，系统具有良好的动特性，引 弧迅速，准确。具备自动电网波动补偿功能——电网波动±15%不影响焊机正 常工作。
图1是本实用新型的电路方框图； 图2是本实用新型的主电路原理图；图3是本实用新型的主电路中高频逆变模块的电路原理图； 图4是本实用新型的主电路中整流滤波模块的电路原理图； 图5是本实用新型的脉宽调制模块和高频驱动模块的电路原理图； 图6是本实用新型的安全保护电路的电路原理图； 图7是本实用新型的控制系统的电路原理图； 图8是本实用新型的程序控制模块的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型做进一步的详细说明，但本实用 新型的实现方式并不限于此。如图1所示，本实用新型所述一种IGBT逆变埋弧焊接电源包括机箱和内置电路，内置电路包括两组结构相同的相互并联的主机电源电路，主机电源 电路包括主电路和反馈闭环控制电路构成。主电路由依次连接的整流滤波模 块10K高频逆变模块102、功率变压模块103和整流平滑模块104组成。整流 滤波模块101与三相交流输入电源相连接，整流平滑模块104与负载(焊接电 弧)相连接。反馈闭环控制电路包括平均电流电压检测模块109、焊接参数给 定模块IIO、比较器113、控制系统lll、脉宽调制模块107和高频驱动模块108， 电流电压检测模块109—端与负载相连接，另一端与比较器113输入端相连接，
焊接参数给定模块110与比较器113另一输入端相连接，比较器113输出端与控制系统111相连接，控制系统111与脉宽调制模块107相连接，脉宽调制模块107 与高频驱动模块108相连接，高频驱动模块108与高频逆变模块102相连接。-)-: 电路还包括安全保护电路，该电路包括网压检测模块105、电压保护模块106; 网压检测模块105—端与接入的三相交流电源连接，另一端与电压保护模块 106连接，电压保护模块106与脉宽调制模块107连接。两组控制系统之间通过 程序控制模块112相连接。网压检测模块105检测三相交流输入电压，为常用 的电压检测装置。电压保护模块106为一常用的比较器，实现欠压或者过压保 护。焊接参数给定模块110由两个电位器组成，给定焊接电压和送丝速度。比 较器113采用TL084比较器，对外环检测信号与焊接给定参数进行比较。平均 电流电压检测模块109为电流电压传感器，与负载连接，分别实时采集实际的 焊接电流和电弧电压，送至反馈闭环控制电路以及显示电路。如图2所示，在主电路中，三相交流输入电源接整流滤波模块101的整流 块BR1，然后连接滤波环节L1、 C5、 C6、 C7、 C8、 R3、 R4，再连接高频逆 变模块102的逆变桥V^ VT4， C6 C10，输出接功率变压模块的高频功率变 压器T1初级，变压器次级串接整流平滑模块4的饱和RC吸收电路，再经过高 频全波整流电路D1 D4二极管组、稳弧吸收模块滤波环节L2、 R9、 C9、 CIO、 后输出直流电，以上环节构成功率主电路，高频逆变模块102的包括两个两单 元的IGBTVT, V丁4。同时，电流检测模块109为传感器HALL，与负载连接。如图3所示，在高频逆变模块中，为防止IGBT开通和关断时瞬间的电流、 电压冲击造成IGBT的损坏在IGBT，在IGBT的C和E极之间并联RC吸收保护电 路。如图4所示，在整流滤波模块中，D1 D4为快速二极管组用于输出整流， Rl、 C15和R2、 C16分别组成上下两组对称的二极管的RC吸收回路。如图5所示，脉宽调制模块107和高频驱动模块108主要由脉宽调制模块 107的误差放大电路、反相器芯片ULN2003A和集成控制芯片SG3525以及高频 驱动模块108的两个脉冲变压器M1和M2、芯片2SK1417、 M74HC4049和 CD4011及辅助电路相互连接组成。脉宽调制模块产生两路波形互补的信号分别进入两路高频驱动模块，高频驱动模块将两路信号进行加强，输出高频逆 变模块的逆变桥开关管VT, VT4的驱动信号。如图6所示，在电路保护电路中，CN6接温控模块，和过热、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。系统输出端，与集 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信号分别进入高频驱动模块108，作为逆变开关管 VT, VT4的驱动信号。如图7所示，控制系统主要由PALCE22V10Q、反相器ULN2003A以及辅 助电路相互连接组成。PALCE22V10Q系统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过程，输出信号作为脉宽调制 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。如图8所示，在程序控制模块112中，两套相互并联的逆变主机电源电路 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SHUTD0WN1端接地，从而触发两套焊接电源可以同时开通。两套 电源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IDSP。上述电路中，图2中的平均电流电压检测模块109为传感器HALL，同比 较器113连接、再与控制系统111的PALCE22V10Q通过反相器ULN2003A相连 接。控制系统111输出端同脉宽调制模块107的集成控制芯片SG3525的引脚2 相连接，集成控制芯片SG3525的输出端11、 14脚分别与高频驱动模块108的 两个驱动环节的5、 16管脚相连接，驱动环W的输出分别与高频逆变模块102 的四个开关管的G、 E极相连接，上述环节构成反馈闭环控制电路。逆变后的 高频(20KHz)高压电经变压器T1降压后通过高频整流由快速二极管(Dl D2， D5 D8)并联构成的全波整流电路，再经输出电感L2滤波后输出。应用本实用新型时，三相工频交流电经过整流滤波模块101后成为平滑直 流电后进入高频逆变模块102，控制系统111根据平均电流电压检测模块109 检测到负载的电流、电压信号与焊接参数给定模块110给定的参数进行比较， 经过控制系统lll的模糊控制算法运算，发给脉宽调制模块107—个信号，脉
宽调制模块107根据控制系统111设定的算法产生两路PWM信号，这两路PWM信号通过高频驱动模块108放大去控制高频逆变模块102的开关管的开 通和关断，从而得到20KHz高频高压电，高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焊接电流，再经过整流平滑模块 104得到更加平滑的焊接电流，也就是外环均值模糊闭环控制过程。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107—个信号， 产生低电平通过高频驱动模块108关断高频逆变模块102的开关管，保护主电 路安全工作。本实用新型首次使用两路相互并联的主电路，由程序控制模块控制两路 电路的输出，有效地提高了焊接电流以及电流的稳定性，使节电优势特别明 显，实行了埋弧焊高速髙效性。如上所述，即可较好地实现本实用新型。
权利要求1、一种高频IGBT逆变埋弧焊接电源，包括机箱和内置电路，其特征是，所述内置电路包括两组结构相同的相互并联的主机电源电路，所述主机电源电路包括主电路和反馈闭环控制电路构成，所述主电路包括整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和整流平滑模块依次连接组成，所述整流滤波模块外接三相交流输入电源，所述整流平滑模块外接负载；所述反馈闭环控制电路包括平均电流电压检测模块、比较器、控制系统、脉宽调制模块和高频驱动模块依次连接组成，所述平均电流电压检测模块一端与负载相连接，另一端与比较器输入端相连接，所述比较器另一输入端连接焊接参数给定模块，所述比较器输出端与控制系统相连接，所述高频驱动模块与高频逆变模块相连接；所述两组主机电源电路的控制系统通过程序控制模块相连接。
2、 根据权利要求1所述的一种高频IGBT逆变埋弧焊接电源，其特征是， 所述主电路还包括安全保护电路，所述安全保护电路包括网压检测模块、电 压保护模块依次连接组成，所述网压检测模块一端外接三相交流电源，另一 端与电压保护模块连接，所述电压保护模块与脉宽调制模块相连接。
3、 根据权利要求1所述的一种高频IGBT逆变埋弧焊接电源，其特征是， 所述控制系统主要由控制器PALCE22V10Q、反相器ULN2003A及外围电路相 互连接组成。
4、 根据权利要求1所述的一种高频IGBT逆变埋弧焊接电源，其特征是， 所述脉宽调制模块主要由误差放大电路、集成控制芯片SG3525及外围电路相 互连接组成。
5、 根据权利要求1所述的一种高频IGBT逆变埋弧焊接电源，其特征是， 所述高频驱动模块主要由两个高频脉冲变压器M1和M2、芯片2SK1417、 M74HC4049和CD4011及外围电路相互连接组成。
专利摘要本实用新型公开了一种高频IGBT逆变埋弧焊接电源，包括机箱和内置电路，内置电路包括两组结构相同的相互并联的主机电源电路，主机电源电路包括主电路和反馈闭环控制电路构成，主电路包括整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和整流平滑模块依次连接组成，反馈闭环控制电路包括平均电流电压检测模块、比较器、控制系统、脉宽调制模块和高频驱动模块依次连接组成，两组主机电源电路的控制系统通过程序控制模块相连接。本实用新型首次使用两套相互并联的主机逆变电源，采用先进的高频IGBT逆变技术，有效提高了弧焊电源的功率。
文档编号B23K9/09GK201009039SQ20062015452
公开日2008年1月23日 申请日期2006年12月8日 优先权日2006年12月8日
发明者凌德怡, 王振民, 陈毅丹, 黄石生 申请人:华南理工大学