一种igbt单管全桥逆变手工电弧焊机的结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种IGBT单管全桥逆变手工电弧焊机的结构，通过IGBT管套管脚护套、控制板和功率板放入各自护盖中并浇注环氧灌封料，两种方式来解决防尘性能问题，可避免逆变焊机长期使用后工作现场的一些含导电性金属粉尘吸附到IGBT管等器件引脚之间、各控制电路板上，一定程度上提高了焊机工作可靠性；通过配置大风量、高速直流冷却风机，利用功率板、IGBT散热器、绝缘隔板、快恢复二极管散热器和输出整流板之间构成良好风道来改善发热主功率关键零部件的冷却效率，提高了大电流输出时的负载持续率，解决了焊接时间短的问题，有效降低了IGBT或快恢复二极管、逆变变压器的故障率。
【专利说明】
一种IGBT单管全桥逆变手工电弧焊机的结构
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种IGBT单管全桥逆变手工电弧焊机的结构，属于逆变焊机技术领域。
技术背景
[0002]手工电弧焊机的销售量很大，应用范围较广。然而，此类焊机，不同的电路、电路板和整机结构设计，控制原理和方式不同，电路板和整机的布局和连接方式，或者连接的复杂程度不同，其产品生产的工序和制作工艺等也会完全不同。这些都会影响产品的性能、可靠性、生产效率和运输成本等，最终影响产品的市场竞争力。
[0003]目前，国内外市场上，小型MOS管、IGBT管逆变式手工电弧焊机的额定电流通常在80?200A(负载持续率100?20%)的水平。对此类焊机产品来说，在低成本下，如果设计不好，会出现如下一些问题:I)抗网压波动能力差。例如，当供电电网的输入电源电压较低，如180VAC以下时，即使是采用较细的电焊条，焊机也无法进行正常焊接。这就使焊机的应用范围受到了一定的限制;2)负载持续率低，有的焊机只能达到10?25%。原因:焊机冷却风扇的配置、关键器件(如IGBT及其散热器、快恢复二极管及其散热器、主变压器等)的冷却风道设计不合理。这会导致焊机工作的负载持续率降低，即可焊接的时间较短。问题严重的，还会导致IGBT或快恢复二极管炸管或损坏、逆变变压器烧坏;3)防尘性能不好，导致焊机工作可靠性降低。逆变焊机长期使用后，工作现场的一些含导电性金属粉尘会吸附到IGBT管等器件引脚之间、控制电路板上，导致爬电距离减小、器件和控制电路失效;4)拉弧性能不好，容易断弧。小型逆变焊机，往往是一些非专业的人员操作设备。这些人员没有受过焊接操作培训，其操作手法容易出现电弧长度忽长忽短现象，使电弧不稳定，甚至经常断弧。如果电焊机的控制电路和性能不好，电弧长度稍微拉长一些，例如3?5mm，就会导致电弧熄灭，焊接过程中断。在供电电源电压降低时，这种现象会更加明显。因此，如何在低成本的前提下，解决好上述问题，开发出结构和性能好、可靠性高的焊机，是本实用新型解决的问题和目的。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供一种IGBT单管全桥逆变手工电弧焊机的结构，通过IGBT管套管脚护套、控制板和功率板放入各自护盖中并浇注环氧灌封料，两种方式来解决防尘性能问题，可避免逆变焊机长期使用后工作现场的一些含导电性金属粉尘吸附到IGBT管等器件引脚之间、各控制电路板上，一定程度上提高了焊机工作可靠性;通过配置大风量、高速直流冷却风机，利用功率板、IGBT散热器、绝缘隔板、快恢复二极管散热器和输出整流板之间构成良好风道来改善发热主功率关键零部件的冷却效率，提高了大电流输出时的负载持续率，解决了焊接时间短的问题，有效降低了 IGBT或快恢复二极管、逆变变压器的故障率;通过采用新型控制电路的设计来解决“抗网压波动能力差”和“拉弧性能不好易断弧”问题;本实用新型的电路板设计为三个部分，各部分控制板采用了大量的贴片器件，少量器件为插件式的，电路板的生产采用自动化的装配和焊接等先进工艺加工技术。不仅缩小了产品尺寸，降低重量和运输成本，而且电路板之间的连接控制线很少，制作工艺也得到了简化，更加方便生产。
[0005]为实现上述目的采用以下技术方案:
[0006]一种IGBT单管全桥逆变手工电弧焊机的结构，包括壳体部分、前面板部分、后面板部分和内部的电路部分，其特征在于:内部的电路部分包括有整流桥、IGBTl、IGBT2的散热器1、功率板、整流输出板、快恢复二极管的散热器IV、控制板、IGBT3的散热器11、IGBT4的散热器II1、逆变主变压器、输出连接件、IGBT管的管脚护套、功率板或功率控制板的护盖、绝缘隔板和塑料板风罩以及功率板上的滤波电解电容、继电器、驱动变压器和开关电源变压器;所述的GBT3的散热器I1、IGBT4的散热器II1、整流桥和IGBT的散热器I分别通过两个螺丝固定在功率板上，整流桥、IGBT分别通过各自的螺丝固定在散热器I上，绝缘隔板通过螺丝固定在散热器I上，快恢复二极管的散热器IV通过螺丝固定在绝缘隔板上，整流输出板则通过6颗螺丝固定在散热器IV上，通过螺丝组装连接方式使主要零部件构成一个整体，该部分还被塑料板风罩所包围，而塑料板风罩通过螺丝固定在壳体部分的底板上，这样就在功率控制板、IGBT散热器和快恢复二极管散热器之间构成了风道一，而塑料板风罩则构成了风道二。
[0007]所述的IGBT管的管脚都套有脚护套，脚护套套入后再焊接到功率板上，功率板和控制板均放入护盖中，并浇注环氧灌封料。
[0008]所述的功率板包括开关电源电路、IGBT驱动控制电路和全桥逆变电路的一部分；开关电源电路主要包括开关电源变压器、稳压管、快速二极管、开关电源控制芯片T0P264VG，以及它们周围的电阻、电容。
[0009]所述的控制板上，布置有UC3846 PWM脉宽调制芯片、一个四运算放大器和817光耦，以及电阻和电容、稳压管和二极管。
[0010]所述的整流输出电路板上，布置有四个快恢复二极管以及八个电阻、二个电容。
[0011]所述的前面板上安装有:正、负极输出快速接头座组件、工作电源指示灯及热保护指示灯、控制板、电流数字显示控制板或数显板。
[0012]所述的后面板上安装有:电源开关、供电电源线、冷却风机。
[0013]本实用新型，通过“IGBT管采用管脚护套”、“数显板+控制板或控制板，以及功率板放入各自护盖中并浇注环氧灌封料”两种方式来解决防尘性能问题。这些技术措施，可避免逆变焊机长期使用后工作现场的一些含导电性金属粉尘吸附到IGBT管等器件引脚之间、各控制电路板上。不会导致爬电距离减小。器件和控制电路不容易失效。这就一定程度上提高了焊机工作可靠性;通过配置大风量、高速(4000?6000rpm/min )直流冷却风机，利用“功率板、IGBT散热器、绝缘隔板、快恢复二极管散热器和输出整流板之间构成良好风道”来改善发热主功率关键零部件的冷却效率，提高了大电流输出时的负载持续率(有的机型可高达100%，相当于进行连续焊接)，解决了焊接时间短的问题。同时，有效降低了 IGBT或快恢复二极管、逆变变压器的故障率;通过采用新型控制电路的设计来解决“抗网压波动能力差”和“拉弧性能不好易断弧”问题。在新的控制电路作用下，当电网输入电源电压较低，如130VAC时，采用细的电焊条，焊机也可进行正常焊接;如果电源电压升高不超过270VAC，都不会影响焊机焊接性能。这就提高了焊机的抗网压波动能力，扩大了焊机的应用范围；即使是没有受过焊接培训的非专业人员操作焊机，在其操作手法差、电弧长度忽长忽短的情况下，只要电弧长度拉长不超过8mm以上范围，焊接电弧仍然稳定。不容易出现电弧熄灭或断弧现象。提高了电弧稳定性。本实用新型的电路板设计为三个部分。各部分控制板采用了大量的贴片器件，少量器件为插件式的。电路板的生产采用自动化的装配和焊接等先进工艺加工技术。不仅缩小了产品尺寸，降低重量和运输成本。而且电路板之间的连接控制线很少，制作工艺也得到了简化，更加方便生产。
[0014]对不同电流等级和负载持续率要求的本实用新型焊机，可通过调整电路板上少量的零部件规格参数，形成不同输出额定电流和负载持续率的产品。例如，改变IGBT器件的电流等级、数量(例如，两只并联作为一只使用。需要同时修改电路板设计)和散热器尺寸;改变快速恢复二极管的型号和参数;改变逆变主变压器和输出滤波电抗器的规格和参数等，即可容易形成不同规格的系列产品。如200A/28V(30%负载持续率，下同)、180A/27.2V(40%)、160A/26.4V(60%)、140A/25.6V( 100%)等产品。额定电流越小的，则额定负载持续率越高。当然，这些变化，目的是使产品的制作成本与相应机器的规格参数和性能指标相匹配。这样，每种规格型号的焊机才能实现最优化的成本控制。这就提升了所开发产品的市场竞争力。本实用新型焊机的电路原理、电路板和整机结构设计有自己的独特之处。这也是申请本专利保护的根本目的所在。
【附图说明】
[0015]附图1是本实用新型带数显手弧焊机的结构示意图；
[0016]附图2是本实用新型不带数显手弧焊机的结构示意图；
[0017]附图3是本实用新型焊机的电路原理框图；
[0018]附图4是本实用新型焊机功率控制板的电路原理图；
[0019]附图5是本实用新型焊机的输出整流电路原理图；
[0020]附图6是本实用新型焊机的控制板电路原理图；
[0021 ]附图7是本实用新型焊机的数显板电路原理图；
[0022]附图8是本实用新型散热风扇与大功率电器元件配合示意图。
[0023]附图中各部件的名称如下:1、手柄;2、外盖;3、塑料板风罩;4、管脚护套;5、IGBT1;
6、IGBT2;7、整流桥;8、散热器I ;9、电解电容；10、功率板；11、继电器；12、驱动变压器；13、开关电源变压器；14、绝缘隔板；15、散热器IV; 16、输出整流板、17、逆变主变压器；18、输出连接件;19、散热器II; 20、IGBT3; 21、IGBT4;22、散热器III; 23、功率板的护盖；24、电源开关；25、后塑料面板;26、电源线及固线器;27、冷却风机;28、底板;29、前塑料面板;30、负极输出快速接头;31、正极输出快速接头;32、控制板;33、面板基板;34、电流调节电位器旋钮。
【具体实施方式】
[0024]如图1-8所示，一种IGBT单管全桥逆变手工电弧焊机的结构，其主要包括:
[0025]I)前面板部分，主要有正极输出快速接头座组件31、负极输出快速接头座组件30、前塑料面板29，控制板32上的工作电源指示灯(白色)及热保护指示灯(黄色)、面板基板33、输出电流调节电位器旋钮34等。
[0026]有数显功能的机型，带数显的前面电路板组件由两块控制板构成。其中一块为带电流显示表的控制电路板，也称为数显板或数显控制板。该控制板上有电流显示表的显示数据微调电位器、单片机或微处理器控制电路系统。还有电源指示和过流/过热保护指示发光二极管，以及其它很多的电子元器件。另外一块电路板，称为控制板。该控制板上有输出电流微调电位器、UC3846 PWM控制芯片、运算放大器LM324芯片、两个光电耦合器EL817或PC817芯片，还有其它很多的电子元器件。两块控制板之间，通过电路板上设计的连接件焊接在一起，板与板之间没有采用外部连接线;其生产制作工艺得到了简化;整个电路板部分(控制板或控制板+数显板)放入一个护盖中并浇注环氧灌封料，起到防尘作用，同时，固定安装在面板基板33上。
[0027]不带有数显功能的机型，前面电路板组件由一块控制板构成，称为控制板。与上述有数显的机型使用的控制板是一样的。只不过是把源指示和过流/过热保护指示发光二极管焊装到了该控制板上。
[0028]无论是有数显的机型，还是不带有数显的机型，只有主控制板部分，通过该板上设计的插座或接插件及其它们的连接线与焊机的其它部分电路进行连接。
[0029]2)后面板部分主要有电源开关24、供电电源线26、冷却风机27、后塑料面板25等；冷风从焊机后部的进气孔进入，可使焊机内部的一些发热器件或零部件有良好的冷却效果O
[0030]3)外壳部分。包括外盖2、底板28、提手手柄I等。
[0031 ] 4)内部的电路部分包括整流桥7、IGBTl、IGBT2的散热器1、功率板或功率控制板
10、整流输出板16、快恢复二极管的散热器IV、控制板32、IGBT3的散热器II(19)、IGBT4的散热器111、逆变主变压器、输出连接件、IGBT管的管脚护套、功率板的护盖23、绝缘隔板14和塑料板风罩3，功率板或功率控制板10上的滤波电解电容9)继电器11、驱动变压器12、开关电源变压器13等元器件；IGBT的管脚都采用管脚护套套入后，再焊接到功率板或功率控制板10上，功率板或功率控制板10放入护盖23中，并浇注环氧灌封料;控制板32也放入其护盖中，并浇注环氧灌封料;本实用新型通过上述方式来解决焊机的防尘性能问题。这些技术措施，可避免逆变焊机长期使用后工作现场的一些含导电性金属粉尘吸附到IGBT管等器件引脚之间、控制电路板上。不会导致爬电距离减小。器件和控制电路不容易失效。这就一定程度上提高了焊机工作可靠性。
[0032]IGBT3的散热器I1、IGBT4的散热器II1、整流桥7和IGBT的散热器I分别通过两个螺丝固定在功率板或功率控制板10上;整流桥7、I IGBT5、IGBT6分别通过各自的螺丝固定在散热器I上；绝缘隔板14通过螺丝固定在散热器I上，快恢复二极管的散热器IV通过螺丝固定在绝缘隔板14上，整流输出板16则通过六颗螺丝固定在散热器IV上;通过上述组装、连接方式，使本实用新型逆变焊机的主要零部件构成一个整体，该部分还被塑料板风罩3所包围，而塑料板风罩3通过螺丝固定在焊机底板28上。这样，就在大控制电路板、IGBT散热器和快恢复二极管散热器之间构成了 “风道一”，而塑料板风罩3则构成了“风道二”。由于配置了大风量、高速(5000?6000rpm/min)直流冷却风机(27)，“风道一”、“风道二”的存在，可改善发热主功率关键零部件(如各IGBT、各快恢复二极管、各散热器、整流桥、逆变主变压器等)的冷却效率。也提高了大电流(如200A)输出时的负载持续率。如果焊机的输出电流小，则负载持续率会更高。这就较好解决了焊接时间短的问题。同时，有效降低了 IGBT或快恢复二极管、逆变变压器等器件或零部件的故障率。
[0033]在功率板10、整流输出板16、控制板32上，还有很多的电子元器件及其组成的控制电路，如电阻、电容、二极管、稳压管、脉冲宽度调制器电路、开关电源控制芯片、微处理器控制电路等。
[0034]本实用新型不像其它多电路板结构的焊机那样，电路板之间有很多的控制连接线，不仅制作工序多和生产工艺复杂，而且电路板还占据空间大，使整机尺寸大、重量重。而采用本实用新型的电路板结构和电路设计，则可缩小电路板和整机的尺寸，降低产品重量、生产和运输成本。因控制线少，焊机生产加工工序少，制作工艺也大大简化，更加方便生产。另外，在电路中还采用了微处理器控制。通过它，不仅简化了电路，而且可方便地实现手工焊参数的数字显不等控制功能。
[0035]从电路的控制功能来看，主要是完成供电电源的产生、Pmi脉冲宽度调节、IGBT管驱动控制和逆变、手工焊方法的逆变电路输出参数(电流、电压)控制、保护控制等工作。最终在控制电路的作用下，实现手工电弧焊的各项控制要求。
[0036]本实用新型焊机上述各部分电路的工作原理简述如下:附图3是本实用新型焊机的电路原理框图。由附图3可见，焊机的电路主要由电源开关SI(根据焊机输出电流大小的不同，可选择25A或30A的开关)、整流器或整流桥BD1、功率板或功率控制板、控制板、逆变主变压器T8、整流输出控制板或输出板、冷却风扇FAN(根据焊机不同输出电流和负载持续率的要求，可选择配置12V或24V的直流高速风扇)等组成。电源开关SI控制焊机供电电源;整流器或整流桥BDl则是把交流变换为直流;功率板或功率控制板部分，包括开关电源电路、IGBT驱动控制电路和部分全桥逆变电路。开关电源电路负责产生+12V、+ 15V、-12V电源电压；IGBT驱动控制电路，则在控制板产生的PWM脉冲宽度调制信号的控制作用下，实现对IGBT的驱动控制，最终通过全桥逆变电路实现由直流到几十KHz交流的变换;逆变主变压器T8则实现降压、变流;再通过输出板或整流输出控制板把几十KHz交流的低压、大电流信号整流变换为焊接所需要的直流，便于焊接。0UT(+)代表焊机的正极性输出端;OUT(-)代表焊机的负极性输出端。其它相关控制板的电路原理图见附图4、附图5、附图6所示。进一步的工作原理说明如下:焊机通电后，电源开关Sl(24)接通电网电源。从电网来的交流电，先经过BDl整流桥(7)整流后变为脉动直流电，送至功率板或功率控制板(10)的A、B两端。通过功率板(1 )上的可控硅Q5的导通，再经RTI热敏电阻，之后，对ECI?2电解电容(根据焊机输出电流大小的不同，可选择470UF/400V或680UF/400V的电容)(9)进行充电。ECl?2电解电容上的电压逐渐升高，最后变为较为稳定的+310V直流电。ECl?EC2电解电容起到滤波的作用。+310V直流电一方面供给由IGBTl?IGBT4管、(附图3中)T8逆变主变压器、(附图5中)D1~D4快速恢复二极管、(附图4中)T5初级母线电流检测互感器等组成的全桥逆变主电路。其功能主要为:高压直流电转换为中频(几十KHz)交流电。(附图3中)T8逆变变压器实现电压降压和大电流输出的变换。(附图5中)D1~D4快速恢复二极管则是把逆变变压器输出的中频交流电变换为直流电。另一方面，供给由83开关电源变压器(13)(有四个绕组，分别是【、似、似、N4。.是初级绕组，其它是次级绕组)、TVS1和Z2~Z3稳压管、D16?D17和D21?D23等快速二极管、UlO开关电源控制芯片(T0P264VG)，以及它们周围的电阻(R1、R2、R35等)、电容(C30?〇31、03丄34、(:17丄21等)等器件组成的开关电源电路，产生+12￥、+15￥、-12￥电源电压，供给其它的控制电路等带电工作。由于B3开关电源变压器的初级绕组NI，以及它们周围的TVSl稳压管、D27二极管等组成的电路，是连接至+310V的，属于高压回路。为确保控制电路的安全，在附图4中，采用了U5 EL817光电耦合器进行隔离。开关电源的核心控制芯片是U10，即T0P264VG芯片。关于开关电源这部分电路的工作原理，要进一步详细了解的话，需要去了解开关电源和T0P264VG开关电源控制芯片的相关工作原理和知识。介于篇幅的关系，这里仅仅是作了一个简要的说明。总之，开关电源控制电路部分，可在B3的2个电压输出电路部分，分别获得+12V、+ 15V、-12V电源电压。供给其它不同的器件和电路使用。例如，+ 12V供给12V的直流高速风扇FAN;两个12V之间的24V电压，供给24V的直流高速风扇;+15V供给驱动控制电路和控制板电路等。由开关电源部分的电路及原理可知，本实用新型没有采用一般的控制变压器和相关的电压变换电路来产生上述3个电源电压。其电路取电来自主回路中的+310V。开关变压器的体积和尺寸、重量远小于一般的控制变压器，这就降低本实用新型焊机的成本，提升了焊机的技术附加值。
[0037]本实用新型开关电源电路，有如下的优点:在电网电压波动的情况下，即使是在130VA0270VAC电压波动范围，开关电源电路仍然能够产生稳定的+12V、+ 15V、-12V电源电压。这就可以保证焊机其它控制电路的正常工作。实验表明:在本实用新型的控制电路作用下，当电网输入电源电压较低，如130VAC时，采用细的电焊条，焊机也可进行正常焊接;如果电源电压升高不超过270VAC，都不会影响焊机焊接性能。这就提高了焊机的抗网压波动能力，扩大了焊机的应用范围。这就较好解决了“抗网压波动能力差”的问题。
[0038]附图4中，J20A继电器，根据焊机输出电流的不同，可选择30A/24V、40A/24V的继电器。J20A继电器的动作时间是滞后于电源开关Sl(24)合上时刻的。由U0UTL431)程控管进行控制，故J20A继电器是延时动作的。当ECl?EC2电解电容上的充电电压稳定后，该继电器才动作。动作后，其触头闭合RTl热敏电阻的支路，使本实用新型焊机正常逆变工作时，大电流是从继电器的触头流过的。这样的电路，称为上电缓冲电路。主要是防止电源开关Sl(24)接通瞬间，由于ECl?EC2电解电容(9)上没有电压，相当于短路，会形成较大的浪涌电流，烧坏电源开关SI (24 )。而上电缓冲电路的作用，就是通过合闸瞬间Q5晶闸管导通、串入RTI热敏电阻的方法来限制浪涌电流的。并且，RTl热敏电阻的阻值，是随其温度上升而增大的。因此，上电缓冲电路可起到较好的保护作用。
[0039]附图4中，T6驱动变压器(分为初级T6A，次级T6B、T6C、T6D、T6E)及其外围的二极管(包括 D12?D15和 D18?D20、D22)、电阻(包括 R3、R7?R8、R10?R12、R50?R51、R57?R66等)、电容(包括 C32、C35-C36 )、稳压管 ZD2?ZD5、三极管(Q2-Q3、Q6-Q7 )、驱动芯片 U8 和 Ul 5 (TC4420 )等组成IGBTl?IGBT4的驱动电路。4个(根据焊机输出电流不同，也可以是8个，每2个为一组，并联使用。这需要同步修改电路板设计)IGBT，4路驱动，每个部分的驱动电路形式是一致的。该部分电路，输入的控制信号来自附图4中的J28插头，实际上也是与附图6中的Xl插头相连接的，见附图3。由于附图6中的UC3846芯片输出的信号，驱动功率小，故需要经过IGBT的驱动控制电路进行放大，再通过T6驱动变压器(12)及其外围的驱动电路去控φ?」4个(或8个，原因同之前的说明)IGBT的工作状态。附图4中，驱动电路输入的控制信号是由附图6中的Ul脉冲宽度调制(PWM)芯片(UC3846)的A、B端输出的控制信号。这些信号是一组方波脉冲信号。方波脉冲信号有一个固定的频率。是保障IGBT开关工作的重要参数之一。该时间是通过UC3846芯片的外围器件参数设置而确定的。至于如何确定，需要查看UC3846的相关使用资料或说明。介于篇幅的关系，这里不再重复说明。需要说明的是:PWM脉冲宽度调制信号是决定焊机逆变主电路输出电压和电流大小的信号。
[0040 ]附图6是本实用新型焊机的控制板电路原理图。附图6中，UI (UC3846 )是PffM脉冲宽度控制芯片;U2是四运算放大器芯片;U3是光藕。1插头连接至功率板的J15插头，实际上就是连接至逆变主电路中逆变主变压器的初级电流互感器T5的次级绕组。通过该互感器，检测逆变主变压器的初级电流，获得焊机输出控制所需要的电流反馈控制信号。OUT插头，连接至焊机的输出端，见附图3所示。功率板的J28插头，则连接至控制板的Xl插头。见附图3和附图4所示。J28插头输出的控制信号，为IGBT驱动电路的输入控制信号，也就是使全桥逆变主电路中IGBT进行通或断控制的信号。0T1-1和0T2-1连接至过热保护器的BI和B2端子。过热保护器安装在功率板上IGBT的铝散热器上。OT(Y-LED)为过热保护指示灯(黄色)，安装在焊机前面板上。PO(W-LED)为电源指示灯，也安装在焊机前面板上。当焊机控制电路产生+15V后，PO(W-LED)电源指示灯点亮，指示焊机带电工作。+5V电源电压来自UUUC3846)的2脚，是由该芯片的内部参考电源(Vref)输出的电压。可供给相关的电路使用。RAl是焊机的电流调节电位器。RA是焊机输出电流的校正调节电位器。U2A运算放大器及其外围器件组成的电路为PI控制电路。是本控制板上的核心电路之一。由附图6可见，RAl电流调节电位器给出的Ug电流给定信号通过R27等输入到PI运算放大器的输入一端；电流互感器T5检测到的信号，通过DI ~D4整流变换后，获得输出电流控制的负反馈Uf i信号。该电流负反馈Uf i信号则通过R20、D5输入到PI运算放大器的输入端，与Ug电流给定信号进行比较。之后，经过PI控制环节，U2A运算放大器输出的Uk控制信号决定着UUUC3846)芯片输出的PffM脉冲信号的时间宽度。当Ug电流给定信号和电流负反馈Ufi信号发生变化时，就会使P丽脉冲信号的时间宽度发生改变，最终通过逆变主电路，实现焊机输出电压和电流的变化，以满足手工电弧焊接的性能控制要求。如果电流互感器T5检测到的信号过大，即发生过流现象时，控制电路会关闭Ul PffM芯片的脉冲输出，使焊机停止输出电流，实现过流保护。
[0041]附图6中，在焊接输出过程中，当IGBT散热器发生过热现象时，或者当焊机内部的热保护器工作时，U2C运算放大器的输出状态发生变化，一方面使OT(Y-LED)过热保护指示灯(黄色)点亮，另一方面使三极管Q3导通，限制电流给定信号。控制电路会关闭Ul PffM芯片的脉冲输出，使焊机停止输出电流。同时，焊机停止焊接输出。在冷却风机的作用下，当IGBT散热器的温度下降到一定程度后，或当焊机内部的过热现象消除、热保护器恢复时，控制电路才能继续输出PWM控制信号。同时过热指示灯(黄色)媳灭。这就实现了焊机过热保护。
[0042]附图6中，U3光藕只有当Z2稳压管被击穿、稳压后，其内部的发光二极管才会发光。其实，也就是焊机输出的电压超过一定数值后，才会出现这种情况。此时，U3光藕内部的三极管导通，+15V加至R34输入端，控制U2B运算放大器的输出电平，这样也就控制了焊机的输出电压。反之，如果焊机的输出0UT(+)和OUT(-)两端长时间短路，Z2稳压管就不会被击穿，U3光藕内部的三极管不导通。U2B输出高电平，使Ul Pmi输出的脉宽变得较小，这将把焊机的输出电流控制到很小，从而实现短路保护功能。
[0043]本实用新型焊机手工电弧焊输出特性的简要控制过程简述如下:
[0044]焊机后面板的开关SI合上接通供电电源极短的时间后(此期间，焊机电路进行上电缓冲控制，有一定的延时控制)，焊机内部的上述各控制板带电工作。前面板上的电源指示LED灯亮，指示焊机带电。焊机内部的IGBT PWM脉冲宽度控制电路产生一个占空比较大的脉冲信号，使IGBT的驱动电路工作，使IGBT处于交替导通状态，最终使单端正激逆变主电路输出空载电压。当操作者调节好前面板上焊接电流的电位器，并进行焊接时，控制电路通过T5电流互感器，可检测到输出电流信号。经过信号处理，并以此作为电流负反馈控制Ufi信号，与焊接电流给定Ug信号进行比较。比较后的差值信号，进行PI(比例和积分)调节控制，再输入到焊机输出Pmi控制电路，其输出的结果控制焊机输出Pmi芯片的脉冲宽度或占空比，决定焊机输出电流和电压的大小，实现输出电流参数的准确控制。并使焊机的输出特性满足手工电弧焊接的要求。进一步地说，当焊接电流给定信号不变时，随着焊机电路检测到的电流增加，并且，达到给定的设定值后，焊接电流给定信号与电流负反馈控制信号的差值会随电流增加而减小，通过PI控制后，使焊机输出PWM芯片的脉冲宽度或占空比减小，焊机的输出电压降低。这一过程，也就是所谓的电流截止负反馈控制。即只有当电流达到焊接电流电位器的设定值Ug后才起作用的反馈控制。此后，随着电流微小的增加，电压降低会很多。当电压下降到一定数值以下时，随着电压的降低，控制电路可使焊机输出PWM芯片的脉冲宽度或占空比增加，使焊接电流按照设定的参数增大，最终形成恒流带外拖的下降特性。实际测试结果表明:本实用新型焊机的推力电流大约为几十A(安培)。当焊接电流给定Ug信号变化时，电流截止负反馈设定值不同，但其它的控制过程是类似的。这样，在电位器设定的最小和最大之间，就可获得无数条下降特性曲线。这样的控制，也是满足手工电弧焊接的基本要求。关于电流的反馈和PWM及输出特性控制过程，可参见其它相关的控制原理说明作进一步的了解。
[0045]本实用新型焊机的上述控制电路，通过实际性能测试，性能良好。即使是没有受过焊接培训的非专业人员操作焊机进行手工电弧焊接，在其操作手法差、电弧长度忽长忽短的情况下，只要电弧长度拉长不超过8mm以上范围，焊接电弧仍然稳定。不容易出现电弧熄灭或断弧现象。这就提高了电弧稳定性。解决了 “拉弧性能不好易断弧”的问题。
[0046]附图7是本实用新型焊机的数显板电路原理图。对于有数显功能的焊机，才有此部分的电路及其控制板。附图7中，Ul是7805三端稳压器，其输出产生+5V电压，供给显示系统电路工作。其供电电源通过Jl插头，连接至本实用新型焊机的控制板12V直流电源插座。POWER是电源指示灯。有数显功能的焊机，其面板上的电源指示灯就是使用本部分的指示灯。类似地，OP是过热指示灯，其连接线连接至前面提及的控制板上相应的过热指示灯位置。附图7中，U2是MCU单片机(如STM8S003系列等hSMG是数码管组件(如CPS03631BG等)。在显示控制电路的作用下，与焊机前面板上的电流调节电位器配合，可使SMG显示10-200(这里以200A机型为例。如果是160A机型，则通过修改控制程序，显示20-160。其它的机型，类似处理)数值。RPl是显示数值与焊机实际电流偏差的校正电位器。通过调节它，可使SMG组件显示的数值与焊机实际输出电流大小一致。本数显板电路中，U2 MCU单片机是核心。关于它是如何使用的，涉及许多单片机控制方面的知识，需要查看相关的资料等了解。介于篇幅的关系，这里不再重复说明。
[0047]以上是本实用新型焊机各个电路板部分的简要控制过程说明。由于本实用新型已经给出了附图1?附图7的详细结构设计和电路原理图，因此，对于有焊机结构和电路阅读能力(或具备相关知识)的人来说，是完全可以读懂的。电路图就是一种无声的语言。但是，对于没有电路阅读能力(或不具备相关电路知识)的人来说，即使解释的再多，他们也是难以理解的。鉴于篇幅的关系，本文只能阐述主要的部分，以使读者能够更好地理解相关的工作原理和过程。
[0048]通过上述说明可见，本实用新型有自己独特的设计思路和方法。不仅实现了焊机的手工焊方法输出等控制，而且，所设计的控制电路，包括它们的电路板和相互之间的连接关系，以及焊机的整机结构设计，都是使本实用新型焊机产品具有控制性能良好、焊机结构紧凑等技术优势的根本原因所在，也是满足产品高效和低成本生产、高可靠性、制造工艺技术先进性的重要保障。本实用新型专利申请保护的内容就在于保护这种焊机的结构设计。
[0049]以上内容是结合具体的焊机结构和电路板及控制功能对本实用新型所作的详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只限于这些说明。对本实用新型所述技术领域的其他技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干其它的推演和变换，这些都应该视为属于本实用新型保护的范畴。
【主权项】
1.一种IGBT单管全桥逆变手工电弧焊机的结构，包括壳体部分、前面板部分、后面板部分和内部的电路部分，其特征在于:内部的电路部分包括有整流桥、IGBTl、IGBT2的散热器1、功率板、整流输出板、快恢复二极管的散热器IV、控制板、IGBT3的散热器I1、IGBT4的散热器II1、逆变主变压器、输出连接件、IGBT管的管脚护套、功率板或功率控制板的护盖、绝缘隔板和塑料板风罩以及功率板上的滤波电解电容、继电器、驱动变压器和开关电源变压器；所述的GBT3的散热器I1、IGBT4的散热器II 1、整流桥和IGBT的散热器I分别通过两个螺丝固定在功率板上，整流桥、IGBT分别通过各自的螺丝固定在散热器I上，绝缘隔板通过螺丝固定在散热器I上，快恢复二极管的散热器IV通过螺丝固定在绝缘隔板上，整流输出板则通过6颗螺丝固定在散热器IV上，通过螺丝组装连接方式使主要零部件构成一个整体，该部分还被塑料板风罩所包围，而塑料板风罩通过螺丝固定在壳体部分的底板上，这样就在功率控制板、IGBT散热器和快恢复二极管散热器之间构成了风道一，而塑料板风罩则构成了风道--O2.如权利要求1所述的一种IGBT单管全桥逆变手工电弧焊机的结构，其特征在于:所述的IGBT管的管脚都套有脚护套，脚护套套入后再焊接到功率板上，功率板和控制板均放入护盖中，并浇注环氧灌封料。3.如权利要求1所述的一种IGBT单管全桥逆变手工电弧焊机的结构，其特征在于:所述的功率板包括开关电源电路、IGBT驱动控制电路和全桥逆变电路的一部分;开关电源电路主要包括开关电源变压器、稳压管、快速二极管、开关电源控制芯片T0P264VG，以及它们周围的电阻、电容。4.如权利要求1所述的一种IGBT单管全桥逆变手工电弧焊机的结构，其特征在于:所述的控制板上，布置有UC3846 PffM脉宽调制芯片、一个四运算放大器和817光耦，以及电阻和电容、稳压管和二极管。5.如权利要求1所述的一种IGBT单管全桥逆变手工电弧焊机的结构，其特征在于:所述的整流输出电路板上，布置有四个快恢复二极管以及八个电阻、二个电容。6.如权利要求1所述的一种IGBT单管全桥逆变手工电弧焊机的结构，其特征在于:所述的前面板上安装有:正、负极输出快速接头座组件、工作电源指示灯及热保护指示灯、控制板、电流数字显示控制板或数显板。7.如权利要求1所述的一种IGBT单管全桥逆变手工电弧焊机的结构，其特征在于:所述的后面板上安装有:电源开关、供电电源线、冷却风机。
【文档编号】B23K9/10GK205437431SQ201521109710
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年12月28日
【发明人】孙敏, 魏继昆, 朱宣东, 陈法庆, 朱宣辉
【申请人】浙江肯得机电股份有限公司