一种igbt单管工业级逆变手弧焊机的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种IGBT单管工业级逆变手弧焊机，焊机前面板上有数显表、VRD低压输出和过流/过热保护指示灯、电流远/近控调节和VRD转换开关，焊接、引弧和推力电流调节电位器、远控盒插座，以及正、负输出电缆耦合器。后面板上有电源电缆连接端子和电源开关、冷却风扇，焊机内部有控制板等部分，包括：三相整流桥电路板、IGBT电路板PCB3、控制大板、控制大板上的小控制板、快恢二极管的控制板，各控制板和电路器件之间，按照本实用新型的电路原理图关系连接在一起，完成各项控制要求；本实用新型可通过一些参数和零部件的部分调整，形成不同额定电流和负载持续率的产品；具有低成本和可靠性高等优点。
【专利说明】
一种IGBT单管工业级逆变手弧焊机
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种单管IGBT逆变的、380V三相供电电源电压下可进行手弧焊等作业的大电流工业级电焊机产品，属于逆变焊机技术领域。
技术背景
[0002]目前，逆变焊机产品市场的竞争十分激烈，不仅体现在价格的竞争优势上，还在很大程度上取决于焊机的电路功能和可靠性等方面。
[0003]国内外市场上，工业级IGBT逆变手弧焊机的额定电流通常在300?630A(负载持续率60%)的水平。供电电源都是三相380V供电的。大电流输出的，如400?630A的焊机，利用不同直径的碳棒，配合使用空压机、碳弧气刨钳可进行碳弧气刨作业。
[0004]然而，此类焊机，不同的电路设计，控制原理不同，电路板连接的复杂程度不同，其产品的可靠性、生产工序和制作工艺等也会完全不同。这些都会影响产品的销售和生产成本。例如市场上的一些此类焊机，有的产品是MOS管逆变的，有的产品是IGBT模块逆变的，有的是IGBT单管逆变的。不管是哪一种类型，其电路原理图不同，制造成本等也会不同。如何解决大电流(如300?400A (负载持续率60%))输出下，低成本的设计和产品可靠性问题，是研发人员面临的技术难题。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的在于提供一种IGBT单管工业级逆变手弧焊机，实现了三相380V供电电源下采用单管IGBT输出300?400A电流，可进行大电流手工电弧焊作业的要求，焊机具有低成本和高可靠性等优点。
[0006]为实现上述目的采用以下技术方案:
[0007]一种IGBT单管工业级逆变手弧焊机，包括外壳、前面板、后面板和内部的控制电路板，其特征在于:所述的前面板上设有数显表、VRD低压输出和过流/过热保护指示灯、电流远/近控调节和VRD转换开关、焊接引弧和推力电流调节电位器、远控盒插座，以及正、负输出电缆耦合器;后面板上有电源电缆连接端子和电源开关、冷却风扇；内部的控制电路板包括三相整流桥电路板、IGBT电路板、控制大板、控制大板上的小控制板、快恢二极管的控制板，各控制板和电路板之间电气关系连接在一起。
[0008]所述的控制电路板包括电源输入开关、BRl三相整流桥、上电缓冲电感L1、滤波电容C2、半桥逆变主电路中的单管IGBT控制PCB3板和桥臂电容Cl、逆变主变压器Tl、快速恢复二极管组DI和D2、输出电流滤波电感L2、逆变初级电流检测互感器IFB1、输出电流检测器LEMl共同组成的逆变主电路部分;其中滤波电容C2、单管IGBT控制PCB3板和桥臂电容Cl、逆变主变压器T1、快速恢复二极管组Dl和D2、输出电流滤波电感L2、电流检测器LEMl组成了半桥逆变控制电路。
[0009]本实用新型焊机前面板上安装的零部件主要有:焊机的前面板上有数显表，可显示电流。还有VRD(低压输出)指示灯、(过流和过热)保护指示灯(黄色)、REM远/近控转换开关、VRD(低空载电压输出)转换开关、焊接电流调节电位器、引弧电流调节电位器、推力电流调节电位器、(电流)远控盒插座，以及正、负极性输出焊接电缆耦合器或输出快速接头座组件。正、负极的输出电缆耦合器或输出快速接头座组件用于分别连接电焊钳焊接电缆和工件夹焊接电缆。连接时的极性(即工件接正还是接负极性输出)可根据电焊条的种类或焊接工艺的要求决定。(过流或过热)保护指示灯(黄色)用于指示过热或过流状态是否发生。例如，当内部器件温度过高，超过温度继电器的动作温度时，在控制电路的作用下，一方面可使该指示灯点亮。另一方面，可使焊机停止焊接或输出。在焊机不输出的情况下，风机的冷却作用会使器件的温度降低。当降低到热保护器的恢复动作温度时，热保护器恢复，焊机过热现象消除。该指示灯熄灭。焊机可再次进行焊接；当控制电路发生过流现象时，该指示灯也会点亮。控制电路使焊机停止焊接或输出。直到过流现象消除，该指示灯熄灭。焊机方可再次进行焊接。电流调节电位器用于进行输出电流调节；电流表则用于显示电流参数;VRD转换开关则用于焊机通电不工作时，输出空载电压的转换控制。当需要低空载电压输出时，通过此开关进行选择来实现。低空载电压下，VRD指示灯点亮，输出空载电压为十几伏特。对操作人员更加安全。当没有选择低空载电压输出时，焊机的输出空载电压为75V左右。尽管此值比低空载电压的高很多，但是，也完全符合电焊机国家安全标准的使用要求;REM远/近控转换开关主要是配合(电流)远控盒(通过其插头连接至焊机前面板下方的(电流)远控盒插座)进行远距离焊机电流调节。近控，就是指焊机面板电位器控制。
[0010]本实用新型焊机后面板上安装的零部件主要有:三相供电电源电缆连接端子和电源开关、接地保护端子、冷却风扇部分。电源线连接端子通过供电电缆接到供电电网。电源开关控制焊机电源的通或断。冷却风扇位于焊机的后部，冷风从焊机机箱后面板后部的进气孔进入。对焊机内部的一些发热器件或零部件，如IGBT及散热器散热器、快速恢复二极管及散热器等进行强迫风冷，使它们得到较好的冷却，以保障焊机控制电路工作的可靠性。
[0011]对不同电流等级和负载持续率要求的本实用新型焊机，可通过部分参数和零部件的调整，形成不同输出额定电流和负载持续率的产品，使产品系列化。例如，I)对3 O O A输出电流的机型，滤波电容采用100yF/800VDC;不采用输入电感；电源开关采用40A等级的空气开关;三相整流桥采用三个35A/1000V的单相整流桥，即三个小电流等级的整流桥组成;半桥逆变主电路中的桥臂电容采用2 X 10yF/400V的电容；IGBT采用4只40A/1200V的，分为两组，每组2只；逆变输出整流部分，采用8个60A/300V的快速恢复二极管器件。2)对350A和400A的输出电流的机型，滤波电容采用两只2200yF/400VDC的电解电容;采用输入电感；电源开关采用60A电流等级的空气开关，电流级别高;三相整流桥采用一个50A/1600V的三相整流桥组成；半桥逆变主电路中的桥臂电容采用2X16yF/400V的电容；IGBT采用8只40A/1200V的，分为两组，每组4只；逆变输出整流部分，采用2个100A/400V的快速恢复二极管器件。另外，配合改变IGBT器件的散热器尺寸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300A/32V(60%负载持续率)、400A/36V(60%负载持续率)等多种电流等级和规格型号的产品。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。
[0012]本实用新型设计了新的焊机控制电路，实现了三相380V供电电源下采用单管IGBT输出300?400A(负载持续率60%)电流，可进行大电流手工电弧焊(400A机型还可进行碳弧气刨)作业的要求，其良好的电路及其结构设计也是本实用新型的优势所在，也是满足高效和低成本生产、高可靠性、制造技术先进性的重要保障。本实用新型焊机的电路原理设计有自己的独特之处。本实用新型专利申请保护的内容就在于保护这种焊机的电路和结构设
i+o
【附图说明】
[0013]附图1是本实用新型示例焊机的控制电路原理框图；
[0014]附图2是本实用新型小电流机型焊机的三相整流桥电路板设计布局图；
[0015]附图3是本实用新型小电流机型焊机的IGBT电路板设计布局图；
[0016]附图4是本实用新型大电流机型焊机的IGBT电路板设计布局图；
[0017]附图5是本实用新型小电流机型焊机的快恢二极管组件的控制板布局图；
[0018]附图6是本实用新型大电流机型焊机的快恢二极管组件的控制板布局图；
[0019]附图7是本实用新型焊机的控制大板设计布局图；
[0020]附图8是本实用新型焊机控制大板上的小控制板设计布局图；
[0021]附图9是本实用新型焊机控制大板上小控制板的电路原理图；
[0022]附图10是本实用新型焊机控制大板的电路原理图。
【具体实施方式】
[0023]一种IGBT单管工业级逆变手弧焊机，焊机的主要组成部分包括:
[0024]I)外壳部分;零部件主要有:提手、机壳和底板、支脚等部分。
[0025]2)前面板部分;安装的零部件主要有:数显表，可显示电流。还有VRD(低压输出)指示灯、(过流和过热)保护指示灯(黄色)、REM远/近控转换开关、VRD转换开关、焊接电流调节电位器、引弧电流调节电位器、推力电流调节电位器、(电流)远控盒插座，以及正、负极性输出焊接电缆耦合器或输出快速接头座组件。正、负极的输出电缆耦合器或输出快速接头座组件用于分别连接电焊钳焊接电缆和工件夹焊接电缆。连接时的极性(即工件接正还是接负极性输出)可根据电焊条的种类或焊接工艺的要求决定。(过流或过热)保护指示灯(黄色)用于指示过热或过流状态是否发生。例如，当内部器件温度过高，超过温度继电器的动作温度时，在控制电路的作用下，一方面可使该指示灯点亮。另一方面，可使焊机停止焊接或输出。在焊机不输出的情况下，风机的冷却作用会使器件的温度降低。当降低到热保护器的恢复动作温度时，热保护器恢复，焊机过热现象消除。该指示灯熄灭。焊机可再次进行焊接；当控制电路发生过流现象时，该指示灯也会点亮。控制电路使焊机停止焊接或输出。直到过流现象消除，该指示灯熄灭。焊机方可再次进行焊接。电流调节电位器用于进行输出电流调节；电流表则用于显示电流参数;VRD转换开关则用于焊机通电不工作时，输出空载电压的转换控制。当需要低空载电压输出时，通过此开关进行选择来实现。低空载电压下，VRD指示灯点亮，输出空载电压为十几伏特。对操作人员更加安全。当没有选择低空载电压输出时，焊机的输出空载电压为75V左右。尽管此值比低空载电压的高很多，但是，也完全符合电焊机国家安全标准的使用要求;REM远/近控转换开关主要是配合(电流)远控盒(通过其插头连接至焊机前面板下方的(电流)远控盒插座)进行远距离焊机电流调节。近控，就是指焊机面板电位器控制。
[0026]3)后面板部分;安装的零部件主要有:三相供电电源电缆连接端子和电源开关、接地保护端子、冷却风扇部分。电源线连接端子通过供电电缆接到供电电网。电源开关控制焊机电源的通或断。冷却风扇位于焊机的后部，冷风从焊机机箱后面板后部的进气孔进入。对焊机内部的一些发热器件或零部件，如IGBT及散热器散热器、快速恢复二极管及散热器等进行强迫风冷，使它们得到较好的冷却，以保障焊机电路工作的可靠性。
[0027]4)控制板部分;包括:三相整流桥电路板(小电流机型，如300A及以下机型，有此电路板);IGBT电路板PCB3(大电流机型，如350A和400A机型，此电路板与小电流机型的电路板设计有所不同。因为所采用的IGBT数量不同，故PCB设计也有所不同)；控制大板、控制大板上的小控制板、快速恢复二极管组件的控制板(小电流机型的此电路板与大电流机型的不同。因为，两种机型所采用的快速恢复二极管器件不同)。各控制板电路之间，按照本实用新型的电路原理图关系连接在一起。完成电焊机的各项控制要求。
[0028]本实用新型焊机电路的工作原理简述如下:
[0029]如附图1所示，电源输入开关、BRl三相整流桥、上电缓冲电感L1、滤波电容C2、半桥逆变主电路中的单管IGBT控制PCB3板和桥臂电容Cl、逆变主变压器Tl、快速恢复二极管组Dl和D2、输出电流滤波电感L2、逆变初级电流检测互感器IFBl、输出电流检测器LEMl等共同组成逆变主电路部分。本实用新型电路中，滤波电容C2、单管IGBT控制PCB3板和桥臂电容Cl、逆变主变压器Tl、快速恢复二极管组Dl和D2、输出电流滤波电感L2、电流检测器LEMl等组成典型的半桥逆变控制电路。逆变主电路和控制电路的主要功能为:I)输入电流上电缓冲控制;2)输入交流的整流、滤波控制;3)直流母线的高压直流电通过IGBT半桥逆变电路转换为中频(几十KHz)交流电；4)逆变初级电流检测互感器IFBl用于检测逆变主变初级的电流大小，实现逆变初级或母线过流的反馈控制；5)T1逆变主变压器实现电压降压和大电流输出的变换；6)D1和D2快速恢复二极管组则把逆变变压器输出的中频交流电变换为直流电，实现对焊接输出的控制;7)由于逆变控制输出的焊接电流波形是脉动的，不利于焊接过程的稳定，因此，采用输出滤波电感L2进行电流滤波。这样，输出的电流波形就会变得稳定，有利于获得高质量的焊缝;8)输出电流检测器LEMl用于检测输出的电流大小，实现输出电流的负反馈控制；最后，由OUT+正极性输出端和OUT-负极性输出端输出直流电压和电流。输出端分别连接的C3和C4电容为抗干扰电容，以保障控制回路不受来自焊接回路的干扰信号的影响。下面结合各个部分的控制电路原理图，对相关的电路工作原理进行说明:
[0030]附图1中，三相380V交流供电电源通过焊机后面板上的电源开关Kl输入至逆变主电路。经BRl三相整流桥整流、C2滤波后，作为半桥逆变控制电路的直流输入电源。
[0031]附图1中，LI和C2这个部分的电路称为上电缓冲和功率因素改善控制电路。采用本实用新型控制电路，对大电流(如350A和400A)的焊机，设置了这个部分的电路。该部分电路，一方面是防止电源开关接通瞬间，由于滤波C2电容、桥臂电容Cl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。而上电缓冲的作用就是通过电路中串(联)入输入电感LI来限制浪涌电流。另一方面，配合滤波电容C2的容值大小，这个部分的电路还可以起到输入波形校正、改善焊机功率因素的作用。(关于如何提高功率因素的问题，读者可查阅其它相关的研究论文进行了解。这里，鉴于篇幅的关系，不再展开赘述)但是，对小电流(如300A)的焊机，采用本实用新型控制电路，没有采用LI电感，故没有这个部分的电路。这主要是考虑焊机成本等因素而去掉的。
[0032]见附图1，T2为控制变压器，是电源电路的一个部分。供电部分连接到PCBl的Al接口。其作用是对PCBI电路板上的直流电源电路部分提供双15VAC和27V交流电源。使直流电源电路产生+5V、+12V、-12V、+24V电源电压，供给其它的控制电路工作;FANl为冷却风扇。它安装在焊机的后面板上。冷风从后面板的进气孔进入。对焊机内部的一些发热器件或零部件，如IGBT及散热器散热器、快速恢复二极管及散热器等进行强迫风冷，使器件得到较好的冷却，以保障焊机电路工作的可靠性;DTl为电流数显表。它安装在焊机的前面板上。用于显示电流大小。显示部分连接到PCBl的A5接口。电流表的电源为+5V。显示数值由SC的信号大小决定;输出电流检测器LEMl检测到的电流信号连接到PCBI的A7接口。作为输出电流的负反馈控制信号。输出端之间的输出电压反馈信号则连接到PCBI的A12接口； IFBI互感器检测到的逆变主变初级电流大小信号和温度继电器STl的过热信号，则连接到PCBl的A8接口。分别实现逆变初级或母线过流的反馈控制和功率器件的过热保护控制;PCB3板IGBT的Pmi脉冲宽度控制信号由PCBl的A9接口输出。控制着CB3板IGBT的通断或逆变过程。由PCBI上的其它控制电路进行控制。
[0033]附图1中，A2接口连接着面板热引弧电流调节电位器VRl和REM远/近控转换开关K2;A3接口连接着面板焊接电流调节电位器VR2和推力电流调节电位器VR3;A4接口连接着面板过热/过流指示灯LEDl和VRD功能指示灯LED2，以及VRD(低空载电压输出)转换开关Kl;A6接口为远控焊接电流调节电位器的连接接口。
[0034]附图2是本实用新型小电流机型焊机的三相整流桥电路板设计布局图。附图2中，ACl?AC3为三相380VAC交流供电电源的接线端子。Vl?V3为三个单相整流桥，通过电路板及其一些连接线，构成一个三相全波整流桥。DC-和DC+分别为整流桥的负极性和正极性输出端子。通过端子连接线可连接至逆变主电路中整流桥BR1(见附图1)的后级直流母线两端。
[0035]附图3是本实用新型小电流机型焊机的IGBT电路板设计布局图。也就是附图1中半桥逆变主电路中的单管IGBT控制PCB3板部分。附图3中，Ql?Q4为4只单管IGBT。分为上、下桥臂IGBT开关组。每组开关桥臂由2只IGBT并联，组成一个半桥逆变主电路中的桥臂开关。与桥臂电容Cl、逆变主变压器等共同组成半桥逆变主电路的一部分。附图3中，还有IGBT的驱动控制线插头A1;D1?D4、E1?E2、R1?R2、R3?R4、R7?R8、C2?C3、C6等组成的IGBT驱动部分电路，以及其它电阻、电容组成的保护电路和接线端子(N、P等)。
[0036]附图4是本实用新型大电流机型焊机的IGBT电路板设计布局图。也是附图1中半桥逆变主电路中的单管IGBT控制PCB3板部分。附图4中，Ql?Q8为8只单管IGBT。分为上、下桥臂IGBT开关组。每组开关桥臂由4只IGBT并联，组成一个半桥逆变主电路中的桥臂开关。与桥臂电容Cl、逆变主变压器等共同组成半桥逆变主电路的一部分。附图4中，还有IGBT的驱动控制线插头X14;D25?D28、E15?E16、R58?R69、C42?C43等组成的IGBT驱动部分电路，以及其它电容等组成的保护电路和接线端子(N、P等)。对于输出电流小一些，但是又比小电流机型大的焊机，仍然采用本部分的IGBT电路板，但是，IGBT的数量可减少两个。每组开关桥臂由3只IGBT并联组成。
[0037]附图5是本实用新型小电流机型焊机的快恢二极管组件的控制板布局图。附图5中，D29?D30、D33?D34为快速恢复二极管。相当于附图1中的Dl和D2部分。它们与逆变主变压器的次级等部分，按照焊机的附图1接线关系进行电路连接，完成逆变输出整流控制。电路板上的电容Cl和电阻Rl串联，并连接到D29?D30快速恢复二极管。实现对D29?D30快速恢复二极管的阻容吸收或过压保护。防止尖峰电压损坏D29?D30快速恢复二极管。电路板上的电容C2和电阻R2的作用，与此类似，实现对D33?D34快速恢复二极管的阻容吸收或过压保护。Jl和J2为接线端子，便于与其它电路部分进行连接。
[0038]附图6是本实用新型大电流机型焊机的快恢二极管组件的控制板布局图。大电流机型焊机，其快速恢复二极管采用模块式的器件。故附图6实际上是快速恢复二极管模块采用的阻容吸收或过压保护。电路板上的两个大圆孔，与模块的螺栓孔，通过螺栓进行连接。Rl?R3是并联的，与Cl电容串联，并连接到快速恢复二极管模块器件的两端。实现对快速恢复二极管模块器件的阻容吸收或过压保护。防止尖峰电压损坏快速恢复二极管。R4?R6也是并联的，与C2电容串联，并连接到另一快速模块中恢复二极管器件的两端。其作用与Rl?R3、Cl的类似。此部分电路板有两块，每个模块配置一块。
[0039]附图7是本实用新型焊机的控制大板设计布局图。附图8是本实用新型焊机控制大板上的小控制板设计布局图。附图9是本实用新型焊机控制大板上小控制板的电路原理图。附图10是本实用新型焊机控制大板的电路原理图。
[0040]见附图10，来自T2控制变压器的供电电源部分，即双15VAC和27V交流电源，连接到Al接口。附图10中，中间部分，U3为LM317稳压器，其外围的器件，组成+24V稳压电路;U5为LM7805稳压器，其外围的器件，组成+5V稳压电路;U6为LM7812稳压器，其外围的器件，组成+12V稳压电路;Ul为LM7912稳压器，其外围的器件，组成-12V稳压电路。直流电源电路产生+5V、+12V、-12V、+24V电源电压，供给其它的控制电路工作。
[0041 ] 见附图1O，A5接口连接电流表部分。即附图1中DTI部分。改变SC信号的大小即可改变电流表显示的数值。RT4为显示数据校正微调电位器。A6接口为远控电位器的连接插座。当插座中连接有远距离电流控制的电位器时，配合A2接口的遥控/机控(就是远控/近控。“近”是指焊机面板电位器控制；“远”是指带有远控制电流调节盒的控制方式)开关，可实现焊机输出电流调节控制。A2接口连接的Wl电位器，就是附图1中的VRl电位器，实现热引弧电流调节。A3 口连接的W2电位器，就是附图1中的VR2电位器，实现焊接输出电流调节。A3 口连接的W3电位器，就是附图1中的VR3电位器，实现推力电流调节。根据电路原理，A2-5(W0)信号端实际上就是焊机输出电流的给定Ug信号端。RT3是输出电流大小的校正电位器。
[0042]见附图10左上部分电路所示，Tl为逆变主电路中IGBT的PffM脉冲驱动隔离变压器。附图9中，由于U2芯片的11脚和14脚输出PffM信号驱动功率小，故需要经过Ql?Q4、稳压管Zl?22、电容(:1?02和08、电阻1?2、1?3、1?5、1?6，附图10中的肌?]\14场效应管、1?1和1?28、电容(:1和C2、T1驱动隔离变压器等器件组成的驱动控制电路进行脉冲功率放大和隔离。最后通过Tl驱动隔离变压器去控制半桥逆变主电路中上、下桥臂两组IGBT管的通或断工作状态。从电路原理图可以看出，驱动电路部分，两路IGBT的驱动控制电路的形式基本是一致的。
[0043]附图9中，U2芯片的11脚和14脚输出控制信号是两组HVM方波脉冲信号。其方波的频率是固定的，有几十KHz。它由该芯片的RT、CT脚连接的电阻和电容参数(如R4、R7和电容C7)决定。两组方波脉冲信号在时间上有一个固定的时间差，专业上也称为死区时间。它是保障IGBT两组开关交替工作的重要参数之一。该时间是通过U2芯片(SG3525)的外围器件(如R4、R7和电容C7)参数设置而确定的。至于如何确定，查看U2芯片的相关使用资料或说明即可了解。这里不再重复。这里需要说明的是:附图9中，U2芯片(SG3525)输出的HVM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。它的脉冲宽度由焊接电流给定信号Ug(附图10中，A2-5端信号WO)与LEMl的输出电流负反馈信号Ufi(附图10中，A7-4端信号)共同决定。控制的对象或目标是输出电流大小。空载时，来自LEMl的的负反馈信号Ufi很小。控制电路产生一个占空比较大的HVM脉冲信号，使半桥逆变主电路中上、下桥臂两组IGBT管处于交替导通状态，最终使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LEMl检测到输出电流信号Ufi。它与焊接电流给定信号Ug进行比较。比较后的差值信号，在其它控制电路(主要是附图10中的U7运算放大器CA3140等构成的PI(比例+积分)输出特性控制电路)的作用下，运算放大器U7输出的结果GV去控制附图9中U2(SG3525) P丽芯片的输出PWM脉冲宽度或一定频率和占空比的信号。该信号通过IGBT的脉冲驱动电路，最终决定焊机逆变主电路的输出电流和电压大小，实现输出电流参数的准确控制。并使焊机的输出特性为恒流带外拖的下降特性。进一步地说，当焊接电流给定信号Ug不变时，随着焊机LEMl检测到的电流负反馈Uf i信号增加，并且达到给定的设定值后，焊接电流给定信号Ug与LEMl电流负反馈控制信号Ufi的差值会随电流增加而减小，通过U7电路的PI控制后，使焊机输出P丽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后才起作用的反馈控制。此后，随着输出电流的微小增加，输出电压会降低很多。当电压下降到16V以下时，随着电压的降低，控制电路可使焊机输出PffM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。当焊接电流给定信号Ug变化时，电流截止负反馈的设定值不同，但其它的控制过程是类似的。这样，在电位器设定的Ugmin最小和最大Ugmax之间，就可获得无数条下降特性曲线。这样的控制输出特性也是满足手工电弧焊接的基本要求。
[0044]见附图9和附图10中，A9接口连接至附图1中的PCB3板。U2(SG3525)逆变PffM和IGBT驱动等控制电路部分，通过Tl驱动隔离变压器，其输出Gl和El(或BI和E1)、G2和E2(或B2和E2)分别为两组HVM脉冲信号，去控制半桥逆变主电路中上、下桥臂两组IGBT管的通或断工作状态。U2(SG3525)芯片的PWM输出信号的脉冲宽度受Ug输入给定信号和LEMl电流负反馈信号Ufi控制。有无HVM信号输出，则取决IFBl输出初级逆变母线电流过流反馈信号和来自STl的温度保护继电器的控制信号。附图1中，IFBl是一个电流检测器，可检测逆变主电路直流母线上的电流大小，也就是逆变主变压器Tl的初级电流信号。IFBI的初级只有I匝，次级通常有200匝。连接至附图10中左边A8-1和A8-2端子。IFBl的次级输出经D23?D26整流和电阻R29、R41?R42及电容C24、稳压管Z4处理后，由OA输出初级逆变母线电流过流反馈信号。该信号去控制附图9中的Q6 SCR晶闸管或可控硅，最终控制U2 (SG3525 )的1脚电平状态。这部分控制电路主要是检查逆变主电路是否发生过流现象，并进行相应的控制。如果出现过流，附图9中的Z4会击穿，Q6 SCR晶闸管导通，U2(SG3525)的10脚电平被拉至高电平。U2芯片11和14脚输出的PWM信号关闭，焊机半桥逆变主电路IGBT的驱动控制信号关闭，焊机关闭输出。同时，过流/过热指示LED发光二极管也会点亮，进行过流指示。
[0045]附图1中，STl是常开型的温度继电器。连接到附图10中的A8-3和A8-4之间。而温度继电器又紧贴在IGBT或Dl?D2输出快速恢复二极管组的铝合金散热器上。当温度继电器动作时，表明主功率器件发生过热现象。此时，附图10中，OT信号端通过DlO拉至较低电平。同时，通过附图9中运算放大器UlA和UlB及其外围器件组成的电路，U2(SG3525)的8脚电平也会被拉至低电平，U2芯片11和14脚输出的PffM信号关闭，焊机逆变主电路IGBT的驱动控制信号关闭，焊机关闭输出。防止焊机因过热而烧坏。同时，焊机前面板上的过流/过热LED发光，进行过流/过热指示。之后，在冷却风机的作用下，当铝合金散热器的温度下降到一定程度后，焊机内部的过热现象消除，热保护器恢复到常开状态时，控制电路才能继续输出PWM控制信号。同时过流/过热指示灯(黄色)熄灭。焊机又可以再次输出。
[0046]附图10中，A12接口的U+为焊机输出电压采样信号。A4接口中，VRD为低空载电压输出选择开关。未选择VRD功能时，焊机输出较高的空载电压。通常为50?90VDC之间。当选择VRD功能时，VRD开关闭合，接通+24V电源。此时，U4光电耦合器中的发光二极管发光，其内部三极管导通。同时，Z5稳压管击穿、稳压，VRD的LED指示灯点亮。通过D12的箝位作用，使OT信号端电平拉至低电平。正如前面所述，该信号端为低电平时，2(SG3525)的8脚电平也会被拉至低电平，U2芯片11和14脚输出的PWM信号关闭，焊机逆变主电路IGBT的驱动控制信号关闭，焊机关闭输出。当电焊条与工件接触准备焊接时，U+电压采样点与电路的“地”接触，D5二极管会导通。会出现Z5稳压管不会击穿、稳压的情况。此时，OT信号端电平又会变为高电平，U2芯片11和14脚输出Pmi信号，焊机逆变主电路IGBT的驱动控制信号产生，使焊机输出电压和电流，实现引弧和焊接。不焊接的时候，U+电位较高，D5 二极管会截止、不导通。Z5稳压管又会击穿、稳压。如此不断反复，最终实现焊机输出VRD低空载电压或焊接过程的转换控制。
[0047]此外，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，使产品系列化。例如，I)对300A输出电流的机型，滤波电容C2采用100yF/800VDC的CBB16电容；不采用LI输入电感；电源开关Kl采用40A等级的空气开关;BRl三相整流桥采用三个35A/1000V的单相整流桥，即三个小电流等级的整流桥组成；半桥逆变主电路中的桥臂电容Cl采用2 X 10yF/400V的电容；IGBT采用4只40A/1200V的，分为两组，每组2只；逆变输出整流部分，采用8个60A/300V的快速恢复二极管器件。2)对350A和400A的输出电流的机型，滤波电容C2采用两只2200yF/400VDC的电解电容;采用LI输入电感；电源开关Kl采用60A电流等级的空气开关，电流级别高;BRl三相整流桥采用一个50A/1600V的三相整流桥组成；半桥逆变主电路中的桥臂电容Cl采用2 X 16yF/400V的电容；IGBT采用8只40A/1200V的，分为两组，每组4只；逆变输出整流部分，采用2个100A/400V的快速恢复二极管器件。另外，配合改变IGBT器件的散热器尺寸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300A/32V(60%负载持续率)、400A/36V(60%负载持续率)等多种电流等级和规格型号的产品。可进行大电流手工电弧焊(400A机型还可进行碳弧气刨)作业。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。
[0048]以上是本实用新型各电路部分及焊接方法的简要控制过程说明。因阐述电路原理比较复杂。以上仅给出控制的一些主要方法、思想和结果。但由于本实用新型已给出了详细的电路原理图，因此对于有电路阅读能力(或具备相关电路知识)的人来说，是完全可以读懂的。电路图也是一种无声的语言。但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，本专利说明书只能阐述主要的部分，以使专利说明书阅读人能够更好地理解相关的工作原理和过程。
[0049]通过上述说明可见，本实用新型电路设计新颖，有自己独特的设计思路和方法。可实现三相380V供电电源下采用单管IGBT输出300?400A(负载持续率60%)电流，可进行大电流手工电弧焊(400A机型还可进行碳弧气刨)作业的要求。焊机具有低成本和高可靠性等优点。本实用新型手弧焊机的电路原理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。
[0050]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单管工业级逆变手弧焊机，包括外壳、前面板、后面板和内部的控制电路板，其特征在于:所述的前面板上设有数显表、VRD低压输出和过流/过热保护指示灯、电流远/近控调节和VRD转换开关、焊接引弧和推力电流调节电位器、远控盒插座，以及正、负输出电缆耦合器;后面板上有电源电缆连接端子和电源开关、冷却风扇；内部的控制电路板包括三相整流桥电路板、IGBT电路板、控制大板、控制大板上的小控制板、快恢二极管的控制板，各控制板和电路板之间电气关系连接在一起。2.如权利要求1所述的一种IGBT单管工业级逆变手弧焊机，其特征在于:所述的控制电路板包括电源输入开关、BRl三相整流桥、上电缓冲电感L1、滤波电容C2、半桥逆变主电路中的单管IGBT控制PCB3板和桥臂电容Cl、逆变主变压器Tl、快速恢复二极管组Dl和D2、输出电流滤波电感L2、逆变初级电流检测互感器IFB1、输出电流检测器LEMI共同组成的逆变主电路部分;其中滤波电容C2、单管IGBT控制PCB3板和桥臂电容Cl、逆变主变压器Tl、快速恢复二极管组Dl和D2、输出电流滤波电感L2、电流检测器LEMl组成了半桥逆变控制电路。
【文档编号】B23K9/10GK205464723SQ201620031866
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月14日
【发明人】谢志峰, 魏继昆, 朱宣东, 朱宣辉, 陈法庆
【申请人】浙江肯得机电股份有限公司