单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路，包括用于采集原边电流并进行信号处理的第一传感器及信号调理模块，第一传感器及信号调理模块与比例调节器相连，经过比例调节器处理后的原边电流信号分两路，一路通过A通道与预置给定信号进入第一比较器，第一比较器与第一信号调理模块相连，第一信号调理模块与数字控制器相连；另一路通过B通道与处理后的输出电流信号进入第二比较器，第二比较器与第二信号调理模块相连，第二信号调理模块与数字控制器相连。动态响应快，可靠性高。结合模拟电路和数字控制的特点，根据偏磁严重程度，进行分级处理，将完全能够满足快速偏磁现象的处理要求，大幅提升系统可靠性和安全性。
【专利说明】单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种偏磁分级处理电路，尤其涉及单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路。【背景技术】
[0002]单相全桥逆变电路，一般由四个功率开关器件和变压器构成。相比半桥电路结构，每个功率开关器件承受的电流减少一半，因此，全桥逆变电路是大功率能量变换设备的首选，例如输出电流在400A以上的逆变焊接电源基本采用此结构。但是，该电路不具备抑制变压器偏磁的能力，造成系统可靠性低。
[0003]当两个PWM半周期内施加在主变压器上的脉冲幅度或宽度不等时，变压器中将产生直流分量。励磁电流的急剧变化，使磁化曲线严重畸变，产生变压器偏磁现象，造成原边电流过流，使功率器件等的热损耗加大，引发其永久性破坏，危及系统安全。然而，此时在输出电流中一般不会产生明显的特征信号，且系统偏磁时，变压器原边电流陡升时间一般在几个微秒之内，因此偏磁信号检测和控制处理的时间越快越好。
[0004]目前主要采用增加隔直电容器、增大变压器磁路气隙、串联线性电感等方法来抑制偏磁，但是这些方法存在易增大变压器体积、无法完全消除偏磁、降低系统动态响应等诸多问题。申请号为201110352645.8的实用新型专利“逆变焊接电源智能偏磁检测与处理装置”，提出了一种新的偏磁实时检测电路，该方法能够及时检测出的偏磁时刻和强度，并由数字控制器采取相应地控制策略，但是当偏磁情况极为严重，几个微秒内将造成系统损坏，该方法将难以保证这种严重偏磁情况下系统的安全和可靠性。
实用新型内容
[0005]为解决现有技术存在的不足，本实用新型公开了单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路，该方法通过区分偏磁严重程度，将其分为严重偏磁和一般偏磁两种级别，采取分级处理措施，在能够及时保证系统安全的同时，根据电路产生的偏磁时刻和强弱，在数字控制器中编程实现不同的控制策略，达到消除偏磁现场，提高系统可靠性的目的，可广泛应用于基于全桥逆变电路结构的系统中，具有重要的实际意义和应用价值。
[0006]为实现上述目的，本实用新型的具体方案如下:
[0007]单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路，包括用于采集原边电流并进行信号处理的第一传感器及信号调理模块，第一传感器及信号调理模块与比例调节器相连，经过比例调节器处理后的原边电流信号分两路，一路通过A通道与预置给定信号进入第一比较器，第一比较器与第一信号调理模块相连，第一信号调理模块与数字控制器相连；
[0008]另一路通过B通道与处理后的输出电流信号进入第二比较器，第二比较器与第二信号调理模块相连，第二信号调理模块与数字控制器相连。
[0009]所述处理后的输出电流信号为经过第二传感器及信号调理模块及加法器处理的信号。
[0010]所述加法器还与调节电压输入模块相连。
[0011]所述比例调节器为由电阻R7、R8和运算放大器U1ib组成，比例调节器用于调节原边电流信号的幅值。
[0012]所述预置给定信号为UP经电阻Rll和R12分压及C2滤波后的信号。
[0013]所述调节电压输入模块由电阻Rl和用于分压的电位器R2以及用于滤波电容Cl组成。
[0014]所述加法器由电阻R3、R4、R5、R6和运算放大器Ui u组成。
[0015]所述第一信号调理模块为上拉电阻RlO ;所述第二信号调理模块为上拉电阻R9。
[0016]所述第一传感器及信号调理模块中的信号调理模块，由整流桥Dl_l、R13、R12和运算放大器Ul ic组成；所述第二传感器及信号调理模块中的信号调理模块，由Rll和运算放大器U1id组成。
[0017]单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理方法，包括以下步骤:
[0018]由电流传感器获取变压器原边电流信号，并经信号调理电路转换成同相脉冲电流信号，经比例调节器，输出幅值可调的原边电流信号，与预置给定的信号比较；
[0019]同时，由电流传感器实时获取系统输出电流，并转换成电压信号，由调节电压输入模块及加法器处理后输出幅度可调的反馈信号；
[0020]当原边电流信号大于预置给定的信号时，为严重偏磁，原边电流信号将通过分支通路A，经比较器输出高电平的PWM封锁信号，再经过上拉电阻，保证此信号无误地送入数字控制器处理，数字控制器将此情况的优先级设置为最高，一旦接收到该信号，将立刻封锁驱动脉冲，保证系统安全；
[0021]当原边电流信号小于预置给定的信号时，为一般偏磁，原边电流信号将通过通路B，与经过处理的输出电流信号比较，由比较器输出偏磁信号，经上拉电阻处理后，送入数字控制器，数字控制器根据偏磁信号出现的位置和强弱，实现PWM占空比的快速调节，使变压器迅速脱离饱和，恢复正常的磁滞回线工作区，达到消除偏磁的目的。
[0022]所述偏磁信号包含了偏磁信号产生的位置和宽度。
[0023]数字控制器可以采用单片机、DSP或FPGA，当然控制器的处理速度越快越好。无论哪种方式，均要保证此程序的最高优先级。由于偏磁检测电路全部采用了模拟器件搭建，所以能够及时、正确的检测出偏磁信号；而检测出的偏磁信号又传送至数字控制器，可编程实现多种控制策略，适应不同工艺、不同场合和应用背景下的偏磁现象处理。
[0024]本实用新型的有益效果:
[0025]本方法充分利用能量变换系统输入输出的变比关系和先进的数字控制技术，具有以往措施无法比拟的优点:
[0026](I)动态响应快，可靠性高。结合模拟电路和数字控制的特点，根据偏磁严重程度，进行分级处理，将完全能够满足快速偏磁现象的处理要求，大幅提升系统可靠性和安全性。方法简易且便于实现和产业化应用。
[0027]( 2 )通用性强，普适度高。本方法适合于基于单相全桥逆变电路结构的大部分能量变换系统，例如，在焊接系统中，无论是直流焊、脉冲焊、冷金属过渡焊等焊接工艺对应的焊接电源设计过程中，均可沿用此方案。
[0028](3)灵活多变，智能性好。本方法可根据实际工程应用的多样性和特殊性，在数字控制器中编程实现不同的控制策略，根据偏磁现象自动处理，使系统具备智能性。【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1本实用新型整体结构示意图；
[0030]图2本实用新型具体电路连接示意图。
【具体实施方式】:
[0031]下面结合附图对本实用新型进行详细说明:
[0032]如图1所示，单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路，包括用于采集原边电流并进行信号处理的第一传感器及信号调理模块，第一传感器及信号调理模块与比例调节器相连，经过比例调节器处理后的原边电流信号分两路，一路通过A通道与预置给定信号进入第一比较器，第一比较器与第一信号调理模块相连，第一信号调理模块与数字控制器相连；
[0033]另一路通过B通道与处理后的输出电流信号进入第二比较器，第二比较器与第二信号调理模块相连，第二信号调理模块与数字控制器相连。
[0034]所述处理后的输出电流信号为经过第二传感器及信号调理模块及加法器处理的信号。所述加法器还与调节电压输入模块相连。所述第一传感器及信号调理模块中的信号调理模块，由整流桥Dl_l、Rl3、Rl2和运算放大器U1 1C组成，其中整流桥Dl_l和电阻Rl3构成同相整流器，实现将交流的原边电流信号整流成同相信号，R12和运算放大器U1」。构成跟随器，实现阻抗匹配，保证后续电路正常工作；所述第二传感器及信号调理模块中的信号调理模块，是由Rll和运算放大器U1id组成的跟随器，实现阻抗匹配，保证后续电路正常工作。比例调节器为由电阻R7、R8和运算放大器U1ib组成，比例调节器用于调节原边电流信号的幅值。预置给定信号为UP经电阻Rll和R12分压及C2滤波后的信号。调节电压输入模块由电阻Rl和用于分压的电位器R2以及用于滤波电容Cl组成。加法器由电阻R3、R4、R5、R6和运算放大器U1ia组成。第一信号调理模块为上拉电阻RlO ;所述第二信号调理模块为上拉电阻R9。
[0035]由于变压器偏磁将导致原边电流过流，因此通过传感器、信号调理电路和比例调节器得到处理后的原边电流信号。如果系统产生了严重偏磁，难以调节消除，原边电流信号将通过分支通路A，直接与预置的给定信号比较，产生系统保护信号，由数字控制器即刻处理，关闭PWM驱动脉冲，保障系统安全。若为一般偏磁，原边电流信号将通过通路B，与经过传感器、信号调理和加法器/减法器等得到的系统输出电流信号比较，由比较器输出偏磁信号，包含了偏磁信号产生的位置和宽度，经信号调理环节后，送入数字控制器。根据偏磁信号出现的位置和强弱，编程实现PWM占空比的快速调节，使变压器迅速脱离饱和，恢复正常的磁滞回线工作区，达到消除偏磁的目的。
[0036]如图2所示，由电流传感器获取变压器原边电流信号，经由整流桥Dl_l、R13、R12和运算放大器Ul ic组成的同相调整和跟随电路，将原边电流的交流信号转换成同相脉冲电流信号Uil，经由电阻R7、R8和运算放大器U1ib构成的比例调节器，输出幅值可调的原边反馈电流信号；同时，由电阻Rll和R12分压及C2滤波后，输出预置的给定信号，即能量变换系统能够容忍的最大原边过流值，上拉电阻RlO用来确保控制器能够接收准确的严重偏磁信号；同时，由电流传感器实时获取系统输出电流，并通过由Rll和运算放大器U1 1D组成的跟随电路转换成电压信号Ui2，与由电阻Rl和电位器R2分压以及电容Cl滤波后产生的Um一起，经由电阻R3、R4、R5、R6和运算放大器U1 1A构成的加法器累加，输出幅度可调的电流反馈信号，其中电位器R2的作用是调节反馈电流幅值，确定偏磁现象出现的临界点。
[0037]当变压器偏磁导致原边过流较大，严重威胁到系统安全，即超过设定值后，获取并变换的变压器原边电流将经过通路A与其最大设定值，经比较器U2_1A比较，产生PWM封锁信号送入数字控制器，控制器将此情况的优先级设置为最高，一旦接收到该信号，将立刻封锁驱动脉冲，保证系统安全。若变压器偏磁程度在可调节范围内，获取并变换的变压器原边电流将经过通路B与输出电流信号，经比较器U2_1B比较，可及时获得偏磁信号送至数字控制器进行处理。上拉电阻R9用来确保控制器能够接收准确的偏磁信号。控制器则可在检测出偏磁信号后，调整后续PWM驱动脉冲的占空比，使主变压器恢复正常的磁滞回线工作区，达到消除偏磁的目的，提高系统稳定性和可靠性。
【权利要求】
1.单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路，其特征是，包括用于采集原边电流并进行信号处理的第一传感器及信号调理模块，第一传感器及信号调理模块与比例调节器相连，经过比例调节器处理后的原边电流信号分两路，一路通过A通道与预置给定信号进入第一比较器，第一比较器与第一信号调理模块相连，第一信号调理模块与数字控制器相连；另一路通过B通道与处理后的输出电流信号进入第二比较器，第二比较器与第二信号调理模块相连，第二信号调理模块与数字控制器相连。
2.如权利要求1所述的单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路，其特征是，所述处理后的输出电流信号为经过第二传感器及信号调理模块及加法器处理的信号。
3.如权利要求2所述的单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路，其特征是，所述加法器还与调节电压输入模块相连。
4.如权利要求1所述的单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路，其特征是，所述比例调节器为由电阻R7、R8和运算放大器U1_1B组成，比例调节器用于调节原边电流信号的幅值。
5.如权利要求1所述的单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路，其特征是，所述预置给定信号为UP经电阻Rll和R12分压及C2滤波后的信号。
6.如权利要求3所述的单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路，其特征是，所述调节电压输入模块由电阻Rl和用于分压的电位器R2以及用于滤波电容Cl组成。
7.如权利要求3所述的单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路，其特征是，所述加法器由电阻R3、R4、R5、R6和运算放大器U1_1A组成。
8.如权利要求1所述的单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路，其特征是，所述第一信号调理模块为上拉电阻RlO ;所述第二信号调理模块为上拉电阻R9。
9.如权利要求2所述的单相全桥逆变拓扑偏磁分级处理电路，其特征是，所述第一传感器及信号调理模块中的信号调理模块，由整流桥Dl_l、R13、R12和运算放大器U1_1C组成； 所述第二传感器及信号调理模块中的信号调理模块，由Rll和运算放大器U1_1D组成。
【文档编号】G05B19/042GK203689069SQ201420006165
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年1月6日 优先权日:2014年1月6日
【发明者】段彬, 张承慧, 张光先, 张少芳 申请人:山东大学