一种大功率单逆变螺柱焊的制造方法

一种大功率单逆变螺柱焊的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种大功率单逆变螺柱焊机，包括EMI滤波电路、三相整流电路、并联式大功率逆变电路、高频变压器、快恢复整流电路、逆变驱动电路、保护电路等，其中的并联式大功率逆变电路中四个桥臂均由若干并联的逆变开关管构成，并且高频变压器次级绕组输出端分别经快恢复二极管后连接在一起进行输出。本发明解决了逆变螺柱焊机在一个逆变系统下、工作电压在三相AC180V～AC600V范围内的大功率输出难题，不仅适应范围广，而且可实现同等功率下，具有体积更小、重量更轻优点；另外，本发明焊机还具有安全稳定性好、制造工艺简单、生产成本低等诸多优点，具有显著性应用价值。
【专利说明】一种大功率单逆变螺柱焊机

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种大功率单逆变螺柱焊机，属于逆变螺柱焊机【技术领域】。

【背景技术】
[0002] 螺柱焊机主要分为：电容储能式螺柱焊机、拉弧电容储能螺柱焊机、短周期螺柱焊 机，以上螺柱焊机只能在薄板上焊ΦΙΟπιπι左右焊钉；还有一种长周期电弧螺柱焊机，用于 Φ 3mm?Φ 36mm螺柱焊接。长周期螺柱焊机焊接时间在100ms?2000ms，有的用到5000ms， 焊接电流最大2000A到4000A。
[0003] 长周期螺柱焊主要应用于建筑钢结构焊接剪力钉（栓钉）、高速铁路预埋件、大型 桥梁、机械等重大项目。长周期电弧螺柱焊机有晶闸管式：体积大、重量很重（2500A焊机重 量在300KG?400KG)、电效率不高、输入功率大。另一种是逆变螺柱焊机。
[0004] 因为焊机行业开关管模块一般在75A?600A，更大电流模块价格昂贵，驱动复杂 和反应速度不适合焊机。因为P(功率）=1(电流）XU(电压），在同等焊接功率下，当电 压从三相AC380V?AC600V变为三相AC180V?AC280V时其初入的电流大，逆变开关管将 更大，因此现在还没有三相AC180V?AC280V的2000A以上大功率逆变螺柱焊机。市面上 380V以上的逆变大功率焊机（如碳弧气焊、埋弧焊、螺柱焊）都是2个或3个逆变系统合 并在一起。其并联总电流与分立逆变系统不易调节，且多逆变系统在一起工作容易相互干 扰、及存在生产零件多、生产工艺复杂、生产效率低、体积庞大、重量重、故障率高等问题，以 致螺柱焊机质量不稳定。
[0005] 焊接电弧是一个变化很大的动态负载，有很多过渡状态：如短路、大颗粒、熔滴瞬 间短路会炸坏焊机逆变开关管和次级快恢复整流管损坏，造成人身财产损失。预埋件、大型 桥梁上都是〇22mm?Φ32πιπι焊钉，特别在钢结构工地上压型板穿透焊接剪力钉任务大、工 程急，每天起一层楼，焊机使用率高，有的工地临时拉电源线，各种其他焊机、吊车相互工作 有干扰，电源电压不够稳定，螺柱焊在几秒内焊接功率在100KW以上，3相电线路电感反向 电压高，容易损坏设备。工地剪力钉分布面广，焊枪需要加长到50m?150m (100m枪线电压 降25V?30V)焊机功率更需要加大。焊机用一个铁芯制作的变压器，功率小、很快发烫，电 源线长压降高，电压低时无电流补偿作用，长焊枪线无法焊接，影响施工，无法完成任务。


【发明内容】

[0006] 本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的上述缺陷，提供一种大功率单逆 变螺柱焊机，解决逆变螺柱焊机在一个逆变系统下、工作电压在三相AC180V?AC600V范围 内的大功率输出难题，提高大功率逆变螺柱焊机的安全稳定性，实现同等功率下，使焊机体 积更小、重量更轻，方便运输和使用等目的。
[0007] 为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：
[0008] -种大功率单逆变螺柱焊机，包括依次连接的三相整流电路、逆变电路、高频变压 器，快恢复整流电路，所述三相整流电路将三相交流电转变成直流电，逆变电路将直流电转 换成高频交流电，经高频变压器降压和快恢复二极管整流后获得直流焊接电流，所述逆变 电路为具有四个桥臂的全桥逆变电路，所述逆变电路的四个桥臂均由若干并联的逆变开关 管构成，逆变电路的第一输出端经开关电感、隔直电容接高频变压器初级绕组的第一端，逆 变电路的第二输出端接高频变压器初级绕组的第二端；所述高频变压器具有若干次级绕 组，每个次级绕组的两端分别经快恢复二极管后连接在一起作为焊机的正极电源输出，每 个次级绕组的中点引出线依次连接后经滤波电抗器作为焊机的负极电源输出。
[0009] 本发明所述的大功率单逆变螺柱焊机还具有如下改进：
[0010] 1、所述三相整流电路的前端设有EMI滤波电路，所述EMI滤波电路组成包括电容 采用三角形连接的第一 LC滤波器，所述第一 LC滤波器的电感为差模电感；电容采用星形连 接的第二LC滤波器，所述第二LC滤波器的电感为共模电感，所述第一 LC滤波器与第二LC 滤波器之间的线路上采用三角形接法连接有三个压敏电阻。
[0011] 2、所述三相整流电路与逆变电路之间接有直流滤波电路，所述直流滤波电路依次 包括滤波放电电阻、两个串联的接地电容、无源滤波器、并联的若干无极性高频电容，所述 无源滤波器接在直流的正极端，由并联的电感、二极管、电容构成，所述二极管为反向并联 接连接。
[0012] 3、本发明所述的大功率单逆变螺柱焊机还具有用于单独驱动逆变电路第一半桥 上桥臂、第二半桥下桥臂中各逆变开关管的第一驱动电路，用于单独驱动逆变电路第一半 桥下桥臂、第二半桥上桥臂中各逆变开关管的第二驱动电路，以及向所述第一、第二驱动电 路发送逆变脉冲信号的逆变脉冲产生电路，所述驱动电路包括依次连接的直流电源、驱动 管模块、与逆变电路各桥臂中逆变开关管数量相等的驱动变压器，所述驱动变压器具有一 个初级绕组和两个次级绕组，第一驱动电路中的驱动变压器次级绕组同名端、异名端分别 接逆变电路中第一半桥上桥臂、第二半桥下桥臂中的逆变开关管，第二驱动电路中的驱动 变压器次级绕组同名端、异名端分别接逆变电路中第二半桥上桥臂、第一半桥下桥臂中的 逆变开关管，所述驱动变压器初级绕组的一端接有并联的隔直电容和电阻。
[0013] 4、所述驱动管模块为由4个驱动管构成的全桥逆变驱动电路或集成驱动芯片，所 述驱动管为场效应管、三级管、IGBT管中的一种。
[0014] 5、本发明所述的大功率单逆变螺柱焊机还具有用于识别逐脉冲过流和故障脉冲 的保护电路，所述保护电路包括若干个用于感应各逆变开关管电流的第一线圈互感器，若 干个用于感应各快恢复二极管电流的第二线圈互感器，以及第一、第二、第三、第四比较器， 所述第一互感器的输出端经全桥整流后通过取样电阻接二极管，然后并接在一起，同时送 入第一、第二比较器的正极输入端，所述第二互感器的输出端经全桥整流后通过取样电阻 接二极管，然后并接在一起，同时送入第三、第四比较器的正极输入端，所述第一、第三比较 器的负极输入电压为逐脉冲保护电压，所述第二、第四比较器的负极输入电压为故障脉冲 保护电压，第一、第三比较器的输出端分别经三极管后作为逐脉冲过流保护信号的输出，第 二、第四比较器的输出端分别经可控硅后作为故障脉冲保护信号的输出。
[0015] 6、所述逆变脉冲产生电路由电流型PWM控制器和时基电路组成的有限双极性控 制ZVZCS-PWM全桥脉冲波形。
[0016] 7、所述比较器用稳压管、或三极管、或光耦、或集成电路代替。。
[0017] 8、逐脉冲过流保护信号接在逆变脉冲产生电路的波形运算器上；故障脉冲保护信 号接在逆变脉冲产生电路的脉冲关断脚上。
[0018] 8、所述高频变压器具有数个合并的同规格磁芯，每个次级绕组由相同数量根的漆 包线合股而成。
[0019] 本发明的逆变电路中设计有多个并联的桥臂，利用若干普通逆变开关管即可实现 在三相AC180V?AC280V低电压环境下进行大电流（大功率）的输出，从而避免了使用大 电流逆变开关管，大大降低了制造成本，同时能够获得理想的效果；并且高频变压器次级 绕组分出多股，连接快恢复二极管后并联作为焊机的正极输出，进一步提高了焊机功率，使 本焊机的功率性能可达到螺柱焊机的要求，由于其可在低压环境下正常工作，也可在三相 AC380V?AC600V工作，因此适应性更强。
[0020] 本发明三相整流电路的前端设置有EMI滤波电路，有抑制共模干扰和差模干扰作 用，可以抑制来自电网的干扰对逆变电源本身的侵害，也可以抑制逆变电源向电网反馈的 干扰；此外，EMI滤波电路中加入了压敏电阻器，可代替瞬态抑制二极管、防雷击放电管、齐 纳二极管对外部环境的电压浪涌、雷击、外界辐射抑制作用，防干扰可靠性高。
[0021] 本发明逆变电路的驱动电路中，通过特殊的驱动变压器设计，能够实现对所有逆 变开关管的单独驱动，且互不干扰，属于同一组的逆变开关管所受到的触发波形一样，不会 因为其中一个逆变开关管故障而影像其他逆变开关管的损坏。因此本发明所涉驱动电路降 低了焊机电源的故障率，提高了产品质量，进而确保了用户的生产效率。
[0022] 本发明利用线圈互感器来获取逆变电路中逆变开关的电流和高频变压器输出端 快恢复二极管的电流，经整流后取样后分别并联输出，送入比较器进行电压比较；由于取样 后的波形全通过二极管合并一起，因此电压高的脉冲会显现，电压低的脉冲会被淹没，于是 通过电压高的脉冲即可判断是否逐脉冲过流，实现了逐脉冲保护，在假的短路或焊接复杂 电阻负载时主电源能够稳定输出；当由于人为原因焊机有损坏或真实故障时，接在逆变脉 冲产生电路关断脚的故障脉冲保护信号，可直接关断驱动电路，而不经过内部电路，关断更 可靠，且迅速。本发明保护电路可预防变压器和焊接过流，更能预防开关管直通短路。
[0023] 综上，本发明的有益效果如下：
[0024] 1、开关管并联技术解决了开关管容量问题。
[0025] 2、采用本发明技术可实现同等功率下，具有体积更小、重量更轻优点，方便了运 输，特别是在出口运输时运费更省。
[0026] 3、成本低20%，制造工艺简单，工人不易出错，生产周期短。
[0027] 4、所有逆变开关管、快恢复二极管有保护，其质量更可靠。
[0028] 5、开关管并联技术解决了开关管电流大的问题，可使在三相AC180V?AC280V时 初级电流大一倍，实现了在电压低时有更大输出功率的补偿效果，低电压工作更稳定。
[0029] 6、解决了单独一个逆变系统的大功率逆变焊机，其稳定性更好。
[0030] 7、采用多个开关管并联和快速恢复二级管并联，若有外件损坏其损失更小。如有 人为损坏，工地被钢管砸坏焊机，其中一个零件损坏，拆下坏的零件，其他就可以继续工作。
[0031] 8、主变采用磁芯合并，功率大，损耗小，不浪费。
[0032] 9、保护电路分逐脉冲保护和故障保护，效果好。这个电路用于并联开关管、并联次 级快恢复等保护。也适合不要并联的逆变电路以防直通短路保护、过流保护。
[0033] 10、省电和功率因数提高95%以上。
[0034] 11、次级并联和保护，解决原来会全部烧坏的故障。
[0035] 12、特殊驱动、开关管并联和保护，解决了开关管不会一组全炸坏。
[0036] 总之，本发明解决了逆变螺柱焊机在一个逆变系统下、工作电压在三相AC180V? AC600V范围内的大功率输出难题，不仅适应范围广，而且可实现同等功率下，具有体积更 小、重量更轻优点；另外，本发明焊机还具有安全稳定性好、制造工艺简单、生产成本低等诸 多优点，具有显著性应用价值。
[0037] 此外，本发明焊机还具有缺相、过欠压保护，控制电源、风扇、防腐蚀、程序板、显 示、控制、焊枪、温控、和波形产生、下降特性控制等辅助电路，但由于均采用现有技术，没有 做相关改进。本发明的技术效果均通过电路组成及结构的改进而实现。

【专利附图】

【附图说明】
[0038] 图1是本发明焊机的电原理框图。
[0039] 图2是EMI滤波电路的电原理图。
[0040] 图3是本发明焊机电源部分电原理图。
[0041] 图4-a是第一驱动电路的电原理图。
[0042] 图4-b是第二驱动电路的电原理图。
[0043] 图4_c是触发信号时序图。
[0044] 图5是保护电路原理图。
[0045] 图6-a是高频变压器侧视图。
[0046] 图6_b是高频变压器初级绕组绕法示意图。
[0047] 图6-c、图6_d是高频变压器次级绕组绕法示意图。
[0048] 图7是逆变脉冲产生电路的电原理图。

【具体实施方式】
[0049] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明 实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0050] 图1所示为本实施例提供的一种大功率单逆变螺柱焊机的电路原理框图，主要包 括依次连接的EMI滤波电路、三相整流电路、逆变电路、高频变压器、快恢复整流电路、焊 枪、母材，此外，还包括逆变脉冲驱动电路，缺相、过欠压保护采样电路，程序板，风扇等。本 螺柱焊机基本工作原理是，EMI滤波电路对三相交流进行滤波后，经三相整流电路转变成直 流，经过直流滤波，并通过逆变电路将直流电转换成高频交流电，再经高频变压器降压后经 快恢复整流电路整流产生直流焊接电流，正极连接母材，负极连接焊枪，从而实现对螺柱的 焊接。
[0051] 如图2所示，为设置于三相整流电路前端的EMI滤波电路，所述EMI滤波电路组成 包括：电容采用三角形连接的第一 LC滤波器（由电感LA、LB、IX，电容C31、C32、C33构成， 电感LA、LB、LC分别接在A、B、C三相进线上，LA、LB、LC是差模电感；电容C31、C32、C33分 别接在AB相之间，BC相之间、AC相之间）、电容采用星形连接的第二LC滤波器（电感LD， 电容C34、C35、C36,电感LD为三相共模电感，电容C34、C35、C36均为接地电容），第一 LC 滤波器与第二LC滤波器之间的线路上采用三角形接法连接有三个压敏电阻Rl、R2、R3,三 个压敏电阻Rl、R2、R3分别并接在第一 LC滤波器的三个电容C31、C32、C33两端。三相电 ABC通过电源开关后进行EMI滤波，EMI滤波有抑制共模干扰和差模干扰作用，可以抑制来 自电网的干扰对逆变电源本身的侵害，也可以抑制逆变电源向电网反馈的干扰，另增加了 压敏电阻器。压敏电阻器是一种具有瞬态电压抑制功能的元件，可代替瞬态抑制二极管、 防雷击放电管、齐纳二极管对外部环境的电压浪涌、雷击、外界辐射抑制作用。本实施例中 电感LA、LB、LC的电感量选择范围为lOOmH?700mH ;则电容C31、C32、C33的电容量可取 lyF?10yF，电压在1200V以上；电容C34、C35、C36取0· lyF?0.47yF，其电压在2KV 以上；LD为共模电感，压敏电阻Rl、R2、R3采用峰值电流10KA以上，电压800V?1000V的 压敏电阻。
[0052] 如图3所示，为本发明焊机电源部分的电路图。EMI滤波后三相电源一边进入控制 电源和缺相过欠压保护，一边进入三相整流桥，整流桥将三相交流电变为直流电，其电压是 交流电的1.4倍多，再通过直流滤波电路对直流电进行滤波。本例中，直流滤波电路依次包 括滤波放电电阻R4(滤波放电电阻功率3W?10W、阻值50ΚΩ?100ΚΩ)，两个串联的接地 电容Cl、C2(接地电容的电压2KV以上，电容量0. lyF?0.47yF)，无源滤波器，并联的2 个无极性高频电容C3、C4(无极性高频电容C3、C4的电压为1200V以上，可多个并联，电容 量为10 μ F?20 μ F，并联后总容量在40 μ F?150 μ F)，无源滤波器接在直流的正极端，由 并联的电感LI (L1电感量5mH?50mH)、二极管D9、电容C12构成，二极管D9为反向并联接 连接。由于螺柱焊时瞬间电流高，于是本实施例中采用无极性高频电容。也可用电解电容 450V1000?3300yF串联，加充电缓冲电路。
[0053] 滤波后的直流电通过逆变电路变为高频交流电给高频变压器T1。如图3所示，本 例中逆变电路为具有四个桥臂的全桥逆变电路，并且逆变电路的四个桥臂均由3个并联的 逆变开关管构成，第一组逆变开关管Gl、G3、G5构成第一半桥的上桥臂，第二组逆变开关管 G2、G4、G6构成第二半桥的下桥臂，第三组逆变开关管G7、G9、G11构成第二半桥的上桥臂， 第四组逆变开关管G8、G10、G12则构成了第一半桥的下桥臂。逆变电路的第一输出端经开 关电感L2、并联的隔直电容C7、C8接高频变压器T1初级绕组的第一端，逆变电路的第二输 出端接高频变压器T1初级绕组的第二端；高频变压器T1具有4个次级绕组，每个次级绕组 的两端分别经快恢复二极管（D1-D8)后连接在一起作为焊机的正极电源输出，每个次级绕 组的中点引出线依次连接后经滤波电抗器L3作为焊机的负极电源输出。正负极输出之间 还接有一滤波电路，如图3所示，该滤波电路依次包括接地电容C9、C10,压敏电阻R7,输出 电容C11，空载电阻R6,其中，压敏电阻R7可防止焊接线路反串电压对焊机损坏。滤波电抗 器L3的后侧接有采样电阻R5进行电流采样，R5可用电流传感器代替，连同正极输出侧的采 样电压一起送入程序板进行检测。本例中，逆变开关管选用IGBT模块，此外还可以选用TPM 模块、VM0SFET模块、MGT (Mos控制晶体管）、STT (静电感器晶体管）等。图中，电容C5、C6 分别是逆变开关管G1G3G5、G2G4G6的超前臂电容。
[0054] 图3中逆变开关管G1-G12、开关电感L2、隔直电容C7、C8、高频变压器T1组成了全 桥软开关电路，也可用半桥、开关管用硬开关电路。本焊接设备要输出44V、2500A?4000A 电流，选用的逆变开关管电流在75A?600A，并联开关管的个数按输出功率要求，高频变压 级次级绕组的数量（快恢复二极管的个数）也根据功率要求来计算，每个开关管、快恢复 二极管型号一致。逆变总电流按开关管并联总电流的80%左右计算，次级总电流按快恢复 二极管并联总电流的80%左右计算。实验证明：采用200A?300A双管TGBT模块，在三相 AC380V?AC600V、2000A-2500A输出、并联2个IGBT模块为一组、1200V以上、次级快恢复 二级管总电流在2500A?3000A、400V以上；3000A?4000A并联3个为一组、电压1200V以 上、次级快恢复管总电流在3600A?4600A、400V以上；同样输出功率情况下，输入电压为三 相AC180V?AC280V时，输出2000A?2500A并联4个为一组、电压在600V以上、次级快恢 复二极管总电流2500A?3000A、电压400V以上；输出3000A?4000A并联6个为一组、电 压在600V以上、次级快恢复二极管总电流在3600A?4600A、电压400V以上；在所有电压 中输出4000A以上可多并联开关管、快恢复二极管、增加保护和驱动电路。每组逆变开关管 并联主电路要均匀布线，为了达到每组中各个开关管均流，可采用电阻式和电感式均流，在 每个开关管串电阻或电感，由于开关管工作为高频，很小的电阻和电感有明显效果。
[0055] 如图4-a，图4-b所示，为本发明焊机中逆变电路的驱动电路电原理图。其包括用 于单独驱动逆变电路第一半桥上桥臂中逆变开关管61、63、65，第二半桥下桥臂中逆变开关 管G2、G4、G6的第一驱动电路（图4-a)，用于单独驱动逆变电路第一半桥下桥臂中逆变开 关管G8、G10、G12和第二半桥上桥臂中逆变开关管G7、G9、G11的第二驱动电路（图4-b)， 以及向第一、第二驱动电路发送逆变脉冲信号的逆变脉冲产生电路（见图7)，两个驱动电 路结构相同，以图4-a所示第一驱动电路为例，该驱动电路包括依次连接的直流电源（V+、 V-)、驱动管模块、3个驱动变压器T2、T3、T4,以驱动变压器T2为例，其具有一个初级绕组和 两个次级绕组，初级绕组的一端接有并联的隔直电容C15和电阻R15,次级绕组同名端接逆 变电路中第一半桥上桥臂逆变开关管G1，异名端接第二半桥下桥臂中逆变开关管G2。相对 应的驱动变压器Τ3、Τ4的初级绕组分别接有并联的隔直电容C16电阻R16、并联的隔直电 容C17电阻R17,次级绕组同名端则分别接逆变开关管G3、G5,异名端分别接逆变开关管G4、 G6。对于第二驱动电路的驱动变压器了536、了7，其初级绕组接有并联的隔直电容(：18电阻 R18、并联的隔直电容C19电阻R19,并联的隔直电容C20电阻R20,次级绕组同名端接逆变 开关管G7、G9、G11，异名端接逆变开关管G8、G10、G12。驱动变压器磁芯为铁氧体和非晶， 也可把（图4-a)T2、T3、T4、（图4-b)T5、T6、T7分别做成两个变压器。但次级分开，每个次 级接一个开关管。图中，VF1-VF8是驱动管，起到驱动T2-T7驱动变压器的作用，本实施例中 使用的是效应管，也可用三级管或小电流IGBT管代替，RG1-RG12是逆变开关管G1-G12的 控制极电阻，R7-R14是驱动管VF1-VF8的控制电阻。a、b、c、d是逆变脉冲产生电路（图7) 发来的互锁信号，但必须每个控制极分开，多片集成电路或光耦对每个逆变开关管G1-G12 单独驱动。在实验中如不将每个开关管控制极分开，如果采用一个驱动器直接并联RG电阻 并联控制极，如果有一个开关有问题，集电极与控制极短路，整个组开关管都会控制级电压 高全部炸坏；而采用分开单独控制极驱动后，集电极与控制极短路，只是自己故障，人为损 坏一个开关管，其它也不影响，焊机能保护，达到设计效果。
[0056] 如图4-c所示，为触发信号时序图。a和d触发时，b和c为零。当a有触发时， 驱动管VF1、VF4导通，驱动管VF2、VF3截止，驱动第一组逆变开关管Gl、G3、G5开通，d有 触发时，驱动管VF6、VF7导通，驱动管VF5、VF8截止，驱动第四组逆变开关管G8、G10、G12 开通。主电流通过G1、G3、G5通过L2、C7、C8、T1、G8、G10、G12产生电流，变压器T1产生能 量经D1-D4整流后输出。当a和d触发完成通过tf死区时间；b和c开始触发，a、d为零， c触发第三组逆变开关管G7、G9、G11开通，b触发第二组逆变G2、G4、G6开通，主电流通过 G7、G9、Gil、Tl、C7、C8、L2、G2、G4、G6产生电流，变压器T1产生能量经D5-D8整流后输出， b和c触发完成后通过tf死区时间，a和b又触发。触发频率为18ΚΗΖ-60ΚΗΖ。
[0057] 如图7所示，逆变脉冲产生电路由电流型PWM控制器和时基电路组成的有限双极 性控制ZVZCS-PWM全桥脉冲波形。触发信号可由芯片UC3846和芯片NE556配合，当UC3846 的11号管脚和14号管脚输出超前臂信号，滞后臂靠 NE556延时、展宽超前臂波形，通过 UC3846的10号管脚关断实现有限双极性控制ZVZCS-PWM波形（见图4-c)，a b c d也可用 UC3846与CD4013配合使用，也可由MCU、DSP、FBGA产生PWM信号。
[0058] 如图5所示，为本实施例焊机的保护电路，用于识别逐脉冲过流和故障脉冲，该保 护电路包括12个用于感应各逆变开关管电流的第一线圈互感器L5-L16,8个用于感应各快 恢复二极管电流的第二线圈互感器La-Lh。线圈可用电流传感器或电阻检测电流作用。以 及第一至第四比较器IC1-IC4。如图3所示，第一线圈互感器L5-L16分别接在逆变开关管 G1-G12的线路上，第二线圈互感器La-Lh分别接在快恢复二极管D1-D8的线路上。如图5 所示，第一互感器L5-L16的输出端经全桥整流后通过取样电阻接二极管R51-R62,然后并 接在一起，同时送入第一、第二比较器IC1、IC2的正极输入端，第二互感器La-Lh的输出端 经全桥整流后通过取样电阻Ra-Rh接二极管，然后并接在一起，同时送入第三、第四比较器 IC3、IC4的正极输入端，第一、第三比较器IC1、IC3的负极输入电压为逐脉冲保护电压VI、 V3,第二、第四比较器IC2、IC4的负极输入电压为故障脉冲保护电压V2、V4,第一、第三比较 器IC1、IC3的输出端分别经三极管后作为逐脉冲过流保护信号的输出，第二、第四比较器 IC2、IC4的输出端分别经可控娃后作为故障脉冲保护信号的输出。图中电容C41、C42为抗 干扰接地电容。逐脉冲过流保护信号接在逆变脉冲产生电路（图7)的波形运算器上，如 UC3846系列SG3525系列，TL494系列均有此脚位；故障脉冲保护信号接在逆变脉冲产生电 路的脉冲关断脚上，其关断速度直接关断脉冲不经过内部电路过程，关断可靠。如UC3846 系列、SG3525系列、TL494系列都有关断脚。
[0059] 取样电阻R51-R62的阻值要按每个逆变开关管G1-G12的80%左右电流计算；取 样电阻Ra-Rh的阻值则按每个快恢复二极管D1-D8的80%左右电流计算，取样后的波形全 通过二极管合并一起，电压高的脉冲会显现，电压低的脉冲会被淹没，电压高的脉冲使主电 流电流最大，控制了最大电流管的安全性，小电流更不会坏。V1、V3逐脉冲保护电压，V2、V4 是故障脉冲保护电压，VI的电压比V2小，V3电压比V4小。当合并脉冲E超过VI或合并 脉冲F超过V3时比较器输出高电压对脉冲产生电路关断，执行了逐脉冲保护，逆变开关管 G1-G12快恢复二极管D1-D8都不会过流，不损坏，可靠性好。集成比较器可用稳压管、三极 管、光耦代替。在假的短路或焊接复杂电阻负载时，本发明焊机的电源输出稳定。如果由于 人为原因焊机有损坏，线圈传感器立马上升电压，当E电压超过VI，电压F超过了 V3,起不 到保护，这时是真故障；当电压E超过V2,电压F超过V4时，比较器就马上关断故障保护。
[0060] 如果不增加该保护功能，逆变开关管G1-G12会由于瞬间过流或开路使逆变失败 会炸管，次级快恢复二极管也会有二极管开路或短路后被击穿现象，剩下的管子由电流不 够而全部损坏，造成损失。增加了该保护电路即可避免故障。这个电路也适合不需要关联的 开关管逆变电路，能起到开关管直通短路和次级快恢复二极管保护。在实验过程中：将焊机 输出线两端接一个开关，正好焊机在施焊时不断开合开关，形成短路和焊接空载不断转换； 或将电流电位器失效，机器也能正常不坏。在故障实验中：直接人为短路变压器，二极管开 关管机器都能保护，效果明显。这个保护电路既可预防变压器和焊接过流，更能预防开关管 直通短路。达到了设计要求。
[0061] 如图6-a、6-b、6-c、6-d所示，为高频变压器结构示意图，变压器设计主要考虑工 作频率、功率容量和温升、变压器体积和成本。磁芯可采用铁氧体和非晶磁芯，都能有高频 20?60KHz隔离和变压作用。铁氧体形状有E型、EI型、圆型和U型，采用圆型磁芯绕制 容易和质量好，铁氧体导磁率中等，饱和磁通密度BS = 500mT、居里温度150°C左右同等功 率体积稍大，功率使用成本高，少数采用。非晶材料导磁率高、饱和磁密度BS= 1.25T、居 里温度350°C?700°C，形状有U型、圆型，采用圆型绕制容易。现在市面上大功率磁芯有 〇120mmX60mmX30mm 到 〇180mmX110mmX60mm ;功率在 10KW ?30KW。
[0062] 要达到100KW?200KW，焊机电流在2000A?4000A有留量，在电压偏低时补偿 电流作用。本发明的变压器是将同规格多个磁芯合联，增加横截面积，变压器不会发烫，其 漏感在2?3μΗ。如图6-a所示主变压器磁芯由X、y、z三个磁芯合并而成，合并数量根 据变压器功率，功率越大数量多。在焊机行业中〇130mmX80mmX40mm使用多、成本低、 绕线空间足够、不浪费。实验证明：输出2000A?2500A时用〇130mmX80mmX40mm合 并2个；输出3000A?4000A合并3个，更大功率可采用绕线空间大的磁芯多个合并，如 Φ 180mm X 110mm X 60mm。
[0063] 铁芯外壳用铝或高温塑料，用直径为0. 05mm?1mm的漆包线，直径越小其集胶效 应小、线温度低，多股合并成一股线，便于冷却，并缠好绝缘胶带（如聚四氟乙烯胶带，聚脂 溥膜，聚亚酰胺，黄腊绸、玻璃漆布），合并线的每平方毫米按6A?20A计算，按低电流计算 变压器铜损小，焊机效率有提高。匝比按5 :1到6. 5 :1计算，如图6-b所示，为初级绕组，先 将线在整个磁芯上均匀布置，①②是初级绕组线头，图6-c、图6-d中分别是次级绕组，因次 级匝数少，用2个同样线向磁芯2边绕，使感应均匀，在逆变开关管波形更好；次级绕组分别 按照图6-c、图6-d所示绕一层，最后将线头③④⑤⑥接在一起成为中点抽头，做为焊机负 极。在另一端把每根线漆包线数量分开，分开数量一样有均流作用，为线头⑦⑧⑨⑩或更多 个，线头-- ? 〇或更多个，分开数量要根据次级整流恢复二极管数量决定，每 [〇〇64] 最后有必要在此说明的是：上述内容只用于对本发明的技术方案作进一步详细说 明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出 的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种大功率单逆变螺柱焊机，包括依次连接的三相整流电路、逆变电路、高频变压 器，快恢复整流电路，所述三相整流电路将三相交流电转变成直流电，逆变电路将直流电转 换成高频交流电，经高频变压器降压和快恢复整流电路整流后获得直流焊接电流，所述逆 变电路为具有四个桥臂的全桥逆变电路，所述逆变电路的四个桥臂均由若干并联的逆变开 关管构成，逆变电路的第一输出端经开关电感、隔直电容接高频变压器初级绕组的第一端， 逆变电路的第二输出端接高频变压器初级绕组的第二端；所述高频变压器具有若干次级绕 组，每个次级绕组的两端分别经快恢复二极管后连接在一起作为焊机的正极电源输出，每 个次级绕组的中点引出线依次连接后经滤波电抗器作为焊机的负极电源输出。
2. 根据权利要求1所述的大功率单逆变螺柱焊机，其特征在于：所述三相整流电路的 前端设有EMI滤波电路，所述EMI滤波电路组成包括电容采用三角形连接的第一 LC滤波 器，所述第一 LC滤波器的电感为差模电感；电容采用星形连接的第二LC滤波器，所述第二 LC滤波器的电感为共模电感，所述第一 LC滤波器与第二LC滤波器之间的线路上采用三角 形接法连接有三个压敏电阻。
3. 根据权利要求1所述的大功率单逆变螺柱焊机，其特征在于：所述三相整流电路与 逆变电路之间接有直流滤波电路，所述直流滤波电路依次包括滤波放电电阻、两个串联的 接地电容、无源滤波器、并联的若干无极性高频电容，所述无源滤波器接在直流的正极端， 由并联的电感、二极管、电容构成，所述二极管为反向并联接连接。
4. 根据权利要求1所述的大功率单逆变螺柱焊机，其特征在于：还具有用于单独驱动 逆变电路第一半桥上桥臂、第二半桥下桥臂中各逆变开关管的第一驱动电路，用于单独驱 动逆变电路第一半桥下桥臂、第二半桥上桥臂中各逆变开关管的第二驱动电路，以及向所 述第一、第二驱动电路发送逆变脉冲信号的逆变脉冲产生电路，所述驱动电路包括依次连 接的直流电源、驱动管模块、与逆变电路各桥臂中逆变开关管数量相等的驱动变压器，所述 驱动变压器具有一个初级绕组和两个次级绕组，第一驱动电路中的驱动变压器次级绕组同 名端、异名端分别接逆变电路中第一半桥上桥臂、第二半桥下桥臂中的逆变开关管，第二驱 动电路中的驱动变压器次级绕组同名端、异名端分别接逆变电路中第二半桥上桥臂、第一 半桥下桥臂中的逆变开关管，所述驱动变压器初级绕组的一端接有并联的隔直电容和电 阻。
5. 根据权利要求4所述的大功率单逆变螺柱焊机，其特征在于：所述驱动管模块为由4 个驱动管构成的全桥逆变驱动电路或集成驱动芯片，所述驱动管为场效应管、三级管、IGBT 管中的一种。
6. 根据权利要求4所述的大功率单逆变螺柱焊机，其特征在于：还具有用于识别逐脉 冲过流和故障脉冲的保护电路，所述保护电路包括若干个用于感应各逆变开关管电流的第 一线圈互感器，若干个用于感应各快恢复二极管电流的第二线圈互感器，以及第一、第二、 第三、第四比较器，所述第一互感器的输出端经全桥整流后通过取样电阻接二极管，然后并 接在一起，同时送入第一、第二比较器的正极输入端，所述第二互感器的输出端经全桥整流 后通过取样电阻接二极管，然后并接在一起，同时送入第三、第四比较器的正极输入端，所 述第一、第三比较器的负极输入电压为逐脉冲保护电压，所述第二、第四比较器的负极输入 电压为故障脉冲保护电压，第一、第三比较器的输出端分别经三极管后作为逐脉冲过流保 护信号的输出，第二、第四比较器的输出端分别经可控硅后作为故障脉冲保护信号的输出。
7. 根据权利要求4所述的大功率单逆变螺柱焊机，其特征在于：所述逆变脉冲产生电 路由电流型PWM控制器和时基电路组成的有限双极型ZVZCS-PWM全桥脉冲波形。
8. 根据权利要求6所述的大功率单逆变螺柱焊机，其特征在于：所述比较器用稳压管、 或三极管、或光耦、或集成电路代替。
9. 根据权利要求6所述的大功率单逆变螺柱焊机，其特征在于：逐脉冲过流保护信号 接在逆变脉冲产生电路的波形运算器上；故障脉冲保护信号接在逆变脉冲产生电路的脉冲 关断脚上。
10. 根据权利要求1所述的大功率单逆变螺柱焊机，其特征在于：所述高频变压器具有 数个合并的同规格磁芯，每个次级绕组由相同数量根的漆包线合股而成。
【文档编号】H02M1/12GK104052326SQ201410287248
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】胡长建 申请人:胡长建