专利名称：自适应性变极性等离子弧焊电源的制作方法
技术领域：
本发明是一种能够适应直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)电弧不同电压需求的变极性等离子弧焊电源，属于材料加工领域。
背景技术：
变极性等离子弧焊(Variablepolarity plasma arc welding,简称 VPPAW)即不对称方波交流等离子弧焊，是一种针对铝及其合金开发的新型高效焊接工艺方法。它综合了变极性TIG焊和等离子焊的优点特征参数可根据工艺要求灵活、独立调节有效利用等离子束流所具有的高能量密度、高射流速度、强电弧力的特性，实现铝合金中厚板单面一次焊双面自由成形；由于焊接变形小，生产率高，与其它高能束流焊接工艺(电子束焊和激光焊)相比，设备简单，成本低且气孔、夹渣等缺陷少，在国外被称为”零缺陷”焊接方法，已成功应用于航天飞机外储箱等产品的焊接生产上，同时被看作在21世纪有着广泛应用前景的焊接方法。目前，变极性等离子焊接技术与工艺日趋成熟，但是仍存在着很多不足。如:变极性等离子焊接电源在变极性(交流)焊接时，焊接工艺对直流正接(DCEN)工作时的要求电压较低，焊接工艺对直流反接(DCEP)工作时的要求电压较高，若采用传统的单电源供电的方法，电源二次逆变在直流反接(DCEP)和直流正接(DCEN)状态间进行切换时，前级电源的触发脉冲的占空比需要很大的调整，这就要求前级电源有较大的电压调整率，然而，一般在电源设计的时候，对直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)的工作电压要求往往不能兼顾，如果按直流正接(DCEN)工作时的要求电压设计，在直流反接(DCEP)工作时电源电压会太小而不满足要求，如果按直流反接(DCEP)工作时的要求电压设计，在直流正接(DCEN)工作时前级电源的触发脉冲会很窄，可能导致电源性能不稳定。若要解决上述问题，最为传统的方法是采用两台不同性能的直流恒流电源，分别作为直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)的供电电源，电路简图如图1所示，这种设计虽让能解决上述问题，但是前级需要两台不同性能的直流恒流电源，二次逆变又采用的是全桥逆变电路，成本较高。针对上述技术问题，本发明又提出了一种能够适应直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)电弧不同电压需求的变极性等离子弧焊电源。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提出了一种能够适应直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)电弧不同电压需求的变极性等离子弧焊电源主电路拓扑结构和电流控制方法，可以根据电源工作在变极性模式下正负半周焊接工艺对电源焊接时直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)工作电压需求的不同要求进行自适应性调整，从而达到更好的焊接质量，是电源有着更为优化的电压调整率，而且在直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)切换时，触发脉冲的脉宽变化范围不大，使电源的控制系统更接近于小信号系统，电源性能更加的稳定，避免了触发脉冲的脉宽频繁地大范围变化而引起的系统性能不稳定的问题。本发明为了适应直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)电弧不同电压需求，是通过变压器的切换改变的二次逆变的输入，而不是大幅度的修改占空比，易于控制电路设计，而且避免因为控制电路动态性能不足而造成的过零速度过慢的问题。本发明可以实现恒流焊接，可以在直流反接(DCEP)工作时，控制形成一定频率的高频脉冲，以用来提高电弧挺度，通过控制单元的控制，本发明可以工作在直流模式、变极性(交流)模式、和加入高频的变极性(交流)模式下。本发明只要是通过以下技术措施来实现的:自适应性变极性等离子弧焊电源是一种新型的变极性等离子焊接电源，包括控制单元、双输出的直流恒流电源部分、电流互感器、耦合电感、二次逆变单元、二次驱动电路。三相交流电输入至双输出的直流恒流电源部分，在双输出的直流恒流电源部分的输出端穿过用来采集电流信号的电流互感器，电流互感器经过采样处理后的输出端接至控制单元，控制单元输出控制信号至双输出的直流恒流电源部分，双输出的直流恒流电源部分的输出端经过耦合电感接至二次逆变单元，二次逆变单元中的电压、电流及温度采集电路的输出经过信号处理后的输出端接至控制单元，控制单元输出控制信号，经过二次逆变控制电路的调制输送至二次逆变单元中的半导体开关的触发端。双输出的直流恒流电源部分包括整流滤波电路、桥式逆变电路、副边多抽头的高频变压器、整流二极管Dl、D2、D3和D4 ；380V的三相交流电输入至双输出的直流恒流电源的整流滤波电路，整流滤波电路的输出接至桥式逆变电路的输入，经过逆变得到的高频方波交流电接至副边多抽头的高频变压器的原边，经过副边多抽头的高频变压器，在副边得到电压大小不同两路输出，两路输出分别经过整流二极管Dl、D2、D3和D4，得到两路性能不同的直流电输出。双模块部分的副边多抽头的高频变压器的副边具有5个抽头形成的节点:其中原边匝数为Np，副边由节点I绕Nsl匝后抽出抽头形成节点2，由节点2沿同方向绕Ns2匝后抽出抽头形成节点3，由节点3沿同方向绕Ns2匝后抽出抽头形成节点4，由节点4沿同方向绕Nsl匝后抽出抽头形成节点5。当电源工作在变极性状态时，直流正接(DCEN)工作时电压原副边变比为Np:Ns2，直流反接(DCEP)工作时电压原副边变比为Np:(Ns 1+Ns2)，从而能够适应直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)电弧不同电压需求。上述副边多抽头的高频变压器的节点I与二极管Dl的阴极相连，节点5与二极管D4的阴极相连，二极管Dl和D4的阳极相连形成直流反接(DCEP)的负极，节点2与二极管D2的阳极相连，节点4与二极管D3的阳极相连，二极管D2和D2的阴极相连形成直流正接(DCEN)的正极，节点3在直流正接(DCEN)工作时作为直流正接(DCEN)的负极，在直流反接(DCEP)工作时作为直流反接(DCEP)的正极；二次逆变单元具有三个接线端上臂接线端、下臂接线端和中间接线端，具有峰值饱和电路、过流信号检测电路和二次逆变的控制信号调制电路；双输出的直流恒流电源部分和二次逆变单元中间连有耦合电感，耦合电感由两个匝数相同的线圈组成，具有4个端子:其中端子I和端子2属于同一个线圈，端子3和端子4属于同一个线圈，端子I与端子3是同名端，端子2与端子4是同名端.双输出的直流恒流电源部分的直流反接(DCEP)的负极与耦合电感的端子2连接，直流正接(DCEN)的正极与耦合电感的端子3连接，耦合电感的端子I和二次逆变单元的下臂接线端连接，耦合电感的端子4分别与二次逆变单元的上臂接线端连接，双输出的直流恒流电源部分与互耦合电感的连接处放入电流互感器，采样电流反馈值。采样的电流反馈信号经过滤波调制电路和隔离输入给控制单元，控制单元接收到采样信号，进行分析和处理控制双输出的直流恒流电源内全桥逆变电路的开关管的开通和关断；双输出的直流恒流电源部分中的副边多抽头的高频变压器的节点3连接至等离子焊枪的钨极输出，二次逆变单元的VTl的E极和VT2的C极连接形成的中间接线端接至焊接工件输出。二次逆变单元由半桥逆变电路、过压过流温度保护信号产生电路、峰值保护电路组成，交流220V经过整流，正极连接至二极管D5的阴极、二极管D6的阳极、极性电容Cl的正极、功率电阻R2的I端，负极连接至极性电容Cl的负极、功率电阻R2的2端，开关管VT2的E极，二极管D6的阴极连接至功率电阻Rl的I端，二极管D5的阳极连接至开关管VTl的C极，电阻Rl的2端连接至双输出的直流恒流电源部分中的副边多抽头的高频变压器的抽头3，它们共同组成了峰值保护电路。其中的半桥逆变电路有两个开关管VTl和VT2组成。过压过流温度保护信号产生电路通过采集二次逆变电路中的电流、电压和温度信号，产生的过压过流温度保护信号输出至控制单元，控制单元输出一路控制信号，经过初级调制电路的调制产生两路相位相反的驱动信号，两路信号分别经过单稳态电路，本发明采用的是双单稳态电路⑶4098芯片，⑶4098芯片的I脚和2脚间接有电容C2，⑶4098芯片的2脚接电阻RlO的一端，RlO的另一端接供电电源15V，⑶4098芯片的14脚和15脚间接有电容Cl，⑶4098芯片的14脚接电阻R8的一端，RlO的另一端接供电电源15V，通过调节或改变电容Cl和电阻R8的值，再令C2的大小与Cl相等，再令RlO的大小与R8相等，使两路信号的电平在跳转变换时刻有着2US-10US的高电平重叠。产生的两路符合要求的相位相反的PWM输出接至二次逆变电路中的开关管的触发端，来控制二次逆变电路中开关管的开通与关断，使得直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)交替工作，电源工作在变极性模式下。本发明主要是通过将直流恒流电源中的桥式逆变电路的输出经过副边多抽头的高频变压器，在副边得到电压大小不同两路输出，从而得到同样输出电流大小时电压性能不同的两组直流输出，从而满足了焊接工艺对直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)电弧的不同电压需求，在达到更高的焊接质量的同时，解决了因为触发脉冲占空比在直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)切换时而产生的大范围变化时控制电路动态性能不足而带来的过零速度过慢的问题和电源电压变化率大的问题，使电压调整率在更为优化的范围内变化，而触发脉冲的占空比的变化范围也大大减小，使电源性能更加稳定。本发明通过算法设计和控制电路设计结合的方式，提高二次逆变变极性时的电流过零速度，提高了变极性时电弧的稳定性，采用新的算法，在直流正接(DCEN)工作的电流半波内加入高频脉冲，改善电弧挺度。
图1是为根据本发明一实施例的一种能够适应直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)电弧不同电压需求的采用两台前级直流电源的变极性等离子弧焊电源装置的一种电路简图。图2是一种改进的能够适应直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)电弧不同电压需求的采用一台前级直流电源且输出部分采用副边多抽头的高频变压器的变极性等离子弧焊电源装置的一种电路简图。
图3是二次逆变触发信号的调制电路。
具体实施例方式在详细解释本发明的至少一个实例之前应当明确本发明并不仅限于在以下介绍中阐明的或附图中展示的其构造细节和元件布置上的应用。本发明能够有其他实施例或以多种方式实现或实践。还应明确下面采用的术语和专门用语仅限于解释目的而不应被认为是一种限制。图2所示为依据根据本发明一实施例的一种自适应性变极性等离子弧焊电源装置的一种电路简图。包括控制单元3，整流滤波电路1、桥式逆变电路2、副边多抽头的高频变压器Tl (主变)、和整流二极管D1、D2、D3、D4组成一台两路输出的直流恒流电源，耦合电感L，二次逆变单元4，电流互感器组成的电流检测和反馈电路5，二次驱动电路6。本发明的控制单元采用的控制核心芯片为意法半导体推出的一款互联型微控制器STM32F107，控制核心芯片也可采用其他可完成相应功能的芯片。整流滤波电路1、全桥逆变电路2、副边多抽头的高频变压器Tl (主变)、和整流二极管D1、D2、D3、D4组成一台直流恒流电源，双模块部分的副边多抽头的高频变压器Tl (主变)的副边具有5个抽头形成的节点:其中原边匝数为Np，副边由节点I绕Nsl匝后抽出抽头形成节点2，由节点2沿同方向绕Ns2匝后抽出抽头形成节点3，由节点3沿同方向绕Ns2匝后抽出抽头形成节点4，由节点4沿同方向绕Nsl匝后抽出抽头形成节点5。由节点I绕Nsl匝后抽出抽头形成节点2，由节点2沿同方向绕Ns2匝后抽出抽头形成节点3，由节点3沿同方向绕Ns2匝后抽出抽头形成节点4，由节点4沿同方向绕Nsl匝后抽出抽头形成节点
5。副边节点2与二极管D2的阳极相连，节点4与二极管D3的阳极相连，二极管D2和D3的阴极相连形成直流正接(DCEN)的正极，穿过电流互感器5，以进行电流检测和反馈，然后连接至耦合电感L的端子3，从耦合电感L的4端输出连接至开关器件VTl的C极；节点I与二极管Dl的阴极相连，节点5与二极管D4的阴极相连，二极管Dl和D4的阳极相连形成直流反接(DCEP)的负极，连接至耦合电感L的端子2 ;开关器件VT2的E极经过穿过电流互感器5，以进行电流检测和反馈，然后连接至耦合电感L的端子1，多线圈高频变压器Tl (主变)的副边节点3接至等离子焊枪的钨极，VTl的E极与VT2的C极相连接，共同输出连接至工件。二次逆变单元4由半桥逆变电路和峰值保护电路组成，交流220V经过整流桥，正极输出连接至二极管D5的阴极、二极管D6的阳极、极性电容Cl的正极、功率电阻R2的I端，负极输出连接至极性电容Cl的负极、功率电阻R2的2端，开关管VT2的E极，二极管D6的阴极连接至功率电阻Rl的I端，二极管D5的阳极连接至开关管VTl的C极，电阻Rl的2端连接至多线圈高频变压器Tl (主变)的副边节点3，它们共同组成了峰值保护电路。其中的半桥逆变电路有两个开关管VTl和VT2组成。控制单元输出一路控制信号，输送至二次驱动电路6，经过初级调制电路的调制产生两路相位相反的驱动信号，两路信号分别经过单稳态电路，本发明采用的是双单稳态电路⑶4098芯片，⑶4098芯片的I脚和2脚间接有电容C2，⑶4098芯片的2脚接电阻RlO的一端，RlO的另一端接供电电源15V，CD4098芯片的14脚和15脚间接有电容Cl，CD4098芯片的14脚接电阻R8的一端，RlO的另一端接供电电源15V，通过调节或改变电容Cl和电阻R8的值，再令C2的大小与Cl相等，再令RlO的大小与R8相等，使两路信号的电平在跳转变换时刻有着2us-10us的高电平重叠。产生的两路符合要求的相位相反的PWM输出接至二次逆变电路中的开关管的触发端，来控制二次逆变电路中开关管的开通与关断，使得直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)交替工作，电源工作在变极性模式下。上述电路中，当直流正接(DCEN)工作时，多线圈高频变压器Tl (主变)中变比为Np:Nsl，当直流反接(DCEP)工作时，多线圈高频变压器Tl (主变)中变比为N1:Ns2，采用不同的变比，以适应变极性焊接时焊接工艺对直流正接(DCEN)和直流反接(DCEP)电弧不同的电压需求，耦合电感L分为LI和L2两个匝比为1:1的线圈，其中LI的端子I和L2的端子3为同名端，同理，LI的端子2和L2的端子4也为同名端。控制单元3接收到电流互感器5的采样电流经过光耦隔离来驱动全桥逆变电路2的开关管。本发明通过控制单元3产生一定的控制信号，经过二次驱动电路6产生符合要求的开关信号，并经过光耦隔离来来控制两个开关管的开通与关断，可以使电源工作在直流焊接模式和变极性(交流)焊接模式。本发明工作在变极性(交流)焊接模式时，控制单元3在直流反接(DCEP)工作时，周期性规律性地改变输出电流的给定值，从而在输出端得到直流反接(DCEP)输出时的具有一定频率的高频脉冲，以用来提高电弧挺度，获得高频模式。二次逆变电路4产生的电压电流反馈以保护信号，连接至控制单元3，若电源工作在非正常状态，则封锁各路触发信号，以保护电源。系统的控制单元还可以根据实际焊接需求，调节输出焊接电流、调节高频模式下直流反接(DCEP)工作时的电流峰一峰值、调节交流工作周期和直流正接(DCEN)、直流反接(DCEP)的工作时间、离子气流量等焊接参数。
权利要求
1.自适应性变极性等离子弧焊电源，其特征是:包括控制单元、双输出的直流恒流电源部分、电流互感器、耦合电感L、二次逆变单元、二次驱动电路。三相交流电输入至双输出的直流恒流电源部分，在双输出的直流恒流电源部分的输出端需穿过用来采集电流信号的电流互感器，电流互感器经过采样处理后的输出端接至控制单元，控制单元输出控制信号至双输出的直流恒流电源部分，双输出的直流恒流电源部分的输出端经过耦合电感接至二次逆变单元，二次逆变单元中的电压、电流及温度采集电路的输出经过信号处理后的输出端接至控制单元，控制单元输出控制信号，经过二次驱动电路的调制输送至二次逆变单元中的半导体开关的触发端。
2.根据权利要求1所述的自适应性变极性等离子弧焊电源，其特征在于:所述的双输出的直流恒流电源部分包括整流滤波电路、桥式逆变电路、副边多抽头的高频变压器、整流二极管Dl、D2、D3和D4 ；380V的三相交流电输入至双输出的直流恒流电源的整流滤波电路，整流滤波电路的输出接至桥式逆变电路的输入，经过逆变得到的高频方波交流电接至副边多抽头的高频变压器的原边，经过副边多抽头的高频变压器，在副边得到电压大小不同两路输出，两路输出分别经过整流二极管D1、D2、D3和D4，得到两路性能不同的直流电输出。双输出的直流恒流电源部分的输出采用副边多抽头的高频变压器，副边多抽头的高频变压器的副边具有5个抽头形成的节点:其中原边匝数为Np，副边由节点I绕Nsl匝后抽出抽头形成节点2，由节点2沿同方向绕Ns2匝后抽出抽头形成节点3，由节点3沿同方向绕Ns2匝后抽出抽头形成节点4，由节点4沿同方向绕Nsl匝后抽出抽头形成节点5。当电源工作在变极性状态时，直流正接(DCEN)工作时电压原副边变比为Np:Ns2，直流反接(DCEP)工作时电压原副边变比为Np:(Nsl+Ns2)。上述副边多抽头的高频变压器的节点I与二极管Dl的阴极相连，节点5与二极管D4的阴极相连，二极管Dl和D4的阳极相连形成直流反接(DCEP)的负极，节点2与二极管D2的阳极相连，节点4与二极管D3的阳极相连，二极管D2和D2的阴极相连形成直流正接(DCEN)的正极，节点3在直流正接(DCEN)工作时作为直流正接(DCEN)的负极，在直流反接(DCEP)工作时作为直流反接(DCEP)的正极；直流正接(DCEN)的正极经过稱合电感L的一个线圈与二次逆变单元的上臂接线端连接,直流反接(DCEP)的负极经过耦合电感L的另一个线圈与二次逆变单元的下臂接线端连接，高频变压器的节点3连接至等离子焊枪 的钨极输出，二次逆变单元的VTl的E极和VT2的C极连接形成的中间接线端接至焊接工件输出。
3.根据权利要求1所述的自适应性变极性等离子弧焊电源，其特征在于:所述的双输出的直流恒流电源部分和二次逆变单元中间连接有耦合电感L，该耦合电感L为耦合双胞电感，耦合电感由两个匝数相同的线圈组成，具有4个端子:其中端子I和端子2属于同一个线圈，端子3和端子4属于同一个线圈，端子I与端子3是同名端，端子2与端子4是同名端.双输出的直流恒流电源部分的直流反接(DCEP)的负极与耦合电感的端子2连接，直流正接(DCEN)的正极与耦合电感的端子3连接，耦合电感的端子I和二次逆变单元的下臂接线端连接，耦合电感的端子4分别与二次逆变单元的上臂接线端连接。
4.根据权利要求3所述的自适应性变极性等离子弧焊电源的双输出的直流恒流电源部分和二次逆变单元，其特征在于:所述的双输出的直流恒流电源部分和二次逆变单元中间仅连接有一个电流互感器模块，直流正接(DCEN)的正极穿过电流互感器模块与耦合电感的端子3连接，二次逆变单元的下桥臂开关管VT2的E极经过导线与直流正接(DCEN)的正极同方向穿过同一电流互感器模块与耦合电感的端子I连接。
5.根据权利要求1所述的自适应性变极性等离子弧焊电源的二次逆变单元，其特征在于:所述的双模块单元中的二次逆变单元具有峰值保护电路，交流220V经过整流，正极连接至二极管D5的阴极、二极管D6的阳极、极性电容Cl的正极、功率电阻R2的一端，负极连接至极性电容Cl的负极、功率电阻R2的另一端，开关管VT2的E极，二极管D6的阴极连接至功率电阻Rl的一端，二极管D5的阳极连接至开关管VTl的C极，电阻Rl的另一端连接至双输出的直流恒流电源部分中的副边多抽头的高频变压器的抽头3，它们共同组成了峰值保护电路。
6.根据权利要求1所述的双模块变极性等离子弧焊电源的二次驱动电路，其特征在于:控制单元输出的一路控制信号，经过初级调制电路的调制产生两路相位相反的驱动信号，两路信号分别经过单稳态芯片，本发明采用的是双单稳态电路⑶4098芯片，⑶4098芯片的I脚和2脚间接有电容C2，⑶4098芯片的2脚接电阻RlO的一端，RlO的另一端接供电电源15V，⑶4098芯片的14脚和15脚间接有电容Cl,⑶4098芯片的14脚接电阻R8的一端，RlO的另一端接供电电源15V，通过调节或改变电容Cl和电阻R8的值，再令C2的大小与Cl相等，再令RlO的大小与R8相等，使两路信号的电平在跳转变换时刻有着2us-10us的高电平 重叠。
全文摘要
本发明是一种能够适应直流正接和直流反接电弧不同电压需求的变极性等离子弧焊电源，属于材料加工领域。三相交流电输入至双输出的直流恒流电源部分，双输出的直流恒流电源部分的输出端穿过用来采集电流信号的电流互感器，电流互感器经过采样处理后的输出端接至控制单元，控制单元输出控制信号至双输出的直流恒流电源部分，双输出的直流恒流电源部分的输出端经耦合电感接至二次逆变单元，二次逆变单元中的电压、电流及温度采集电路的输出经过信号处理后的输出端接至控制单元，控制单元输出控制信号，经过二次驱动电路的调制输送至二次逆变单元。本发明可以工作在多种模式下和适应直流正接和直流反接电弧不同电压需求，满足不同的焊接工艺需求。
文档编号B23K10/02GK103182596SQ20131008876
公开日2013年7月3日 申请日期2013年3月19日 优先权日2013年3月19日
发明者陈树君, 刘松, 王海亮, 董俊娟, 徐晶晶, 王建新 申请人:北京工业大学