级联式电焊机电源拓扑结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及级联式电焊机电源拓扑结构，其包括电焊机电源主机和送丝机；所述电焊机电源主机包括电焊机主回路、初级隔离开关电源、次级隔离开关电源、电焊机控制器和电焊机次级降压开关电源；所述送丝机包括次级降压开关电源A、次级降压开关电源B、送丝机控制器以及用于向送丝机控制器输入控制指令的人机交互界面；电焊机控制器通过通信线路与送丝机控制器连接。本发明具有体积小、低成本、低待机损耗以及高综合效率和高可靠性的优点。
【专利说明】级联式电焊机电源拓扑结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及电焊机技术，具体涉及具有外置送丝机的电焊机的供电技术。
【背景技术】
[0002]如图3所示，目前的具有送丝机的带外置送丝机的电焊机一般由电焊机电源主机和送丝机组成。电焊机电源主机通过送丝机控制线缆连接，电焊机电源主机上设置有集成有所有控制按钮的主控制面板，送丝机上设置有仅集成有电流、电压、送丝和焊接按钮的简易控制面板。送丝机的作用主要是安装焊丝，调节部分焊接参数等作用，相对于电焊机电源主机来讲，送丝机重量轻体积小，一般放置焊接施工点附近，便于焊接参数调整。电焊机主机主要是提供焊接电流及送丝机电机的控制电源，电焊机主机通过若干线缆连接到送丝机上，但是由于体积及重量比较大，一般会安装在固定的地点。送丝机电机(直流电机)的控制电路集成在电焊机主机。送丝机调速电路的模拟给定量通过长线(长度会因用户需要而改变)连接到电焊机主机上。送丝机控制通过工频变压器+晶闸管控制方案。
[0003]基于上述结构，目前的电焊机供电结构存在以下缺陷:(1)由于送丝机和电焊机主机之间的线缆连接长度不确定(一般厂家只能做到50米)，因此不同的导线长度对送丝机电机的控制精度影响不一致。(2)由于送丝机的模拟给定是通过长线缆送到电焊机主机上，线缆长度越长越容易被干扰。(3)送丝机上的模拟给定电位器及电机的控制电路是模拟电路容易受到环境污染而导致参数偏移甚至失效。(4)送丝机和电焊机主机之间控制线至少6根。(5)送丝机电机供电通过晶闸管+工频变压器方案成本高，体积大，工频变压器存在空载损耗，容易发热影响变压器寿命及浪费电能。(6)电焊机主机的主散热风扇采用多级或线性风扇调速成本较高，所以普遍采用交流风扇，无法调速，在低负载下仍然满速度运行，不利于节能环保。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提出一种级联式电焊机电源拓扑结构，其能解决现有技术出现的技术缺陷。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0006]级联式电焊机电源拓扑结构，其包括电焊机电源主机和送丝机；所述电焊机电源主机包括电焊机主回路、初级隔离开关电源、次级隔离开关电源、电焊机控制器和电焊机次级降压开关电源；所述送丝机包括次级降压开关电源A、次级降压开关电源B、送丝机控制器以及用于向送丝机控制器输入控制指令的人机交互界面；电焊机控制器通过通信线路与送丝机控制器连接；
[0007]电焊机主回路，用于将市电转换为高压直流电；
[0008]初级隔离开关电源，用于将高压直流电转换为低压直流电，并将所述低压直流电输出至低压直流母线；
[0009]次级隔离开关电源，其输入端与所述低压直流母线连接，其第一输出端与IGBT驱动电路连接，其第二输出端用于为电焊机控制器供电；
[0010]电焊机次级降压开关电源的输入端、次级降压开关电源A的输入端和次级降压开关电源B的输入端均与所述低压直流母线连接；
[0011]电焊机控制器通过电焊机次级降压开关电源对第一负载的工作状态进行控制；
[0012]次级降压开关电源A，用于为送丝机控制器和人机交互界面供电；
[0013]送丝机控制器通过第二次级降压开关电源对送丝机电机的工作状态进行控制。
[0014]优选的，电焊机次级降压开关电源、次级降压开关电源A和次级降压开关电源B均为BUCK开关电源。
[0015]优选的，所述第一负载为散热风扇。
[0016]优选的，所述电焊机电源主机还包括电焊机电子开关，电焊机控制器还用于通过电焊机电子开关控制第二负载的启闭状态。所述第二负载为电焊机气阀加热控制输出。
[0017]优选的，所述送丝机还包括送丝机电子开关，送丝机控制器还用于通过送丝机电子开关控制第三负载的启闭状态。所述第三负载为送丝机气阀。
[0018]优选的，所述电焊机主回路包括整流桥、防雷电路和软起电路，整流桥的输入端和防雷电路的输入端均与市电连接，软起电路的输入端与整流桥的负输出端连接，整流桥的正输出端和软起电路的输出端均与初级隔离开关电源的输入端连接，或者软起电路的输入端与整流桥的正输出端连接，整流桥的负输出端和软起电路的输出端均与初级隔离开关电源的输入端连接。整流桥的正输出端或负输出端还通过滤波电容与软起电路的输出端连接。
[0019]优选的，送丝机控制器还用于向电焊机控制器转发所述控制指令。
[0020]本发明具有如下有益效果:
[0021]I)无需要使用工频变压器，降低体积和成本，降低待机损耗，提高综合效率和可靠性。
[0022]2)送丝机采用独立的DC-DC降压电路(BUCK)为电机供提供精确控制电压，不受送丝机线缆长度影响。
[0023]3)本电源方案便于电机及控制电路集成于送丝机，控制更精确可靠。
[0024]4)可以实现主散热风扇无级调速。
[0025]5)可以根据负载数量，灵活调整开关电源输出的数量/功率。
[0026]6)可以保证各路电源的独立负载调整率，避免某些变压器的绕组输出在重负载的情况下影响其它绕组的输出稳压精度。
[0027]7)控制线缆仅需四根:一对线缆即可为送丝机电机、控制电路和人机交互界面提供电源。送丝机控制器和电焊机控制器之间只需要两根线缆进行通信。
[0028]8)送丝机和电焊机主机之间通过抗干扰能力很强的工业总线RS485通信，通信距离可达千米，由于用户现场线缆长度一般不会超过50米，因此电焊机控制性能基本不会受线缆长度限制。
[0029]9)其中一路开关电源输出发生短路，不会影响其他负载的工作，例如，可防止输出端子短路(气阀加热控制输出加热端子)，导致电焊机控制器掉电，从而避免主回路失控的情况。
[0030]10)由于送丝机由单独控制器控制，人机交互界面可以集成所有控制按钮，方便工人操作。
[0031]11)由于共用了主回路的防雷电路、整流桥、软起电路和滤波电容，从而降低成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为本发明较佳实施例的级联式电焊机电源拓扑结构的结构示意图(图中宽箭头表示供电关系,线条箭头表示信号控制关系)O
[0033]图2为本发明较佳实施例的送丝机拓扑结构；
[0034]图3为现有技术的电焊机拓扑结构；
[0035]图4为现有技术的推挽变换器的电路图；
[0036]图5为现有技术的半桥变换器的电路图；
[0037]图6为现有技术的全桥变换器的电路图。
【具体实施方式】
[0038]下面，结合附图以及【具体实施方式】，对本发明做进一步描述。
[0039]如图1所示，一种级联式电焊机电源拓扑结构，其包括电焊机电源主机和送丝机。
[0040]所述电焊机电源主机包括电焊机主回路、初级隔离开关电源、次级隔离开关电源、电焊机电子开关、电焊机控制器和电焊机次级降压开关电源(可采用BUCK开关电源)。所述电焊机主回路包括整流桥、滤波电容Cl、防雷电路和软起电路。
[0041]所述送丝机包括次级降压开关电源A、次级降压开关电源B、送丝机控制器、送丝机电子开关以及用于向送丝机控制器输入控制指令的人机交互界面，其中，所述控制指令由用户输入，包括给送丝机控制器和/或电焊机控制器的控制命令。
[0042]电焊机控制器通过通信线路(可采用RS485通信线)与送丝机控制器连接。
[0043]整流桥的输入端和防雷电路的输入端均与市电连接，软起电路的输入端与整流桥的负输出端连接，整流桥的正输出端和软起电路的输出端均与初级隔离开关电源的输入端连接。整流桥的正输出端还通过所述滤波电容Cl与软起电路的输出端连接。
[0044]电焊机主回路，用于将市电转换为高压直流电。
[0045]初级隔离开关电源，用于将高压直流电转换为低压直流电，并将所述低压直流电输出至低压直流母线。
[0046]次级隔离开关电源(可以采用单端反击开关电源)，其输入端与所述低压直流母线连接，其第一输出端与IGBT驱动电路连接，其第二输出端用于为电焊机控制器供电。其中，若IGBT驱动电路有多个，则第一输出端包括的输出绕组数量与IGBT驱动电路的数量一致，第一输出端用于驱动IGBT驱动电路和为其提供工作电压。同样的，第二输出端也可以包括至少一个输出绕组。
[0047]电焊机次级降压开关电源的输入端、次级降压开关电源A的输入端和次级降压开关电源B的输入端均与所述低压直流母线连接。
[0048]电焊机控制器通过电焊机次级降压开关电源对散热风扇的工作状态进行控制。电焊机控制器还用于通过电焊机电子开关控制电焊机气阀加热控制输出或电焊机其他的负载的启闭状态。低压直流母线上还可以连接多个电焊机电子开关，以扩展用户连接其他负载。
[0049]次级降压开关电源A，用于为送丝机控制器和人机交互界面供电。
[0050]送丝机控制器通过次级降压开关电源B对送丝机电机的工作状态进行控制。送丝机控制器还用于通过送丝机电子开关控制送丝机气阀或送丝机其他的负载的启闭状态。若所述控制指令是需要给电焊机控制器的，那么送丝机控制器还用于向电焊机控制器转发所述控制指令。
[0051]本实施例的电焊机次级降压开关电源、次级降压开关电源A和次级降压开关电源B均采用BUCK开关电源。
[0052]如图2所示，本实施例的电焊机电源主机无需控制面板，送丝机的人机交互界面可设置所有控制按钮。
[0053]本实施例的工作原理如下:
[0054]2相/3相的交流电(即市电)接入整流桥进行整流，整流桥的负输出端连接到软起电路,整流桥的正输出端和软起电路的输出端经过滤波电容Cl滤波之后给电焊机主功率输出回路和初级隔离开关电源供电。防雷电路主要用于吸收电网的浪涌保护整流桥及其之后的电路模块。电焊机主功率输出回路可以是常用的全桥变换器(图6)、半桥变换器(图5)或推挽变换器(图4)。电焊机主功率输出回路与电焊机主功率输出端子连接。电焊机控制器对电焊机主功率输出回路输出PWM信号以对其进行工作状态的控制。
[0055]初级隔离开关电源的作用是将高压直流电压转换为安全的低压直流电压(例如，24V，36V或48V，具体电压可以依据总体成本而选择最优输出电压)并且提供原、副边的基本绝缘或双重绝缘，输出为直流安全电压(低于50V)。本实施例的初级隔离开关电源采用单路输出，以保证在重载条件下各路输出电压的调整率，降低变压器的复杂度提高可靠性。同时，单一绕组设计便于模块化设计变压器等关键器件可以在整个系列电焊机复用，提高元器件及电路的复用率，减少电路调试时间，降低整体物料和开发成本。
[0056]次级开关电源采用隔离型或非隔离的开关电源电路，为电焊机各种负载提供独立电源。例如，在电焊机主机中，采用次级隔离开关电源，为IGBT驱动电路提供独立的隔离驱动电源，同时提供电焊机控制器所需的电源，如:+/_15V，+5V等。由于IGBT驱动电路和电焊机控制器负载较轻及各路负载比较均匀，可以实现一致性较好的负载调整率，保证IGBT驱动电路的供电电压精度和稳定性，使电路工作更可靠。
[0057]电焊机次级降压开关电源、次级降压开关电源A和次级开关电源B(BUCK)可以通过参考电压调整输出电压，实现输出功率/电流的调整。此类电源适用于需要动态变化的负载，例如散热风扇及送丝机电机等。
[0058]所有次级开关电源同样采用模块化设计，在所有电焊机中可以通用，不同输出功率电源只需更换相关功率器件，增加产品的元件复用率降低成本，减少调试时间。
[0059]电子开关(包括电焊机电子开关和送丝机电子开关)可以为电焊机和送丝机某些负载直接供电，例如，如果低压直流母线输出电压是36V，可以直接为送丝机里的标称电压为36V的气阀供电。所述电子开关可以是继电器或者开关器件。
[0060]本实施例由电焊机控制器(包括MCU及其外围电路)和送丝机控制器(包括MCU及其外围电路)作为控制系统的核心，电焊机控制器负责电焊机主机的所有焊接控制功能，送丝机控制器负责送丝机的所有控制功能(人机交互界面的指令响应、对电焊机电源主机发送指令和送丝机电机速度控制等)。
[0061]送丝机控制器和电焊机控制器之间通过工业现场总线RS485通信，用户设定的给定量和控制指令(例如输出电压、电流、收弧电压、电流、开机和关机等)通过数据包形式发送到电焊机控制器上。同时，送丝机控制器同时根据用户设定的给定量调整送丝机电机的转速，达到控制焊丝速度的作用。
[0062]此外，人机交互界面可以集成所有电焊控制功能，用户在工作过程无需在电焊机主机上进行操作，十分方便。
[0063]本实施例具有如下特点:
[0064]I)使用开关电源代替工频变压器，降体积小和成本，降低待机损耗，提高综合效率和可靠性。
[0065]2)提高各路电源的稳压精度及负载调整率。
[0066]3)提高送丝机的送丝精度及长期工作的可靠性。
[0067]4)在送丝机上集成MCU及完整控制面板(即人机交互界面)，提供更灵活功能及提高用户操作便利性。
[0068]5)在较低的成本下可实现散热风扇无级/多级调速。
[0069]6)可以根据负载数量，灵活调整开关电源输出的数量/功率。
[0070]7)减少送丝机控制线缆数量。
[0071]8)提高送丝机电机控制回路的抗干扰性能。
[0072]9)开关电源有短路保护功能，其中一路开关电源输出发生短路，其他负载仍然可以正常工作(例如，电焊机主机外部的气阀加热端子发生短路，电焊机控制器仍然可以及时关闭所有输出，并发出警告)。
[0073]对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
【权利要求】
1.级联式电焊机电源拓扑结构，其特征在于，包括电焊机电源主机和送丝机；所述电焊机电源主机包括电焊机主回路、初级隔离开关电源、次级隔离开关电源、电焊机控制器和电焊机次级降压开关电源；所述送丝机包括次级降压开关电源A、次级降压开关电源B、送丝机控制器以及用于向送丝机控制器输入控制指令的人机交互界面；电焊机控制器通过通信线路与送丝机控制器连接； 电焊机主回路，用于将市电转换为高压直流电； 初级隔离开关电源，用于将高压直流电转换为低压直流电，并将所述低压直流电输出至低压直流母线； 次级隔离开关电源，其输入端与所述低压直流母线连接，其第一输出端与IGBT驱动电路连接，其第二输出端用于为电焊机控制器供电； 电焊机次级降压开关电源的输入端、次级降压开关电源A的输入端和次级降压开关电源B的输入端均与所述低压直流母线连接； 电焊机控制器通过电焊机次级降压开关电源对第一负载的工作状态进行控制； 次级降压开关电源A，用于为送丝机控制器和人机交互界面供电； 送丝机控制器通过第二次级降压开关电源对送丝机电机的工作状态进行控制。
2.如权利要求1所述的级联式电焊机电源拓扑结构，其特征在于，电焊机次级降压开关电源、次级降压开关电源A和次级降压开关电源B均为BUCK开关电源。
3.如权利要求1所述的级联式电焊机电源拓扑结构，其特征在于， 所述第一负载为散热风扇。
4.如权利要求1所述的级联式电焊机电源拓扑结构，其特征在于， 所述电焊机电源主机还包括电焊机电子开关，电焊机控制器还用于通过电焊机电子开关控制第二负载的启闭状态。
5.如权利要求4所述的级联式电焊机电源拓扑结构，其特征在于， 所述第二负载为电焊机气阀加热控制输出。
6.如权利要求1所述的级联式电焊机电源拓扑结构，其特征在于， 所述送丝机还包括送丝机电子开关，送丝机控制器还用于通过送丝机电子开关控制第三负载的启闭状态。
7.如权利要求6所述的级联式电焊机电源拓扑结构，其特征在于， 所述第三负载为送丝机气阀。
8.如权利要求1所述的级联式电焊机电源拓扑结构，其特征在于， 所述电焊机主回路包括整流桥、防雷电路和软起电路，整流桥的输入端和防雷电路的输入端均与市电连接；软起电路的输入端与整流桥的负输出端连接，整流桥的正输出端和软起电路的输出端均与初级隔离开关电源的输入端连接，或者软起电路的输入端与整流桥的正输出端连接，整流桥的负输出端和软起电路的输出端均与初级隔离开关电源的输入端连接。
9.如权利要求8所述的级联式电焊机电源拓扑结构，其特征在于，整流桥的正输出端或负输出端还通过滤波电容与软起电路的输出端连接。
10.如权利要求1所述的级联式电焊机电源拓扑结构，其特征在于，送丝机控制器还用于向电焊机控制器转发所述控制指令。
【文档编号】B23K9/12GK104400186SQ201410709632
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】郭智峰 申请人:郭智峰