专利名称：不锁相多脉宽调制低中频弧焊逆变器的制作方法
技术领域：
本实用新型为一种逆变型弧焊电源。
现有弧焊逆变器一直沿用单脉冲调制的方案制造，用调频或调脉冲宽度的方法使逆变开关管的通断比发生变化来调控平均输出电压的大小，从而实现整机的外特性控制(见焊接手册第一卷，机械工业出版社92年版)。
现有弧焊逆变器的主要缺点是1、输出的电压只能是正负脉冲有间隔的交流方波或经输出整流器整流后输出有间隔的直流方波，而且平均输出电压越低、脉冲之间的间隔越大，很显然用这种方波直接做交流弧焊电源将存在正负半周电压不衔接的缺陷，(见弧焊整流电源及控制§3-3，机械工业出版社83年版)；2、为提高效率和反应速度，现有弧焊逆变器的中频频率一般都选在3000HZ以上，这样不仅提高了对输出变压器及输出整流器的技术要求，直接提高了整机生产成本，也固输出电焊把线存在一定的电感，而使整机更不便直接工作在交流焊接状态。
本实用新型的目的是研制一种多脉宽调制的弧焊逆变器，改进现有弧焊逆变器的上述缺点，并降低生产成本。
本实用新型的技术解决方案是设计一种不锁相多脉宽调制低中频弧焊逆变器主要由输入整流器、滤波器、绝缘栅功率晶体管组成的串联对称全桥逆变开关、逆变输出变压器以及电子控制电路组成；其主要技术特征是所述绝缘栅功率晶体管组成的串联对称全桥逆变开关的两个相邻桥臂开关管T1、T3的栅极、分别通过电子控制电路中的低中频矩形波驱动器的输出隔离变压器B2的两组次级线圈、接有该低中频矩形波驱动器所输出的200HZ到1000HZ可选频率范围中某一选定频率的非可调制的驱动电压；而所述绝缘栅功率晶体管组成的串联对称全桥逆变开关的另外两个桥臂开关管T2、T4的栅极确分别通过各自电源悬浮的独立驱动电路IC2、IC3接有从电子控制电路中的开关脉宽调制器输出的2KHZ到20KHZ可选频率范围中某一选定频率的脉宽受控调制驱动电压；并且该开关脉宽调制器的选定频率和上述低中频矩形波驱动器的选定频率之间相互独立、互不锁相；但是上述开关管T2、T4各自栅极所接的电源悬浮的独立驱动电路IC2、IC3是轮换工作的，其轮换工作的驱动，确同样通过电子控制电路中的低中频矩形波驱动器的输出隔离变压器B2的另外两组次级线圈，接有和全桥逆变开关两个相邻桥臂开关管T1、T3的栅极同频的驱动电压，并且该输出隔离变压器B2的4组次级线圈电压按全桥逆变常规，两两对应同相驱动对称逆变全桥的对角桥臂。
这样，低中频矩形波驱动器驱动逆变电路换向，开关脉宽调制器调控输出电压大小，共同作用而输出一个多脉宽调制的低中频交变电压。
上述技术解决方案中所说的绝缘栅功率晶体管T1、T2、T3、T4可以选用IGBT管或IGBT管组或IGBT管功率模块。
上述技术解决方案中所说的对称全桥逆变开关另外两个桥臂的开关管T2、T4的各自栅极所接的电源悬浮的独立驱动电路IC2、IC3可以选用市售成品IGBT集成驱动电路EXB840或EXB841。
上述技术解决方案中所说的电子控制电路中的低中频矩形波驱动器可以由时基集成电路IC1与倒相及推挽输出电路以及推挽输出隔离变压器B2共同组成；时基电路和推挽输出电路之间可以用电容C15、C16、二级管D13、D16交联耦合，时基集成电路可以选用555通用时基集成电路。
上述技术解决方案中所说的电子控制电路中的开关脉宽调制器可以由开关脉宽调制集成电路GL2842及外围电路组成。
上述技术解决方案中所说的逆变输出变压器B3可以由优质冷轧硅钢片按常规方法制作。
本实用新型和现有技术相比的主要优点是1、输出电压正负半用之间的间隔时间不随输出电压或电流的大小而变化，便于直接工作在交流焊接状态。2、反馈响应速度和逆变输出频率无关，便于在兼顾效率及反应速度的情况下制作成低中频输出，降低整机成本。3、输出电压正负半周的对称性可用电子控制电路调整，便于消除逆变输出变压器中的直流成分。
附图描述了本实用新型的一个优选实施例。
图1、为本实施例的电路原理图；图2、为本实施例所选用的脉宽调制集成电路GL2842的内部电路原理框图；图3、为本实施例的产品安装结构示意简图。
下面将结合附图详细叙述本实用新型的实施例参见
图1，X1、X2、X3为工频三相电源接线端子。
主电路自动空气开关K1闭合后，工频三相交流电进入二极管D2×6组成的三相全波整流电路整流，整流后的脉动直流电压经串联电容C2、C3、均压电阻R2、R3组成的简单滤波电路后直接供给由IGBT绝缘栅功率晶体管T1、T2、T3、T4及附属电路组成的串联对称全桥逆变开关电路；电阻R9、R10、R12、R15分别为上述T1、T2、T3、T4开关管的栅极泄放电阻，主要做用是降低各自开关管栅极的输入阻抗，防止栅极振荡及栅极瞬变过电压；电阻R4、R5、R6、R7电容C4、C5、C6、C7二极管D3、D4、D5、D6分别组成4个典型的放电抑制型RCD缓冲电路，分别缓冲各自开关管的开关浪通电压；D7、R8和D8、R11二级管电阻并联电路分别串接在全桥逆变开关相邻桥臂开关管T1、T3的栅极回路里，主要做用是延长各自开关管的开通时间而不影响其关断时间，以免在换向瞬间造成共态短路。B2为电子控制电路中的低中频矩形波驱动器的输出隔离变压器，正常工作时，隔离变压器B2的4组次级线圈电压分别作用于全桥逆变开关电路的4个桥臂，但对不同桥臂开关管的做用是不同的对相邻桥臂T1、T3开关管，设B2两组次级线圈电压分别于低中频矩形波正半周时开通T1、关断T3，于低中频矩形波负半周时开通T3、关断T1；而对另外两个桥臂开关管T4、T2来说，B2另外两组次级线圈电压在同样低中频矩形波正负半周时只是对应开通T4、T2开关管各自栅极电路上所接的电源悬浮的独立驱动电路IC3、IC2中各自光耦输入回路中串接的晶体开关三极管T5、T6，从而为电子控制电路中的开关脉宽调制器输出的脉宽调制电压选择好方向，而实际对应的T4、T2开关管能否开通，每半个周期开通关断多少次，每次的脉宽是多少，均需决定于开关脉宽调制器输出的脉宽调制驱动电压及频率。在本实施例中，电子控制电路中的低中频矩形波驱动器的选定频率为200HZ±5％，而电子控制电路中的开关脉宽调制器的选定频率为8KHZ±20％，因此在低中频矩形波的每半个周期中大约有20个脉宽调制脉冲；这里说大约，是因为本实用新型的低中频矩形波驱动器所选频率和开关脉宽调制器所选频率相互独立、互不锁相，所以两种频率各自允许有一定的频率飘移。
主回路对称全桥逆变开关，由于同时受到电子控制电路中的低中频矩形波驱动器输出的驱动电压的换向和电子控制电路中的开关脉宽调制器的多脉宽调制，从而逆变输出一个多脉宽调制的交变矩形波。该交变矩形波经逆变输出变压器B3的初次级变压，B3漏感和电容C1高频滤波后，即可输出，供弧焊使用。
主回路中，电阻R13、R14分别为晶体开关三极管T5、T6的基极限流电阻，R16、R17分别为晶体开关三极管T5、T6的集电极限流电阻，电容C8、C9分别为电源悬浮的独立驱动电路IC2、IC3中负电压滤波电容，电阻R1串接在主回路直流供电回路中作为电流取样电阻。
电子控制电路中电源变压器B1的初级线圈通过钥匙开关K2和控制电路总保险RD1而接在工频相电压上，B1次级分三组，输出均为交流24V其中二组分别通过二极管D9×4、D10×4全波整流，电容C23、C25滤波，三端集成稳压器IC5、IC6稳压后输出二组相同的悬浮电压V1、V′1和V2、V′2，分别给电源悬浮的独立驱动电路IC2、IC3供电；二极管D18、D19、D20和D21、D22、D23分别串在三端集成稳压器IC5、IC6的接地通路里，作用是提高稳压输出电压，电容C26、C24分别为两组悬浮电压的输出滤波电容；B1下余一组的输出电压经二极管D11×4全波整流，电容C10滤波后，经由复合三极管T7、电阻R18、稳压二极管D12、电容C11、C19组成的典型串连稳压电路稳压后，输出直流18V稳定电压、供控制电路下余部分使用。
电子控制电路中的低中频矩形波驱动器主要由下述电路组成由555时基集成电路IC1和滤波电容C17、充放电可调电阻R24、充放电电容C18、可调电阻R25组成一个典型的对称方波发生器，微调电阻R25可以有限调整高低电平输出的对称性，避免主回路逆变输出变压器输出直流成分。由晶体三极管T8、T9和输出隔离变压器B2组成推挽输出电路。其工作过程是当时基电路IC1输出高电平时，电流通过限流电阻R23、耦合电容C16推动晶体管T9开通；当时基电路IC1输出低电平时，通过晶体管r10倒相，电流通过限流电阻R21、耦合电容C15推动晶体管T8开通；T8、T9周期轮换开通，完成推挽输出任务。其中R22为倒相晶体管T10的基极限流电阻；D16、D17为耦合电容C16的放电二极管；D13为耦合电容C15的放电二极管，电容C13、C14为输出换向微分电容，电阻R35、R34为输出换向微分电阻，经过二极管D14、D15，将该低中频矩形波驱动器输出换向瞬间所产生的正向脉冲分离出来输往电子控制电路中的开关脉宽调制器，以便及时关断开关脉宽调制器，确保主回路逆变全桥正常换向。
按本实施例提供的阻容数值，该低中频矩形波驱动器的驱动频率为200HZ±5％，如驱动频率不正确，应微调可调电阻R24，使驱动频率准确；换向微分脉冲宽度约为50μS。
电子控制电路中的开关脉宽调制器主要由开关脉宽调制集成电路IC4及其外围元件组成电感L1、电容C20组成供电滤波电路；电容C21为IC4内基准电压滤波电容；电阻R26、电容C22为IC4的时基振荡电阻电容。按本实施例所给的阻容数值，本开关脉宽调制器的开关频率约为8000HZ左右，该频率因和上述低中频矩形波驱动器的驱动频率相互独立，互不锁相，所以如有较大误差，也不影响正常工作，可以不调。电阻R27为集成电路IC4内输入运算放大器的负反馈电阻，电阻R30、R31为上述输入运算放大器的输入电阻，电阻R28、R29、电位器W1串接在电子控制电路的正电源和地之间，使电位器W1滑动臂电位能在5V到2.5V之间调整，该电位通过电阻R30和主电路电流取样电阻R1上的电位相加、共同作用于IC4输入端完成电流调控。电阻R33、R32的作用是将从电子控制电路中低中频矩形波驱动器输过来的输出换向正向脉冲分压后输入开关脉宽调制集成电路IC4的过流保护输入端，模拟过流电压，关断IC4输出，以便和低中频矩形波驱动器输出的换向驱动电压共同配合，确保主回路逆变全桥同步换向。
在电子控制电路中由单向可控硅SCR、电阻R19、R20、电容C12组成整机过流保护电路，如因某种原因，整机电流过大，电阻R1上电压降上升过限，该电压经电阻R19、R20分压，电容C12适当延时后将触发单向可控硅SCR，进而关断电子控制电路总电源、保护整机不致使故障扩大。按本实施例所给阻容数值，主逆变初级回路电流大于40A时，将可靠触发可控硅SCR，进而关断整机。
并联在电子控制电路电源变压器B1初级的F为整机散热风扇。逆变输出变压器B3次级串联有输出电流表A，用来指示焊接电流大小。
本实施例选用的脉宽调制集成电路IC4为GL2842，其内部电路原理框图可参见图2。其中1脚内部误差放大器输出端，通常此脚与2脚之间接有反馈网络，以确定内部误差放大器的增益和通带。2脚反馈电压输入端，此端电压与内部2.5V基准电压进行比较，产生控制电压。控制输出脉冲宽度，3脚过流保护输入端，通常此脚输入电流取样电阻上的电压，当此电压超过1.2V时，即关断输出脉冲。4脚定时端，本实施例此脚外接定时电阻R26，定时电容C22，振荡频率F＝1.8/R26.C22。5脚地。6脚输出端。此端内部为图腾柱式，瞬时驱动能力为±1A，可直接驱动1至2个IGBT管。7脚供电输入。8脚基准电压输出，此端可输出精确的5V基准电压，供定时电阻、电容使用。
本实施例选用的其它元件器件技术数据如下①集成电路IC2、IC3为成品IGBT集成驱动电路EXR840，IC1为时基集成电路NE555，IC5、IC6为三端集成稳压器7818。
②电子控制电路电源变压器B1，选用GEIB-30型硅钢片，叠厚42mm，初级用Φ0.28漆包线绕1360匝，接380V相电压；三组次级绕组分别用Φ0.56漆包线各绕90匝，输出均为交流24V。低中频矩形波驱动器的输出隔离变压器B2选用GEI-12型硅钢片，叠厚18mm，初级用Φ0.18漆包线绕240匝，中心抽头，4组次级有2组用Φ0.18漆包线各绕105匝，用于直接驱动对称全桥开关管T1、T3；另外2组用Φ0.18漆包线各绕21匝，用于控制开关三极管T5、T6的通断。
上述变压器B1、B2的各绕组间均应整二层以上电容器纸，组间耐压应大于1000V。
③逆变输出变压器B3选用D310-0.35冷轧硅钢片裁制，舌宽48mm，叠厚70mm，净截面30cm2，窗口截面取40×160mm，初级用2.44×4.1双玻丝漆包线绕156匝，分5层绕制，次级用4.7×13.5双玻丝漆包线绕20匝，分2层绕制，初次级间用5×10×160mm长条形胶木绝缘条14条左右隔离，总重约为17公斤，变比约为8∶1。
④绝缘栅功率晶体管T1、T2、T3、T4选用2MBI100-120型IGBT半桥功率模块；晶体三极管T5、T6、T8、T9、T10选用南韩9014型低频小功率晶体三极管，T7选用BU806达林顿管；二极管D2×6选用三相全桥整流模块DF30AA-120，D3、D4、D5、D6选用FR307快恢复二极管，D7、D8、D13、D14、D15、D16、D17、D18、D19、D20、D21、D22、D23选用1N4148普通硅二极管，D9×4，D10×4、D11×4选用1N4007整流二极管、D12选用1W18V玻封稳压二极管；可控硅SCR选用1A/300V以上的单向可控硅MCR100-B。
⑤大功率电阻R2、R3为5W18K、R4、R5、R6、R7为5W300Ω，R1为100W0.1Ω。
⑥普通1/2W电阻R9、R10、R12、R15、R19、R21、R22、R23、R32为3K，R8、R11为100Ω，R13、R14、R16、R17为2.4K，R18为300Ω、R20、R28为1K，R24为可调22K，R25为可调220K，R26、R30、R31为20K，R27为200K，R29、R34、R35为5.1K，R33为30K，W1为1K直线型电位器。
⑦高耐压电容C2、C3为1000μF/450V，C4、C5、C6、C7为0.1μF/2KV，C1为100μF/160V，C10为470μF/50V，C23、C25为47μF/50V。
⑧25V耐压电容C8、C9、C11、C15、C16为10μF，C12、C13、C14、C17、C21、C22为0.01μF，C18、C24、C26为0.47μF，C19、C20为100μF。
⑨其它配件K1为DZ5-50型空气开关、脱扣电流40A；RD1为1A熔断器；F为380V250mm排风扇；A为C44型300A交流电流表，L1为0.47MH电感，K2为LA18-22型钥匙开关。
图3为本实施例的安装结构示意简图其中1、安装有主电路三相整流全桥及IGBT逆变开关半桥模块的散热板。2、主电路滤波电容C2、C3。3、逆变输出变压器B3。4、电子控制电路电源变压器B1。5、电子控制电路板。6、输出滤波电容C1。7、钥匙开关K2。8、电流调整电位器W1。9、排风扇。10、电流表。
安装时应注意使主回路接线尽量短直，所有IGBT逆变开关管外围联接的元器件应单独制做电路板分别围绕各自开关管的栅极就近安装，主回路滤波电容C2、C3应单独用较粗接线联接在两个IGBT逆变开关半桥的上下供电中点。电容C1应使用无极性电容。电流取样接线应紧换取样电阻R1两端联接。电子控制电路板应适当屏闭起来，避免电磁干扰。
本实施例电子控制电路安装调整比较简单元件安装无误后，用频率计监视调整可调电阻R24，使低中频矩形波驱动器输出频率为200HZ±5％，然后用示波器监视调整可调电阻R25，使低中频矩形波驱动器输出波形正负对称，即可投入试用。
本实施例输出空截电压为60V，电流调整范围为20A-200A，200A输出暂载率为60％，电流反馈响应速度小于1ms。使用时，接通自动空气开关K1，打开钥匙开关K2，旋动电位器W1调整好所需电流，即可和普通手弧焊机一样使用。
权利要求1.一种不锁相多脉宽调制低中频弧焊逆变器主要由输入整流器、滤波器、绝缘栅功率晶体管组成的串联对称全桥逆变开关、逆变输出变压器以及电子控制电路组成；其特征是所述绝缘栅功率晶体管组成的串联对称全桥逆变开关的两个相邻桥臂开关管T1、T3的栅极、分别通过电子控制电路中的低中频矩形波驱动器的输出隔离变压器B2的两组次级线圈、接有该低中频矩形波驱动器所输出的200HZ到1000HZ可选频率范圈中某一选定频率的非可调制的驱动电压；而所述绝缘栅功率晶体管组成的串联对称全桥逆变开关的另外两个桥臂开关管T2、T4的栅极确分别通过各自电源悬浮的独立驱动电路IC2、IC3接有从电子控制电路中的开关脉宽调制器输出的2KHZ到20KHZ可选频率范围中某一选定频率的脉宽受控调制驱动电压；并且该开关脉宽调制器的选定频率和上述低中频矩形波驱动器的选定频率之间相互独立、互不锁相；但是上述开关管T2、T4各自栅极所接的电源悬浮的独立驱动电路IC2、IC3是轮换工作的，其轮换工作的驱动，确同样通过电子控制电路中的低中频矩形波驱动器的输出隔离变压器B2的另外两组次级线圈、接有和全桥逆变开关两个相邻桥臂开关管T1、T3的栅极同频的驱动电压，并且该输出隔离变压器B2的4组次级线圈电压按全桥逆变常规，两两对应同相驱动对称逆变全桥的对角桥臂。
专利摘要不锁相多脉宽调制低中频弧焊逆变器主要由1、输入整流器,2、滤波器,3、对称全桥逆变开关,4、逆变输出变压器,5、低中频矩形波驱动器,6、取样电路,7、给定电路,8、开关脉宽调制器等部分组成;其中低中频矩形波使对称全桥逆变换向,而开关脉宽调制器使低中频得到多脉宽调制,因而输出波形正负间隔不随给定电压高低变化,便于做交流逆变弧焊;使用低中频,也使输出变压器及后续整流器降低了成本。
文档编号B23K9/09GK2294807SQ9721223
公开日1998年10月21日 申请日期1997年3月12日 优先权日1997年3月12日
发明者石望东 申请人:石望东