專利名稱：一種高頻igbt逆變式埋弧焊接電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及高頻IGBT逆變技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種高頻IGBT逆 變埋弧焊接電源。
背景技術(shù)：
目前，在埋弧焊領(lǐng)域，由于其工藝所需要的大電流、大功率，國內(nèi)外傳 統(tǒng)的埋弧焊電源主要以硅整流和晶閘管整流式為主，整流式電源工作相對可 靠，技術(shù)上也比較成熟，但設(shè)備體積龐大、笨重、能耗低、效率低，且由于 '其結(jié)構(gòu)原因，動靜態(tài)特性方面也不夠理想。晶體管式弧焊逆變器的出現(xiàn)，雖 然提高了逆變頻率，且有利于提高效率、減小體積重量，但是存在二次擊穿 和需要較大的電流驅(qū)動。大功率場效應(yīng)管弧焊逆變器只需要極微小的電流就 能實現(xiàn)開關(guān)控制，而且速度更快、無二次擊穿。但場效應(yīng)管也存在著一定的 不足之處，其推廣應(yīng)用受到限制。具體說來，大功率場效應(yīng)管弧焊電源主要 存在以下幾個方面的問題(1) 單管容量小。耐高壓(800V以上)僅有數(shù)安培，需采用多管并聯(lián)， 生產(chǎn)和調(diào)試較麻煩。弧焊電源的使用環(huán)境惡劣，有些焊接現(xiàn)場是二十四小時 連續(xù)作業(yè)，所以對其可靠性要求非常高。目前，硬開關(guān)逆變弧焊電源由于高 頻寄生振蕩、負(fù)載頻繁復(fù)雜變化、電磁干擾、偏磁等原因，特別是大功率焊 接條件下，弧焊電源存在可靠性不夠的問題。(2) 管子功率損耗較大。場效應(yīng)管由于通態(tài)電阻比較大，飽和壓降一般 在3 4V以上，導(dǎo)通管子功率損耗比較大。(3) 場效應(yīng)管的耐高壓性能較差。(4) 不易實現(xiàn)焊接電源的大功率大電流化。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提出 一種高頻IGBT逆變埋弧焊接電源，效率髙達(dá)90%，沖擊電流小，可靠性髙， 節(jié)能，焊接速度快，焊接工藝可實現(xiàn)多參數(shù)優(yōu)化匹配，焊接質(zhì)量高，并減少
對電網(wǎng)的干擾，適合大功率焊接。本實用新型的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)所述一種高頻IGBT逆變埋弧 焊接電源，包括機箱和內(nèi)置電路，所述內(nèi)置電路包括兩組結(jié)構(gòu)相同的相互并 聯(lián)的主機電源電路，所述主機電源電路包括主電路和反饋閉環(huán)控制電路構(gòu)成， 所述主電路由整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊和整流平滑模塊 依次連接組成，所述整流濾波模塊外接三相交流輸入電源，所述整流平滑模塊外接負(fù)載；所述反饋閉環(huán)控制電路由平均電流電壓檢測模塊、比較器、控制系統(tǒng)、脈寬調(diào)制模塊和高頻驅(qū)動模塊依次連接組成，所述平均電流電壓檢 測模塊一端與負(fù)載相連接，另一端與比較器輸入端相連接，所述比較器另一 輸入端連接焊接參數(shù)給定模塊，所述比較器輸出端與控制系統(tǒng)相連接，所述高頻驅(qū)動模塊與高頻逆變模塊相連接；所述兩組主機電源電路的控制系統(tǒng)通 過程序控制模塊相連接。為了更好地實現(xiàn)本實用新型，所述主電路還包括安全保護電路，所述安 全保護電路包括網(wǎng)壓檢測模塊、電壓保護模塊依次連接組成，所述網(wǎng)壓檢測 模塊一端外接三相交流電源，另一端與電壓保護模塊連接，所述電壓保護模 塊與脈寬調(diào)制模塊相連接。本實用新型的設(shè)計原理為本實用新型采用IGBT逆變技術(shù)，其單管或者 模塊的容量比較大，耐壓達(dá)1200V以上，電流容量可達(dá)600A，特別適合較大 功率焊接應(yīng)用場合。飽和壓降比較低，有利于減少管子功率損耗。本實用新 型由兩個主機電源電路相互并聯(lián)組成，主電路結(jié)構(gòu)相同，程序控制模塊調(diào)節(jié) 輸出電流以及外端顯示。三相工頻交流電經(jīng)過整流濾波模塊后成為平滑直流 電后進(jìn)入高頻逆變模塊，然后通過功率變壓模塊、整流平滑模塊進(jìn)入負(fù)載。 與此同時，控制系統(tǒng)根據(jù)平均電流電壓檢測模塊檢測到負(fù)載的電流、電壓信 號與焊接參數(shù)給定模塊給定的參數(shù)進(jìn)行比較，經(jīng)過控制系統(tǒng)的模糊控制算法 運算，發(fā)給脈寬調(diào)制模塊一個信號，脈寬調(diào)制模塊根據(jù)控制系統(tǒng)的算法產(chǎn)生 兩路PWM信號，這兩路PWM信號通過高頻驅(qū)動模塊放大去控制高頻逆變模 塊的開關(guān)管開通和關(guān)斷，從而得到20KHz高頻高Jdi電，高頻高壓電再經(jīng)過功 率變壓模塊轉(zhuǎn)換成符合焊接工藝要求的大電流低電壓的焊接電流，再經(jīng)過整 流平滑模塊得到更加平滑的悍接電流，也就是反饋模糊閉環(huán)控制過程；網(wǎng)壓 檢測模塊檢測三相工頻電壓，把檢測到的電壓信號送給電壓保護模塊，如出 保護模塊將送給脈寬調(diào)制模塊一個信號，產(chǎn)生低 電平通過高頻驅(qū)動模塊關(guān)斷高頻逆變模塊的開關(guān)管，保護主電路安全工作。 本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如—卜.優(yōu)點和有益效果1、 本實用新型采用先進(jìn)的高頻IGBT逆變技術(shù)，效率高達(dá)90%，沖擊電 流很小，可靠性髙，節(jié)能，體積小，重量輕，移動方便。2、 本實用新型的控制核心，易于實現(xiàn)多特性和多功能，以及多種焊接材料的轉(zhuǎn)換， 一元化調(diào)節(jié)、自動匹配焊接參數(shù)，操作簡單、快捷。3、 本實用新型采用數(shù)字化動特性控制技術(shù)，系統(tǒng)具有良好的動特性，引 弧迅速，準(zhǔn)確。具備自動電網(wǎng)波動補償功能——電網(wǎng)波動±15%不影響焊機正 常工作。


圖1是本實用新型的電路方框圖； 圖2是本實用新型的主電路原理圖；圖3是本實用新型的主電路中高頻逆變模塊的電路原理圖； 圖4是本實用新型的主電路中整流濾波模塊的電路原理圖； 圖5是本實用新型的脈寬調(diào)制模塊和高頻驅(qū)動模塊的電路原理圖； 圖6是本實用新型的安全保護電路的電路原理圖； 圖7是本實用新型的控制系統(tǒng)的電路原理圖； 圖8是本實用新型的程序控制模塊的電路原理圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本實用 新型的實現(xiàn)方式并不限于此。如圖1所示，本實用新型所述一種IGBT逆變埋弧焊接電源包括機箱和內(nèi)置電路，內(nèi)置電路包括兩組結(jié)構(gòu)相同的相互并聯(lián)的主機電源電路，主機電源 電路包括主電路和反饋閉環(huán)控制電路構(gòu)成。主電路由依次連接的整流濾波模 塊10K高頻逆變模塊102、功率變壓模塊103和整流平滑模塊104組成。整流 濾波模塊101與三相交流輸入電源相連接，整流平滑模塊104與負(fù)載(焊接電 弧)相連接。反饋閉環(huán)控制電路包括平均電流電壓檢測模塊109、焊接參數(shù)給 定模塊IIO、比較器113、控制系統(tǒng)lll、脈寬調(diào)制模塊107和高頻驅(qū)動模塊108， 電流電壓檢測模塊109—端與負(fù)載相連接，另一端與比較器113輸入端相連接，
焊接參數(shù)給定模塊110與比較器113另一輸入端相連接，比較器113輸出端與控制系統(tǒng)111相連接，控制系統(tǒng)111與脈寬調(diào)制模塊107相連接，脈寬調(diào)制模塊107 與高頻驅(qū)動模塊108相連接，高頻驅(qū)動模塊108與高頻逆變模塊102相連接。-)-: 電路還包括安全保護電路，該電路包括網(wǎng)壓檢測模塊105、電壓保護模塊106; 網(wǎng)壓檢測模塊105—端與接入的三相交流電源連接，另一端與電壓保護模塊 106連接，電壓保護模塊106與脈寬調(diào)制模塊107連接。兩組控制系統(tǒng)之間通過 程序控制模塊112相連接。網(wǎng)壓檢測模塊105檢測三相交流輸入電壓，為常用 的電壓檢測裝置。電壓保護模塊106為一常用的比較器，實現(xiàn)欠壓或者過壓保 護。焊接參數(shù)給定模塊110由兩個電位器組成，給定焊接電壓和送絲速度。比 較器113采用TL084比較器，對外環(huán)檢測信號與焊接給定參數(shù)進(jìn)行比較。平均 電流電壓檢測模塊109為電流電壓傳感器，與負(fù)載連接，分別實時采集實際的 焊接電流和電弧電壓，送至反饋閉環(huán)控制電路以及顯示電路。如圖2所示，在主電路中，三相交流輸入電源接整流濾波模塊101的整流 塊BR1，然后連接濾波環(huán)節(jié)L1、 C5、 C6、 C7、 C8、 R3、 R4，再連接高頻逆 變模塊102的逆變橋V^ VT4， C6 C10，輸出接功率變壓模塊的高頻功率變 壓器T1初級，變壓器次級串接整流平滑模塊4的飽和RC吸收電路，再經(jīng)過高 頻全波整流電路D1 D4二極管組、穩(wěn)弧吸收模塊濾波環(huán)節(jié)L2、 R9、 C9、 CIO、 后輸出直流電，以上環(huán)節(jié)構(gòu)成功率主電路，高頻逆變模塊102的包括兩個兩單 元的IGBTVT, V丁4。同時，電流檢測模塊109為傳感器HALL，與負(fù)載連接。如圖3所示，在高頻逆變模塊中，為防止IGBT開通和關(guān)斷時瞬間的電流、 電壓沖擊造成IGBT的損壞在IGBT，在IGBT的C和E極之間并聯(lián)RC吸收保護電 路。如圖4所示，在整流濾波模塊中，D1 D4為快速二極管組用于輸出整流， Rl、 C15和R2、 C16分別組成上下兩組對稱的二極管的RC吸收回路。如圖5所示，脈寬調(diào)制模塊107和高頻驅(qū)動模塊108主要由脈寬調(diào)制模塊 107的誤差放大電路、反相器芯片ULN2003A和集成控制芯片SG3525以及高頻 驅(qū)動模塊108的兩個脈沖變壓器M1和M2、芯片2SK1417、 M74HC4049和 CD4011及輔助電路相互連接組成。脈寬調(diào)制模塊產(chǎn)生兩路波形互補的信號分別進(jìn)入兩路高頻驅(qū)動模塊，高頻驅(qū)動模塊將兩路信號進(jìn)行加強，輸出高頻逆 變模塊的逆變橋開關(guān)管VT, VT4的驅(qū)動信號。如圖6所示，在電路保護電路中，CN6接溫控模塊，和過熱、過流以及關(guān)斷信號的信號線和三個與門邏輯電路以及反相器芯片ULN2003A相連接，通 過ULN2003A的16腳與集成控制芯片SG3525的10腳相接。系統(tǒng)輸出端，與集 成控制芯片SG3525的引腳2相連，作為集成控制芯片SG3525的輸入信號，在 SG3525內(nèi)部與誤差信號比較，使集成控制芯片SG3525輸出相應(yīng)的兩路PWM 信號。該兩路互補的PWM信號分別進(jìn)入高頻驅(qū)動模塊108，作為逆變開關(guān)管 VT, VT4的驅(qū)動信號。如圖7所示，控制系統(tǒng)主要由PALCE22V10Q、反相器ULN2003A以及輔 助電路相互連接組成。PALCE22V10Q系統(tǒng)作為閉環(huán)電流模糊控制的核心，采 樣電流與給定信號的偏差在內(nèi)部進(jìn)行模糊運算過程，輸出信號作為脈寬調(diào)制 模塊107中集成控制芯片SG3525的腳2輸入信號，該信號同注入的電流比較，確定驅(qū)動信號的大小，從而控制電源的輸出。如圖8所示，在程序控制模塊112中，兩套相互并聯(lián)的逆變主機電源電路 的控制系統(tǒng)電路分別與圖中的CN1、 CN2和CN3、 CN4端子連接，CN8與焊接 小車的控制電路相連，焊接小車上的啟動按鈕按下則圖中繼電器RLY1開關(guān)吸 合，導(dǎo)致SHUTD0WN1端接地，從而觸發(fā)兩套焊接電源可以同時開通。兩套 電源并聯(lián)的電流反饋顯示信號則通過LM324的疊加和放大計算，送到電流顯 示端口IDSP。上述電路中，圖2中的平均電流電壓檢測模塊109為傳感器HALL，同比 較器113連接、再與控制系統(tǒng)111的PALCE22V10Q通過反相器ULN2003A相連 接?？刂葡到y(tǒng)111輸出端同脈寬調(diào)制模塊107的集成控制芯片SG3525的引腳2 相連接，集成控制芯片SG3525的輸出端11、 14腳分別與高頻驅(qū)動模塊108的 兩個驅(qū)動環(huán)節(jié)的5、 16管腳相連接，驅(qū)動環(huán)W的輸出分別與高頻逆變模塊102 的四個開關(guān)管的G、 E極相連接，上述環(huán)節(jié)構(gòu)成反饋閉環(huán)控制電路。逆變后的 高頻(20KHz)高壓電經(jīng)變壓器T1降壓后通過高頻整流由快速二極管(Dl D2， D5 D8)并聯(lián)構(gòu)成的全波整流電路，再經(jīng)輸出電感L2濾波后輸出。應(yīng)用本實用新型時，三相工頻交流電經(jīng)過整流濾波模塊101后成為平滑直 流電后進(jìn)入高頻逆變模塊102，控制系統(tǒng)111根據(jù)平均電流電壓檢測模塊109 檢測到負(fù)載的電流、電壓信號與焊接參數(shù)給定模塊110給定的參數(shù)進(jìn)行比較， 經(jīng)過控制系統(tǒng)lll的模糊控制算法運算，發(fā)給脈寬調(diào)制模塊107—個信號，脈
寬調(diào)制模塊107根據(jù)控制系統(tǒng)111設(shè)定的算法產(chǎn)生兩路PWM信號，這兩路PWM信號通過高頻驅(qū)動模塊108放大去控制高頻逆變模塊102的開關(guān)管的開 通和關(guān)斷，從而得到20KHz高頻高壓電，高頻高壓電再經(jīng)過功率變壓模塊103 轉(zhuǎn)換成符合焊接工藝要求的大電流低電壓的焊接電流，再經(jīng)過整流平滑模塊 104得到更加平滑的焊接電流，也就是外環(huán)均值模糊閉環(huán)控制過程。網(wǎng)壓檢測 模塊105檢測三相工頻電壓，把檢測到的電壓信號送給電壓保護模塊106，如 出現(xiàn)過壓、欠壓的現(xiàn)象，電壓保護模塊106將送給脈寬調(diào)制模塊107—個信號， 產(chǎn)生低電平通過高頻驅(qū)動模塊108關(guān)斷高頻逆變模塊102的開關(guān)管，保護主電 路安全工作。本實用新型首次使用兩路相互并聯(lián)的主電路，由程序控制模塊控制兩路 電路的輸出，有效地提高了焊接電流以及電流的穩(wěn)定性，使節(jié)電優(yōu)勢特別明 顯，實行了埋弧焊高速髙效性。如上所述，即可較好地實現(xiàn)本實用新型。
權(quán)利要求1、一種高頻IGBT逆變埋弧焊接電源，包括機箱和內(nèi)置電路，其特征是，所述內(nèi)置電路包括兩組結(jié)構(gòu)相同的相互并聯(lián)的主機電源電路，所述主機電源電路包括主電路和反饋閉環(huán)控制電路構(gòu)成，所述主電路包括整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊和整流平滑模塊依次連接組成，所述整流濾波模塊外接三相交流輸入電源，所述整流平滑模塊外接負(fù)載；所述反饋閉環(huán)控制電路包括平均電流電壓檢測模塊、比較器、控制系統(tǒng)、脈寬調(diào)制模塊和高頻驅(qū)動模塊依次連接組成，所述平均電流電壓檢測模塊一端與負(fù)載相連接，另一端與比較器輸入端相連接，所述比較器另一輸入端連接焊接參數(shù)給定模塊，所述比較器輸出端與控制系統(tǒng)相連接，所述高頻驅(qū)動模塊與高頻逆變模塊相連接；所述兩組主機電源電路的控制系統(tǒng)通過程序控制模塊相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高頻IGBT逆變埋弧焊接電源，其特征是， 所述主電路還包括安全保護電路，所述安全保護電路包括網(wǎng)壓檢測模塊、電 壓保護模塊依次連接組成，所述網(wǎng)壓檢測模塊一端外接三相交流電源，另一 端與電壓保護模塊連接，所述電壓保護模塊與脈寬調(diào)制模塊相連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高頻IGBT逆變埋弧焊接電源，其特征是， 所述控制系統(tǒng)主要由控制器PALCE22V10Q、反相器ULN2003A及外圍電路相 互連接組成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高頻IGBT逆變埋弧焊接電源，其特征是， 所述脈寬調(diào)制模塊主要由誤差放大電路、集成控制芯片SG3525及外圍電路相 互連接組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高頻IGBT逆變埋弧焊接電源，其特征是， 所述高頻驅(qū)動模塊主要由兩個高頻脈沖變壓器M1和M2、芯片2SK1417、 M74HC4049和CD4011及外圍電路相互連接組成。
專利摘要本實用新型公開了一種高頻IGBT逆變埋弧焊接電源，包括機箱和內(nèi)置電路，內(nèi)置電路包括兩組結(jié)構(gòu)相同的相互并聯(lián)的主機電源電路，主機電源電路包括主電路和反饋閉環(huán)控制電路構(gòu)成，主電路包括整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊和整流平滑模塊依次連接組成，反饋閉環(huán)控制電路包括平均電流電壓檢測模塊、比較器、控制系統(tǒng)、脈寬調(diào)制模塊和高頻驅(qū)動模塊依次連接組成，兩組主機電源電路的控制系統(tǒng)通過程序控制模塊相連接。本實用新型首次使用兩套相互并聯(lián)的主機逆變電源，采用先進(jìn)的高頻IGBT逆變技術(shù)，有效提高了弧焊電源的功率。
文檔編號B23K9/09GK201009039SQ20062015452
公開日2008年1月23日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日
發(fā)明者凌德怡, 王振民, 陳毅丹, 黃石生 申請人:華南理工大學(xué)