專利名稱：一種軟開關(guān)igbt雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及氬弧焊電源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波 交直流鎢極氬弧焊電源。
背景技術(shù)：
在氬弧焊電源領(lǐng)域，國內(nèi)外傳統(tǒng)的交、直流氬弧焊電源主要有兩種(1)由弧焊變 壓器和硅整流器組成，并通過變換輸出正弦交流或直流電供TIG氬弧焊使用；( 以硅整 流器和晶間管整流器輸出直流，并在直流輸出端再加整流橋，通過整流橋串有電抗器的對 角線輸出近似的方波交流。一般來說，整流式電源工作相對可靠，技術(shù)上也比較成熟，但目 前整流式電源存在設(shè)備體積龐大、笨重、能耗高、效率低等缺點，而且由于其結(jié)構(gòu)和控制方 式的原因，容易造成動靜態(tài)特性方面不夠理想，只能獲得近似的方波交流，存在過零點不夠 快、電弧穩(wěn)定性欠佳、可控參數(shù)少、不靈活等缺點，不能很好的滿足TIG氬弧焊(鎢極氬弧 焊)的工藝要求。目前，較為先進的高頻IGBT逆變式方波交流與直流鎢極(TIG)氬弧焊電源技術(shù)， 可以克服上述存在的部分缺點，但由于其采用硬開關(guān)逆變技術(shù)，因此需要在較高壓和較大 電流情況下進行硬(強逼)開關(guān)，這就容易引起開關(guān)應(yīng)力大的問題，同時也存在著易產(chǎn)生高 壓高頻震蕩的情況，不僅會對電網(wǎng)和其它電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾、損害功率IGBT管組，也 會造成開關(guān)損耗大和難以進一步提高頻率和效率的問題。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)較為簡單、電磁 兼容性較好的軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源。本實用新型的技術(shù)方案為一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電 源，包括機箱和內(nèi)置電路，所述內(nèi)置電路包括雙逆變主電路單元、電流比較驅(qū)動電路單元和 參數(shù)調(diào)節(jié)單元；(1)雙逆變主電路單元包括依次連接的以下各模塊整流濾波模塊，用于將來自工頻交流電源的交流電轉(zhuǎn)換為平滑的直流電；一次高頻逆變模塊，通過控制其內(nèi)部IGBT的開關(guān)周期，將整流濾波模塊輸出的直 流電轉(zhuǎn)換，提供25 30KHz的高頻交流高壓電；功率變壓模塊，用于將一次高頻逆變模塊提供的高頻交流高壓電轉(zhuǎn)換成符合焊接 工藝要求的大電流低電壓高頻交流電；高頻整流緩沖吸收模塊，用于將大電流低電壓高頻交流電轉(zhuǎn)換為平滑的直流電；二次逆變模塊，通過控制其內(nèi)部IGBT的開關(guān)周期，將高頻整流緩沖吸收模塊輸出 的直流電轉(zhuǎn)換，輸出方波交流電；整流濾波模塊的輸入端與三相工頻交流電源連接，二次逆變模塊的輸出端外接電 弧負載；[0013](2)電流比較驅(qū)動電路單元包括以下模塊負載電流檢測模塊，用于檢測雙逆變主電路單元向電弧負載輸出電流的各項參 數(shù)，得到各項參數(shù)檢測值；脈沖參數(shù)給定模塊，用于設(shè)定輸出電流的各項參數(shù)，得到各項參數(shù)設(shè)定值；比較器，用于比較輸出電流各項參數(shù)的檢測值和設(shè)定值，并將比較結(jié)果分別送至 單片機通訊協(xié)同控制模塊和一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊；單片機通訊協(xié)同控制模塊，用于計算來自比較器的比較結(jié)果，產(chǎn)生兩路PWM信號， 并分別將這兩路信號輸送給一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊和二次逆變脈寬調(diào)制模塊；一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊，結(jié)合來自單片機通訊協(xié)同控制模塊的PWM信號 和來自比較器的比較結(jié)果，控制和調(diào)制一次高頻逆變驅(qū)動模塊的導通與關(guān)閉時間及其工作 規(guī)律；一次高頻逆變驅(qū)動模塊，用于把一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊的脈沖信號進行 功率放大、隔離，并驅(qū)動一次高頻逆變模塊中IGBT的導通與關(guān)閉及其工作規(guī)律；二次逆變脈寬調(diào)制模塊，根據(jù)來自單片機通訊協(xié)同控制模塊的PWM信號，控制和 調(diào)制二次逆變驅(qū)動模塊的導通與關(guān)閉及其工作規(guī)律；二次逆變驅(qū)動模塊，用于把二次逆變脈寬調(diào)制模塊脈沖信號進行功率放大、隔離， 并驅(qū)動二次逆變模塊中IGBT的導通與關(guān)閉及其工作規(guī)律；高頻引弧模塊，用于向電弧負載輸出高頻信號，在高壓高頻下實現(xiàn)非接觸引??；其中，負載電流檢測模塊的輸入端與電弧負載連接，負載電流檢測模塊的輸出端 與比較器的輸入端連接；脈沖參數(shù)給定模塊與比較器的另一輸入端連接，比較器的輸出端 分別與單片機通訊協(xié)同控制模塊、一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊連接；單片機通訊協(xié)同 控制模塊的輸出端分別與一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊、二次逆變脈寬調(diào)制模塊、高頻 引弧模塊連接；一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊的輸出端與一次高頻逆變驅(qū)動模塊連接， 一次高頻逆變驅(qū)動模塊的輸出端與一次高頻逆變模塊連接；二次逆變脈寬調(diào)制模塊的輸出 端與二次逆變驅(qū)動模塊連接，二次逆變脈寬調(diào)制模塊的輸出端與二次逆變模塊連接；(3)參數(shù)調(diào)節(jié)單元與電流比較驅(qū)動電路單元中的單片機通訊協(xié)同控制模塊輸入端 連接，參數(shù)調(diào)節(jié)單元向單片機通訊協(xié)同控制模塊提供控制各模塊運行的數(shù)字信號。為了更好地保證本實用新型的安全工作，所述內(nèi)置電路中還設(shè)有安全電路單元， 安全電路單元包括網(wǎng)壓檢測模塊、電壓保護模塊、溫度檢測模塊和過熱保護模塊，網(wǎng)壓檢測 模塊的輸入端與三相工頻交流電源連接，網(wǎng)壓檢測模塊的輸出端與電壓保護模塊連接，電 壓保護模塊的輸出端分別與一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊、單片機通訊協(xié)同控制模塊連 接，溫度檢測模塊的輸入端與一次高頻逆變模塊連接，溫度檢測模塊的輸出端與過熱保護 模塊連接，過熱保護模塊的輸出端分別與一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊、單片機通訊協(xié) 同控制模塊連接；其中，網(wǎng)壓檢測模塊用于檢測三相交流電源的電壓值；電壓保護模塊用于判斷所 檢測到的電壓值是否出現(xiàn)過壓或欠壓的情況，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號；溫度檢測模塊用于 檢測一次高頻逆變模塊內(nèi)散熱片的溫度值；過熱保護模塊用于判斷所檢測到的溫度值是否 出現(xiàn)過熱的情況，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。為了方便對本實用新型的控制，所述單片機通訊協(xié)同控制模塊還外接有人機對話面板。所述一次高頻逆變模塊采用軟開關(guān)逆變式移相全橋拓撲結(jié)構(gòu)，包括LC諧振電路 和兩個并聯(lián)設(shè)置的IGBT管組，各IGBT管組分別包括兩個IGBT，各IGBT管組的輸出端與LC 諧振電路連接，LC諧振電路的輸出端與功率變壓模塊連接。所述二次逆變模塊采用逆變式硬開關(guān)半橋拓撲結(jié)構(gòu)，包括濾波環(huán)節(jié)和兩個并聯(lián)設(shè) 置的IGBT管組，各IGBT管組分別包括兩個IGBT，各IGBT管組的輸出端與濾波環(huán)節(jié)連接，濾 波環(huán)節(jié)的輸出端與電弧負載連接。所述一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊包括依次連接的一次電流比較子模塊、一次 差值放大子模塊和移相芯片UC3879，一次電流比較子模塊的輸入端分別與比較器、單片機 通訊協(xié)同控制模塊連接，移相芯片UC3879的輸出端與一次高頻逆變驅(qū)動模塊連接。所述二次逆變脈寬調(diào)制模塊包括依次連接的二次電流比較子模塊、二次差值放大 子模塊、脈寬調(diào)制芯片SG3525和脈寬調(diào)制反相芯片⑶4049，二次電流比較子模塊的輸入端 與單片機通訊協(xié)同控制模塊連接，脈寬調(diào)制反相芯片CD4049的輸出端與二次逆變驅(qū)動模 塊連接。所述單片機通訊協(xié)同控制模塊包括相連接的單片機PALCE22V10H和邏輯電路芯 片ULN2004A，單片機PALCE22V10H與人機對話面板相連接，單片機PALCE22V10H的輸入端分 別與參數(shù)調(diào)節(jié)單元、調(diào)節(jié)器連接，單片機PALCE22V10H的輸出端分別與一次高頻逆變移相 脈寬調(diào)制模塊、二次逆變脈寬調(diào)制模塊連接，邏輯電路芯片ULN2004A的輸入端與安全電路 單元連接，邏輯電路芯片ULN2004A的輸出端與單片機PALCE22V10H連接。所述高頻引弧模塊包括相連接的芯片IC1555和高頻開關(guān)場效應(yīng)管，芯片IC1555 的輸入端與單片機通訊協(xié)同控制模塊連接，高頻開關(guān)場效應(yīng)管的輸出端與電弧負載連接。所述脈沖參數(shù)給定模塊中設(shè)有交叉波形控制器NE555，交叉波形控制器NE555的 輸出端與比較器連接。本實用新型一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源，其原理如下1、一次高頻軟開關(guān)逆變技術(shù)通過“工頻AC-DC-高頻AC-DC”的變換，實現(xiàn)直流TIG 氬弧焊接方法。由于把工頻50Hz提高到25 30KHz，進行大功率高頻降壓的變換，大幅度 的提高功率變壓器的頻率，使得弧焊電源中的高頻功率變壓器用的銅鐵材料、體積、質(zhì)量等 大幅度的減小，而且由于電子功率器件工作于高速開關(guān)狀態(tài)，功率變壓器又是采用鐵損很 小的磁芯材料，因而效率很高和可控性能好。主電路中由于存在電容，功率因數(shù)提高，無功 損耗小，對網(wǎng)電的沖擊小，節(jié)能效果明顯。同時因頻率很高，主電路中濾波電感值和電磁慣 性也很小，焊接回路的時間常數(shù)小，并可實現(xiàn)對靜動態(tài)特性進行無級、靈活的控制，便于獲 得優(yōu)良的靜動特性和焊接性能。同時，還因電源工作在“FB-ZVS-PWM”軟開關(guān)變換狀態(tài)，綜 合了諧振軟開關(guān)技術(shù)和PWM技術(shù)點，即利用IGBT開關(guān)過程實現(xiàn)諧振換流，使功率IGBT管模 塊開關(guān)前其兩端的電壓為零，而在IGBT開通后，采用PWM脈寬調(diào)制提供方波電流、電壓，與 硬開關(guān)比較，開關(guān)損耗、應(yīng)力小，可靠性高，具有較好的電磁兼容性、逆變頻率、效率更高等 優(yōu)點。2、雙逆變技術(shù)在一次軟開關(guān)高頻逆變技術(shù)，即在“工頻AC-DC-高頻AC-DC”變換 的基礎(chǔ)上，用現(xiàn)代電子功率開關(guān)IGBT模塊加一級(二次逆變)“DC-調(diào)劑低頻方波AC”的 變換。雙逆變技術(shù)的全過程為“工頻AC-DC-高頻AC-DC-調(diào)劑低頻方波交流AC”，從而獲得輸出方波交流的TIG氬弧焊電源。本實用新型的軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源中，一次高頻逆 變模塊采用軟開關(guān)逆變式移相全橋拓撲結(jié)構(gòu)；二次逆變模塊采用逆變式硬開關(guān)半橋拓撲結(jié) 構(gòu)，高頻引弧模塊采用高頻發(fā)生器串聯(lián)于電弧負載電路上進行非接觸高壓高頻引弧。一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊的移相脈寬調(diào)制是通過基準給定值與差值放大 值進行比較，而產(chǎn)生兩組相位差180°的驅(qū)動信號，通過一次高頻逆變驅(qū)動模塊控制電子功 率開關(guān)“ IGBT”按照一定的時序?qū)ㄅc關(guān)斷，實現(xiàn)“DC-高頻AC”和“DC-調(diào)劑低頻方波交流 AC”逆變轉(zhuǎn)換。其中負載電流檢測模塊的電流反饋是在電弧負載的電流輸入端用霍爾元件 檢測輸出電流，獲得的采樣信號，經(jīng)過放大、比較，再輸送到一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模 塊，改變一次高頻逆變模塊中IGBT的導通與關(guān)斷時間及其工作規(guī)律，從而獲得所需的恒流 特性和實現(xiàn)占空比的調(diào)節(jié)以及功率調(diào)節(jié)。二次逆變模塊中方波交流的輸出，單片機通訊協(xié)同控制模塊的PWM信號(脈沖寬 度調(diào)節(jié)信號)輸送到二次逆變脈寬調(diào)制模塊，通過二次逆變驅(qū)動模塊控制二次逆變模塊中 IGBT的導通與關(guān)斷時間及其工作規(guī)律，實現(xiàn)方波交流波形、頻率、正負半波幅值、比例以及 弓丨弧過程電流遞增和收弧過程電流衰減等的多參數(shù)調(diào)節(jié)。本實用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果1、本實用新型采用軟開關(guān)TGBT雙逆變技術(shù)，即在一次軟開關(guān)IGBT高頻逆變技術(shù) 的基礎(chǔ)上，再增加二次逆變和低頻調(diào)制技術(shù)，使輸出的低頻方波交流或直流電源使用性能 較為理想，所獲得的弧焊電源不僅具有抗電磁干擾性能強、逆變頻率、效率、可靠性更高、節(jié) 電更好，而且輸出的方波交流波形理想、過零點快、電弧穩(wěn)定性更好，清除難熔金屬氧化物 能力強，無磁偏吹，可控電電參數(shù)多且靈活，除了其直流輸出用于焊接不銹鋼、銅、鈦等及其 合金外，其方波交流輸出還特別適合于鋁、鎂等輕金屬及其合金的高難度TIG焊接。2、本實用新型采用現(xiàn)代電子功率開關(guān)IGBT管與移相脈寬調(diào)制芯片、磁損耗極小 的非晶態(tài)磁芯，實現(xiàn)“工頻與高頻”的轉(zhuǎn)換，大幅度提高交流電的頻率，使降壓功率變壓器的 用材、體積、減小，可控參數(shù)多，且靈活，焊接性能得到較大改善。3、本實用新型采用單片機對整機的工作時序、輸出焊接規(guī)范參數(shù)、電流波形、上下 半波的寬度比、頻率等進行通訊和協(xié)同控制、調(diào)節(jié)，以及對輸入電壓、輸出電流、功率器件的 溫度等進行檢測反饋、比較，獲得恒流特性和進行過高過低輸入電壓、輸出過流、關(guān)鍵功率 器件過熱等的安全保護監(jiān)控與人機對話，使整機操作更方便，更人性化。4、本實用新型還采用高頻引弧模塊控制引弧，實現(xiàn)非接觸引弧。

圖1是本實用新型的內(nèi)置電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1中雙逆變主電路單元的電路原理圖。圖3是圖1中一次高頻逆變模塊的電路原理圖。圖4是圖1中一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊與一次高頻逆變驅(qū)動模塊連接的電 路原理圖。圖5是圖1中單片機通訊協(xié)同控制模塊的電路原理圖。圖6是圖1中脈沖參數(shù)給定模塊的電路原理圖。[0052]圖7是圖1中高頻整流緩沖吸收模塊的電路原理圖。圖8是圖1中二次逆變模塊的電路原理圖。圖9是圖1中二次逆變驅(qū)動模塊的電路原理圖。圖10是圖1中二次逆變脈寬調(diào)制模塊的電路原理圖。圖11是圖1中高頻引弧模塊的電路原理圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖，對本實用新型作進一步的詳細說明，但本實用新型的實 施方式不限于此。實施例本實施例一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源，包括機箱和內(nèi) 置電路，所述內(nèi)置電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括雙逆變主電路單元、電流比較驅(qū)動電路單元 和參數(shù)調(diào)節(jié)單元；(1)雙逆變主電路單元包括依次連接的以下各模塊整流濾波模塊101，用于將來自工頻交流電源的交流電轉(zhuǎn)換為平滑的直流電；一次高頻逆變模塊102，通過控制其內(nèi)部IGBT的導通與關(guān)閉及其工作規(guī)律，將整 流濾波模塊輸出的直流電轉(zhuǎn)換，提供25 30KHz的高頻交流高壓電；功率變壓模塊103，用于將一次高頻逆變模塊提供的高頻交流高壓電轉(zhuǎn)換成符合 焊接工藝要求的大電流低電壓高頻交流電；高頻整流緩沖吸收模塊104，用于將大電流低電壓高頻交流電轉(zhuǎn)換為平滑的直流 電；二次逆變模塊105，通過控制其內(nèi)部IGBT的開關(guān)周期，將高頻整流緩沖吸收模塊 輸出的直流電轉(zhuǎn)換，輸出方波交流電；整流濾波模塊101的輸入端與三相工頻交流電源連接，二次逆變模塊105的輸出 端外接電弧負載；(2)電流比較驅(qū)動電路單元包括以下模塊負載電流檢測模塊117，用于檢測雙逆變主電路單元向電弧負載輸出電流的各項 參數(shù)，得到各項參數(shù)檢測值；脈沖參數(shù)給定模塊118，用于設(shè)定輸出電流的各項參數(shù)，得到各項參數(shù)設(shè)定值；比較器120，用于比較輸出電流各項參數(shù)的檢測值和設(shè)定值，并將比較結(jié)果分別送 至單片機通訊協(xié)同控制模塊和一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊；單片機通訊協(xié)同控制模塊114，用于計算來自比較器的比較結(jié)果，產(chǎn)生兩路PWM信 號，并分別將這兩路信號輸送給一次高頻移相逆變脈寬調(diào)制模塊和二次逆變脈寬調(diào)制模 塊；—次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊113，結(jié)合來自單片機通訊協(xié)同控制模塊的PWM 信號和來自比較器的比較結(jié)果，控制和調(diào)制一次高頻逆變驅(qū)動模塊的導通與關(guān)閉及其工作 規(guī)律；—次高頻逆變驅(qū)動模塊112，用于把一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊113輸出的 脈沖信號進行功率放大、隔離，并驅(qū)動一次高頻逆變模塊中IGBT的導通與關(guān)閉及其工作規(guī)律；二次逆變脈寬調(diào)制模塊116，根據(jù)來自單片機通訊協(xié)同控制模塊的PWM信號，控 制和調(diào)制二次逆變驅(qū)動模塊的導通與關(guān)閉及其工作規(guī)律；二次逆變驅(qū)動模塊115，用于把二次逆變脈寬調(diào)制模塊116輸出的脈沖信號進行 功率放大、隔離，并驅(qū)動二次高頻逆變模塊中IGBT的導通與關(guān)閉及其工作規(guī)律；高頻引弧模塊119，用于向電弧負載輸出高頻信號，在高壓高頻下實現(xiàn)非接觸引 ??；其中，負載電流檢測模塊117的輸入端與電弧負載連接，負載電流檢測模塊117的 輸出端與比較器的輸入端連接；脈沖參數(shù)給定模塊118與比較器120的另一輸入端連接，比 較器120的輸出端分別與單片機通訊協(xié)同控制模塊114、一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊 113連接；單片機通訊協(xié)同控制模塊114的輸出端分別與一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊 113、二次逆變脈寬調(diào)制模塊116、高頻引弧模塊119連接；一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊 113的輸出端與一次高頻逆變驅(qū)動模塊112連接，一次高頻逆變驅(qū)動模塊112的輸出端與一 次高頻逆變模塊102連接；二次逆變脈寬調(diào)制模塊116的輸出端與二次逆變驅(qū)動模塊115 連接，二次逆變脈寬調(diào)制模塊115的輸出端與二次逆變模塊105連接；(3)參數(shù)調(diào)節(jié)單元108與電流比較驅(qū)動電路單元中的單片機通訊協(xié)同控制模塊 114輸入端連接，參數(shù)調(diào)節(jié)單元108向單片機通訊協(xié)同控制模塊114提供控制各模塊運行的 數(shù)字信號。為了更好地保證本實用新型的安全工作，內(nèi)置電路中還設(shè)有安全電路單元，安全 電路單元包括網(wǎng)壓檢測模塊106、電壓保護模塊107、溫度檢測模塊110和過熱保護模塊 111，網(wǎng)壓檢測模塊106的輸入端與三相工頻交流電源連接，網(wǎng)壓檢測模塊106的輸出端與 電壓保護模塊107連接，電壓保護模塊107的輸出端分別與一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模 塊113、單片機通訊協(xié)同控制模塊114連接，溫度檢測模塊110的輸入端與一次高頻逆變模 塊102連接，溫度檢測模塊110的輸出端與過熱保護模塊111連接，過熱保護模塊111的輸 出端分別與一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊113、單片機通訊協(xié)同控制模塊114連接；其中，網(wǎng)壓檢測模塊106用于檢測三相交流電源的電壓值；電壓保護模塊107用于 判斷所檢測到的電壓值是否出現(xiàn)過壓或欠壓的情況，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號；溫度檢測模 塊110用于檢測一次高頻逆變模塊內(nèi)散熱片的溫度值；過熱保護模塊111用于判斷所檢測 到的溫度值是否出現(xiàn)過熱的情況，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。 為了方便對本實施例的控制，單片機通訊協(xié)同控制模塊114還外接有人機對話面 板 109。上述電源結(jié)構(gòu)中，雙逆變主電路單元的電路原理如圖2所示，三相工頻交流電源 接輸入整流濾波模塊101，然后連接濾波環(huán)節(jié)Li、C5, C6, C7, C8，再連接一次高頻逆變模塊 102，輸出端連接LC諧振電路連接，LC諧振電路與功率變壓模塊連接，功率變壓模塊103的 功率降壓變壓器T1初級，T1的次級經(jīng)過高頻整流緩沖吸收模塊104的電路VDia VD4a，輸 出直流電，高頻整流緩沖吸收模塊104的電路VDia VD4a連接二次逆變模塊105中的濾波 環(huán)節(jié)L3、C9、C10, C17, R9,再連接電弧負載，輸出方波交流電。以上環(huán)節(jié)構(gòu)成雙逆變主電路。一次高頻逆變模塊102采用軟開關(guān)逆變式移相全橋拓撲結(jié)構(gòu)，其電路原理如圖3 所示，包括LC諧振電路和兩個并聯(lián)設(shè)置的IGBT管組(VT1 VT4)，各IGBT管組分別包括兩個IGBT，各IGBT管組的輸出端與LC諧振電路連接，LC諧振電路的輸出端與功率變壓模塊 連接。一次高頻逆變模塊102的主電路工作在“FB-ZVS”軟開關(guān)變換狀態(tài)，即利用IGBT 開關(guān)過程實現(xiàn)諧振換流，使IGBT管組開關(guān)前其兩端的電壓為零。在該移相全橋逆變電路 中，VT1 VT4為電子功率開關(guān)管IGBT，每個IGBT反向并聯(lián)寄生二極管，C11^14是相應(yīng)于各 個IGBT的輸出電容。VI\、VT2*超前橋臂，領(lǐng)先于滯后橋臂VT3、VT4關(guān)斷。四個IGBT在恒 定頻率下，以小于50%的占空比持續(xù)運行。在功率高頻降壓變壓器Tl的次級串接飽和電 感，減少占空比的丟失，拓寬軟開關(guān)的范圍和適應(yīng)大功率TIG焊的需要。通過調(diào)節(jié)全橋的兩 臂驅(qū)動脈沖的相位關(guān)系來調(diào)節(jié)高頻交流功率輸出。一次高頻逆變模塊102的輸入端與整流 濾波模塊101連接，一次高頻逆變模塊102的功率高頻降壓變壓器Tl的次級(即功率變壓 模塊10 與高頻整流緩沖吸收模塊104連接。二次逆變模塊105采用逆變式硬開關(guān)半橋拓撲結(jié)構(gòu)，無死區(qū)時間，容易維弧，其電 路原理如圖8所示，包括濾波環(huán)節(jié)和兩個并聯(lián)設(shè)置的IGBT管組(VT15 VT18)，各IGBT管組 分別包括兩個IGBT，各IGBT管組的輸出端與濾波環(huán)節(jié)連接，濾波環(huán)節(jié)的輸出端與電弧負載 連接。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的C和 E極之間并聯(lián)RCD吸收保護電路，其中VT5、VT7為正半波，VT6, VT8為負半波，直流正半波長 時間開通，負半波關(guān)斷，方波交流正半波與負半波交替開通與關(guān)斷，從而產(chǎn)生調(diào)制低頻方波 交流的輸出。本實施例中，電流比較驅(qū)動電路單元的負載電流檢測模塊117為傳感器，與電弧 負載相連接。一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊113包括依次連接的一次電流比較子模塊、一次 差值放大子模塊和移相芯片UC3879，一次電流比較子模塊的輸入端分別與比較器、單片機 通訊協(xié)同控制模塊連接，移相芯片UC3879的輸出端與一次高頻逆變驅(qū)動模塊連接。一次 高頻逆移相變脈寬調(diào)制模塊113與一次高頻逆變驅(qū)動模塊112連接的電路原理如圖4所 示，比較器120的電流反饋經(jīng)過比較放大后與移相芯片UC3879的引腳4相連，3腳為移相 UC3879芯片誤差放大器的反向輸入端。在移相UC3879芯片內(nèi)部與誤差信號比較，使移相 UC3879芯片輸出相應(yīng)的4路驅(qū)動信號，該4路驅(qū)動信號A、B、C、D中，A、B是超前臂上下管 子驅(qū)動脈沖，相位反相，C、D是滯后臂驅(qū)動信號，相位反相。A、D有共同導通部分，B、C有共 同導通部分。這個共同導通部分是弧焊機向電弧負載傳送功率的部分，通過調(diào)節(jié)共同導通 即可調(diào)節(jié)負載功率的大小及響應(yīng)參數(shù)，A、B、C、D信號分別對應(yīng)作為逆變橋開關(guān)管VT1 VT4 的驅(qū)動信號。同時負載電流檢測模塊117檢測到的電流值通過比較器120與基準電流值比 較后，與移相脈寬調(diào)制模塊113的移相UC3879芯片相連。二次逆變脈寬調(diào)制模塊116包括依次連接的二次電流比較子模塊、二次差值放大 子模塊、脈寬調(diào)制芯片SG3525和脈寬調(diào)制反相芯片⑶4049，二次電流比較子模塊的輸入端 與單片機通訊協(xié)同控制模塊連接，脈寬調(diào)制反相芯片CD4049的輸出端與二次逆變驅(qū)動模 塊連接。二次逆變脈寬調(diào)制模塊116的電路原理如圖10所示，在脈寬調(diào)制芯片SG3525內(nèi) 部與差值信號比較，使脈寬調(diào)制芯片SG3525輸出相應(yīng)的一路PWM信號給脈寬調(diào)制反相芯片 ⑶4049分成正反電路兩路PWM信號。該兩路互補(相位差180° )的PWM信號分別作為二 次逆變驅(qū)動模塊115中的逆變橋開關(guān)管VT15il7 VT16a8的驅(qū)動信號。[0089]單片機通訊協(xié)同控制模塊114包括相連接的單片機PALCE22V10H和邏輯電路芯片 ULN2004A,單片機PALCE22V10H與人機對話面板相連接，單片機PALCE22V10H的輸入端分別 與參數(shù)調(diào)節(jié)單元、調(diào)節(jié)器連接，單片機PALCE22V10H的輸出端分別與一次高頻逆變移相脈 寬調(diào)制模塊、二次逆變脈寬調(diào)制模塊連接，邏輯電路芯片ULN2004A的輸入端與安全電路單 元連接，邏輯電路芯片ULN2004A的輸出端與單片機PALCE22V10H連接。單片機通訊協(xié)同控 制模塊114的電路原理如圖5所示，單片機PALCE22V10H主要實現(xiàn)外部監(jiān)控與人機對話的 功能，外部監(jiān)控信號如電源指示、故障指示、氣壓指示、檢氣等都是通過單片機PALCE22V10H 來控制的。焊接模式的選擇、方波交流焊接時的頻率、正、負半波的寬度比、起弧電流和收 弧電流、焊接電流、高頻引弧、焊接自保持、數(shù)字電流表等的控制都是通過單片機通訊協(xié)同 控制模塊114來完成的。利用單片機通訊協(xié)同控制模塊114控制外部監(jiān)控與人機對話，實 現(xiàn)本TIG弧焊電源的多參數(shù)協(xié)同控制和優(yōu)化匹配，控制方便，使用更簡易，易于推廣。邏 輯電路芯片ULN2004A接各種保護電路，如欠壓保護、過壓保護、過熱保護，然后與單片機 PALCE22V10H或依次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊113相連接。高頻引弧模塊119包括相連接的芯片IC1555和高頻開關(guān)場效應(yīng)管，芯片IC1555 的輸入端與單片機通訊協(xié)同控制模塊114連接，高頻開關(guān)場效應(yīng)管的輸出端與電弧負載連 接。高頻引弧模塊119的電路原理如圖11所示，通過芯片IC1555控制高頻開關(guān)場效應(yīng)管 快速打開與關(guān)閉，實現(xiàn)T2的初級產(chǎn)生高頻脈沖信號，通過與電弧負載電路耦合的變壓器，使 輸出端得到高頻信號。在高壓、高頻下使得非接觸引弧得以實現(xiàn)。脈沖參數(shù)給定模塊118中設(shè)有交叉波形控制器NE555，交叉波形控制器NE555的 輸出端與比較器連接。脈沖參數(shù)給定模塊118的電路原理如圖6所示，NE555可以調(diào)節(jié)交 直流交叉波形占空比/混合頻率等參數(shù)，直接產(chǎn)生數(shù)字信號通過比較器120給定單片機通 訊協(xié)同控制模塊114，然后單片機通訊協(xié)同控制模塊114控制實現(xiàn)交直流交叉波形占空比/ 混合頻率等參數(shù)運行工作。高頻整流緩沖吸收模塊104的電路原理如圖7所示，其中VDia VD4a為快速二極 管組用于輸出整流，R^C15和I 2、C16與Rltl、(^和Rn、C19分別組成橋式整流對稱的二極管的 RC緩沖吸收回路。二次逆變驅(qū)動模塊115的電路原理如圖9所示，其中U1為正半波驅(qū)動，U2為負半 波驅(qū)動，直流時U1為正信號驅(qū)動，U2為負信號驅(qū)動，方波交流兩者交替開通與關(guān)斷。本實施例一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源，其工作過程如 下三相工頻交流電源經(jīng)過輸入整流濾波模塊101后成為平滑直流電，然后進入一次 高頻逆變模塊102，單片機通訊協(xié)同控制模塊114將負載電流檢測模塊117檢測到負載電流 的檢測值與設(shè)定值進行比較，經(jīng)過單片機通訊協(xié)同控制模塊114的控制算法運算，分別發(fā) 給一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊113和二次逆變脈寬調(diào)制模塊116 —個輸入信號，一次 高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊113和二次逆變脈寬調(diào)制模塊116根據(jù)單片機通訊協(xié)同控制模 塊114設(shè)定的算法各產(chǎn)生一路PWM信號，其中一路PWM信號通過一次高頻逆變驅(qū)動模塊112 放大去控制一次高頻逆變模塊102的IGBT開通和關(guān)斷，從而得到25 30KHz的高頻高壓 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高頻 交流電，經(jīng)過高頻整流緩沖吸收模塊104得到更加平滑的直流電，再經(jīng)過二次逆變模塊105輸出(單片機通訊協(xié)同控制模塊114的控制算法運算，發(fā)給二次逆變脈寬調(diào)制模塊116控 制二次逆變驅(qū)動模塊115，從而驅(qū)動二次逆變模塊105的IGBT開通和關(guān)斷，也就是外環(huán)均值 閉環(huán)控制過程。溫度檢測模塊110檢測一次高頻逆變模塊102的散熱片溫度，送給過熱保 護模塊111后，經(jīng)一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊113和依次高頻逆變模塊112控制一次 高頻逆變模塊102，形成過熱保護控制控制，以保證電源的安全工作；網(wǎng)壓檢測模塊106檢 測三相工頻交流電源的電壓，把檢測到的電壓信號送給電壓保護模塊107，如出現(xiàn)過壓、欠 壓的現(xiàn)象，電壓保護模塊107將送給一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊113 —個控制信號，產(chǎn) 生低電平通過一次高頻逆變頻驅(qū)動模塊112關(guān)斷一次高頻逆變模塊102的IGBT和中斷對 二次逆變模塊105的供電，從而保證兩次逆變主電路安全工作。將本實施例的軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源與氬弧焊槍(外 購件)連接，其中氬弧焊槍包括焊槍、焊接電纜、通氬氣管道和冷卻水管道(較大電流焊接 時才需要)及快速接頭，焊槍輸入端與焊接電纜、氬氣管道和冷卻水管道連接，焊接電纜、 氬氣管道和冷卻水管道的另一端，與快速接頭連接和集成，快速接頭的另一端與本實施例 的IGBT逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源機殼輸出端口連接，逆變式弧焊電源機殼輸出 的另一端口與接焊接工件的焊接電纜連接，從而組合為軟開關(guān)TGBT雙逆變式方波交直流 鎢極氬弧焊機，該焊機可用于不銹鋼、銅、鈦等及其合金的直流焊接，其焊接質(zhì)量高，可控電 參數(shù)多且靈活，還可用于焊接難度較大的鋁、鎂等輕金屬及其合金。如上所述，便可較好地實現(xiàn)本實用新型，上述實施例僅為本實用新型的較佳實施 例，并非用來限定本實用新型的實施范圍；即凡依本實用新型內(nèi)容所作的均等變化與修飾， 都為本實用新型權(quán)利要求所要求保護的范圍所涵蓋。
1權(quán)利要求1. 一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源，其特征在于，包括機箱和內(nèi) 置電路，所述內(nèi)置電路包括雙逆變主電路單元、電流比較驅(qū)動電路單元和參數(shù)調(diào)節(jié)單元；(1)雙逆變主電路單元包括依次連接的以下各模塊整流濾波模塊，用于將來自工頻交流電源的交流電轉(zhuǎn)換為平滑的直流電； 一次高頻逆變模塊，通過控制其內(nèi)部IGBT的導通與關(guān)閉及其工作規(guī)律，將整流濾波模 塊輸出的直流電進行轉(zhuǎn)換，提供25 30KHz的高頻交流高壓電；功率變壓模塊，用于將一次高頻逆變模塊提供的高頻交流高壓電轉(zhuǎn)換成符合焊接工藝 要求的大電流低電壓高頻交流電；高頻整流緩沖吸收模塊，用于將大電流低電壓高頻交流電轉(zhuǎn)換為平滑的直流電； 二次逆變模塊，通過控制其內(nèi)部IGBT的導通與關(guān)閉及其工作規(guī)律，將高頻整流緩沖吸 收模塊輸出的直流電進行轉(zhuǎn)換，輸出方波交流電；整流濾波模塊的輸入端與三相工頻交流電源連接，二次逆變模塊的輸出端外接電弧負載；(2)電流比較驅(qū)動電路單元包括以下模塊負載電流檢測模塊，用于檢測雙逆變主電路單元向電弧負載輸出電流的各項參數(shù)，得 到各項參數(shù)檢測值；脈沖參數(shù)給定模塊，用于設(shè)定輸出電流的各項參數(shù)，得到各項參數(shù)設(shè)定值； 比較器，用于比較輸出電流各項參數(shù)的檢測值和設(shè)定值，并將比較結(jié)果分別送至單片 機通訊協(xié)同控制模塊和一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊；單片機通訊協(xié)同控制模塊，用于計算來自比較器的比較結(jié)果，產(chǎn)生兩路PWM信號，并分 別將這兩路信號輸送給一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊和二次逆變脈寬調(diào)制模塊；一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊，結(jié)合來自單片機通訊協(xié)同控制模塊的PWM信號和來 自比較器的比較結(jié)果，控制和調(diào)制一次高頻逆變驅(qū)動模塊的導通與關(guān)閉及其工作規(guī)律；一次高頻逆變驅(qū)動模塊，用于把一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊輸出脈沖的功率放 大、隔離，并驅(qū)動一次高頻逆變模塊中IGBT的導通與關(guān)閉及其工作規(guī)律；二次逆變脈寬調(diào)制模塊，根據(jù)來自單片機通訊協(xié)同控制模塊的PWM信號，控制和調(diào)制 二次逆變驅(qū)動模塊導通與關(guān)閉及其工作規(guī)律；二次逆變驅(qū)動模塊，用于把二次逆變脈寬調(diào)制模塊輸出脈沖進行功率放大、隔離，并驅(qū) 動二次高頻逆變模塊中IGBT的導通與關(guān)閉及其工作規(guī)律；高頻引弧模塊，用于向電弧負載輸出高頻信號，在高壓高頻下實現(xiàn)非接觸引弧； 其中，負載電流檢測模塊的輸入端與電弧負載連接，負載電流檢測模塊的輸出端與比 較器的輸入端連接；脈沖參數(shù)給定模塊與比較器的另一輸入端連接，比較器的輸出端分別 與單片機通訊協(xié)同控制模塊、一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊連接；單片機通訊協(xié)同控制 模塊的輸出端分別與一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊、二次逆變脈寬調(diào)制模塊、高頻引弧 模塊連接；一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊的輸出端與一次高頻逆變驅(qū)動模塊連接，一次 高頻逆變驅(qū)動模塊的輸出端與一次高頻逆變模塊連接；二次逆變脈寬調(diào)制模塊的輸出端與 二次逆變驅(qū)動模塊連接，二次逆變脈寬調(diào)制模塊的輸出端與二次逆變模塊連接；(3)參數(shù)調(diào)節(jié)單元與電流比較驅(qū)動電路單元中的單片機通訊協(xié)同控制模塊輸入端連 接，參數(shù)調(diào)節(jié)單元向單片機通訊協(xié)同控制模塊提供控制各模塊運行的數(shù)字信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源，其特征 在于，所述內(nèi)置電路中還設(shè)有安全電路單元，安全電路單元包括網(wǎng)壓檢測模塊、電壓保護模 塊、溫度檢測模塊和過熱保護模塊，網(wǎng)壓檢測模塊的輸入端與三相工頻交流電源連接，網(wǎng)壓 檢測模塊的輸出端與電壓保護模塊連接，電壓保護模塊的輸出端分別與一次高頻逆變移相 脈寬調(diào)制模塊、單片機通訊協(xié)同控制模塊連接，溫度檢測模塊的輸入端與一次高頻逆變模 塊連接，溫度檢測模塊的輸出端與過熱保護模塊連接，過熱保護模塊的輸出端分別與一次 高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊、單片機通訊協(xié)同控制模塊連接；其中，網(wǎng)壓檢測模塊用于檢測三相交流電源的電壓值；電壓保護模塊用于判斷所檢測 到的電壓值是否出現(xiàn)過壓或欠壓的情況，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號；溫度檢測模塊用于檢測 一次高頻逆變模塊內(nèi)散熱片的溫度值；過熱保護模塊用于判斷所檢測到的溫度值是否出現(xiàn) 過熱的情況，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源，其特征 在于，所述單片機通訊協(xié)同控制模塊還外接有人機對話面板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源，其特征 在于，所述一次高頻逆變模塊采用軟開關(guān)逆變式移相全橋拓撲結(jié)構(gòu)，包括LC諧振電路和兩 個并聯(lián)設(shè)置的IGBT管組，各IGBT管組分別包括兩個IGBT，各IGBT管組的輸出端與LC諧振 電路連接，LC諧振電路的輸出端與功率變壓模塊連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源，其特征 在于，所述二次逆變模塊采用逆變式硬開關(guān)半橋拓撲結(jié)構(gòu)，包括濾波環(huán)節(jié)和兩個并聯(lián)設(shè)置 的IGBT管組，各IGBT管組分別包括兩個IGBT，各IGBT管組的輸出端與濾波環(huán)節(jié)連接，濾波 環(huán)節(jié)的輸出端與電弧負載連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源，其特征 在于，所述一次高頻逆變移相脈寬調(diào)制模塊包括依次連接的一次電流比較子模塊、一次差 值放大子模塊和移相芯片UC3879，一次電流比較子模塊的輸入端分別與比較器、單片機通 訊協(xié)同控制模塊連接，移相芯片UC3879的輸出端與一次高頻逆變驅(qū)動模塊連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源，其特征 在于，所述二次逆變脈寬調(diào)制模塊包括依次連接的二次電流比較子模塊、二次差值放大子 模塊、脈寬調(diào)制芯片SG3525和脈寬調(diào)制反相芯片⑶4049，二次電流比較子模塊的輸入端與 單片機通訊協(xié)同控制模塊連接，脈寬調(diào)制反相芯片CD4049的輸出端與二次逆變驅(qū)動模塊 連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源，其 特征在于，所述單片機通訊協(xié)同控制模塊包括相連接的PALCE22V10H和邏輯電路芯片 ULN2004A,單片機PALCE22V10H與人機對話面板相連接，單片機PALCE22V10H的輸入端分別 與參數(shù)調(diào)節(jié)單元、調(diào)節(jié)器連接，單片機PALCE22V10H的輸出端分別與一次高頻逆變移相脈 寬調(diào)制模塊、二次逆變脈寬調(diào)制模塊連接，邏輯電路芯片ULN2004A的輸入端與安全電路單 元連接，邏輯電路芯片ULN2004A的輸出端與單片機PALCE22V10H連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源，其特征 在于，所述高頻引弧模塊包括相連接的芯片IC1555和高頻開關(guān)場效應(yīng)管，芯片IC1555的輸 入端與單片機通訊協(xié)同控制模塊連接，高頻開關(guān)場效應(yīng)管的輸出端與電弧負載連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源，其特 征在于，所述脈沖參數(shù)給定模塊中設(shè)有交叉波形控制器NE555，交叉波形控制器NE555的輸 出端與比較器連接。
專利摘要本實用新型公開一種軟開關(guān)IGBT雙逆變式方波交直流鎢極氬弧焊電源，包括機箱和內(nèi)置電路，內(nèi)置電路包括雙逆變主電路單元、電流比較驅(qū)動電路單元和參數(shù)調(diào)節(jié)單元；雙逆變主電路單元包括依次連接的整流濾波模塊、一次高頻逆變模塊、功率變壓模塊、高頻整流緩沖吸收模塊和二次逆變模塊，整流濾波模塊的輸入端與三相工頻交流電源連接，二次逆變模塊的輸出端外接電弧負載。本實用新型抗電磁干擾性能強、逆變頻率、效率、可靠性更高、節(jié)電更好，而且輸出的方波交流波形理想、過零點快、電弧穩(wěn)定性更好，清除難熔金屬氧化物能力強，無磁偏吹，可控電電參數(shù)多且靈活。
文檔編號B23K9/067GK201856022SQ20102024755
公開日2011年6月8日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者廖紅武, 楊錦輝, 白雪寒, 祝國勝, 黃石生 申請人:華南理工大學, 廣東火電工程總公司