專利名稱：一種逆變焊接電源系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種焊接電源或控制電路，特別是涉及一種逆變焊接電源系統(tǒng)。
背景技術：
焊接電源的制造已有一百多年的歷史，從20世紀60年代開始，硅整流元件、大功率晶體管、場效應管、絕緣柵雙極晶體管等器件的相繼出現(xiàn)，以及集成電路技術和控制技術的快速發(fā)展，為電子焊接電源的發(fā)展提供了更廣闊的空間，其中最引人注目的是逆變焊接電源。
目前在工業(yè)發(fā)達國家，手工電弧焊、TIG焊、MIG/MAG焊已經(jīng)廣泛采用逆變電源。世界上幾家主要焊機制造廠商都已經(jīng)完成了逆變焊機產(chǎn)品系列化，并以此作為技術水平的標志之一。逆變式焊接電源與工頻焊接電源比節(jié)能20％～30％，效率可達80％～90％；其次，逆變式焊接電源體積小、重量輕，整機重量僅為傳統(tǒng)工頻整流焊接電源的1/5～1/10，減少材料消耗80％～90％。特別是逆變式焊接電源有著動態(tài)反應速度快的優(yōu)勢，其動態(tài)反應速度比傳統(tǒng)工頻整流焊接電源提高了2～3個數(shù)量級，有利于實現(xiàn)焊接過程的自動化和智能控制。
我國逆變焊機的研究開發(fā)起步于20世紀70年代末期，于20世紀80年代開始發(fā)展?，F(xiàn)在，我國逆變焊機電源已形成4代產(chǎn)品第一代是以可控硅SCR為主功率器件的逆變器；第二代是晶體管逆變器；第三代是場效應管逆變器；第四代是IGBT逆變器，其逆變頻率高，飽和壓降低，功耗小，效率高，無噪聲，與前3代逆變器相比，優(yōu)勢更明顯。
上述逆變焊接電源根據(jù)所需不同的焊接功率，需要采用不同的電子元件，即不同功率的焊機是獨立制造的，這就造成了制造成本較偏高，且制造工藝相對復雜。也有將焊機電源內(nèi)分成若干功率單元，并將若干功率單元并聯(lián)輸出，以提高焊接所需功率。這種方式有以下缺點所述功率單元連接于三相交流電中，其輸入電壓為380V，經(jīng)整流后約為540V，因此對所采用的電子元件要求有較高的耐壓性能，因此成本相對較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種逆變焊接電源系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有逆變焊接電源對采用的電子元件要求較高的耐壓性能，因此制造成本較高的缺陷。
本發(fā)明采用如下技術方案包括若干通用焊接機芯組，每個通用焊接機芯組包括一至三個通用焊接機芯，每個通用焊接機芯實質為一個功率單元，各通用焊接機芯組中的每個通用焊接機芯接入176V至264V交流電，每個通用焊接機芯組接一個焊接控制器，各通用焊接機芯組輸出端互相連接以實現(xiàn)功率總線集成輸出。
所述的通用焊接機芯組包括三個通用焊接機芯，三個通用焊接機芯以星形接法接入三相交流電。
所述的通用焊接機芯包括通用焊接機芯主電路和通用焊接機芯驅動電路，通用焊接機芯主電路包括工頻AC/DC變換電路、高頻DC/AC變換電路、高頻AC/DC變換電路、過壓保護電路、信號變換電路、偏置電壓產(chǎn)生電路、控制旋鈕輸入信號處理電路，通用焊接機芯驅動電路包括PWM信號緩沖輸入電路、快速過流開關電路、PWM信號電壓放大電路、PWM信號功率放大電路、過壓、過熱、過流故障判斷器和過熱判斷電路，所述焊接控制器包括PWM信號發(fā)生電路、PWM信號緩沖輸出電路、恒流比較控制器、限流控制器、焊接特性控制器、反饋電流放大電路和緩沖放大電路，其控制過程如下1)工頻AC/DC變換電路將輸入的176V至264V交流電整流為一直流脈動電壓；2)高頻DC/AC變換電路將工頻AC/DC變換電路產(chǎn)生的直流脈動電壓逆變并降壓為100KHz、峰值為100V的交流方波電壓，并產(chǎn)生一采樣電流信號；3)高頻AC/DC變換電路將高頻DC/AC變換電路產(chǎn)生的交流方波電壓經(jīng)全波整流輸出一脈動直流電壓供焊接使用，并產(chǎn)生反饋電壓信號和反饋電流信號；4)PWM信號發(fā)生電路產(chǎn)生基頻為100KHz的方波信號，經(jīng)PWM信號緩沖輸出電路進入PWM信號緩沖輸入電路，并經(jīng)快速過流開關電路，經(jīng)PWM信號電壓放大電路進行電壓放大，經(jīng)功率放大電路進行功率放大，進入通用機芯主電路的信號變換電路；5)信號變換電路將PWM信號功率放大電路輸出的PWM信號隔離變換成開關信號對高頻DC/AC變換電路進行控制；6)控制旋鈕信號處理電路對外界控制旋鈕輸入的信號進行處理，送至恒流比較控制器，高頻AC/DC變換電路產(chǎn)生的反饋電壓信號經(jīng)焊接特性控制器處理進入恒流比較器，高頻AC/DC變換電路產(chǎn)生的反饋電流信號經(jīng)反饋電流放大電路放大后進入恒比較器，恒流比較器對輸入的信號進行處理后輸出一信號至緩沖放大電路，限流控制器對高頻DC/AC電路的采樣電流信號進行比較放大后輸出到緩沖放大電路，緩沖放大電路對輸入的信號進行緩沖放大，對PWM信號發(fā)生電路產(chǎn)生的100KHz的方波信號進行寬度調節(jié)；7)快速過流開關電路根據(jù)高頻DC/AC變換電路產(chǎn)生的采樣電流信號控制PWM信號的通斷，并產(chǎn)生一過流信號；過壓保護電路根據(jù)工頻AC/DC變換電路的輸出電壓產(chǎn)生一過壓信號；過壓、過熱、過流故障判斷器對來自快速過流開關電路的過流信號、來自過壓保護電路的過壓信號以及來自過熱保護電路的過熱信號進行或運算，輸出一故障信號至PWM信號發(fā)生電路，控制其通斷。
所述的焊接特性控制器為手弧焊接特性控制器、埋弧焊接特性控制器、鎢極氣體保護焊接特性控制器、等離子弧焊接特性控制器、熔化極氣體保護焊接特性控制器或電阻焊接特性控制器。
本發(fā)明將逆變焊接電源的功率單元以星形接法接于三相交流電中，其輸入電壓為176V至264V，低于傳統(tǒng)的輸入電壓380V，因此降低了所采用的電子器件所要求的耐壓性能，因此大大降低了其制造成本；由于三個通用焊接機芯采用星形接法接于三相交流電中，每個機芯組采用一個焊接控制器，因此能夠實現(xiàn)中央控制和三相自動平衡，不會產(chǎn)生三相嚴重偏相；另外，本發(fā)明中僅焊接控制器對應于不同焊接方法而有所區(qū)別，而通用焊接機芯部分則不分何種焊接方式而完全相同，所用機芯的多少則決定了焊機功率的大小，因此可以通過簡單的拼裝而迅速裝配出用于不同焊接方法、不同功率大小的逆變焊接電源，同時，也因此種結構本發(fā)明提供的逆變焊接電源所需的貴重電子元器件少，生產(chǎn)工藝簡單，更易維修，發(fā)生故障時只需對機芯進行簡單的替換即可。


圖1為本發(fā)明通用焊接機芯組的電路圖；圖2為本發(fā)明焊接控制器和一個通用焊接機芯的電路框圖；圖3為本發(fā)明通用焊接機芯主電路的電路圖；圖4為本發(fā)明通用焊接機芯驅動電路的電路圖；圖5為本發(fā)明一個實施例焊接控制器部分的電路圖。
具體實施例參照圖1、圖2、圖3、圖4和圖5，為本發(fā)明的一個具體實施例，該實施例為本發(fā)明應用于逆變手弧焊接電源的一個較佳方式。
參照圖1，該逆變手弧焊接電源包括一個通用焊接機芯組，通用焊接機芯組包括三個通用焊接機芯TH1、TH2、TH3，三個通用焊接機芯TH1、TH2、TH3實質為三個功率單元，每個通用焊接機芯設有主電源輸入端UiM1、UiM2，輸出正極U0+和輸出負極U0-，四個輸入控制電源端UiK1、UiK2、UiK3、UiK4，控制旋鈕接口Uki、GND、+5V，故障控制信號端OFF，面板指示燈接口GND、ERRLED、ONLED，信號源A和信號源B。各通用焊接機芯的主電源輸入端UiM1、UiM2以星形接法接于三相交流電中，其輸出正極U0+和輸出負極U0-并接輸出，四個輸入控制電源端UiK1、UiK2、UiK3、UiK4接變壓器B1，由其提供交流控制電源輸入。
每個通用焊接機芯包括通用焊接機芯主電路1和通用焊接機芯驅動電路2，參照圖3，為本發(fā)明通用焊接機芯主電路1的電路圖。通用焊接機芯主電路1包括工頻AC/DC變換電路11、高頻DC/AC變換電路12、高頻AC/DC變換電路13、過壓保護電路14、信號變換電路15、偏置電壓產(chǎn)生電路16、控制旋鈕輸入信號處理電路17，各部分基本電路構成及連接關系如下工頻AC/DC變換電路11由主電源輸入接頭J3、保險絲F1、壓敏電阻RU1、集成塊IC1組成一個整流濾波電路，其中集成塊IC1為一個整流硅堆。主電源輸入接頭J3對應于通用焊接機芯的主電源輸入端UiM1、UiM2。
高頻DC/AC變換電路12由8個場效應管QZ1、2Qz1、QZ2、2Qz2、QZ3、2Qz3、QZ4、2Qz4組成一個高頻全逆變橋，其輸入端接集成塊IC1的輸出端，輸出端接兩個降壓變壓器T1和T2。并由變壓器T3、共模電感2L2及若干二極管、電容、電阻組成電流采樣電路，采樣電流輸出端為Ii。
高頻AC/DC變換電路13由四個二極管DZ1、DZ2、DZ3、DZ4和四個儲能電抗器L2、L3、L4、L5組成全波整流電路，其輸入端接降壓變壓器T1、T2的輸出端，其輸出端J4、J5接分別對應于通用焊接機芯的輸出正極U0+和輸出負極U0-。接頭J10與接頭J11連接，穩(wěn)壓管W10、電阻R64、R65組成一個反饋信號產(chǎn)生電路，Uo為反饋電壓信號輸出端，Io為反饋電流信號輸出端。
過壓保護電路14由穩(wěn)壓二極管W8和W9、集成塊IC2組成，集成塊IC2將穩(wěn)壓二極管產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓和工頻AC/DC變換電路11中的集成塊IC1的輸出電壓比較，產(chǎn)生一過壓信號，由過壓信號輸出端SU輸出。
信號變換電路15的信號輸入端T4-1和T4-2經(jīng)共模電感2L1接脈沖變壓器T4的輸入端，脈沖變壓器T4有四組輸出端，每組輸出端的輸出電壓分別經(jīng)穩(wěn)壓管和若干二極管處理，形成四組控制信號KG1和KS1、KG2和KS2、KG3和KS3、KG4和KS4。
偏置電壓產(chǎn)生電路16包括輸入控制電源接頭J6及由若干二極管、電容、三個三端穩(wěn)壓器U6LM7812、U5LM7805、U7LM7812組成一個整流濾波穩(wěn)壓電路，輸出+5V、+12V、+24V三種直流電壓。
控制旋鈕輸入信號處理電路17包括控制旋鈕接頭J7和若干電阻、電容組成的信號處理電路，控制旋鈕接頭J7對應于通用焊接機芯的控制旋鈕接口Uki、GND、+5V，信號處理電路的信號輸出端為UKi。
參照圖4，為本發(fā)明通用焊接機芯驅動電路2的電路圖。通用焊接機芯驅動電路包括PWM信號緩沖輸入電路21、快速過流開關電路22、PWM信號電壓放大電路23、PWM信號功率放大電路24、過壓、過熱、過流故障判斷器25和過熱判斷電路26。各部分基本電路構成及連接關系如下PWM信號緩沖輸入電路21由兩個信號輸入端A、B分別接兩個反相器U1B、U1E。
快速過流開關電路22包括由三極管Q13、穩(wěn)壓管W1及若干電阻、電容、二極管組成的過流信號產(chǎn)生電路、由反相器U1D和U1A、三極管Q11，和Q12組成的電子開關組成，過流信號產(chǎn)生電路的輸出端接電子開關的輸入端，過流信號產(chǎn)生電路的采用電流輸入端Ii接高頻DC/AC變換電路12中的采樣電流輸出端Ii，電子開關的兩個輸出端接PWM信號緩沖輸入電路21的兩個信號輸出端。
PWM信號電壓放大電路23由若干三極管組成電壓放大電路，其輸入端接PWM信號緩沖輸入電路21的兩個信號輸出端。
PWM信號功率放大電路24由四個場效應管Q1、Q2、Q3、Q4組成功率放大電路，其信號輸入端接PWM信號電壓放大電路23的輸出端，其輸出端T4-1、T4-2接信號變換電路15的信號輸入端T4-1和T4-2。
過壓、過熱、過流故障判斷器25包括通過一或門電路對過壓、過熱、過流信號進行或操作，過熱判斷電路由運算放大器IC3組成，其過熱信號輸出端ST接過壓、過熱、過流故障判斷器25過熱信號輸入端，快速過流開關電路22中過流信號產(chǎn)生電路的輸出端接過壓、過熱、過流故障判斷器25過流信號輸入端，過壓保護電路14的過壓信號輸出端SU接過壓、過熱、過流故障判斷器25過壓信號輸入端，過壓、過熱、過流故障判斷器25的故障信號輸出端為OFF。
每個機芯組接一個焊接控制器3，參照圖5，為本發(fā)明焊接控制器3的電路圖，在本實施例中為手弧焊接控制器。包括PWM信號發(fā)生電路31、PWM信號緩沖輸出電路32、恒流比較控制器34、限流控制器35、焊接特性控制器36、反饋電流放大電路37和緩沖放大電路38。各部分基本電路構成及連接關系如下PWM信號發(fā)生電路31主要由PWM信號發(fā)生器IC8構成，其兩個信號輸出端為VoA和VoB，其輸入端接緩沖放大電路38的信號輸出端。PWM信號緩沖輸出電路32由兩個反相器U8C和U8D組成，其輸入端接PWM信號發(fā)生電路31的信號輸出端VoA和VoB。
恒流比較控制器34由集成運放IC4構成，其輸入端接反饋電流放大電路37的輸出端接控制旋鈕輸入信號處理電路17的信號輸出端UKi，其輸出端接緩沖放大電路38的輸入端。
限流控制器35由集成運放IC5和IC6構成一個比較放大電路，其輸入端接高頻DC/AC變換電路12中的采樣電流輸出端為Ii，輸出端接緩沖放大電路38的輸入端。緩沖放大電路38主要由集成運放IC9構成。
焊接特性控制器36二極管D3、D4和三極管Q1、Q2構成比較放大電路，其輸入端接高頻AC/DC變換電路13的反饋電壓信號輸出端Uo，其輸出端接緩沖放大電路38的輸入端。
參照圖2，為本發(fā)明焊接控制器1和一個通用焊接機芯的電路框圖；其控制過程如下1)工頻AC/DC變換電路11將輸入的176V至264V交流電整流為一直流脈動電壓；2)高頻DC/AC變換電路12將工頻AC/DC變換電路產(chǎn)生的直流脈動電壓逆變并降壓為100KHz、峰值為100V的交流方波電壓，并產(chǎn)生一采樣電流信號；3)高頻AC/DC變換電路13將高頻DC/AC變換電路產(chǎn)生的交流方波電壓經(jīng)全波整流輸出一脈動直流電壓供焊接使用，并產(chǎn)生反饋電壓信號和反饋電流信號；4)PWM信號發(fā)生電路31產(chǎn)生基頻為100KHz的方波信號，經(jīng)PWM信號緩沖輸出電路32進入PWM信號緩沖輸入電路21，并經(jīng)快速過流開關電路22，經(jīng)PWM信號電壓放大電路23進行電壓放大，經(jīng)功率放大電路24進行功率放大，進入通用機芯主電路1的信號變換電路15；5)信號變換電路15將PWM信號功率放大電路24輸出的PWM信號隔離變換成開關信號對高頻DC/AC變換電路12中的全逆變橋的四個橋臂進行控制；6)控制旋鈕信號處理電路17對外界控制旋鈕輸入的信號進行處理，送至恒流比較控制器34，高頻AC/DC變換電路13產(chǎn)生的反饋電壓信號經(jīng)焊接特性控制器36處理進入恒流比較器34，高頻AC/DC變換電路13產(chǎn)生的反饋電流信號經(jīng)反饋電流放大電路37放大后進入恒比較器34，恒流比較器34對輸入的信號進行處理后輸出一信號至緩沖放大電路38，限流控制器35對高頻DC/AC電路12的采樣電流信號進行比較放大后輸出到緩沖放大電路38，緩沖放大電路38對輸入的信號進行緩沖放大，對PWM信號發(fā)生電路31產(chǎn)生的100KHz的方波信號進行寬度調節(jié)；
7)快速過流開關電路22根據(jù)高頻DC/AC變換電路12產(chǎn)生的采樣電流信號控制PWM信號的通斷，并產(chǎn)生一過流信號；過壓保護電路14根據(jù)工頻AC/DC變換電路11的輸出電壓產(chǎn)生一過壓信號；過壓、過熱、過流故障判斷器25對來自快速過流開關電路22的過流信號、來自過壓保護電路14的過壓信號以及來自過熱保護電路26的過熱信號進行或運算，輸出一故障信號至PWM信號發(fā)生電路31，控制其通斷。
本實施例為手弧焊接電源系統(tǒng)，只要對焊接控制器3中的焊接特性控制器36作相應的改變，即可用于埋弧焊接電源、鎢極氣體保護焊接電源、等離子弧焊接電源、熔化極氣體保護焊接電源或電阻焊接電源，增加機芯組的數(shù)量即可增大焊接電源的功率。
權利要求
1.一種逆變焊接電源系統(tǒng)，其特征在于包括若干通用焊接機芯組，每個通用焊接機芯組包括一至三個通用焊接機芯，每個通用焊接機芯實質為一個功率單元，各通用焊接機芯組中的每個通用焊接機芯接入176V至264V交流電，每個通用焊接機芯組接一個焊接控制器，各通用焊接機芯組輸出端互相連接以實現(xiàn)功率總線集成輸出。
2.如權利要求1所述的一種逆變焊接電源系統(tǒng)，其特征在于所述的通用焊接機芯組包括三個通用焊接機芯，三個通用焊接機芯以星形接法接入三相交流電。
3.如權利要求1所述的一種逆變焊接電源系統(tǒng)，其特征在于所述的通用焊接機芯包括通用焊接機芯主電路和通用焊接機芯驅動電路，通用焊接機芯主電路包括工頻AC/DC變換電路、高頻DC/AC變換電路、高頻AC/DC變換電路、過壓保護電路、信號變換電路、偏置電壓產(chǎn)生電路、控制旋鈕輸入信號處理電路，通用焊接機芯驅動電路包括PWM信號緩沖輸入電路、快速過流開關電路、PWM信號電壓放大電路、PWM信號功率放大電路、過壓、過熱、過流故障判斷器和過熱判斷電路，所述焊接控制器包括PWM信號發(fā)生電路、PWM信號緩沖輸出電路、恒流比較控制器、限流控制器、焊接特性控制器、反饋電流放大電路和緩沖放大電路，其控制過程如下1)工頻AC/DC變換電路將輸入的176V至264V交流電整流為一直流脈動電壓；2)高頻DC/AC變換電路將工頻AC/DC變換電路產(chǎn)生的直流脈動電壓逆變并降壓為100KHz、峰值為100V的交流方波電壓，并產(chǎn)生一采樣電流信號；3)高頻AC/DC變換電路將高頻DC/AC變換電路產(chǎn)生的交流方波電壓經(jīng)全波整流輸出一脈動直流電壓供焊接使用，并產(chǎn)生反饋電壓信號和反饋電流信號；4)PWM信號發(fā)生電路產(chǎn)生基頻為100KHz的方波信號，經(jīng)PWM信號緩沖輸出電路進入PWM信號緩沖輸入電路，并經(jīng)快速過流開關電路，經(jīng)PWM信號電壓放大電路進行電壓放大，經(jīng)功率放大電路進行功率放大，進入通用機芯主電路的信號變換電路；5)信號變換電路將PWM信號功率放大電路輸出的PWM信號隔離變換成開關信號對高頻DC/AC變換電路進行控制；6)控制旋鈕信號處理電路對外界控制旋鈕輸入的信號進行處理，送至恒流比較控制器，高頻AC/DC變換電路產(chǎn)生的反饋電壓信號經(jīng)焊接特性控制器處理進入恒流比較器，高頻AC/DC變換電路產(chǎn)生的反饋電流信號經(jīng)反饋電流放大電路放大后進入恒比較器，恒流比較器對輸入的信號進行處理后輸出一信號至緩沖放大電路，限流控制器對高頻DC/AC電路的采樣電流信號進行比較放大后輸出到緩沖放大電路，緩沖放大電路對輸入的信號進行緩沖放大，對PWM信號發(fā)生電路產(chǎn)生的100KHz的方波信號進行寬度調節(jié)；7)快速過流開關電路根據(jù)高頻DC/AC變換電路產(chǎn)生的采樣電流信號控制PWM信號的通斷，并產(chǎn)生一過流信號；過壓保護電路根據(jù)工頻AC/DC變換電路的輸出電壓產(chǎn)生一過壓信號；過壓、過熱、過流故障判斷器對來自快速過流開關電路的過流信號、來自過壓保護電路的過壓信號以及來自過熱保護電路的過熱信號進行或運算，輸出一故障信號至PWM信號發(fā)生電路，控制其通斷。
4.如權利要求3所述的一種逆變焊接電源系統(tǒng)，其特征在于所述的焊接特性控制器為手弧焊接特性控制器、埋弧焊接特性控制器、鎢極氣體保護焊接特性控制器、等離子弧焊接特性控制器、熔化極氣體保護焊接特性控制器或電阻焊接特性控制器。
全文摘要
一種逆變焊接電源系統(tǒng)，包括若干通用焊接機芯組，每個通用焊接機芯組包括一至三個通用焊接機芯，每個通用焊接機芯實質為一個功率單元，各通用焊接機芯組中的每個通用焊接機芯接入176V至264V交流電，每個通用焊接機芯組接一個焊接控制器，各通用焊接機芯組輸出端互相連接以實現(xiàn)功率總線集成輸出。所述的通用焊接機芯組包括三個通用焊接機芯，三個通用焊接機芯以星形接法接入三相交流電。本發(fā)明可以通過簡單的拼裝而迅速裝配出用于不同焊接方法、不同功率大小的逆變焊接電源，同時，也因此種結構本發(fā)明提供的逆變焊接電源所需的貴重電子元器件少，生產(chǎn)工藝簡單，更易維修，發(fā)生故障時只需對機芯進行簡單的替換即可。
文檔編號H02M7/48GK1571260SQ03138819
公開日2005年1月26日 申請日期2003年7月17日 優(yōu)先權日2003年7月17日
發(fā)明者彭瀟偉 申請人:廈門天瑯焊接設備有限公司