專利名稱：不鎖相多脈寬調制低中頻弧焊逆變器的制作方法
技術領域：
本實用新型為一種逆變型弧焊電源。
現有弧焊逆變器一直沿用單脈沖調制的方案制造，用調頻或調脈沖寬度的方法使逆變開關管的通斷比發生變化來調控平均輸出電壓的大小，從而實現整機的外特性控制(見焊接手冊第一卷，機械工業出版社92年版)。
現有弧焊逆變器的主要缺點是1、輸出的電壓只能是正負脈沖有間隔的交流方波或經輸出整流器整流后輸出有間隔的直流方波，而且平均輸出電壓越低、脈沖之間的間隔越大，很顯然用這種方波直接做交流弧焊電源將存在正負半周電壓不銜接的缺陷，(見弧焊整流電源及控制§3-3，機械工業出版社83年版)；2、為提高效率和反應速度，現有弧焊逆變器的中頻頻率一般都選在3000HZ以上，這樣不僅提高了對輸出變壓器及輸出整流器的技術要求，直接提高了整機生產成本，也固輸出電焊把線存在一定的電感，而使整機更不便直接工作在交流焊接狀態。
本實用新型的目的是研制一種多脈寬調制的弧焊逆變器，改進現有弧焊逆變器的上述缺點，并降低生產成本。
本實用新型的技術解決方案是設計一種不鎖相多脈寬調制低中頻弧焊逆變器主要由輸入整流器、濾波器、絕緣柵功率晶體管組成的串聯對稱全橋逆變開關、逆變輸出變壓器以及電子控制電路組成；其主要技術特征是所述絕緣柵功率晶體管組成的串聯對稱全橋逆變開關的兩個相鄰橋臂開關管T1、T3的柵極、分別通過電子控制電路中的低中頻矩形波驅動器的輸出隔離變壓器B2的兩組次級線圈、接有該低中頻矩形波驅動器所輸出的200HZ到1000HZ可選頻率范圍中某一選定頻率的非可調制的驅動電壓；而所述絕緣柵功率晶體管組成的串聯對稱全橋逆變開關的另外兩個橋臂開關管T2、T4的柵極確分別通過各自電源懸浮的獨立驅動電路IC2、IC3接有從電子控制電路中的開關脈寬調制器輸出的2KHZ到20KHZ可選頻率范圍中某一選定頻率的脈寬受控調制驅動電壓；并且該開關脈寬調制器的選定頻率和上述低中頻矩形波驅動器的選定頻率之間相互獨立、互不鎖相；但是上述開關管T2、T4各自柵極所接的電源懸浮的獨立驅動電路IC2、IC3是輪換工作的，其輪換工作的驅動，確同樣通過電子控制電路中的低中頻矩形波驅動器的輸出隔離變壓器B2的另外兩組次級線圈，接有和全橋逆變開關兩個相鄰橋臂開關管T1、T3的柵極同頻的驅動電壓，并且該輸出隔離變壓器B2的4組次級線圈電壓按全橋逆變常規，兩兩對應同相驅動對稱逆變全橋的對角橋臂。
這樣，低中頻矩形波驅動器驅動逆變電路換向，開關脈寬調制器調控輸出電壓大小，共同作用而輸出一個多脈寬調制的低中頻交變電壓。
上述技術解決方案中所說的絕緣柵功率晶體管T1、T2、T3、T4可以選用IGBT管或IGBT管組或IGBT管功率模塊。
上述技術解決方案中所說的對稱全橋逆變開關另外兩個橋臂的開關管T2、T4的各自柵極所接的電源懸浮的獨立驅動電路IC2、IC3可以選用市售成品IGBT集成驅動電路EXB840或EXB841。
上述技術解決方案中所說的電子控制電路中的低中頻矩形波驅動器可以由時基集成電路IC1與倒相及推挽輸出電路以及推挽輸出隔離變壓器B2共同組成；時基電路和推挽輸出電路之間可以用電容C15、C16、二級管D13、D16交聯耦合，時基集成電路可以選用555通用時基集成電路。
上述技術解決方案中所說的電子控制電路中的開關脈寬調制器可以由開關脈寬調制集成電路GL2842及外圍電路組成。
上述技術解決方案中所說的逆變輸出變壓器B3可以由優質冷軋硅鋼片按常規方法制作。
本實用新型和現有技術相比的主要優點是1、輸出電壓正負半用之間的間隔時間不隨輸出電壓或電流的大小而變化，便于直接工作在交流焊接狀態。2、反饋響應速度和逆變輸出頻率無關，便于在兼顧效率及反應速度的情況下制作成低中頻輸出，降低整機成本。3、輸出電壓正負半周的對稱性可用電子控制電路調整，便于消除逆變輸出變壓器中的直流成分。
附圖描述了本實用新型的一個優選實施例。
圖1、為本實施例的電路原理圖；圖2、為本實施例所選用的脈寬調制集成電路GL2842的內部電路原理框圖；圖3、為本實施例的產品安裝結構示意簡圖。
下面將結合附圖詳細敘述本實用新型的實施例參見
圖1，X1、X2、X3為工頻三相電源接線端子。
主電路自動空氣開關K1閉合后，工頻三相交流電進入二極管D2×6組成的三相全波整流電路整流，整流后的脈動直流電壓經串聯電容C2、C3、均壓電阻R2、R3組成的簡單濾波電路后直接供給由IGBT絕緣柵功率晶體管T1、T2、T3、T4及附屬電路組成的串聯對稱全橋逆變開關電路；電阻R9、R10、R12、R15分別為上述T1、T2、T3、T4開關管的柵極泄放電阻，主要做用是降低各自開關管柵極的輸入阻抗，防止柵極振蕩及柵極瞬變過電壓；電阻R4、R5、R6、R7電容C4、C5、C6、C7二極管D3、D4、D5、D6分別組成4個典型的放電抑制型RCD緩沖電路，分別緩沖各自開關管的開關浪通電壓；D7、R8和D8、R11二級管電阻并聯電路分別串接在全橋逆變開關相鄰橋臂開關管T1、T3的柵極回路里，主要做用是延長各自開關管的開通時間而不影響其關斷時間，以免在換向瞬間造成共態短路。B2為電子控制電路中的低中頻矩形波驅動器的輸出隔離變壓器，正常工作時，隔離變壓器B2的4組次級線圈電壓分別作用于全橋逆變開關電路的4個橋臂，但對不同橋臂開關管的做用是不同的對相鄰橋臂T1、T3開關管，設B2兩組次級線圈電壓分別于低中頻矩形波正半周時開通T1、關斷T3，于低中頻矩形波負半周時開通T3、關斷T1；而對另外兩個橋臂開關管T4、T2來說，B2另外兩組次級線圈電壓在同樣低中頻矩形波正負半周時只是對應開通T4、T2開關管各自柵極電路上所接的電源懸浮的獨立驅動電路IC3、IC2中各自光耦輸入回路中串接的晶體開關三極管T5、T6，從而為電子控制電路中的開關脈寬調制器輸出的脈寬調制電壓選擇好方向，而實際對應的T4、T2開關管能否開通，每半個周期開通關斷多少次，每次的脈寬是多少，均需決定于開關脈寬調制器輸出的脈寬調制驅動電壓及頻率。在本實施例中，電子控制電路中的低中頻矩形波驅動器的選定頻率為200HZ±5％，而電子控制電路中的開關脈寬調制器的選定頻率為8KHZ±20％，因此在低中頻矩形波的每半個周期中大約有20個脈寬調制脈沖；這里說大約，是因為本實用新型的低中頻矩形波驅動器所選頻率和開關脈寬調制器所選頻率相互獨立、互不鎖相，所以兩種頻率各自允許有一定的頻率飄移。
主回路對稱全橋逆變開關，由于同時受到電子控制電路中的低中頻矩形波驅動器輸出的驅動電壓的換向和電子控制電路中的開關脈寬調制器的多脈寬調制，從而逆變輸出一個多脈寬調制的交變矩形波。該交變矩形波經逆變輸出變壓器B3的初次級變壓，B3漏感和電容C1高頻濾波后，即可輸出，供弧焊使用。
主回路中，電阻R13、R14分別為晶體開關三極管T5、T6的基極限流電阻，R16、R17分別為晶體開關三極管T5、T6的集電極限流電阻，電容C8、C9分別為電源懸浮的獨立驅動電路IC2、IC3中負電壓濾波電容，電阻R1串接在主回路直流供電回路中作為電流取樣電阻。
電子控制電路中電源變壓器B1的初級線圈通過鑰匙開關K2和控制電路總保險RD1而接在工頻相電壓上，B1次級分三組，輸出均為交流24V其中二組分別通過二極管D9×4、D10×4全波整流，電容C23、C25濾波，三端集成穩壓器IC5、IC6穩壓后輸出二組相同的懸浮電壓V1、V′1和V2、V′2，分別給電源懸浮的獨立驅動電路IC2、IC3供電；二極管D18、D19、D20和D21、D22、D23分別串在三端集成穩壓器IC5、IC6的接地通路里，作用是提高穩壓輸出電壓，電容C26、C24分別為兩組懸浮電壓的輸出濾波電容；B1下余一組的輸出電壓經二極管D11×4全波整流，電容C10濾波后，經由復合三極管T7、電阻R18、穩壓二極管D12、電容C11、C19組成的典型串連穩壓電路穩壓后，輸出直流18V穩定電壓、供控制電路下余部分使用。
電子控制電路中的低中頻矩形波驅動器主要由下述電路組成由555時基集成電路IC1和濾波電容C17、充放電可調電阻R24、充放電電容C18、可調電阻R25組成一個典型的對稱方波發生器，微調電阻R25可以有限調整高低電平輸出的對稱性，避免主回路逆變輸出變壓器輸出直流成分。由晶體三極管T8、T9和輸出隔離變壓器B2組成推挽輸出電路。其工作過程是當時基電路IC1輸出高電平時，電流通過限流電阻R23、耦合電容C16推動晶體管T9開通；當時基電路IC1輸出低電平時，通過晶體管r10倒相，電流通過限流電阻R21、耦合電容C15推動晶體管T8開通；T8、T9周期輪換開通，完成推挽輸出任務。其中R22為倒相晶體管T10的基極限流電阻；D16、D17為耦合電容C16的放電二極管；D13為耦合電容C15的放電二極管，電容C13、C14為輸出換向微分電容，電阻R35、R34為輸出換向微分電阻，經過二極管D14、D15，將該低中頻矩形波驅動器輸出換向瞬間所產生的正向脈沖分離出來輸往電子控制電路中的開關脈寬調制器，以便及時關斷開關脈寬調制器，確保主回路逆變全橋正常換向。
按本實施例提供的阻容數值，該低中頻矩形波驅動器的驅動頻率為200HZ±5％，如驅動頻率不正確，應微調可調電阻R24，使驅動頻率準確；換向微分脈沖寬度約為50μS。
電子控制電路中的開關脈寬調制器主要由開關脈寬調制集成電路IC4及其外圍元件組成電感L1、電容C20組成供電濾波電路；電容C21為IC4內基準電壓濾波電容；電阻R26、電容C22為IC4的時基振蕩電阻電容。按本實施例所給的阻容數值，本開關脈寬調制器的開關頻率約為8000HZ左右，該頻率因和上述低中頻矩形波驅動器的驅動頻率相互獨立，互不鎖相，所以如有較大誤差，也不影響正常工作，可以不調。電阻R27為集成電路IC4內輸入運算放大器的負反饋電阻，電阻R30、R31為上述輸入運算放大器的輸入電阻，電阻R28、R29、電位器W1串接在電子控制電路的正電源和地之間，使電位器W1滑動臂電位能在5V到2.5V之間調整，該電位通過電阻R30和主電路電流取樣電阻R1上的電位相加、共同作用于IC4輸入端完成電流調控。電阻R33、R32的作用是將從電子控制電路中低中頻矩形波驅動器輸過來的輸出換向正向脈沖分壓后輸入開關脈寬調制集成電路IC4的過流保護輸入端，模擬過流電壓，關斷IC4輸出，以便和低中頻矩形波驅動器輸出的換向驅動電壓共同配合，確保主回路逆變全橋同步換向。
在電子控制電路中由單向可控硅SCR、電阻R19、R20、電容C12組成整機過流保護電路，如因某種原因，整機電流過大，電阻R1上電壓降上升過限，該電壓經電阻R19、R20分壓，電容C12適當延時后將觸發單向可控硅SCR，進而關斷電子控制電路總電源、保護整機不致使故障擴大。按本實施例所給阻容數值，主逆變初級回路電流大于40A時，將可靠觸發可控硅SCR，進而關斷整機。
并聯在電子控制電路電源變壓器B1初級的F為整機散熱風扇。逆變輸出變壓器B3次級串聯有輸出電流表A，用來指示焊接電流大小。
本實施例選用的脈寬調制集成電路IC4為GL2842，其內部電路原理框圖可參見圖2。其中1腳內部誤差放大器輸出端，通常此腳與2腳之間接有反饋網絡，以確定內部誤差放大器的增益和通帶。2腳反饋電壓輸入端，此端電壓與內部2.5V基準電壓進行比較，產生控制電壓。控制輸出脈沖寬度，3腳過流保護輸入端，通常此腳輸入電流取樣電阻上的電壓，當此電壓超過1.2V時，即關斷輸出脈沖。4腳定時端，本實施例此腳外接定時電阻R26，定時電容C22，振蕩頻率F＝1.8/R26.C22。5腳地。6腳輸出端。此端內部為圖騰柱式，瞬時驅動能力為±1A，可直接驅動1至2個IGBT管。7腳供電輸入。8腳基準電壓輸出，此端可輸出精確的5V基準電壓，供定時電阻、電容使用。
本實施例選用的其它元件器件技術數據如下①集成電路IC2、IC3為成品IGBT集成驅動電路EXR840，IC1為時基集成電路NE555，IC5、IC6為三端集成穩壓器7818。
②電子控制電路電源變壓器B1，選用GEIB-30型硅鋼片，疊厚42mm，初級用Φ0.28漆包線繞1360匝，接380V相電壓；三組次級繞組分別用Φ0.56漆包線各繞90匝，輸出均為交流24V。低中頻矩形波驅動器的輸出隔離變壓器B2選用GEI-12型硅鋼片，疊厚18mm，初級用Φ0.18漆包線繞240匝，中心抽頭，4組次級有2組用Φ0.18漆包線各繞105匝，用于直接驅動對稱全橋開關管T1、T3；另外2組用Φ0.18漆包線各繞21匝，用于控制開關三極管T5、T6的通斷。
上述變壓器B1、B2的各繞組間均應整二層以上電容器紙，組間耐壓應大于1000V。
③逆變輸出變壓器B3選用D310-0.35冷軋硅鋼片裁制，舌寬48mm，疊厚70mm，凈截面30cm2，窗口截面取40×160mm，初級用2.44×4.1雙玻絲漆包線繞156匝，分5層繞制，次級用4.7×13.5雙玻絲漆包線繞20匝，分2層繞制，初次級間用5×10×160mm長條形膠木絕緣條14條左右隔離，總重約為17公斤，變比約為8∶1。
④絕緣柵功率晶體管T1、T2、T3、T4選用2MBI100-120型IGBT半橋功率模塊；晶體三極管T5、T6、T8、T9、T10選用南韓9014型低頻小功率晶體三極管，T7選用BU806達林頓管；二極管D2×6選用三相全橋整流模塊DF30AA-120，D3、D4、D5、D6選用FR307快恢復二極管，D7、D8、D13、D14、D15、D16、D17、D18、D19、D20、D21、D22、D23選用1N4148普通硅二極管，D9×4，D10×4、D11×4選用1N4007整流二極管、D12選用1W18V玻封穩壓二極管；可控硅SCR選用1A/300V以上的單向可控硅MCR100-B。
⑤大功率電阻R2、R3為5W18K、R4、R5、R6、R7為5W300Ω，R1為100W0.1Ω。
⑥普通1/2W電阻R9、R10、R12、R15、R19、R21、R22、R23、R32為3K，R8、R11為100Ω，R13、R14、R16、R17為2.4K，R18為300Ω、R20、R28為1K，R24為可調22K，R25為可調220K，R26、R30、R31為20K，R27為200K，R29、R34、R35為5.1K，R33為30K，W1為1K直線型電位器。
⑦高耐壓電容C2、C3為1000μF/450V，C4、C5、C6、C7為0.1μF/2KV，C1為100μF/160V，C10為470μF/50V，C23、C25為47μF/50V。
⑧25V耐壓電容C8、C9、C11、C15、C16為10μF，C12、C13、C14、C17、C21、C22為0.01μF，C18、C24、C26為0.47μF，C19、C20為100μF。
⑨其它配件K1為DZ5-50型空氣開關、脫扣電流40A；RD1為1A熔斷器；F為380V250mm排風扇；A為C44型300A交流電流表，L1為0.47MH電感，K2為LA18-22型鑰匙開關。
圖3為本實施例的安裝結構示意簡圖其中1、安裝有主電路三相整流全橋及IGBT逆變開關半橋模塊的散熱板。2、主電路濾波電容C2、C3。3、逆變輸出變壓器B3。4、電子控制電路電源變壓器B1。5、電子控制電路板。6、輸出濾波電容C1。7、鑰匙開關K2。8、電流調整電位器W1。9、排風扇。10、電流表。
安裝時應注意使主回路接線盡量短直，所有IGBT逆變開關管外圍聯接的元器件應單獨制做電路板分別圍繞各自開關管的柵極就近安裝，主回路濾波電容C2、C3應單獨用較粗接線聯接在兩個IGBT逆變開關半橋的上下供電中點。電容C1應使用無極性電容。電流取樣接線應緊換取樣電阻R1兩端聯接。電子控制電路板應適當屏閉起來，避免電磁干擾。
本實施例電子控制電路安裝調整比較簡單元件安裝無誤后，用頻率計監視調整可調電阻R24，使低中頻矩形波驅動器輸出頻率為200HZ±5％，然后用示波器監視調整可調電阻R25，使低中頻矩形波驅動器輸出波形正負對稱，即可投入試用。
本實施例輸出空截電壓為60V，電流調整范圍為20A-200A，200A輸出暫載率為60％，電流反饋響應速度小于1ms。使用時，接通自動空氣開關K1，打開鑰匙開關K2，旋動電位器W1調整好所需電流，即可和普通手弧焊機一樣使用。
權利要求1.一種不鎖相多脈寬調制低中頻弧焊逆變器主要由輸入整流器、濾波器、絕緣柵功率晶體管組成的串聯對稱全橋逆變開關、逆變輸出變壓器以及電子控制電路組成；其特征是所述絕緣柵功率晶體管組成的串聯對稱全橋逆變開關的兩個相鄰橋臂開關管T1、T3的柵極、分別通過電子控制電路中的低中頻矩形波驅動器的輸出隔離變壓器B2的兩組次級線圈、接有該低中頻矩形波驅動器所輸出的200HZ到1000HZ可選頻率范圈中某一選定頻率的非可調制的驅動電壓；而所述絕緣柵功率晶體管組成的串聯對稱全橋逆變開關的另外兩個橋臂開關管T2、T4的柵極確分別通過各自電源懸浮的獨立驅動電路IC2、IC3接有從電子控制電路中的開關脈寬調制器輸出的2KHZ到20KHZ可選頻率范圍中某一選定頻率的脈寬受控調制驅動電壓；并且該開關脈寬調制器的選定頻率和上述低中頻矩形波驅動器的選定頻率之間相互獨立、互不鎖相；但是上述開關管T2、T4各自柵極所接的電源懸浮的獨立驅動電路IC2、IC3是輪換工作的，其輪換工作的驅動，確同樣通過電子控制電路中的低中頻矩形波驅動器的輸出隔離變壓器B2的另外兩組次級線圈、接有和全橋逆變開關兩個相鄰橋臂開關管T1、T3的柵極同頻的驅動電壓，并且該輸出隔離變壓器B2的4組次級線圈電壓按全橋逆變常規，兩兩對應同相驅動對稱逆變全橋的對角橋臂。
專利摘要不鎖相多脈寬調制低中頻弧焊逆變器主要由1、輸入整流器,2、濾波器,3、對稱全橋逆變開關,4、逆變輸出變壓器,5、低中頻矩形波驅動器,6、取樣電路,7、給定電路,8、開關脈寬調制器等部分組成;其中低中頻矩形波使對稱全橋逆變換向,而開關脈寬調制器使低中頻得到多脈寬調制,因而輸出波形正負間隔不隨給定電壓高低變化,便于做交流逆變弧焊;使用低中頻,也使輸出變壓器及后續整流器降低了成本。
文檔編號B23K9/09GK2294807SQ9721223
公開日1998年10月21日 申請日期1997年3月12日 優先權日1997年3月12日
發明者石望東 申請人:石望東