專利名稱：逆變式弧焊電源的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種交流和直流之間以及用于電源的變換設備。
已有的手工弧焊電源普遍采用弧焊變壓器、弧焊硅整流器和旋轉式弧焊發電機，其主要缺點是效率與功率因數低(如旋轉式弧焊發電機的效率僅為47％～50％，弧焊整流器的功率因數為0.64～0.78)，體積大，噪聲大，動態反應慢。為此，逆變式弧焊整流器在市場上異軍突起，但大多數為晶體管式、晶閘管式和場效應管式。由于受功率、頻率不能同時增大(晶閘管雖然功率較大，但頻率低，一般只有4～5KHz，最高不超過8KHz；場效應管頻率雖可達幾百千赫以上，然而功率卻較小)，使其應用受到一定限制，即便是第四代功率器件絕緣門極管式，也由于其可靠性與穩定性差(因設計或制造上的種種原因)而難以推廣應用。
本實用新型的目的旨在提供一種整機穩定性與可靠性高，多個主功率變壓器能協調的聯合工作，帶自診斷顯示，智能型就地保護與數字輸入口的IGBT逆變式直流脈沖弧焊電源。
本實用新型設有電源整流濾波電路，電源整流濾波電路的輸入端接交流供電電源。電源整流濾波電路將交流供電電壓經整流濾波并輸出直流電壓。設有逆變電路，逆變電路的輸入端接電源整流濾波電路的直流電壓輸出端。逆變電路將直流電壓逆變成中頻電壓。設有多主功能變壓器，多主功率變壓器有2個以上(含2個)的主功率變壓器，多主功率變壓器的輸入端接逆變電路的中頻電壓輸出端。多主功率變壓器將逆變電路輸出的中頻高壓降壓為中頻低壓。設有中頻整流濾波電路，中頻整流濾波電路的輸入端接多主功率變壓器的次級。中頻整流濾波電路將多主功率變壓器輸出的中頻低壓經整流濾波成為直流或脈沖(0.5～500Hz)焊接電流。設有異常通道快速關斷電路，異常通道快速關斷電路的輸入端接電源整流濾波電路的直流電壓輸出端。當逆變電路異常時，逆變電路的控制脈沖信號即快速關斷異常通道快速關斷電路的信號通道。設有振蕩與脈寬調制電路，振蕩與脈寬調制電路產生的相位差為半周期的一對脈沖信號輸出端接異常通道快速關斷電路的信號通道輸出端。設有防共導通電路，防共導通電路的輸入端接異常通道快速關斷電路的信號通道輸出端。防共導通電路提供一對相位差為半周期，波形一致的脈沖信號。設有整形推動電路，整形推動電路的輸入端接防共導通電路的脈沖信號輸出端，而經整形放大的控制信號輸出端接逆變電路功率器件的控制端。當僅有正半周或負半周信號時，防共導通也能起通道快速關斷的作用。
為了提高本實用新型的可靠性，可設超壓保護電路和低壓保護電路。超壓保護電路的輸入端外接交流供電電源，而輸出端接電源整流濾波電路的輸入端和低壓保護電路的輸入端，低壓保護電路的輸出端接振蕩與脈寬調制電路。
本實用新型將工頻交流電整流濾波后，經過逆變成約25KHz的中頻電流，并再次整流成為一種非常穩定的直流或脈沖(0.5～500Hz)焊接電流。由于采用多主功率變壓器，可協調聯合工作，其工作性能穩定。變壓器初級輸入端可采用串聯形式，而輸出端采用并聯形式，利用高頻變壓技術，使各主功率變壓器在輸出端進行負載功率的比較，并反饋至輸入端進行調節，從而得到自動均分各主功率變壓器的負載功率，能有效的把它們的電流、電壓按負載功率進行調配。當發生偏差時，即進行自動修正，其效果良好。特別在較大的負載下，更為明顯。這樣，既解決了多個變壓器難以聯合使用，其負載功率不易均分而導致逆變顛覆的難題；又解決高頻變壓器磁芯尺寸不易造得太大(即功率大小受到限制)及易碎等缺點。
由于采用異常通道快速關斷電路，可直接進入通道控制，不必通過任何放大器、比較器及儲能電路，也不必通過主電路就能達到保護的目的。換句話說，在主電路還沒有反應，功率器件還沒超出安全數值前，就可對通道進行快速關斷。另外，電路采用對逐個波形進行處理，故其反應速度更快，使逆變電路的工作更穩定可靠。
由于采用防共導通電路，保證上下臂波形一致，能有效防止功率器件上下臂同時導通。
由于采用整形推動電路，可輸出一個符合逆變電路功率器件(開關管)的最佳波形的控制信號。此信號的波形能使功率器件深飽和，后進入較淺飽和，為能迅速退出飽和至截止作好準備，然后有一個很短時間反相，使功率管迅速截止，以減少損耗。比已有同類電源更為簡潔，具有更大的推動功率，而使用元器件又較小。
另外，本實用新型能應用于脈沖或直流TIG焊和手工直流或直流脈沖電弧焊等，其效率、功率因數較高，焊接電流連續可調，調節范圍寬，噪音低，動態響應快，過載、過流能力大。
圖1為本實用新型的電路框圖。
圖2為本實用新型的超壓保護電路、低壓保護電路、電源整流濾波電路、異常通道快速關斷電路、振蕩與脈寬調制電路、防共導通電路、整形推動電路原理圖。
圖3為遞變電路、多主功率變壓器和中頻整流濾波電路原理圖。
實施例如
圖1所示，本實用新型包括超壓保護電路(1)、低壓保護電路(2)、電源整流濾波電路(3)、異常通道快速關斷電路(4)、振蕩與脈寬調制電路(5)、防共導通電路(6)、整形推動電路(7)、遞變電路(8)、多主功率變壓器(9)和中頻整流濾波電路(10)。以下將結合電路原理圖對本實用新型作進一步的說明。
如圖2、3所示，超壓保護電路主要由壓敏電阻Rt和快速熔斷保險絲F串聯組成，Rt與變壓器初級并聯。當超過其數值時，Rt迅速導通并短路，使輸入端電壓降為0，F迅速燒斷，超壓保護電路的輸出端接低壓保護電路輸入端和電源整流濾波電路輸入端。低壓保護電路主要由穩壓二極管D2、三極管Q1、光耦合集成塊IC1(TLP521)、脈寬調制集成塊IC2(TL494)及輔助元件組成，當輸入電壓低于工作電壓時，穩壓二極管D2不擊穿，發光二極管LED2不亮(顯示電壓太低)，R3上的電壓降小，三極管Q1的基極電位接近地電位，使三極管Q1截止，光耦合集成塊IC1不通，集成塊IC2的輸出被關斷，具有緩開緩關的功能，對遞變電路的功率器件的電流沖擊很小。電源整流濾波電路采用已有的橋式整流和RC濾波電路，在R01、C01、C02濾波電路與橋式整流二極管之間加入保護電路，由繼電器J和R02、R03、R04、C03組成，J為常開觸點，合閘時，整流后的直流電經電阻限流向電容充電(防止合閘時的浪涌電流向電容充電)，待電壓上升到一定值后，繼電器便自動吸合接通電阻。
振蕩與脈寬調制電路由集成電路IC2完成，(14)腳為恒壓5V，(4)腳是死區控制端，利用此腳進行振蕩開關控制，同時R5保證(4)腳不為零電平，保證(8)、(11)腳不會有直流高電平輸出(共導通)。利用當(4)腳電平等于5V時(8)、(11)腳沒有輸出的特點，通過IC2開關作用，使二極管D3導通或(反向)截止來控制(4)腳的電位，從而控制(8)、(11)腳有否輸出。其中C2為緩開關作用。
逆變電路采用橋式逆變方式，功率器件由4只IGBT管(CM200DY-12H)按橋式連接，其控制信號輸入端(即控制端)a、a’，b、b’，c、c’，d、d’接整形推動電路的兩組輸出推動電路的控制信號輸出端a、a’，b、b’，c、c’，d、d’。功率器件的輸入端通過異常通道快速關斷電路的電流檢測控制電阻R(零點幾歐姆)接電源整流濾波電路的輸出端(+315V)。橋式逆變電路的兩端輸出與幾個主功率變壓器B1，B2…Bn的初級(輸入端)N11，N12…N1n串聯，B1，B2…Bn的次級(輸出端)N21，N22…N2n采用并聯接法，并由快回復整流管DN1、DN1’，DN2、DN2’…DNn、DNn’和電抗器T1T2…Tn組成中頻整流濾波電路，將中頻低壓信號整流濾波后輸出所需的焊接電流。在逆變電路功率器件控制端與a、a’，b、b’，c、c’，d、d’端之間設保護電路(穩壓管與電阻回路)，以保證IGBT管的柵壓不超過15V。R35、R36、C9組成高次諧波濾波電路。
異常通道快速關斷電路主要有電流檢測控制電阻R的電流控制電路，電阻分壓器電壓控制電路。電流必須先通過電流檢測控制電阻R，由于R取值很小，加快其控制速度，R的輸入端接電源整流濾波電路的直流高壓輸出(約315V)端，R的輸出端接逆變電路的功率器件。電阻分壓器電壓控制電路由電阻分壓器(R7、R11、R12)比較器IC3(LM311)、單向可控硅(DT1、DT2)和二極管回路等組成，從D6、D8、D7、D9通道輸出被調制過的一對相位差半個周期的脈沖信號至防共導通電路的輸入端。防共導通電路的作用在于防止橋式逆變電路上下臂產生共導通現象，它的輸入信號是一對相位差半個周期的脈沖信號，其輸出信號也是一對相位差半個周期的脈沖信號，要使上下臂的波形一致，為此采用四或門集成電路IC4(CD4071)作與門用，而用反相器IC5(CD40106或CD4069)作整形和倒相用。輸入的一對脈沖信號分別經電阻R15…R18，二極管D10、D11隔離和R19C5、R20C6延遲后經IC4的(5)、(9)和(1)、(13)腳至四或門電路CD4071，IC4的輸出端(3)、(4)、(8)、(10)、(11)、(12)腳分別與反相器IC5(CD40106)的(9)、(11)、(8)、(5)、(3)、(10)腳連接，并分別從IC5的(4)、(13)、和(6)、(2)腳輸出脈沖信號至兩個整形推動電路的輸入端。整流推動電路由同相放大器IC6…IC9(兼整形)、PNP、NPN三極管串接中功率放大器(Q2…Q9)、隔直電容(C7、C8)和變壓器(B01、B02)等組成。輸入脈沖經IC6…IC9同相放大和整形，由Q2…Q9組成輸出推動電路，為逆變電路的功率開關器件IGBT管提供一種最佳波形的控制脈沖信號。
上述電路可用于單相220V，也適于三相380V交流供電，輸出可達250A，暫載率為60％，電流調節范圍為5～250A(連續可調)，額定輸入容量為7.2KVA，脈寬為0％～100％(連續可調)，基值電流0％～100％(焊接電流，連續可調)，脈沖頻率為0.5～500Hz(連續可調)，提前送氣＞1.5S，滯后關氣＞3S，空載電壓為65V，效率≥89％，功率因數＞0.96。
權利要求1.逆變式弧焊電源，包括電源整流濾波電路、逆變電路、中頻整流濾波電路，其特征在于1)逆變電路的輸入端接電源整流濾波電路的直流電壓輸出端，逆變電路將直流電壓逆變成中頻電壓；2)設有多主功能變壓器，多主功率變壓器有2個以上含2個，的主功率變壓器，多主功率變壓器的輸入端接逆變電路的中頻電壓輸出端，多主功率變壓器將逆變電路輸出的中頻高壓降壓為中頻低壓；中頻整流濾波電路的輸入端接多主功率變壓器的次級，中頻整流濾波電路將多主功率變壓器輸出的中頻低壓經整流濾波成為直流或脈沖0.5～500Hz焊接電流；3)設有異常通道快速關斷電路，異常通道快速關斷電路的輸入端接電源整流濾波電路的直流電壓輸出端；4)設有振蕩與脈寬調制電路，振蕩與脈寬調制電路產生的相位差為半周期的一對脈沖信號輸出端接在異常通道快速關斷電路的信號通道輸出端；5)設有防共導通電路，防共導通電路的輸入端接異常通道快速關斷電路的信號通道輸出端，防共導通電路提供一對相位差為半周期，波形一致的脈沖信號；6)設有整形推動電路，整形推動電路的輸入端接防共導通電路的脈沖信號輸出端，而經整形放大的控制信號輸出端接逆變電路功率器件的控制端。
2.如權利要求1所述的逆變式弧焊電源，其特征在于在所述的電源整流濾波電路與交流供電電源間設超壓保護電路，超壓保護電路的輸入端接交流供電電源，而輸出端接電源整流濾波電路的輸入端。
3.如權利要求1和2所述的逆變式弧焊電源，其特征在于在超壓保護電路的輸出端接低壓保護電路，低壓保護電路的輸出端接振蕩與脈寬調制電路。
4.如權利要求2所述的逆變式弧焊電源，其特征在于所說的超壓保護電路由快速熔斷保險絲與壓敏電阻的串聯回路組成，壓敏電阻與電源變壓器初級并聯。
5.如權利要求1所述的逆變式弧焊電源，其特征在于所說的逆變電路采用4只IGBT管橋式連接，控制信號輸入端接整形推動電路的兩組輸出推動電路的控制信號輸出端，功率器件的輸入端通過異常通道快速關斷電路的電流檢測控制電阻接電源整流濾波電路的輸出端。
6.如權利要求1所述的逆變式弧焊電源，其特征在于幾個N≥2主功率變壓器的初級與橋式逆變電路的兩端輸出串聯，主功率變壓器的次級并聯連接。
7.如權利要求5所述的逆變式弧焊電源，其特征在于在逆變電路功率器件控制端與整形推動電路的兩組輸出推動電路的控制信號輸出端之間設有保護電路。
專利摘要涉及一種交流和直流之間以及用于電源的變換設備,包括逆變電路的輸入端接電源整流濾波電路輸出端,多主功率變壓器的輸入端接逆變電路的中頻電壓輸出端,中頻整流濾波電路的輸入端接多主功率變壓器的次級,異常通道快速關斷電路的輸入端接電源整流濾波電路的直流電壓輸出端,另設振蕩與脈寬調制電路、防共導通電路、整形推動電路。其工作性能穩定,可靠性高,效率高,耗損少。
文檔編號B23K9/06GK2284665SQ9721265
公開日1998年6月24日 申請日期1997年3月19日 優先權日1997年3月19日
發明者洪清山 申請人:洪清山