一種大功率單逆變螺柱焊的製造方法
2023-06-15 17:15:56 1
一種大功率單逆變螺柱焊的製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種大功率單逆變螺柱焊機，包括EMI濾波電路、三相整流電路、並聯式大功率逆變電路、高頻變壓器、快恢復整流電路、逆變驅動電路、保護電路等，其中的並聯式大功率逆變電路中四個橋臂均由若干並聯的逆變開關管構成，並且高頻變壓器次級繞組輸出端分別經快恢復二極體後連接在一起進行輸出。本實用新型解決了逆變螺柱焊機在一個逆變系統下、工作電壓在三相AC180V～AC600V範圍內的大功率輸出難題，不僅適應範圍廣，而且可實現同等功率下，具有體積更小、重量更輕優點；另外，本實用新型焊機還具有安全穩定性好、製造工藝簡單、生產成本低等諸多優點，具有顯著性應用價值。
【專利說明】
一種大功率單逆變螺柱焊機
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種大功率單逆變螺柱焊機，屬於逆變螺柱焊機【技術領域】。
【背景技術】
[0002]螺柱焊機主要分為:電容儲能式螺柱焊機、拉弧電容儲能螺柱焊機、短周期螺柱焊機，以上螺柱焊機只能在薄板上焊ΦΙΟπιπι左右焊釘；還有一種長周期電弧螺柱焊機，用於Φ3πιπι?Φ36mm螺柱焊接。長周期螺柱焊機焊接時間在10ms?2000ms，有的用到5000ms，焊接電流最大2000A到4000A。
[0003]長周期螺柱焊主要應用於建築鋼結構焊接剪力釘(栓釘)、高速鐵路預埋件、大型橋梁、機械等重大項目。長周期電弧螺柱焊機有晶閘管式:體積大、重量很重(2500A焊機重量在300KG?400KG)、電效率不高、輸入功率大。另一種是逆變螺柱焊機。
[0004]因為焊機行業開關管模塊一般在75A?600A，更大電流模塊價格昂貴，驅動複雜和反應速度不適合焊機。因為P(功率)=1(電流)XU(電壓)，在同等焊接功率下，當電壓從三相AC380V?AC600V變為三相AC180V?AC280V時其初入的電流大，逆變開關管將更大，因此現在還沒有三相AC180V?AC280V的2000A以上大功率逆變螺柱焊機。市面上380V以上的逆變大功率焊機(如碳弧氣焊、埋弧焊、螺柱焊)都是2個或3個逆變系統合併在一起。其並聯總電流與分立逆變系統不易調節，且多逆變系統在一起工作容易相互幹擾、及存在生產零件多、生產工藝複雜、生產效率低、體積龐大、重量重、故障率高等問題，以致螺柱焊機質量不穩定。
[0005]焊接電弧是一個變化很大的動態負載，有很多過渡狀態:如短路、大顆粒、熔滴瞬間短路會炸壞焊機逆變開關管和次級快恢復整流管損壞，造成人身財產損失。預埋件、大型橋梁上都是Φ22πιπι?Φ32πιπι焊釘，特別在鋼結構工地上壓型板穿透焊接剪力釘任務大、工程急，每天起一層樓，焊機使用率高，有的工地臨時拉電源線，各種其他焊機、吊車相互工作有幹擾，電源電壓不夠穩定，螺柱焊在幾秒內焊接功率在100KW以上，3相電線路電感反向電壓高，容易損壞設備。工地剪力釘分布面廣，焊槍需要加長到50m?150m (100m槍線電壓降25V?30V)焊機功率更需要加大。焊機用一個鐵芯製作的變壓器，功率小、很快發燙，電源線長壓降高，電壓低時無電流補償作用，長焊槍線無法焊接，影響施工，無法完成任務。
實用新型內容
[0006]本實用新型所要解決的技術問題是，克服現有技術的上述缺陷，提供一種大功率單逆變螺柱焊機，解決逆變螺柱焊機在一個逆變系統下、工作電壓在三相AC180V?AC600V範圍內的大功率輸出難題，提高大功率逆變螺柱焊機的安全穩定性，實現同等功率下，使焊機體積更小、重量更輕，方便運輸和使用等目的。
[0007]為了解決以上技術問題，本實用新型採用的技術方案如下:
[0008]一種大功率單逆變螺柱焊機，包括依次連接的三相整流電路、逆變電路、高頻變壓器，快恢復整流電路，所述三相整流電路將三相交流電轉變成直流電，逆變電路將直流電轉換成高頻交流電，經高頻變壓器降壓和快恢復二極體整流後獲得直流焊接電流，所述逆變電路為具有四個橋臂的全橋逆變電路，所述逆變電路的四個橋臂均由若干並聯的逆變開關管構成，逆變電路的第一輸出端經開關電感、隔直電容接高頻變壓器初級繞組的第一端，逆變電路的第二輸出端接高頻變壓器初級繞組的第二端；所述高頻變壓器具有若干次級繞組，每個次級繞組的兩端分別經快恢復二極體後連接在一起作為焊機的正極電源輸出，每個次級繞組的中點引出線依次連接後經濾波電抗器作為焊機的負極電源輸出。
[0009]本實用新型所述的大功率單逆變螺柱焊機還具有如下改進:
[0010]1、所述三相整流電路的前端設有EMI濾波電路，所述EMI濾波電路組成包括電容採用三角形連接的第一 LC濾波器，所述第一 LC濾波器的電感為差模電感；電容採用星形連接的第二 LC濾波器，所述第二 LC濾波器的電感為共模電感，所述第一 LC濾波器與第二 LC濾波器之間的線路上採用三角形接法連接有三個壓敏電阻。
[0011]2、所述三相整流電路與逆變電路之間接有直流濾波電路，所述直流濾波電路依次包括濾波放電電阻、兩個串聯的接地電容、無源濾波器、並聯的若干無極性高頻電容，所述無源濾波器接在直流的正極端，由並聯的電感、二極體、電容構成，所述二極體為反向並聯接連接。
[0012]3、本實用新型所述的大功率單逆變螺柱焊機還具有用於單獨驅動逆變電路第一半橋上橋臂、第二半橋下橋臂中各逆變開關管的第一驅動電路，用於單獨驅動逆變電路第一半橋下橋臂、第二半橋上橋臂中各逆變開關管的第二驅動電路，以及向所述第一、第二驅動電路發送逆變脈衝信號的逆變脈衝產生電路，所述驅動電路包括依次連接的直流電源、驅動管模塊、與逆變電路各橋臂中逆變開關管數量相等的驅動變壓器，所述驅動變壓器具有一個初級繞組和兩個次級繞組，第一驅動電路中的驅動變壓器次級繞組同名端、異名端分別接逆變電路中第一半橋上橋臂、第二半橋下橋臂中的逆變開關管，第二驅動電路中的驅動變壓器次級繞組同名端、異名端分別接逆變電路中第二半橋上橋臂、第一半橋下橋臂中的逆變開關管，所述驅動變壓器初級繞組的一端接有並聯的隔直電容和電阻。
[0013]4、所述驅動管模塊為由4個驅動管構成的全橋逆變驅動電路或集成驅動晶片，所述驅動管為場效應管、三級管、IGBT管中的一種。
[0014]5、本實用新型所述的大功率單逆變螺柱焊機還具有用於識別逐脈衝過流和故障脈衝的保護電路，所述保護電路包括若干個用於感應各逆變開關管電流的第一線圈互感器，若干個用於感應各快恢復二極體電流的第二線圈互感器，以及第一、第二、第三、第四比較器，所述第一互感器的輸出端經全橋整流後通過取樣電阻接二極體，然後並接在一起，同時送入第一、第二比較器的正極輸入端，所述第二互感器的輸出端經全橋整流後通過取樣電阻接二極體，然後並接在一起，同時送入第三、第四比較器的正極輸入端，所述第一、第三比較器的負極輸入電壓為逐脈衝保護電壓，所述第二、第四比較器的負極輸入電壓為故障脈衝保護電壓，第一、第三比較器的輸出端分別經三極體後作為逐脈衝過流保護信號的輸出，第二、第四比較器的輸出端分別經可控矽後作為故障脈衝保護信號的輸出。
[0015]6、所述逆變脈衝產生電路由電流型PWM控制器和時基電路組成的有限雙極性控制ZVZCS-PWM全橋脈衝波形。
[0016]7、所述比較器用穩壓管、或三極體、或光耦、或集成電路代替。。
[0017]8、逐脈衝過流保護信號接在逆變脈衝產生電路的波形運算器上；故障脈衝保護信號接在逆變脈衝產生電路的脈衝關斷腳上。
[0018]8、所述高頻變壓器具有數個合併的同規格磁芯，每個次級繞組由相同數量根的漆包線合股而成。
[0019]本實用新型的逆變電路中設計有多個並聯的橋臂，利用若干普通逆變開關管即可實現在三相AC180V?AC280V低電壓環境下進行大電流(大功率)的輸出，從而避免了使用大電流逆變開關管，大大降低了製造成本，同時能夠獲得理想的效果；並且高頻變壓器次級繞組分出多股，連接快恢復二極體後並聯作為焊機的正極輸出，進一步提高了焊機功率，使本焊機的功率性能可達到螺柱焊機的要求，由於其可在低壓環境下正常工作，也可在三相AC380V?AC600V工作，因此適應性更強。
[0020]本實用新型三相整流電路的前端設置有EMI濾波電路，有抑制共模幹擾和差模幹擾作用，可以抑制來自電網的幹擾對逆變電源本身的侵害，也可以抑制逆變電源向電網反饋的幹擾；此外，EMI濾波電路中加入了壓敏電阻器，可代替瞬態抑制二極體、防雷擊放電管、齊納二極體對外部環境的電壓浪湧、雷擊、外界輻射抑制作用，防幹擾可靠性高。
[0021]本實用新型逆變電路的驅動電路中，通過特殊的驅動變壓器設計，能夠實現對所有逆變開關管的單獨驅動，且互不幹擾，屬於同一組的逆變開關管所受到的觸發波形一樣，不會因為其中一個逆變開關管故障而影像其他逆變開關管的損壞。因此本實用新型所涉驅動電路降低了焊機電源的故障率，提高了產品質量，進而確保了用戶的生產效率。
[0022]本實用新型利用線圈互感器來獲取逆變電路中逆變開關的電流和高頻變壓器輸出端快恢復二極體的電流，經整流後取樣後分別並聯輸出，送入比較器進行電壓比較；由於取樣後的波形全通過二極體合併一起，因此電壓高的脈衝會顯現，電壓低的脈衝會被淹沒，於是通過電壓高的脈衝即可判斷是否逐脈衝過流，實現了逐脈衝保護，在假的短路或焊接複雜電阻負載時主電源能夠穩定輸出；當由於人為原因焊機有損壞或真實故障時，接在逆變脈衝產生電路關斷腳的故障脈衝保護信號，可直接關斷驅動電路，而不經過內部電路，關斷更可靠，且迅速。本實用新型保護電路可預防變壓器和焊接過流，更能預防開關管直通短路。
[0023]綜上，本實用新型的有益效果如下:
[0024]1、開關管並聯技術解決了開關管容量問題。
[0025]2、採用本實用新型技術可實現同等功率下，具有體積更小、重量更輕優點，方便了運輸，特別是在出口運輸時運費更省。
[0026]3、成本低20%，製造工藝簡單，工人不易出錯，生產周期短。
[0027]4、所有逆變開關管、快恢復二極體有保護，其質量更可靠。
[0028]5、開關管並聯技術解決了開關管電流大的問題，可使在三相AC180V?AC280V時初級電流大一倍，實現了在電壓低時有更大輸出功率的補償效果，低電壓工作更穩定。
[0029]6、解決了單獨一個逆變系統的大功率逆變焊機，其穩定性更好。
[0030]7、採用多個開關管並聯和快速恢復二級管並聯，若有外件損壞其損失更小。如有人為損壞，工地被鋼管砸壞焊機，其中一個零件損壞，拆下壞的零件，其他就可以繼續工作。
[0031]8、主變採用磁芯合併，功率大，損耗小,不浪費。
[0032]9、保護電路分逐脈衝保護和故障保護，效果好。這個電路用於並聯開關管、並聯次級快恢復等保護。也適合不要並聯的逆變電路以防直通短路保護、過流保護。
[0033]10、省電和功率因數提高95%以上。
[0034]11、次級並聯和保護，解決原來會全部燒壞的故障。
[0035]12、特殊驅動、開關管並聯和保護，解決了開關管不會一組全炸壞。
[0036]總之，本實用新型解決了逆變螺柱焊機在一個逆變系統下、工作電壓在三相AC180V?AC600V範圍內的大功率輸出難題，不僅適應範圍廣，而且可實現同等功率下，具有體積更小、重量更輕優點；另外，本實用新型焊機還具有安全穩定性好、製造工藝簡單、生產成本低等諸多優點，具有顯著性應用價值。
[0037]此外，本實用新型焊機還具有缺相、過欠壓保護，控制電源、風扇、防腐蝕、程序板、顯示、控制、焊槍、溫控、和波形產生、下降特性控制等輔助電路，但由於均採用現有技術，沒有做相關改進。本實用新型的技術效果均通過電路組成及結構的改進而實現。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]圖1是本實用新型焊機的電原理框圖。
[0039]圖2是EMI濾波電路的電原理圖。
[0040]圖3是本實用新型焊機電源部分電原理圖。
[0041]圖4_a是第一驅動電路的電原理圖。
[0042]圖4_b是第二驅動電路的電原理圖。
[0043]圖4_c是觸發信號時序圖。
[0044]圖5是保護電路原理圖。
[0045]圖6_a是高頻變壓器側視圖。
[0046]圖6_b是高頻變壓器初級繞組繞法示意圖。
[0047]圖6-c、圖6-d是高頻變壓器次級繞組繞法示意圖。
[0048]圖7是逆變脈衝產生電路的電原理圖。
【具體實施方式】
[0049]為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
[0050]圖1所示為本實施例提供的一種大功率單逆變螺柱焊機的電路原理框圖，主要包括依次連接的EMI濾波電路、三相整流電路、逆變電路、高頻變壓器、快恢復整流電路、焊槍、母材，此外，還包括逆變脈衝驅動電路，缺相、過欠壓保護採樣電路，程序板，風扇等。本螺柱焊機基本工作原理是，EMI濾波電路對三相交流進行濾波後，經三相整流電路轉變成直流，經過直流濾波，並通過逆變電路將直流電轉換成高頻交流電，再經高頻變壓器降壓後經快恢復整流電路整流產生直流焊接電流，正極連接母材，負極連接焊槍，從而實現對螺柱的焊接。
[0051]如圖2所示，為設置於三相整流電路前端的EMI濾波電路，所述EMI濾波電路組成包括:電容採用三角形連接的第一 LC濾波器(由電感LA、LB、LC,電容C31、C32、C33構成，電感LA、LB、LC分別接在A、B、C三相進線上，LA、LB、LC是差模電感；電容C31、C32、C33分另Ij接在AB相之間，BC相之間、AC相之間)、電容採用星形連接的第二 LC濾波器(電感LD，電容C34、C35、C36，電感LD為三相共模電感，電容C34、C35、C36均為接地電容)，第一 LC濾波器與第二 LC濾波器之間的線路上採用三角形接法連接有三個壓敏電阻Rl、R2、R3，三個壓敏電阻Rl、R2、R3分別並接在第一 LC濾波器的三個電容C31、C32、C33兩端。三相電ABC通過電源開關後進行EMI濾波，EMI濾波有抑制共模幹擾和差模幹擾作用，可以抑制來自電網的幹擾對逆變電源本身的侵害，也可以抑制逆變電源向電網反饋的幹擾，另增加了壓敏電阻器。壓敏電阻器是一種具有瞬態電壓抑制功能的元件，可代替瞬態抑制二極體、防雷擊放電管、齊納二極體對外部環境的電壓浪湧、雷擊、外界輻射抑制作用。本實施例中電感LA、LB、LC的電感量選擇範圍為10mH?700mH ;則電容C31、C32、C33的電容量可取IyF?1yF,電壓在1200V以上；電容C34、C35、C36取0.1 μ F?0.47yF，其電壓在2KV以上；LD為共模電感，壓敏電阻Rl、R2、R3採用峰值電流1KA以上，電壓800V?1000V的壓敏電阻。
[0052]如圖3所示，為本實用新型焊機電源部分的電路圖。EMI濾波後三相電源一邊進入控制電源和缺相過欠壓保護，一邊進入三相整流橋，整流橋將三相交流電變為直流電，其電壓是交流電的1.4倍多，再通過直流濾波電路對直流電進行濾波。本例中，直流濾波電路依次包括濾波放電電阻R4(濾波放電電阻功率3W?10W、阻值50ΚΩ?100ΚΩ)，兩個串聯的接地電容C1、C2 (接地電容的電壓2KV以上，電容量0.1 μ F?0.47 μ F)，無源濾波器，並聯的2個無極性高頻電容C3、C4(無極性高頻電容C3、C4的電壓為1200V以上，可多個並聯，電容量為10 μ F?20 μ F，並聯後總容量在40 μ F?150 μ F)，無源濾波器接在直流的正極端，由並聯的電感LI (LI電感量5mH?50mH)、二極體D9、電容C12構成，二極體D9為反向並聯接連接。由於螺柱焊時瞬間電流高，於是本實施例中採用無極性高頻電容。也可用電解電容450V1000?3300 μ F串聯，加充電緩衝電路。
[0053]濾波後的直流電通過逆變電路變為高頻交流電給高頻變壓器Tl。如圖3所示，本例中逆變電路為具有四個橋臂的全橋逆變電路，並且逆變電路的四個橋臂均由3個並聯的逆變開關管構成，第一組逆變開關管Gl、G3、G5構成第一半橋的上橋臂，第二組逆變開關管G2、G4、G6構成第二半橋的下橋臂，第三組逆變開關管G7、G9、Gll構成第二半橋的上橋臂，第四組逆變開關管G8、G10、G12則構成了第一半橋的下橋臂。逆變電路的第一輸出端經開關電感L2、並聯的隔直電容C7、C8接高頻變壓器Tl初級繞組的第一端，逆變電路的第二輸出端接高頻變壓器Tl初級繞組的第二端；高頻變壓器Tl具有4個次級繞組，每個次級繞組的兩端分別經快恢復二極體(D1-D8)後連接在一起作為焊機的正極電源輸出，每個次級繞組的中點引出線依次連接後經濾波電抗器L3作為焊機的負極電源輸出。正負極輸出之間還接有一濾波電路，如圖3所示，該濾波電路依次包括接地電容C9、C10，壓敏電阻R7，輸出電容C11，空載電阻R6，其中，壓敏電阻R7可防止焊接線路反串電壓對焊機損壞。濾波電抗器L3的後側接有採樣電阻R5進行電流採樣，R5可用電流傳感器代替，連同正極輸出側的採樣電壓一起送入程序板進行檢測。本例中，逆變開關管選用IGBT模塊，此外還可以選用TPM模塊、VM0SFET模塊、MGT (Mos控制電晶體)、STT (靜電感器電晶體)等。圖中，電容C5、C6分別是逆變開關管G1G3G5、G2G4G6的超前臂電容。
[0054]圖3中逆變開關管G1-G12、開關電感L2、隔直電容C7、C8、高頻變壓器Tl組成了全橋軟開關電路，也可用半橋、開關管用硬開關電路。本焊接設備要輸出44V、2500A?4000A電流，選用的逆變開關管電流在75A?600A，並聯開關管的個數按輸出功率要求，高頻變壓級次級繞組的數量(快恢復二極體的個數)也根據功率要求來計算,每個開關管、快恢復二極體型號一致。逆變總電流按開關管並聯總電流的80%左右計算，次級總電流按快恢復二極體並聯總電流的80%左右計算。實驗證明:採用200A?300A雙管TGBT模塊，在三相AC380V?AC600V、2000A-2500A輸出、並聯2個IGBT模塊為一組、1200V以上、次級快恢復二級管總電流在2500A?3000A、400V以上；3000A?4000A並聯3個為一組、電壓1200V以上、次級快恢復管總電流在3600A?4600A、400V以上；同樣輸出功率情況下，輸入電壓為三相AC180V?AC280V時，輸出2000A?2500A並聯4個為一組、電壓在600V以上、次級快恢復二極體總電流2500A?3000A、電壓400V以上；輸出3000A?4000A並聯6個為一組、電壓在600V以上、次級快恢復二極體總電流在3600A?4600A、電壓400V以上；在所有電壓中輸出4000A以上可多並聯開關管、快恢復二極體、增加保護和驅動電路。每組逆變開關管並聯主電路要均勻布線，為了達到每組中各個開關管均流，可採用電阻式和電感式均流，在每個開關管串電阻或電感，由於開關管工作為高頻，很小的電阻和電感有明顯效果。
[0055]如圖4-a，圖4-b所示，為本實用新型焊機中逆變電路的驅動電路電原理圖。其包括用於單獨驅動逆變電路第一半橋上橋臂中逆變開關管G1、G3、G5，第二半橋下橋臂中逆變開關管G2、G4、G6的第一驅動電路(圖4-a)，用於單獨驅動逆變電路第一半橋下橋臂中逆變開關管G8、G10、G12和第二半橋上橋臂中逆變開關管G7、G9、Gll的第二驅動電路(圖4_b)，以及向第一、第二驅動電路發送逆變脈衝信號的逆變脈衝產生電路(見圖7)，兩個驅動電路結構相同，以圖4-a所示第一驅動電路為例，該驅動電路包括依次連接的直流電源(V+、V-)、驅動管模塊、3個驅動變壓器T2、T3、T4，以驅動變壓器T2為例，其具有一個初級繞組和兩個次級繞組，初級繞組的一端接有並聯的隔直電容C15和電阻R15，次級繞組同名端接逆變電路中第一半橋上橋臂逆變開關管G1，異名端接第二半橋下橋臂中逆變開關管G2。相對應的驅動變壓器T3、T4的初級繞組分別接有並聯的隔直電容C16電阻R16、並聯的隔直電容C17電阻R17，次級繞組同名端則分別接逆變開關管G3、G5，異名端分別接逆變開關管G4、G6。對於第二驅動電路的驅動變壓器T5、T6、T7，其初級繞組接有並聯的隔直電容C18電阻R18、並聯的隔直電容C19電阻R19，並聯的隔直電容C20電阻R20，次級繞組同名端接逆變開關管G7、G9、G11，異名端接逆變開關管G8、G10、G12。驅動變壓器磁芯為鐵氧體和非晶，也可把(圖4-a)T2、T3、T4、(圖4_b)T5、T6、T7分別做成兩個變壓器。但次級分開，每個次級接一個開關管。圖中，VF1-VF8是驅動管，起到驅動T2-T7驅動變壓器的作用，本實施例中使用的是效應管，也可用三級管或小電流IGBT管代替，RG1-RG12是逆變開關管G1-G12的控制極電阻，R7-R14是驅動管VF1-VF8的控制電阻。a、b、c、d是逆變脈衝產生電路(圖7)發來的互鎖信號，但必須每個控制極分開，多片集成電路或光耦對每個逆變開關管G1-G12單獨驅動。在實驗中如不將每個開關管控制極分開，如果採用一個驅動器直接並聯RG電阻並聯控制極，如果有一個開關有問題，集電極與控制極短路，整個組開關管都會控制級電壓高全部炸壞；而採用分開單獨控制極驅動後，集電極與控制極短路，只是自己故障，人為損壞一個開關管，其它也不影響，焊機能保護，達到設計效果。
[0056]如圖4-c所示，為觸發信號時序圖。a和d觸發時，b和c為零。當a有觸發時，驅動管VFl、VF4導通，驅動管VF2、VF3截止，驅動第一組逆變開關管Gl、G3、G5開通，d有觸發時，驅動管VF6、VF7導通，驅動管VF5、VF8截止，驅動第四組逆變開關管G8、G10、G12開通。主電流通過G1、G3、G5通過L2、C7、C8、T1、G8、G10、G12產生電流，變壓器Tl產生能量經D1-D4整流後輸出。當a和d觸發完成通過tf死區時間；b和c開始觸發，a、d為零，C觸發第三組逆變開關管G7、G9、Gll開通，b觸發第二組逆變G2、G4、G6開通，主電流通過G7、G9、G11、Tl、C7、C8、L2、G2、G4、G6產生電流，變壓器Tl產生能量經D5-D8整流後輸出，b和c觸發完成後通過tf死區時間，a和b又觸發。觸發頻率為18KHZ-60KHZ。
[0057]如圖7所示，逆變脈衝產生電路由電流型PWM控制器和時基電路組成的有限雙極性控制ZVZCS-PWM全橋脈衝波形。觸發信號可由晶片UC3846和晶片NE556配合，當UC3846的11號管腳和14號管腳輸出超前臂信號，滯後臂靠NE556延時、展寬超前臂波形，通過UC3846的10號管腳關斷實現有限雙極性控制ZVZCS-PWM波形(見圖4_c) ,abed也可用UC3846與CD4013配合使用，也可由MCU、DSP、FBGA產生PWM信號。
[0058]如圖5所示，為本實施例焊機的保護電路，用於識別逐脈衝過流和故障脈衝，該保護電路包括12個用於感應各逆變開關管電流的第一線圈互感器L5-L16，8個用於感應各快恢復二極體電流的第二線圈互感器La-Lh。線圈可用電流傳感器或電阻檢測電流作用。以及第一至第四比較器IC1-1C4。如圖3所示，第一線圈互感器L5-L16分別接在逆變開關管G1-G12的線路上，第二線圈互感器La-Lh分別接在快恢復二極體D1-D8的線路上。如圖5所示，第一互感器L5-L16的輸出端經全橋整流後通過取樣電阻接二極體R51-R62，然後並接在一起，同時送入第一、第二比較器ICl、IC2的正極輸入端，第二互感器La-Lh的輸出端經全橋整流後通過取樣電阻Ra-Rh接二極體，然後並接在一起，同時送入第三、第四比較器IC3、IC4的正極輸入端，第一、第三比較器IC1、IC3的負極輸入電壓為逐脈衝保護電壓V1、V3，第二、第四比較器IC2、IC4的負極輸入電壓為故障脈衝保護電壓V2、V4，第一、第三比較器IC1、IC3的輸出端分別經三極體後作為逐脈衝過流保護信號的輸出，第二、第四比較器IC2、IC4的輸出端分別經可控娃後作為故障脈衝保護信號的輸出。圖中電容C41、C42為抗幹擾接地電容。逐脈衝過流保護信號接在逆變脈衝產生電路(圖7)的波形運算器上，如UC3846系列SG3525系列，TL494系列均有此腳位；故障脈衝保護信號接在逆變脈衝產生電路的脈衝關斷腳上，其關斷速度直接關斷脈衝不經過內部電路過程，關斷可靠。如UC3846系列、SG3525系列、TL494系列都有關斷腳。
[0059]取樣電阻R51-R62的阻值要按每個逆變開關管G1-G12的80%左右電流計算；取樣電阻Ra-Rh的阻值則按每個快恢復二極體D1-D8的80%左右電流計算，取樣後的波形全通過二極體合併一起，電壓高的脈衝會顯現，電壓低的脈衝會被淹沒，電壓高的脈衝使主電流電流最大，控制了最大電流管的安全性，小電流更不會壞。V1、V3逐脈衝保護電壓，V2、V4是故障脈衝保護電壓，Vl的電壓比V2小，V3電壓比V4小。當合併脈衝E超過Vl或合併脈衝F超過V3時比較器輸出高電壓對脈衝產生電路關斷，執行了逐脈衝保護，逆變開關管G1-G12快恢復二極體D1-D8都不會過流，不損壞，可靠性好。集成比較器可用穩壓管、三極體、光耦代替。在假的短路或焊接複雜電阻負載時，本實用新型焊機的電源輸出穩定。如果由於人為原因焊機有損壞，線圈傳感器立馬上升電壓，當E電壓超過VI，電壓F超過了 V3，起不到保護，這時是真故障；當電壓E超過V2，電壓F超過V4時，比較器就馬上關斷故障保護。
[0060]如果不增加該保護功能，逆變開關管G1-G12會由於瞬間過流或開路使逆變失敗會炸管，次級快恢復二極體也會有二極體開路或短路後被擊穿現象，剩下的管子由電流不夠而全部損壞，造成損失。增加了該保護電路即可避免故障。這個電路也適合不需要關聯的開關管逆變電路，能起到開關管直通短路和次級快恢復二極體保護。在實驗過程中:將焊機輸出線兩端接一個開關，正好焊機在施焊時不斷開合開關，形成短路和焊接空載不斷轉換；或將電流電位器失效，機器也能正常不壞。在故障實驗中:直接人為短路變壓器，二極體開關管機器都能保護，效果明顯。這個保護電路既可預防變壓器和焊接過流，更能預防開關管直通短路。達到了設計要求。
[0061]如圖6-a、6-b、6-c、6_d所示，為高頻變壓器結構示意圖，變壓器設計主要考慮工作頻率、功率容量和溫升、變壓器體積和成本。磁芯可採用鐵氧體和非晶磁芯，都能有高頻20?60KHz隔離和變壓作用。鐵氧體形狀有E型、EI型、圓型和U型，採用圓型磁芯繞制容易和質量好，鐵氧體導磁率中等，飽和磁通密度BS = 500mT、居裡溫度150°C左右同等功率體積稍大，功率使用成本高，少數採用。非晶材料導磁率高、飽和磁密度BS = 1.25T、居裡溫度350°C?700°C，形狀有U型、圓型，採用圓型繞制容易。現在市面上大功率磁芯有Φ 120mmX 60mmX 30mm 到 Φ 180mmX I 1mmX 60mm ;功率在 1KW ?30KW。
[0062]要達到100KW?200KW，焊機電流在2000A?4000A有留量，在電壓偏低時補償電流作用。本實用新型的變壓器是將同規格多個磁芯合聯，增加橫截面積，變壓器不會發燙，其漏感在2?3μ H。如圖6-a所示主變壓器磁芯由X、y、z三個磁芯合併而成，合併數量根據變壓器功率，功率越大數量多。在焊機行業中0130mmX80mmX40mm使用多、成本低、繞線空間足夠、不浪費。實驗證明:輸出2000A?2500A時用Φ 130mmX80mmX40mm合併2個；輸出3000A?4000A合併3個，更大功率可採用繞線空間大的磁芯多個合併，如Φ 180mmX I 1mmX 60mm。
[0063]鐵芯外殼用鋁或高溫塑料，用直徑為0.05mm?Imm的漆包線，直徑越小其集膠效應小、線溫度低，多股合併成一股線，便於冷卻，並纏好絕緣膠帶(如聚四氟乙烯膠帶，聚脂溥膜，聚亞醯胺，黃臘綢、玻璃漆布)，合併線的每平方毫米按6A?20A計算，按低電流計算變壓器銅損小，焊機效率有提高。匝比按5:1到6.5:1計算，如圖6-b所示，為初級繞組，先將線在整個磁芯上均勻布置，①②是初級繞組線頭，圖6-c、圖6-d中分別是次級繞組，因次級匝數少，用2個同樣線向磁芯2邊繞，使感應均勻，在逆變開關管波形更好；次級繞組分別按照圖6-c、圖6-d所示繞一層，最後將線頭③④⑤⑥接在一起成為中點抽頭，做為焊機負極。在另一端把每根線漆包線數量分開，分開數量一樣有均流作用，為線頭⑦⑧⑨⑩或更多個，線頭(Q) ? ? O或更多個，分開數量要根據次級整流恢復二極體數量決定，每個出頭接一個快恢復二極體。分開接頭要穿鐵氧體磁圈，防止電磁幹擾，在變壓器線圈上安裝溫度保護、在有故障情況下有報警功能，實驗證明:這個變壓器解決了磁芯功率不夠，在長時間大電流下工作正常。
[0064]最後有必要在此說明的是:上述內容只用於對本實用新型的技術方案作進一步詳細說明，不能理解為對本實用新型保護範圍的限制，本領域的技術人員根據本實用新型的上述內容作出的一些非本質的改進和調整均屬於本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.一種大功率單逆變螺柱焊機，包括依次連接的三相整流電路、逆變電路、高頻變壓器，快恢復整流電路，所述三相整流電路將三相交流電轉變成直流電，逆變電路將直流電轉換成高頻交流電，經高頻變壓器降壓和快恢復整流電路整流後獲得直流焊接電流，所述逆變電路為具有四個橋臂的全橋逆變電路，所述逆變電路的四個橋臂均由若干並聯的逆變開關管構成，逆變電路的第一輸出端經開關電感、隔直電容接高頻變壓器初級繞組的第一端，逆變電路的第二輸出端接高頻變壓器初級繞組的第二端；所述高頻變壓器具有若干次級繞組，每個次級繞組的兩端分別經快恢復二極體後連接在一起作為焊機的正極電源輸出，每個次級繞組的中點引出線依次連接後經濾波電抗器作為焊機的負極電源輸出。
2.根據權利要求1所述的大功率單逆變螺柱焊機，其特徵在於:所述三相整流電路的前端設有EMI濾波電路，所述EMI濾波電路組成包括電容採用三角形連接的第一 LC濾波器，所述第一 LC濾波器的電感為差模電感；電容採用星形連接的第二 LC濾波器，所述第二LC濾波器的電感為共模電感，所述第一 LC濾波器與第二 LC濾波器之間的線路上採用三角形接法連接有三個壓敏電阻。
3.根據權利要求1所述的大功率單逆變螺柱焊機，其特徵在於:所述三相整流電路與逆變電路之間接有直流濾波電路，所述直流濾波電路依次包括濾波放電電阻、兩個串聯的接地電容、無源濾波器、並聯的若干無極性高頻電容，所述無源濾波器接在直流的正極端，由並聯的電感、二極體、電容構成，所述二極體為反向並聯接連接。
4.根據權利要求1所述的大功率單逆變螺柱焊機，其特徵在於:還具有用於單獨驅動逆變電路第一半橋上橋臂、第二半橋下橋臂中各逆變開關管的第一驅動電路，用於單獨驅動逆變電路第一半橋下橋臂、第二半橋上橋臂中各逆變開關管的第二驅動電路，以及向所述第一、第二驅動電路發送逆變脈衝信號的逆變脈衝產生電路，所述驅動電路包括依次連接的直流電源、驅動管模塊、與逆變電路各橋臂中逆變開關管數量相等的驅動變壓器，所述驅動變壓器具有一個初級繞組和兩個次級繞組，第一驅動電路中的驅動變壓器次級繞組同名端、異名端分別接逆變電路中第一半橋上橋臂、第二半橋下橋臂中的逆變開關管，第二驅動電路中的驅動變壓器次級繞組同名端、異名端分別接逆變電路中第二半橋上橋臂、第一半橋下橋臂中的逆變開關管，所述驅動變壓器初級繞組的一端接有並聯的隔直電容和電阻。
5.根據權利要求4所述的大功率單逆變螺柱焊機，其特徵在於:所述驅動管模塊為由4個驅動管構成的全橋逆變驅動電路或集成驅動晶片，所述驅動管為場效應管、三級管、IGBT管中的一種。
6.根據權利要求4所述的大功率單逆變螺柱焊機，其特徵在於:還具有用於識別逐脈衝過流和故障脈衝的保護電路，所述保護電路包括若干個用於感應各逆變開關管電流的第一線圈互感器，若干個用於感應各快恢復二極體電流的第二線圈互感器，以及第一、第二、第三、第四比較器，所述第一互感器的輸出端經全橋整流後通過取樣電阻接二極體，然後並接在一起，同時送入第一、第二比較器的正極輸入端，所述第二互感器的輸出端經全橋整流後通過取樣電阻接二極體，然後並接在一起，同時送入第三、第四比較器的正極輸入端，所述第一、第三比較器的負極輸入電壓為逐脈衝保護電壓，所述第二、第四比較器的負極輸入電壓為故障脈衝保護電壓，第一、第三比較器的輸出端分別經三極體後作為逐脈衝過流保護信號的輸出，第二、第四比較器的輸出端分別經可控矽後作為故障脈衝保護信號的輸出。
7.根據權利要求4所述的大功率單逆變螺柱焊機，其特徵在於:所述逆變脈衝產生電路由電流型PWM控制器和時基電路組成的有限雙極型ZVZCS-PWM全橋脈衝波形。
8.根據權利要求6所述的大功率單逆變螺柱焊機，其特徵在於:所述比較器用穩壓管、或三極體、或光耦、或集成電路代替。
9.根據權利要求6所述的大功率單逆變螺柱焊機，其特徵在於:逐脈衝過流保護信號接在逆變脈衝產生電路的波形運算器上；故障脈衝保護信號接在逆變脈衝產生電路的脈衝關斷腳上。
10.根據權利要求1所述的大功率單逆變螺柱焊機，其特徵在於:所述高頻變壓器具有數個合併的同規格磁芯，每個次級繞組由相同數量根的漆包線合股而成。
【文檔編號】B23K9/20GK203933438SQ201420340549
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】胡長建 申請人:胡長建