一種單開關節能逆變焊機及控制方法
2023-07-13 18:18:26
專利名稱：一種單開關節能逆變焊機及控制方法
技術領域：
本發明涉及一種小功率逆變焊機及控制方法，尤其涉及其主電路拓撲和控制方式，屬於焊接設備技術領域。
背景技術：
目前小功率逆變焊機主電路大多採用全橋電路拓撲結構，功率開關器件較多，驅動電路比較複雜，存在著上下橋臂可能會發生「直通」，主變壓器可能出現單向偏磁等問題； 採用普通MOSFET為功率開關器件，導通損耗較大，電能變換效率較低；採用硬開關工作模式，開關損耗較大；採用PWM控制方式，開關頻率較低且實現軟開關困難。採用雙管單端正激電路拓撲結構，磁芯利用率較低；電路結構較複雜等問題。申請號為200910126057. 5、名稱為「可攜式IGBT逆變電弧焊機」的專利申請公開
了一種可攜式逆變電弧焊機。該焊機主要由主電路和控制電路組成，主電路為全橋硬開關結構，包括輸入整流濾波電路、逆變電路、主變壓器、二次輸出整流電路；控制方式採用PWM 控制方式，控制電路包括PWM調節電路、驅動電路、電流反饋電路、電流給定電路。該焊機的缺點是採用的全橋電路結構複雜；開關管工作狀態為硬開關模式，開關損耗較大；上下橋臂可能會發生「直通」現象，主變壓器可能出現單向偏磁，可靠性較低。
發明內容
本發明的目的是針對現有小功率逆變焊機的不足，提出一種新型的電路結構簡單、開關損耗小、可靠性高的單開關節能逆變焊機。為了實現上述目的，本發明採用的技術方案是一種單開關節能逆變焊機，包括單開關節能逆變焊機的主電路和控制電路，主電路包括輸入整流濾波電路、高頻逆變電路、主變壓器和半波整流電路；控制電路包括PFM控制電路，電流給定電路、電流反饋電路、隔離驅動電路、PI運算電路；外部輸入經過輸入整流濾波電路後接高頻逆變電路的輸入端，高頻逆變電路的輸出串接主變壓器後接半波整流電路的輸入端，半波整流後作為輸出；電流反饋電路的輸入端接半波整流電路的輸出端，電流反饋電路和電流給定電路的輸出端分別接PI運算電路的輸入端，PI運算電路的輸入端， PI運算電路的輸出端依次PFM控制電路、隔離驅動電路後接高頻逆變電路的輸入端。主電路具體連接結構是交流220V經過空氣開關S連接到高頻電容C1、壓敏電阻 R1，再輸入到輸入整流濾波電路的整流模塊BR，整流模塊BR輸出的直流電310V正極連至主變壓器原邊上端，整流模塊BR輸出正端接濾波電容C2的一端、C3的正端和死負載電阻&的一端，整流模塊BR輸出負端接濾波電容C2的另一端、C3的負端和死負載電阻&的另一端， 主變壓器原邊下端連至A集電極，Q1發射極連至直流電310V負極；主變壓器原邊下端連至 Qc發射極，Qc的集電極連至箝位電容C。的下端；箝位電容C。的上端接到主變壓器的上端， 諧振電容(；的一端連接到A的集電極，諧振電容(；的另一端連接到A的發射極；主變壓器副邊上端連至整流二極體D1陽極，二極體D1陰極連至續流二極體A的陰極和輸出濾波電感的左端，主變壓器副邊下端連至續流二極體A的陽極和分流器的負端，分流器的正端接輸出負端，輸出濾波電感左端接整流二極體D1的陰極和續流二極體A的陰極，輸出濾波電感的右端接到輸出正端。單開關節能逆變焊機的控制方法外部輸入經過整流濾波後進行高頻逆變，高頻逆變後經過主變壓器變壓最後經過半波整流後作為輸出；輸出端電流反饋電路採得的焊接電流反饋值與焊接電流給定值進行PI運算，得到的誤差值作為PFM控制電路的輸入信號， PFM控制電路輸出信號經驅動隔離電路實現對單開關節能逆變焊機輸出功率和輸出特性控制。這種單開關節能逆變焊機的特徵在於單開關單端正激式主電路拓撲結構，只用一個功率開關管和一組驅動脈衝，主電路結構，功率開關管數量少，無「直通」現象，開關損耗小，驅動電路簡單，可提高焊機可靠性；採用有源箝位磁復位技術可實現單管單端正激式逆變電路的主變壓器磁芯復位，使變壓器磁芯雙向對稱磁化而提高磁芯利用率；可使功率開關管實現軟開關，減小開關損耗，提高功率變換效率；採用Cool MOS管作為功率開關器件，與普通MOS管相比導通損耗小，可提高逆變焊機的功率變換效率和可靠性；採用PFM控制方式，與PWM調製技術相比工作頻率更高，且容易實現軟開關。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。圖1本發明的逆變焊機原理框圖。圖2為圖1的主電路連接圖。圖3為電流給定電路。圖4為電流反饋電路。圖5為推力電流給定電路。圖6為PFM控制電路。
具體實施例方式如圖1所示，本發明具有獨特的主電路拓撲結構，單開關節能逆變焊機的原理框圖包括主電路和控制電路，其中虛框中為控制電路部分。交流電網電壓經濾波後，輸出到整流橋，經整流橋整流後輸出直流電，整流橋輸出的直流電經高頻逆變後，再經過變壓器降壓，經過輸出快恢復二極體整流後得到脈動的直流電，經輸出電感濾波後給電弧負載供電。 控制電路由PFM控制晶片UC3864為核心構成，主要有電流給定電路、電流反饋電路、推力電路組成，實現對單開關節能逆變焊機輸出功率和輸出特性控制。如圖2所示，電網電壓交流220V經空氣開關S接入逆變焊機主電路，電容C1是高頻濾波電容，R1是壓敏電阻，用於防止電壓尖峰，交流電經橋式整流橋BR整流後輸出脈動的直流電，由C2、C3、R2組成整流輸出濾波電路，經濾波後得到平滑的直流電送到逆變電路。 逆變電路由主變壓器T1、功率開關管％、箝位開關管Q。、箝位電容C。組成，Dql和D,。分別為功率開關管A和箝位開關管A的體二極體，諧振電容C；為功率開關管A和箝位開關管A 輸出等效電容。逆變電路的工作原理為功率開關管A開通時，主變壓器T1向負載提供能量，當功率開關管A關斷後，首先由負載電流向諧振電容C；充電，當諧振電容C；電壓達到輸入電壓時，主變壓器T1原邊電壓過零，勵磁電感與諧振電容C；諧振，當諧振電容C；電壓達到輸入電壓與箝位電容電壓之和時，箝位開關管A的反並二極體Dtl。導通，箝位電容電壓作為負電壓加在主變壓器T1原邊，主變壓器T1勵磁電感電流線性下降，主變壓器T1磁芯復位，在反並二極體D,。導通的時候，零電壓開通箝位開關管I，主變壓器T1可以在箝位電容作用下反向勵磁。箝位開關管A的反並二極體D,。導通時，箝位電容C。處於充電狀態；箝位開關管A導通後，箝位電容C。處於放電狀態。因此可利用箝位電容C。電壓具有的浮動性實現雙向對稱磁化。整流橋BR輸出直流電經逆變電路逆變後得到高頻方波交流電，經主變壓器T1降壓，由副邊半波整流電路整流，半波整流電路由整流二極體D1和續流二極體D2 組成。脈動直流電經輸出濾波電感L濾波後，得到平滑的直流電送給電弧負載。
如圖3至6所示，控制電路包括PFM控制電路，電流給定電路、電流反饋電路，推力電路、PI運算電路。具體連接結構是電流給定信號加在電阻Rl的左端，電阻Rl的右端接穩壓管ZDl的陰極、電阻R2的一端、電容Cl的一端和運算放大器UlA的3腳，ZDl的陽極、 R2的另一端和Cl的另一端接電源地端，運算放大器型號為LM324，運算放大器UlA的2腳接到1腳，構成跟隨器，運算放大器UlA的1腳輸出Ig作為電流給定信號。UlA的11腳接電源地，4腳接電源+15V和去耦電容C2的一端，去耦電容的另一端接地。電流反饋信號取自輸出端分流器兩端，分流器的正端接電容C3的一端、電阻R3的一端、電阻R4的一端，分流器的負端、電容C3的另一端、電阻R3的另一端接電源地；R4的另一端接運算放大器UlD 的12腳、電阻R5的一端、電阻R6的一端、電容C4的一端，電阻R5的另一端接推力電路的推力信號Tout，電阻R6的另一端和電容C4的另一端接到電源地，UlD的13腳接電阻R7的一端，電阻R8的一端、電容C5的一端，電阻R7的一端接電源地，電阻R8的另一端、電容C5 的另一端接UlD的14腳，UlD的14腳輸出電流反饋信號If。取自輸出端的電壓反饋信號接到二極體Dl的陽極，二極體Dl的陰極接到電阻R9的一端，電阻R9的另一端接到運算放大器UlC的10號腳、電阻RlO的一端、電容C6的一端，電阻RlO的另一端和電容C6的另一端接到電源地；UlC的9腳接電容C7的一端、電阻Rll的一端、電阻R12的一端，電阻R12 的另一端接電源+15V，電容C7的另一端和電阻Rll的另一端接到電源地；UlC的8腳接電阻R13的一端，電阻R13的另一端接滑動變阻器VRl的一端輸出推力給定信號，滑動變阻器 VRl的另一端接到電源地。電流給定電路輸出的電流給定信號接到電阻R15的一端，R15的另一端接電阻R16的一端、電容ClO的一端、運算放大器UlB的5腳，電阻R16的另一端和電容ClO的另一端接電源地；電流反饋電路取得的反饋信號接到電阻R14的一端、電阻R17 的一端、電阻R18的一端、電容C9的一端和UlB的6腳；電阻R17的另一端接電容C8的一端，電容C8的另一端接電容C9的另一端、電阻R18的另一端UlB的7腳和電阻R19的一端， 電阻R19的另一端接電阻R20的一端、電容Cll的一端、PFM控制晶片U2的2腳，PFM控制晶片型號為UC3864，電阻R20的另一端、電容Cll的另一端接到電源地；U2的1腳接到10 腳、接電阻R23的一端，電阻R23的另一端接U2的9腳，U2的9腳接電容C14的一端，電容 C14的另一端接電源地，U2的3腳和4腳相連，U2的5腳、12腳接電源地，U2的6腳接電阻 R21的一端，R21的另一端接電源地，U2的7腳接電阻R22的一端，電阻R22的另一端接電源地，U2的8腳接電容C13的一端，電容C13的另一端接電源地，U2的13腳接電源+15V和去耦電容C14的一端，去耦電容C14的另一端接地；保護電路提供的保護信號接到U2的15 腳、穩壓管ZD2的陰極，ZD2的陽極接電源地；U2的16腳接電容C12的一端，電容C12的另一端接電源地；U2的14腳輸出接反相器U3A的1腳，U2的11腳輸出接反相器TOB的3腳， U3A的2腳接U3B的4腳。 分流器上取得的焊接電流信號經濾波、放大後作為閉環控制電路的電流反饋信號；該反饋信號與焊接電流給定信號進行PI調節，得到的誤差信號用於PFM控制電路的輸入信號，由PFM控制電路的輸出脈衝信號，經隔離驅動電路控制功率開關管的開通與關斷， 實現對功率電路的控制。當反饋電流大於給定電流時，PI調節輸出的誤差信號送到PFM控制電路，驅動脈衝頻率減小，從而降低輸出電流值，使輸出電流等於給定電流；當反饋電流小於給定電流時，PI調節輸出的誤差信號送到PFM控制電路，驅動脈衝頻率增大，從而提高輸出電流值，使輸出電流等於給定電流。通過不斷的比較運算來調節驅動脈衝的頻率，實時修正焊接電流，從而獲得恆流外特性。在熔滴過渡過程中，當電弧電壓低於13V時，為了促進熔滴過渡，推力電路輸出推力給定信號Tout，疊加在反饋迴路，使PI運算電路輸出誤差信號增大，使得PFM控制電路輸出脈衝頻率增大，佔空比隨之增大，輸出電流增大，促進熔滴過渡，保證良好的焊縫成形。
權利要求
1.一種單開關節能逆變焊機，包括單開關節能逆變焊機的主電路和控制電路，其特徵是主電路包括輸入整流濾波電路、高頻逆變電路、主變壓器和半波整流電路；控制電路包括PFM控制電路，電流給定電路、電流反饋電路、隔離驅動電路、PI運算電路；外部輸入經過輸入整流濾波電路後接高頻逆變電路的輸入端，高頻逆變電路的輸出串接主變壓器後接半波整流電路的輸入端，半波整流後作為輸出；電流反饋電路的輸入端接半波整流電路的輸出端，電流反饋電路和電流給定電路的輸出端分別接PI運算電路的輸入端，PI運算電路的輸入端，PI運算電路的輸出端依次接PFM控制電路、隔離驅動電路後接高頻逆變電路的輸入端。
2.根據權利要求1所述的單開關節能逆變焊機，其特徵是所述主電路結構如下交流 220V經過空氣開關S連接到高頻電容。、壓敏電阻R1，再輸入到輸入整流濾波電路的整流模塊BR，整流模塊BR輸出的直流電310V正極連至主變壓器原邊上端，整流模塊BR輸出正端接濾波電容C2的一端、C3的正端和死負載電阻&的一端，整流模塊BR輸出負端接濾波電容 C2的另一端、C3的負端和死負載電阻&的另一端，主變壓器原邊下端連至A集電極，Q1發射極連至直流電310V負極；主變壓器原邊下端連至A發射極，Qc的集電極連至箝位電容C。 的下端；箝位電容C。的上端接到主變壓器的上端，諧振電容(；的一端連接到A的集電極， 諧振電容C；的另一端連接到兌的發射極；主變壓器副邊上端連至整流二極體D1陽極，二極體0工陰極連至續流二極體A的陰極和輸出濾波電感的左端，主變壓器副邊下端連至續流二極體D2的陽極和分流器的負端，分流器的正端接輸出負端，輸出濾波電感左端接整流二極體0工的陰極和續流二極體A的陰極，輸出濾波電感的右端接到輸出正端。
3.根據權利要求1所述的單開關節能逆變焊機，其特徵是所述PFM控制電路採用諧振型控制晶片UC3864。
4.一種如權利要求1所述的單開關節能逆變焊機的控制方法，其特徵是外部輸入經過整流濾波後進行高頻逆變，高頻逆變後經過主變壓器變壓最後經過半波整流後作為輸出；輸出端電流反饋電路採得的焊接電流反饋值與焊接電流給定值進行PI運算，得到的誤差值作為PFM控制電路的輸入信號，PFM控制電路輸出信號經驅動隔離電路實現對單開關節能逆變焊機輸出功率和輸出特性控制。
全文摘要
本發明公開了一種單開關節能逆變焊機及控制方法。所述焊機包括主電路和控制電路，主電路包括輸入整流濾波電路、高頻逆變電路、主變壓器和半波整流電路；控制電路包括PFM控制電路，電流給定電路、電流反饋電路、隔離驅動電路、PI運算電路。所述方法外部輸入經過整流濾波後進行高頻逆變，高頻逆變後經過主變壓器變壓最後經過半波整流後作為輸出；輸出端電流反饋電路採得的焊接電流反饋值與焊接電流給定值進行PI運算，得到的誤差值作為PFM控制電路的輸入信號，PFM控制電路輸出信號經驅動隔離電路實現對單開關節能逆變焊機輸出功率和輸出特性控制。本發明結構簡單、體積小、開關損耗小、電能變換效率高、工作可靠性高。
文檔編號B23K9/095GK102371416SQ20111031640
公開日2012年3月14日 申請日期2011年10月18日 優先權日2011年10月18日
發明者任以明, 吳銘方, 方臣富, 李峰, 羅雲萌 申請人:江蘇科技大學