基於移相全橋的逆變式電弧噴塗電源的製作方法

2023-05-03 18:45:11

基於移相全橋的逆變式電弧噴塗電源的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基於移相全橋的逆變式電弧噴塗電源，包括依次連接的第一整流電路、第一濾波電路、全橋電路、高頻變壓器T、第二整流電路和第二濾波電路，其中：所述第一整流電路連接到三相交流輸入；所述第二濾波電路連接到電弧噴槍。本實用新型的逆變式電弧噴塗電源還包括輔助控制模塊，用於控制所述全橋電路工作。本實用新型的逆變式電弧噴塗電源採用移相全橋控制實現了開關管的軟開關，軟開關技術大大降低了電源的開關損耗，提高了整機效率，節約了電能。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及表面工程熱噴塗領域，特別涉及一種基於移相全橋的逆變式電弧 噴塗電源。 基於移相全橋的逆變式電弧噴塗電源

【背景技術】
[0002] 電弧噴塗技術是一種經濟、適用範圍廣、施工靈活、高效率的熱噴塗方法，是一種 在工業領域廣泛應用的表面改性技術。隨著電弧噴塗設備的不斷改進，噴塗工藝得到了提 升，電弧噴塗技術迎來了新的發展。
[0003] 電弧噴塗的基本原理是將電弧噴塗電源加在兩根連續送進的金屬絲之間從而形 成電弧，電弧的熱量將金屬熔化，利用壓縮空氣將熔化的金屬霧化成微熔滴，高速噴向工件 表面形成塗層。該塗層在不改變工件基體材料性能的基礎上，可以大幅提升工件綜合性能 如耐磨、防腐、抗氧化、隔熱等。
[0004] 傳統電弧噴塗電源採用工頻變壓器降壓，整流輸出恆壓直流電的拓撲，優點是結 構簡單，但其存在的問題較多，主要有以下幾點：l.由於變壓器工作在工頻狀態，電源體積 大，質量重，不利於現場尤其是複雜工況下的施工，制約了電弧噴塗技術的應用。2.整機採 用無反饋的開環控制，無法對輸出電流進行跟蹤控制，實際使用時電流波動非常大，嚴重降 低了電弧噴塗塗層的質量。3.輸出電壓的調節通過變壓器抽頭實現，通常分幾個檔位，並非 無極調節，對於不同的噴塗材料無法準確的輸出最優噴塗電壓，影響了噴塗質量。


【發明內容】

[0005] 本實用新型所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種基於移相全橋 的逆變式電弧噴塗電源，從結構及控制方式上解決了傳統噴塗機體積大、質量重、無反饋控 制、無法準確控制輸出電壓等缺點，在縮小整機大小的基礎上，提高了性能，優化了噴塗質 量。
[0006] 為解決以上技術問題，本實用新型採用如下技術方案：
[0007] -種基於移相全橋的逆變式電弧噴塗電源，包括依次連接的第一整流電路、第一 濾波電路、全橋電路、高頻變壓器T、第二整流電路和第二濾波電路，其中：
[0008] 所述第一整流電路連接到三相交流輸入；
[0009] 所述第二濾波電路連接到電弧噴槍；
[0010] 所述第一濾波電路包括串聯連接在所述第一整流電路兩端的電感L和電容C ;
[0011] 所述全橋電路包括第一開關管％、第二開關管Q2、第三開關管Q3、第四開關管Q 4，所 述第一開關管Qi和所述第三開關管Q3串聯後並聯連接在所述電容c兩端，所述第二開關管 Q 2和所述第四開關管Q4串聯後也並聯連接在所述電容C兩端；
[0012] 所述逆變式電弧噴塗電源還包括輔助控制模塊，用於控制所述全橋電路工作；
[0013] 所述輔助控制模塊包括依次連接的輸出採樣電路、PI調節電路、PWM控制器，
[0014] 所述輸出採樣電路連接到所述電弧噴槍，用於採集所述電弧噴槍的輸出電壓和輸 出電流；
[0015] 所述PI調節電路用於將電壓反饋值與預設電壓參考值比較後進行PI運算，輸出 信號，其中，所述電壓反饋值為所述輸出採樣電路採集到的所述電弧噴槍的輸出電壓；
[0016] 所述PWM控制器用於將所述PI調節電路輸出的信號與所述PWM控制器產生的調 制波信號進行比較，改變所述PWM控制器輸出脈衝信號的寬度，輸出脈衝信號，所述脈衝信 號用於控制所述全橋電路工作。
[0017] 所述全橋電路還包括二極體Di、二極體D2、電容Ci和電容C3，所述二極體Di並聯在 所述第一開關管％的兩端；所述電容(^也並聯在所述第一開關管％的兩端；所述二極體D 2 並聯在所述第三開關管Q3的兩端；所述電容C3也並聯在所述第三開關管Q3的兩端。
[0018] 所述第一開關管Qi和所述第三開關管Q3均為絕緣柵雙極型電晶體。
[0019] 所述第二開關管Q2和所述第四開關管Q4均為逆阻型絕緣柵雙極型電晶體。
[0020] 本實用新型的全橋電路，基於移相控制，實現零電壓零電流開關（ZVZCS)。
[0021] 本實用新型的所述逆變式電弧噴塗電源還包括輔助保護模塊，用於保護所述逆變 式電弧噴塗電源的安全；
[0022] 所述輔助保護模塊包括依次連接的檢測電路和單片機控制及保護模塊，其中：
[0023] 所述檢測電路連接到所述電弧噴槍，用於檢測所述逆變式電弧噴塗電源的工作狀 態，輸出信號；
[0024] 所述單片機控制及保護模塊連接到所述全橋電路，用於對所述檢測電路輸出的信 號進行分析、處理，及時對故障進行處理，保護所述逆變式電弧噴塗電源的安全。
[0025] 本實用新型的所述第一整流電路為三相整流橋。
[0026] 本實用新型的逆變式電弧噴塗電源的基本工作原理是：輸入的三相交流380V經 過第一整流電路和第一濾波電路變成540V左右的直流電，再經由全橋電路進行逆變，變成 高頻方波交流電，通過高頻變壓器將能量傳遞到副邊的第二整流電路，將其整流為直流電， 通過第二濾波電路最終輸出所需的穩定的直流電。
[0027] 由於上述技術方案的實施，本實用新型與現有技術相比具有如下優點：
[0028] 本實用新型的逆變式電弧噴塗電源採用移相控制實現了開關管的軟開關，軟開關 技術大大降低了電源的開關損耗，提1? 了整機效率，節約了電能。另外在減少散熱的基礎 上，同樣大大減少了散熱器的體積。
[0029] 本實用新型的逆變式電弧噴塗電源中的能量通過高頻變壓器傳遞，通常可以做到 20KHz，大大降低了整機的體積和質量。
[0030] 本實用新型的逆變式電弧噴塗電源通過對輸出電壓、電流的採樣進行閉環控制， 使得輸出值與預設參考值吻合，輸出波形質量高，有效提高噴塗質量。
[0031] 本實用新型的逆變式電弧噴塗電源通過改變預設參考值，可以實現電壓變化範圍 內任意電壓的輸出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1為本實用新型的基於移相全橋的逆變式電弧噴塗電源的結構框圖；
[0033] 圖2為本實用新型的基於移相全橋的逆變式電弧噴塗電源的電路原理圖；
[0034] 圖3為圖2中的全橋電路工作時的關鍵波形圖。

【具體實施方式】
[0035] 下面結合說明書附圖對本實用新型作進一步描述，顯然，所描述的實施例僅僅是 本實用新型一部分，並不限制實用新型的範圍。
[0036] 現有的電弧噴塗電源多採用工頻變壓器降壓，整流輸出恆壓直流電的拓撲，噴塗 電源中磁性元器件的體積和重量大。其他逆變式電弧噴塗電源多採用硬開關技術，開關損 耗大，效率低。本實用新型的基於移相全橋的逆變式電弧噴塗電源，能夠準確控制輸出電 壓、電流，採用軟開關技術，降低開關損耗，提高噴塗電源的效率，並且能夠對噴塗電源實行 實時的監控，自動實現保護。
[0037] 如圖1~2所示，本實用新型的基於移相全橋的逆變式電弧噴塗電源，包括依次連 接的第一整流電路2、第一濾波電路3、全橋電路3、高頻變壓器5、第二整流電路6和第二濾 波電路7,其中：第一整流電路2連接到三相交流輸入1 ;第二濾波電路3連接到電弧噴槍 8〇
[0038] 具體地，本實用新型的第一整流電路2為三相整流橋。
[0039] 第一濾波電路3包括串聯連接在第一整流電路2兩端的電感L和電容C。
[0040] 全橋電路4包括第一開關管Qi、第二開關管Q2、第三開關管Q3、第四開關管Q 4，第一 開關管％和第三開關管q3串聯後並聯連接在電容C兩端，第二開關管q2和第四開關管q 4 串聯後也並聯連接在電容C兩端，並且第一開關管Qi和第二開關管Q2均與電容C的第一端 相連，第三開關管Q 3和第四開關管Q4均與電容C的第二端相連。本實用新型的全橋電路4 還包括二極體Di、二極體D 2、電容Q和電容C3，二極體Di並聯在第一開關管％的兩端；電容 Q也並聯在第一開關管％的兩端；二極體D2並聯在第三開關管Q3的兩端；電容C3也並聯 在第三開關管0 3的兩端。
[0041] 第一開關管Qi和第三開關管Q3均為絕緣柵雙極型電晶體（IGBT)。
[0042] 第二開關管Q2和第四開關管Q4均為逆阻型絕緣柵雙極型電晶體（IGBT)。
[0043] 本實用新型的全橋電路4,基於移相控制，實現零電壓零電流開關（ZVZCS)。
[0044] 本實用新型中，第二濾波電路7包括串聯連接的電感Lf和電容Cf，電弧噴槍8並 聯連接在電容(^的兩端。
[0045] 高頻變壓器T的原邊繞組的第一端通過漏電感Lr連接至第一開關管和第三開 關管Q3之間的節點、原邊繞組的第二端連接至第二開關管Q 2和第四開關管Q4之間的節點， 高頻變壓器T的第一副邊繞組的第一端通過二極體D3連接到電感L f的輸入端、第一副邊繞 組的第二端連接到電容Cf的輸出端，高頻變壓器T的第二副邊繞組的第一端與第一副邊繞 組第二端相連、高頻變壓器T的第二副邊繞組的第二端通過二極體D 4連接至二極體D3和電 感1^之間的節點。
[0046] 第二整流電路6為全波整流電路，包括二極體D3和二極體D4。
[0047] 在第一開關管％和第三開關管Q3之間的節點、電感Lf之間連接有隔直電容C b。
[0048] 本實用新型的逆變式電弧噴塗電源還包括輔助控制模塊，用於控制全橋電路4工 作。
[0049] 輔助控制模塊包括依次連接的輸出採樣電路9、PI調節電路10、PWM控制器11，
[0050] 輸出採樣電路9連接到電弧噴槍8,用於採集電弧噴槍8的輸出電壓和輸出電流；
[0051] PI調節電路10用於將電壓反饋值與預設電壓參考值比較後進行PI運算，輸出信 號，其中，電壓反饋值為輸出採樣電路9採集到的電弧噴槍8的輸出電壓；
[0052] PWM控制器11用於將PI調節電路10輸出的信號與PWM控制器11產生的調製波 信號進行比較，改變PWM控制器11輸出脈衝信號的寬度，輸出脈衝信號，脈衝信號用於控制 全橋電路4工作。在PWM控制器11和全橋電路4之間連接有驅動電路，PWM控制器輸出的 脈衝信號傳送到驅動電路，通過驅動電路來控制到全橋電路4的第一開關管％、第二開關管 Q2、第三開關管Q3、第四開關管Q4。
[0053] 本實用新型的逆變式電弧噴塗電源還包括輔助保護模塊，用於保護該逆變式電弧 噴塗電源的安全；
[0054] 輔助保護模塊包括依次連接檢測電路12、單片機控制及保護模塊13,其中：
[0055] 檢測電路12為電壓、電流、溫度檢測電路，其連接到電弧噴槍8,用於檢測逆變式 電弧噴塗電源的工作狀態，輸出信號；
[0056] 單片機控制及保護模塊13連接到全橋電路4,用於對檢測電路12輸出的信號進行 分析、處理，及時對故障進行處理，停止工作，保護逆變式電弧噴塗電源的安全，上述所說的 故障包括開路、短路、低電壓、過電壓等故障。
[0057] 本實用新型的逆變式電弧噴塗電源還包括依次連接的送絲機構15、送絲速度採樣 模塊14,送絲機構15連接到電弧噴槍8,送絲速度採樣模塊14連接到單片機控制及保護模 塊13,單片機控制及保護模塊13中的單片機將相應的送絲信號輸出給送絲機構15,控制送 絲機構15的工作。噴塗中，將輸出電流與預設參考值進行比較，如果輸出電流值比輸出電 流預設參考值高，則減小送絲速度，減小輸出電流；如果輸出電流值比輸出電流預設參考值 低，則加快送絲速度，增大輸出電流，最終使輸出電流穩定在輸出電流預設參考值上。
[0058] 本實用新型的輸出電壓、輸出電流的預設參考值由單片機控制及保護模塊13中 的單片機DA 口進行輸出。
[0059] 本實用新型的逆變式電弧噴塗電源將三相交流輸入380V的電壓經過第一整流電 路2和第一濾波電路3變成540V左右的直流電，再經由全橋電路進行逆變，變成高頻方波 交流電，此處高頻開關頻率選為20KHz，全橋電路4每個橋臂的兩個開關管(斜對角的兩個 開關管，如第一開關管％和第四開關管Q 4或第二開關管Q2和第三開關管Q3) 180度互補導 通，兩個橋臂的導通之間相差一個移相角。通過調節移相角的大小，來調節輸出電壓脈衝寬 度，從而達到調節相應輸出電壓的目的。通過高頻變壓器將能量傳遞到副邊的第二整流電 路，將其整流為直流電，通過第二濾波電路最終輸出所需的穩定的直流電。
[0060] 在噴塗過程中，通過電壓電流傳感器對電弧噴槍的輸出電壓及輸出電流進行採 樣，將輸出電壓與預設電壓參考值進行比較並在晶片內部進行PI運算，如果輸出電壓值比 輸出電壓預設參考值高，則減小脈寬調製信號（PWM)的佔空比，即減小IGBT導通時間，減小 輸出電壓；如果輸出電壓值比輸出電壓預設參考值低，則增大脈寬調製信號（PWM)的佔空 t匕，即增大了 IGBT導通時間，增大輸出電壓，最終使輸出電壓穩定在預設輸出電壓值上。
[0061] 本實用新型的全橋電路4採用了移相全橋軟開關技術，把諧振變換技術和普通的 PWM變換技術相結合，可以使開關器件在較低的電壓、電流應力下實現軟開關。軟開關ZVS 指的是開關管在導通或關斷前管壓降已經為零，從而實現導通損耗和關斷損耗為零。
[0062] 下面結合圖3所示的全橋電路工作時的關鍵波形圖對本實用新型的逆變式電弧 噴塗電源的全橋電路的工作狀態進行詳細說明：圖3中，為了便於說明，將開關管（Qp Q2、 Q3、Q4)的驅動波形、變壓器原邊電流ip的變化、全橋輸出端電壓的變化、變壓器副邊輸 出二極體兩端電壓V D的變化繪製於同一張圖中。
[0063] (1)模態 1 (t12?t0)
[0064] A和Q4導通，高頻變壓器T原邊電流ip給隔直電容Cb充電，隔直電容C b上 的電壓線性上升。to時刻，Qi關斷，進入開關模態2。
[0065] (2)模態2(、')
[0066] h時刻，Qi關斷，電流向％、Q3的結電容Q、C3轉移，Q充電，C3放電，開關管％兩 端的電壓線性上升，Ci、C3限制了 Qi兩端電壓的上升率，Qi實現了 ZVS關斷。h時刻，(：3上 的電壓下降至零，隨後D3導通進入開關模態3。
[0067] (3)模態 3 (&、2)
[0068] h時刻，C3上的電壓下降至零，隨後Q3兩端反向並聯二極體D3導通，起到續流作 用，Q 3兩端的電壓為零，此時Q3導通，Q3實現零電壓導通。Q3導通以後全橋輸出兩端電壓 Vab被鉗位到零，隔直電容Cb上的電壓加到漏感k上，變壓器原邊電流ip線性下降。漏感k 中的能量加到隔直電容cb，變壓器副邊的兩個整流二極體D3、D4同時導通給負載供電。
[0069] (4)模態 4 (t2?t3)
[0070] t2時刻，原邊電流"下降至零，由於電感的存在會阻止電流的變化，原邊電流"反 向續流。但是由於滯後臂Q 2和Q4採用的是逆阻性IGBT，隔阻了負向電流，所以原邊電流ip 維持為零。在這期間，隔直電容Cb的電壓維持不變，〇4仍然導通，但是沒有電流流過。心時 亥|J，Q 4零電流關斷。變壓器副邊二極體D3、D4同時導通，各自承受一半的負載電流。
[0071] (5)模態 5 (t3?t4)
[0072] 〇4零電流關斷以後，原邊電流ip仍為零，負載電流沿著0 3、比續流。
[0073] (6)模態 6 (t4?t5)
[0074] t4時刻，Q2導通，由於漏感L的存在，原邊電流ip無法突變，所以Q 2的導通時電流 為零即零電流開通。Q2導通以後，原邊電流ip線性增加，輸出電流經D 4流向負載。
[0075] (7)模態 7 (t5?t6)
[0076] Q2、同時導通，給負載供電。
[0077] 從圖3中可以看出，本實用新型的電路拓撲通過移相控制，實現了零電壓開 關，實現了零電流開關，大大減小了開關損耗，大大提商了整機效率。另外在減少散熱 的基礎上，同樣大大減少了散熱器的體積。
[0078] 以上對本實用新型做了詳盡的描述，其目的在於讓熟悉此領域技術的人士能夠了 解本實用新型的內容並加以實施，並不能以此限制本實用新型的保護範圍，凡根據本實用 新型的精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍內。
【權利要求】
1. 一種基於移相全橋的逆變式電弧噴塗電源，包括依次連接的第一整流電路、第一濾 波電路、全橋電路、高頻變壓器T、第二整流電路和第二濾波電路，其中 ： 所述第一整流電路連接到三相交流輸入； 所述第二濾波電路連接到電弧噴槍； 所述第一濾波電路包括串聯連接在所述第一整流電路兩端的電感L和電容C ; 所述全橋電路包括第一開關管％、第二開關管Q2、第三開關管Q3、第四開關管Q4，所述第 一開關管％和所述第三開關管Q3串聯後並聯連接在所述電容C兩端，所述第二開關管Q2和 所述第四開關管Q 4串聯後也並聯連接在所述電容C兩端； 其特徵在於： 所述逆變式電弧噴塗電源還包括輔助控制模塊，用於控制所述全橋電路工作； 所述輔助控制模塊包括依次連接的輸出採樣電路、PI調節電路、PWM控制器， 所述輸出採樣電路連接到所述電弧噴槍，用於採集所述電弧噴槍的輸出電壓和輸出電 流； 所述PI調節電路用於將電壓反饋值與預設電壓參考值比較後進行PI運算，輸出信號， 其中，所述電壓反饋值為所述輸出採樣電路採集到的所述電弧噴槍的輸出電壓； 所述PWM控制器用於將所述PI調節電路輸出的信號與所述PWM控制器產生的調製波 信號進行比較，改變所述PWM控制器輸出脈衝信號的寬度，輸出脈衝信號，所述脈衝信號用 於控制所述全橋電路工作。
2. 根據權利要求1所述的逆變式電弧噴塗電源，其特徵在於，所述全橋電路還包括二 極管Di、二極體D2、電容Q和電容C 3，所述二極體Di並聯在所述第一開關管％的兩端；所述 電容q也並聯在所述第一開關管％的兩端；所述二極體D 2並聯在所述第三開關管Q3的兩 端；所述電容C3也並聯在所述第三開關管Q 3的兩端。
3. 根據權利要求1或2所述的逆變式電弧噴塗電源，其特徵在於，所述第一開關管％ 和所述第三開關管Q3均為絕緣柵雙極型電晶體。
4. 根據權利要求1所述的逆變式電弧噴塗電源，其特徵在於，所述第二開關管Q2和所 述第四開關管Q4均為逆阻型絕緣柵雙極型電晶體。
5. 根據權利要求1所述的逆變式電弧噴塗電源，其特徵在於，所述逆變式電弧噴塗電 源還包括輔助保護模塊，用於保護所述逆變式電弧噴塗電源的安全； 所述輔助保護模塊包括依次連接的檢測電路和單片機控制及保護模塊，其中： 所述檢測電路連接到所述電弧噴槍，用於檢測所述逆變式電弧噴塗電源的工作狀態， 輸出信號； 所述單片機控制及保護模塊連接到所述全橋電路，用於對所述檢測電路輸出的信號進 行分析、處理，及時對故障進行處理，保護所述逆變式電弧噴塗電源的安全。
6. 根據權利要求1所述的逆變式電弧噴塗電源，其特徵在於，所述第一整流電路為三 相整流橋。
【文檔編號】B05B5/06GK203896196SQ201420338393
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月23日 優先權日:2014年6月23日
【發明者】魏少翀, 吳樹輝, 陳乃富, 陳國星, 尹嵩, 覃恩偉, 胡金力, 黃騫, 葉林, 劉澤坤, 史一嶺 申請人:蘇州熱工研究院有限公司