專利名稱：一種單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小功率逆變焊機(jī)及控制方法，尤其涉及其主電路拓?fù)浜涂刂品绞剑瑢儆诤附釉O(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前小功率逆變焊機(jī)主電路大多采用全橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率開關(guān)器件較多，驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜，存在著上下橋臂可能會(huì)發(fā)生“直通”，主變壓器可能出現(xiàn)單向偏磁等問題； 采用普通MOSFET為功率開關(guān)器件，導(dǎo)通損耗較大，電能變換效率較低；采用硬開關(guān)工作模式，開關(guān)損耗較大；采用PWM控制方式，開關(guān)頻率較低且實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)困難。采用雙管單端正激電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，磁芯利用率較低；電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜等問題。申請?zhí)枮?00910126057. 5、名稱為“便攜式IGBT逆變電弧焊機(jī)”的專利申請公開
了一種便攜式逆變電弧焊機(jī)。該焊機(jī)主要由主電路和控制電路組成，主電路為全橋硬開關(guān)結(jié)構(gòu)，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；控制方式采用PWM 控制方式，控制電路包括PWM調(diào)節(jié)電路、驅(qū)動(dòng)電路、電流反饋電路、電流給定電路。該焊機(jī)的缺點(diǎn)是采用的全橋電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜；開關(guān)管工作狀態(tài)為硬開關(guān)模式，開關(guān)損耗較大；上下橋臂可能會(huì)發(fā)生“直通”現(xiàn)象，主變壓器可能出現(xiàn)單向偏磁，可靠性較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有小功率逆變焊機(jī)的不足，提出一種新型的電路結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)損耗小、可靠性高的單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)，包括單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)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(qū)動(dòng)電路、PI運(yùn)算電路；外部輸入經(jīng)過輸入整流濾波電路后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后接半波整流電路的輸入端，半波整流后作為輸出；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(yùn)算電路的輸入端，PI運(yùn)算電路的輸入端， PI運(yùn)算電路的輸出端依次PFM控制電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路后接高頻逆變電路的輸入端。主電路具體連接結(jié)構(gòu)是交流220V經(jīng)過空氣開關(guān)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(fù)載電阻&的一端，整流模塊BR輸出負(fù)端接濾波電容C2的另一端、C3的負(fù)端和死負(fù)載電阻&的另一端， 主變壓器原邊下端連至A集電極，Q1發(fā)射極連至直流電310V負(fù)極；主變壓器原邊下端連至 Qc發(fā)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(fā)射極；主變壓器副邊上端連至整流二極管D1陽極，二極管D1陰極連至續(xù)流二極管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(xù)流二極管A的陽極和分流器的負(fù)端，分流器的正端接輸出負(fù)端，輸出濾波電感左端接整流二極管D1的陰極和續(xù)流二極管A的陰極，輸出濾波電感的右端接到輸出正端。單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)的控制方法外部輸入經(jīng)過整流濾波后進(jìn)行高頻逆變，高頻逆變后經(jīng)過主變壓器變壓最后經(jīng)過半波整流后作為輸出；輸出端電流反饋電路采得的焊接電流反饋值與焊接電流給定值進(jìn)行PI運(yùn)算，得到的誤差值作為PFM控制電路的輸入信號(hào)， PFM控制電路輸出信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)隔離電路實(shí)現(xiàn)對單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)輸出功率和輸出特性控制。這種單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)的特征在于單開關(guān)單端正激式主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只用一個(gè)功率開關(guān)管和一組驅(qū)動(dòng)脈沖，主電路結(jié)構(gòu)，功率開關(guān)管數(shù)量少，無“直通”現(xiàn)象，開關(guān)損耗小，驅(qū)動(dòng)電路簡單，可提高焊機(jī)可靠性；采用有源箝位磁復(fù)位技術(shù)可實(shí)現(xiàn)單管單端正激式逆變電路的主變壓器磁芯復(fù)位，使變壓器磁芯雙向?qū)ΨQ磁化而提高磁芯利用率；可使功率開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，減小開關(guān)損耗，提高功率變換效率；采用Cool MOS管作為功率開關(guān)器件，與普通MOS管相比導(dǎo)通損耗小，可提高逆變焊機(jī)的功率變換效率和可靠性；采用PFM控制方式，與PWM調(diào)制技術(shù)相比工作頻率更高，且容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1本發(fā)明的逆變焊機(jī)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(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明具有獨(dú)特的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)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(wǎng)電壓經(jīng)濾波后，輸出到整流橋，經(jīng)整流橋整流后輸出直流電，整流橋輸出的直流電經(jīng)高頻逆變后，再經(jīng)過變壓器降壓，經(jīng)過輸出快恢復(fù)二極管整流后得到脈動(dòng)的直流電，經(jīng)輸出電感濾波后給電弧負(fù)載供電。 控制電路由PFM控制芯片UC3864為核心構(gòu)成，主要有電流給定電路、電流反饋電路、推力電路組成，實(shí)現(xiàn)對單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)輸出功率和輸出特性控制。如圖2所示，電網(wǎng)電壓交流220V經(jīng)空氣開關(guān)S接入逆變焊機(jī)主電路，電容C1是高頻濾波電容，R1是壓敏電阻，用于防止電壓尖峰，交流電經(jīng)橋式整流橋BR整流后輸出脈動(dòng)的直流電，由C2、C3、R2組成整流輸出濾波電路，經(jīng)濾波后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(guān)管％、箝位開關(guān)管Q。、箝位電容C。組成，Dql和D,。分別為功率開關(guān)管A和箝位開關(guān)管A的體二極管，諧振電容C；為功率開關(guān)管A和箝位開關(guān)管A 輸出等效電容。逆變電路的工作原理為功率開關(guān)管A開通時(shí)，主變壓器T1向負(fù)載提供能量，當(dāng)功率開關(guān)管A關(guān)斷后，首先由負(fù)載電流向諧振電容C；充電，當(dāng)諧振電容C；電壓達(dá)到輸入電壓時(shí)，主變壓器T1原邊電壓過零，勵(lì)磁電感與諧振電容C；諧振，當(dāng)諧振電容C；電壓達(dá)到輸入電壓與箝位電容電壓之和時(shí)，箝位開關(guān)管A的反并二極管Dtl。導(dǎo)通，箝位電容電壓作為負(fù)電壓加在主變壓器T1原邊，主變壓器T1勵(lì)磁電感電流線性下降，主變壓器T1磁芯復(fù)位，在反并二極管D,。導(dǎo)通的時(shí)候，零電壓開通箝位開關(guān)管I，主變壓器T1可以在箝位電容作用下反向勵(lì)磁。箝位開關(guān)管A的反并二極管D,。導(dǎo)通時(shí)，箝位電容C。處于充電狀態(tài)；箝位開關(guān)管A導(dǎo)通后，箝位電容C。處于放電狀態(tài)。因此可利用箝位電容C。電壓具有的浮動(dòng)性實(shí)現(xiàn)雙向?qū)ΨQ磁化。整流橋BR輸出直流電經(jīng)逆變電路逆變后得到高頻方波交流電，經(jīng)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管D1和續(xù)流二極管D2 組成。脈動(dòng)直流電經(jīng)輸出濾波電感L濾波后，得到平滑的直流電送給電弧負(fù)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(yùn)算電路。具體連接結(jié)構(gòu)是電流給定信號(hào)加在電阻Rl的左端，電阻Rl的右端接穩(wěn)壓管ZDl的陰極、電阻R2的一端、電容Cl的一端和運(yùn)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(yùn)算放大器型號(hào)為LM324，運(yùn)算放大器UlA的2腳接到1腳，構(gòu)成跟隨器，運(yùn)算放大器UlA的1腳輸出Ig作為電流給定信號(hào)。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(hào)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(fù)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(yùn)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(hào)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(hào)If。取自輸出端的電壓反饋信號(hào)接到二極管Dl的陽極，二極管Dl的陰極接到電阻R9的一端，電阻R9的另一端接到運(yùn)算放大器UlC的10號(hào)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(dòng)變阻器VRl的一端輸出推力給定信號(hào)，滑動(dòng)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(hào)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(yùn)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(hào)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控制芯片U2的2腳，PFM控制芯片型號(hào)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(hù)電路提供的保護(hù)信號(hào)接到U2的15 腳、穩(wěn)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(hào)經(jīng)濾波、放大后作為閉環(huán)控制電路的電流反饋信號(hào)；該反饋信號(hào)與焊接電流給定信號(hào)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到的誤差信號(hào)用于PFM控制電路的輸入信號(hào)，由PFM控制電路的輸出脈沖信號(hào)，經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)電路控制功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷， 實(shí)現(xiàn)對功率電路的控制。當(dāng)反饋電流大于給定電流時(shí)，PI調(diào)節(jié)輸出的誤差信號(hào)送到PFM控制電路，驅(qū)動(dòng)脈沖頻率減小，從而降低輸出電流值，使輸出電流等于給定電流；當(dāng)反饋電流小于給定電流時(shí)，PI調(diào)節(jié)輸出的誤差信號(hào)送到PFM控制電路，驅(qū)動(dòng)脈沖頻率增大，從而提高輸出電流值，使輸出電流等于給定電流。通過不斷的比較運(yùn)算來調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率，實(shí)時(shí)修正焊接電流，從而獲得恒流外特性。在熔滴過渡過程中，當(dāng)電弧電壓低于13V時(shí)，為了促進(jìn)熔滴過渡，推力電路輸出推力給定信號(hào)Tout，疊加在反饋回路，使PI運(yùn)算電路輸出誤差信號(hào)增大，使得PFM控制電路輸出脈沖頻率增大，占空比隨之增大，輸出電流增大，促進(jìn)熔滴過渡，保證良好的焊縫成形。
權(quán)利要求
1.一種單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)，包括單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)的主電路和控制電路，其特征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(qū)動(dòng)電路、PI運(yùn)算電路；外部輸入經(jīng)過輸入整流濾波電路后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后接半波整流電路的輸入端，半波整流后作為輸出；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(yùn)算電路的輸入端，PI運(yùn)算電路的輸入端，PI運(yùn)算電路的輸出端依次接PFM控制電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路后接高頻逆變電路的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)，其特征是所述主電路結(jié)構(gòu)如下交流 220V經(jīng)過空氣開關(guān)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(fù)載電阻&的一端，整流模塊BR輸出負(fù)端接濾波電容 C2的另一端、C3的負(fù)端和死負(fù)載電阻&的另一端，主變壓器原邊下端連至A集電極，Q1發(fā)射極連至直流電310V負(fù)極；主變壓器原邊下端連至A發(fā)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(fā)射極；主變壓器副邊上端連至整流二極管D1陽極，二極管0工陰極連至續(xù)流二極管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(xù)流二極管D2的陽極和分流器的負(fù)端，分流器的正端接輸出負(fù)端，輸出濾波電感左端接整流二極管0工的陰極和續(xù)流二極管A的陰極，輸出濾波電感的右端接到輸出正端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)，其特征是所述PFM控制電路采用諧振型控制芯片UC3864。
4.一種如權(quán)利要求1所述的單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)的控制方法，其特征是外部輸入經(jīng)過整流濾波后進(jìn)行高頻逆變，高頻逆變后經(jīng)過主變壓器變壓最后經(jīng)過半波整流后作為輸出；輸出端電流反饋電路采得的焊接電流反饋值與焊接電流給定值進(jìn)行PI運(yùn)算，得到的誤差值作為PFM控制電路的輸入信號(hào)，PFM控制電路輸出信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)隔離電路實(shí)現(xiàn)對單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)輸出功率和輸出特性控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)及控制方法。所述焊機(jī)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(qū)動(dòng)電路、PI運(yùn)算電路。所述方法外部輸入經(jīng)過整流濾波后進(jìn)行高頻逆變，高頻逆變后經(jīng)過主變壓器變壓最后經(jīng)過半波整流后作為輸出；輸出端電流反饋電路采得的焊接電流反饋值與焊接電流給定值進(jìn)行PI運(yùn)算，得到的誤差值作為PFM控制電路的輸入信號(hào)，PFM控制電路輸出信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)隔離電路實(shí)現(xiàn)對單開關(guān)節(jié)能逆變焊機(jī)輸出功率和輸出特性控制。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、體積小、開關(guān)損耗小、電能變換效率高、工作可靠性高。
文檔編號(hào)B23K9/095GK102371416SQ20111031640
公開日2012年3月14日 申請日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者任以明, 吳銘方, 方臣富, 李峰, 羅云萌 申請人:江蘇科技大學(xué)