一種igbt單管工業級逆變手弧焊機的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種IGBT單管工業級逆變手弧焊機，焊機前面板上有數顯表、VRD低壓輸出和過流/過熱保護指示燈、電流遠/近控調節和VRD轉換開關，焊接、引弧和推力電流調節電位器、遠控盒插座，以及正、負輸出電纜耦合器。后面板上有電源電纜連接端子和電源開關、冷卻風扇，焊機內部有控制板等部分，包括：三相整流橋電路板、IGBT電路板PCB3、控制大板、控制大板上的小控制板、快恢二極管的控制板，各控制板和電路器件之間，按照本實用新型的電路原理圖關系連接在一起，完成各項控制要求；本實用新型可通過一些參數和零部件的部分調整，形成不同額定電流和負載持續率的產品；具有低成本和可靠性高等優點。
【專利說明】
一種IGBT單管工業級逆變手弧焊機
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種單管IGBT逆變的、380V三相供電電源電壓下可進行手弧焊等作業的大電流工業級電焊機產品，屬于逆變焊機技術領域。
技術背景
[0002]目前，逆變焊機產品市場的競爭十分激烈，不僅體現在價格的競爭優勢上，還在很大程度上取決于焊機的電路功能和可靠性等方面。
[0003]國內外市場上，工業級IGBT逆變手弧焊機的額定電流通常在300?630A(負載持續率60%)的水平。供電電源都是三相380V供電的。大電流輸出的，如400?630A的焊機，利用不同直徑的碳棒，配合使用空壓機、碳弧氣刨鉗可進行碳弧氣刨作業。
[0004]然而，此類焊機，不同的電路設計，控制原理不同，電路板連接的復雜程度不同，其產品的可靠性、生產工序和制作工藝等也會完全不同。這些都會影響產品的銷售和生產成本。例如市場上的一些此類焊機，有的產品是MOS管逆變的，有的產品是IGBT模塊逆變的，有的是IGBT單管逆變的。不管是哪一種類型，其電路原理圖不同，制造成本等也會不同。如何解決大電流(如300?400A (負載持續率60%))輸出下，低成本的設計和產品可靠性問題，是研發人員面臨的技術難題。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的在于提供一種IGBT單管工業級逆變手弧焊機，實現了三相380V供電電源下采用單管IGBT輸出300?400A電流，可進行大電流手工電弧焊作業的要求，焊機具有低成本和高可靠性等優點。
[0006]為實現上述目的采用以下技術方案:
[0007]一種IGBT單管工業級逆變手弧焊機，包括外殼、前面板、后面板和內部的控制電路板，其特征在于:所述的前面板上設有數顯表、VRD低壓輸出和過流/過熱保護指示燈、電流遠/近控調節和VRD轉換開關、焊接引弧和推力電流調節電位器、遠控盒插座，以及正、負輸出電纜耦合器;后面板上有電源電纜連接端子和電源開關、冷卻風扇；內部的控制電路板包括三相整流橋電路板、IGBT電路板、控制大板、控制大板上的小控制板、快恢二極管的控制板，各控制板和電路板之間電氣關系連接在一起。
[0008]所述的控制電路板包括電源輸入開關、BRl三相整流橋、上電緩沖電感L1、濾波電容C2、半橋逆變主電路中的單管IGBT控制PCB3板和橋臂電容Cl、逆變主變壓器Tl、快速恢復二極管組DI和D2、輸出電流濾波電感L2、逆變初級電流檢測互感器IFB1、輸出電流檢測器LEMl共同組成的逆變主電路部分;其中濾波電容C2、單管IGBT控制PCB3板和橋臂電容Cl、逆變主變壓器T1、快速恢復二極管組Dl和D2、輸出電流濾波電感L2、電流檢測器LEMl組成了半橋逆變控制電路。
[0009]本實用新型焊機前面板上安裝的零部件主要有:焊機的前面板上有數顯表，可顯示電流。還有VRD(低壓輸出)指示燈、(過流和過熱)保護指示燈(黃色)、REM遠/近控轉換開關、VRD(低空載電壓輸出)轉換開關、焊接電流調節電位器、引弧電流調節電位器、推力電流調節電位器、(電流)遠控盒插座，以及正、負極性輸出焊接電纜耦合器或輸出快速接頭座組件。正、負極的輸出電纜耦合器或輸出快速接頭座組件用于分別連接電焊鉗焊接電纜和工件夾焊接電纜。連接時的極性(即工件接正還是接負極性輸出)可根據電焊條的種類或焊接工藝的要求決定。(過流或過熱)保護指示燈(黃色)用于指示過熱或過流狀態是否發生。例如，當內部器件溫度過高，超過溫度繼電器的動作溫度時，在控制電路的作用下，一方面可使該指示燈點亮。另一方面，可使焊機停止焊接或輸出。在焊機不輸出的情況下，風機的冷卻作用會使器件的溫度降低。當降低到熱保護器的恢復動作溫度時，熱保護器恢復，焊機過熱現象消除。該指示燈熄滅。焊機可再次進行焊接；當控制電路發生過流現象時，該指示燈也會點亮。控制電路使焊機停止焊接或輸出。直到過流現象消除，該指示燈熄滅。焊機方可再次進行焊接。電流調節電位器用于進行輸出電流調節；電流表則用于顯示電流參數;VRD轉換開關則用于焊機通電不工作時，輸出空載電壓的轉換控制。當需要低空載電壓輸出時，通過此開關進行選擇來實現。低空載電壓下，VRD指示燈點亮，輸出空載電壓為十幾伏特。對操作人員更加安全。當沒有選擇低空載電壓輸出時，焊機的輸出空載電壓為75V左右。盡管此值比低空載電壓的高很多，但是，也完全符合電焊機國家安全標準的使用要求;REM遠/近控轉換開關主要是配合(電流)遠控盒(通過其插頭連接至焊機前面板下方的(電流)遠控盒插座)進行遠距離焊機電流調節。近控，就是指焊機面板電位器控制。
[0010]本實用新型焊機后面板上安裝的零部件主要有:三相供電電源電纜連接端子和電源開關、接地保護端子、冷卻風扇部分。電源線連接端子通過供電電纜接到供電電網。電源開關控制焊機電源的通或斷。冷卻風扇位于焊機的后部，冷風從焊機機箱后面板后部的進氣孔進入。對焊機內部的一些發熱器件或零部件，如IGBT及散熱器散熱器、快速恢復二極管及散熱器等進行強迫風冷，使它們得到較好的冷卻，以保障焊機控制電路工作的可靠性。
[0011]對不同電流等級和負載持續率要求的本實用新型焊機，可通過部分參數和零部件的調整，形成不同輸出額定電流和負載持續率的產品，使產品系列化。例如，I)對3 O O A輸出電流的機型，濾波電容采用100yF/800VDC;不采用輸入電感；電源開關采用40A等級的空氣開關;三相整流橋采用三個35A/1000V的單相整流橋，即三個小電流等級的整流橋組成;半橋逆變主電路中的橋臂電容采用2 X 10yF/400V的電容；IGBT采用4只40A/1200V的，分為兩組，每組2只；逆變輸出整流部分，采用8個60A/300V的快速恢復二極管器件。2)對350A和400A的輸出電流的機型，濾波電容采用兩只2200yF/400VDC的電解電容;采用輸入電感；電源開關采用60A電流等級的空氣開關，電流級別高;三相整流橋采用一個50A/1600V的三相整流橋組成；半橋逆變主電路中的橋臂電容采用2X16yF/400V的電容；IGBT采用8只40A/1200V的，分為兩組，每組4只；逆變輸出整流部分，采用2個100A/400V的快速恢復二極管器件。另外，配合改變IGBT器件的散熱器尺寸改變逆變主變壓器和輸出濾波電抗器的規格和參數等，即可容易形成不同規格的系列產品。如300A/32V(60%負載持續率)、400A/36V(60%負載持續率)等多種電流等級和規格型號的產品。當然，這些變化，目的是使產品的制作成本與相應機器的規格參數和性能指標相匹配。這樣，每種規格型號的焊機才能實現最優化的成本控制。這就提升了所開發產品的市場競爭力。
[0012]本實用新型設計了新的焊機控制電路，實現了三相380V供電電源下采用單管IGBT輸出300?400A(負載持續率60%)電流，可進行大電流手工電弧焊(400A機型還可進行碳弧氣刨)作業的要求，其良好的電路及其結構設計也是本實用新型的優勢所在，也是滿足高效和低成本生產、高可靠性、制造技術先進性的重要保障。本實用新型焊機的電路原理設計有自己的獨特之處。本實用新型專利申請保護的內容就在于保護這種焊機的電路和結構設
i+o
【附圖說明】
[0013]附圖1是本實用新型示例焊機的控制電路原理框圖；
[0014]附圖2是本實用新型小電流機型焊機的三相整流橋電路板設計布局圖；
[0015]附圖3是本實用新型小電流機型焊機的IGBT電路板設計布局圖；
[0016]附圖4是本實用新型大電流機型焊機的IGBT電路板設計布局圖；
[0017]附圖5是本實用新型小電流機型焊機的快恢二極管組件的控制板布局圖；
[0018]附圖6是本實用新型大電流機型焊機的快恢二極管組件的控制板布局圖；
[0019]附圖7是本實用新型焊機的控制大板設計布局圖；
[0020]附圖8是本實用新型焊機控制大板上的小控制板設計布局圖；
[0021]附圖9是本實用新型焊機控制大板上小控制板的電路原理圖；
[0022]附圖10是本實用新型焊機控制大板的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0023]一種IGBT單管工業級逆變手弧焊機，焊機的主要組成部分包括:
[0024]I)外殼部分;零部件主要有:提手、機殼和底板、支腳等部分。
[0025]2)前面板部分;安裝的零部件主要有:數顯表，可顯示電流。還有VRD(低壓輸出)指示燈、(過流和過熱)保護指示燈(黃色)、REM遠/近控轉換開關、VRD轉換開關、焊接電流調節電位器、引弧電流調節電位器、推力電流調節電位器、(電流)遠控盒插座，以及正、負極性輸出焊接電纜耦合器或輸出快速接頭座組件。正、負極的輸出電纜耦合器或輸出快速接頭座組件用于分別連接電焊鉗焊接電纜和工件夾焊接電纜。連接時的極性(即工件接正還是接負極性輸出)可根據電焊條的種類或焊接工藝的要求決定。(過流或過熱)保護指示燈(黃色)用于指示過熱或過流狀態是否發生。例如，當內部器件溫度過高，超過溫度繼電器的動作溫度時，在控制電路的作用下，一方面可使該指示燈點亮。另一方面，可使焊機停止焊接或輸出。在焊機不輸出的情況下，風機的冷卻作用會使器件的溫度降低。當降低到熱保護器的恢復動作溫度時，熱保護器恢復，焊機過熱現象消除。該指示燈熄滅。焊機可再次進行焊接；當控制電路發生過流現象時，該指示燈也會點亮。控制電路使焊機停止焊接或輸出。直到過流現象消除，該指示燈熄滅。焊機方可再次進行焊接。電流調節電位器用于進行輸出電流調節；電流表則用于顯示電流參數;VRD轉換開關則用于焊機通電不工作時，輸出空載電壓的轉換控制。當需要低空載電壓輸出時，通過此開關進行選擇來實現。低空載電壓下，VRD指示燈點亮，輸出空載電壓為十幾伏特。對操作人員更加安全。當沒有選擇低空載電壓輸出時，焊機的輸出空載電壓為75V左右。盡管此值比低空載電壓的高很多，但是，也完全符合電焊機國家安全標準的使用要求;REM遠/近控轉換開關主要是配合(電流)遠控盒(通過其插頭連接至焊機前面板下方的(電流)遠控盒插座)進行遠距離焊機電流調節。近控，就是指焊機面板電位器控制。
[0026]3)后面板部分;安裝的零部件主要有:三相供電電源電纜連接端子和電源開關、接地保護端子、冷卻風扇部分。電源線連接端子通過供電電纜接到供電電網。電源開關控制焊機電源的通或斷。冷卻風扇位于焊機的后部，冷風從焊機機箱后面板后部的進氣孔進入。對焊機內部的一些發熱器件或零部件，如IGBT及散熱器散熱器、快速恢復二極管及散熱器等進行強迫風冷，使它們得到較好的冷卻，以保障焊機電路工作的可靠性。
[0027]4)控制板部分;包括:三相整流橋電路板(小電流機型，如300A及以下機型，有此電路板);IGBT電路板PCB3(大電流機型，如350A和400A機型，此電路板與小電流機型的電路板設計有所不同。因為所采用的IGBT數量不同，故PCB設計也有所不同)；控制大板、控制大板上的小控制板、快速恢復二極管組件的控制板(小電流機型的此電路板與大電流機型的不同。因為，兩種機型所采用的快速恢復二極管器件不同)。各控制板電路之間，按照本實用新型的電路原理圖關系連接在一起。完成電焊機的各項控制要求。
[0028]本實用新型焊機電路的工作原理簡述如下:
[0029]如附圖1所示，電源輸入開關、BRl三相整流橋、上電緩沖電感L1、濾波電容C2、半橋逆變主電路中的單管IGBT控制PCB3板和橋臂電容Cl、逆變主變壓器Tl、快速恢復二極管組Dl和D2、輸出電流濾波電感L2、逆變初級電流檢測互感器IFBl、輸出電流檢測器LEMl等共同組成逆變主電路部分。本實用新型電路中，濾波電容C2、單管IGBT控制PCB3板和橋臂電容Cl、逆變主變壓器Tl、快速恢復二極管組Dl和D2、輸出電流濾波電感L2、電流檢測器LEMl等組成典型的半橋逆變控制電路。逆變主電路和控制電路的主要功能為:I)輸入電流上電緩沖控制;2)輸入交流的整流、濾波控制;3)直流母線的高壓直流電通過IGBT半橋逆變電路轉換為中頻(幾十KHz)交流電；4)逆變初級電流檢測互感器IFBl用于檢測逆變主變初級的電流大小，實現逆變初級或母線過流的反饋控制；5)T1逆變主變壓器實現電壓降壓和大電流輸出的變換；6)D1和D2快速恢復二極管組則把逆變變壓器輸出的中頻交流電變換為直流電，實現對焊接輸出的控制;7)由于逆變控制輸出的焊接電流波形是脈動的，不利于焊接過程的穩定，因此，采用輸出濾波電感L2進行電流濾波。這樣，輸出的電流波形就會變得穩定，有利于獲得高質量的焊縫;8)輸出電流檢測器LEMl用于檢測輸出的電流大小，實現輸出電流的負反饋控制；最后，由OUT+正極性輸出端和OUT-負極性輸出端輸出直流電壓和電流。輸出端分別連接的C3和C4電容為抗干擾電容，以保障控制回路不受來自焊接回路的干擾信號的影響。下面結合各個部分的控制電路原理圖，對相關的電路工作原理進行說明:
[0030]附圖1中，三相380V交流供電電源通過焊機后面板上的電源開關Kl輸入至逆變主電路。經BRl三相整流橋整流、C2濾波后，作為半橋逆變控制電路的直流輸入電源。
[0031]附圖1中，LI和C2這個部分的電路稱為上電緩沖和功率因素改善控制電路。采用本實用新型控制電路，對大電流(如350A和400A)的焊機，設置了這個部分的電路。該部分電路，一方面是防止電源開關接通瞬間，由于濾波C2電容、橋臂電容Cl上沒有電壓，相當于短路，會形成較大的浪涌電流，燒壞電源開關。而上電緩沖的作用就是通過電路中串(聯)入輸入電感LI來限制浪涌電流。另一方面，配合濾波電容C2的容值大小，這個部分的電路還可以起到輸入波形校正、改善焊機功率因素的作用。(關于如何提高功率因素的問題，讀者可查閱其它相關的研究論文進行了解。這里，鑒于篇幅的關系，不再展開贅述)但是，對小電流(如300A)的焊機，采用本實用新型控制電路，沒有采用LI電感，故沒有這個部分的電路。這主要是考慮焊機成本等因素而去掉的。
[0032]見附圖1，T2為控制變壓器，是電源電路的一個部分。供電部分連接到PCBl的Al接口。其作用是對PCBI電路板上的直流電源電路部分提供雙15VAC和27V交流電源。使直流電源電路產生+5V、+12V、-12V、+24V電源電壓，供給其它的控制電路工作;FANl為冷卻風扇。它安裝在焊機的后面板上。冷風從后面板的進氣孔進入。對焊機內部的一些發熱器件或零部件，如IGBT及散熱器散熱器、快速恢復二極管及散熱器等進行強迫風冷，使器件得到較好的冷卻，以保障焊機電路工作的可靠性;DTl為電流數顯表。它安裝在焊機的前面板上。用于顯示電流大小。顯示部分連接到PCBl的A5接口。電流表的電源為+5V。顯示數值由SC的信號大小決定;輸出電流檢測器LEMl檢測到的電流信號連接到PCBI的A7接口。作為輸出電流的負反饋控制信號。輸出端之間的輸出電壓反饋信號則連接到PCBI的A12接口； IFBI互感器檢測到的逆變主變初級電流大小信號和溫度繼電器STl的過熱信號，則連接到PCBl的A8接口。分別實現逆變初級或母線過流的反饋控制和功率器件的過熱保護控制;PCB3板IGBT的Pmi脈沖寬度控制信號由PCBl的A9接口輸出。控制著CB3板IGBT的通斷或逆變過程。由PCBI上的其它控制電路進行控制。
[0033]附圖1中，A2接口連接著面板熱引弧電流調節電位器VRl和REM遠/近控轉換開關K2;A3接口連接著面板焊接電流調節電位器VR2和推力電流調節電位器VR3;A4接口連接著面板過熱/過流指示燈LEDl和VRD功能指示燈LED2，以及VRD(低空載電壓輸出)轉換開關Kl;A6接口為遠控焊接電流調節電位器的連接接口。
[0034]附圖2是本實用新型小電流機型焊機的三相整流橋電路板設計布局圖。附圖2中，ACl?AC3為三相380VAC交流供電電源的接線端子。Vl?V3為三個單相整流橋，通過電路板及其一些連接線，構成一個三相全波整流橋。DC-和DC+分別為整流橋的負極性和正極性輸出端子。通過端子連接線可連接至逆變主電路中整流橋BR1(見附圖1)的后級直流母線兩端。
[0035]附圖3是本實用新型小電流機型焊機的IGBT電路板設計布局圖。也就是附圖1中半橋逆變主電路中的單管IGBT控制PCB3板部分。附圖3中，Ql?Q4為4只單管IGBT。分為上、下橋臂IGBT開關組。每組開關橋臂由2只IGBT并聯，組成一個半橋逆變主電路中的橋臂開關。與橋臂電容Cl、逆變主變壓器等共同組成半橋逆變主電路的一部分。附圖3中，還有IGBT的驅動控制線插頭A1;D1?D4、E1?E2、R1?R2、R3?R4、R7?R8、C2?C3、C6等組成的IGBT驅動部分電路，以及其它電阻、電容組成的保護電路和接線端子(N、P等)。
[0036]附圖4是本實用新型大電流機型焊機的IGBT電路板設計布局圖。也是附圖1中半橋逆變主電路中的單管IGBT控制PCB3板部分。附圖4中，Ql?Q8為8只單管IGBT。分為上、下橋臂IGBT開關組。每組開關橋臂由4只IGBT并聯，組成一個半橋逆變主電路中的橋臂開關。與橋臂電容Cl、逆變主變壓器等共同組成半橋逆變主電路的一部分。附圖4中，還有IGBT的驅動控制線插頭X14;D25?D28、E15?E16、R58?R69、C42?C43等組成的IGBT驅動部分電路，以及其它電容等組成的保護電路和接線端子(N、P等)。對于輸出電流小一些，但是又比小電流機型大的焊機，仍然采用本部分的IGBT電路板，但是，IGBT的數量可減少兩個。每組開關橋臂由3只IGBT并聯組成。
[0037]附圖5是本實用新型小電流機型焊機的快恢二極管組件的控制板布局圖。附圖5中，D29?D30、D33?D34為快速恢復二極管。相當于附圖1中的Dl和D2部分。它們與逆變主變壓器的次級等部分，按照焊機的附圖1接線關系進行電路連接，完成逆變輸出整流控制。電路板上的電容Cl和電阻Rl串聯，并連接到D29?D30快速恢復二極管。實現對D29?D30快速恢復二極管的阻容吸收或過壓保護。防止尖峰電壓損壞D29?D30快速恢復二極管。電路板上的電容C2和電阻R2的作用，與此類似，實現對D33?D34快速恢復二極管的阻容吸收或過壓保護。Jl和J2為接線端子，便于與其它電路部分進行連接。
[0038]附圖6是本實用新型大電流機型焊機的快恢二極管組件的控制板布局圖。大電流機型焊機，其快速恢復二極管采用模塊式的器件。故附圖6實際上是快速恢復二極管模塊采用的阻容吸收或過壓保護。電路板上的兩個大圓孔，與模塊的螺栓孔，通過螺栓進行連接。Rl?R3是并聯的，與Cl電容串聯，并連接到快速恢復二極管模塊器件的兩端。實現對快速恢復二極管模塊器件的阻容吸收或過壓保護。防止尖峰電壓損壞快速恢復二極管。R4?R6也是并聯的，與C2電容串聯，并連接到另一快速模塊中恢復二極管器件的兩端。其作用與Rl?R3、Cl的類似。此部分電路板有兩塊，每個模塊配置一塊。
[0039]附圖7是本實用新型焊機的控制大板設計布局圖。附圖8是本實用新型焊機控制大板上的小控制板設計布局圖。附圖9是本實用新型焊機控制大板上小控制板的電路原理圖。附圖10是本實用新型焊機控制大板的電路原理圖。
[0040]見附圖10，來自T2控制變壓器的供電電源部分，即雙15VAC和27V交流電源，連接到Al接口。附圖10中，中間部分，U3為LM317穩壓器，其外圍的器件，組成+24V穩壓電路;U5為LM7805穩壓器，其外圍的器件，組成+5V穩壓電路;U6為LM7812穩壓器，其外圍的器件，組成+12V穩壓電路;Ul為LM7912穩壓器，其外圍的器件，組成-12V穩壓電路。直流電源電路產生+5V、+12V、-12V、+24V電源電壓，供給其它的控制電路工作。
[0041 ] 見附圖1O，A5接口連接電流表部分。即附圖1中DTI部分。改變SC信號的大小即可改變電流表顯示的數值。RT4為顯示數據校正微調電位器。A6接口為遠控電位器的連接插座。當插座中連接有遠距離電流控制的電位器時，配合A2接口的遙控/機控(就是遠控/近控。“近”是指焊機面板電位器控制；“遠”是指帶有遠控制電流調節盒的控制方式)開關，可實現焊機輸出電流調節控制。A2接口連接的Wl電位器，就是附圖1中的VRl電位器，實現熱引弧電流調節。A3 口連接的W2電位器，就是附圖1中的VR2電位器，實現焊接輸出電流調節。A3 口連接的W3電位器，就是附圖1中的VR3電位器，實現推力電流調節。根據電路原理，A2-5(W0)信號端實際上就是焊機輸出電流的給定Ug信號端。RT3是輸出電流大小的校正電位器。
[0042]見附圖10左上部分電路所示，Tl為逆變主電路中IGBT的PffM脈沖驅動隔離變壓器。附圖9中，由于U2芯片的11腳和14腳輸出PffM信號驅動功率小，故需要經過Ql?Q4、穩壓管Zl?22、電容(:1?02和08、電阻1?2、1?3、1?5、1?6，附圖10中的肌?]\14場效應管、1?1和1?28、電容(:1和C2、T1驅動隔離變壓器等器件組成的驅動控制電路進行脈沖功率放大和隔離。最后通過Tl驅動隔離變壓器去控制半橋逆變主電路中上、下橋臂兩組IGBT管的通或斷工作狀態。從電路原理圖可以看出，驅動電路部分，兩路IGBT的驅動控制電路的形式基本是一致的。
[0043]附圖9中，U2芯片的11腳和14腳輸出控制信號是兩組HVM方波脈沖信號。其方波的頻率是固定的，有幾十KHz。它由該芯片的RT、CT腳連接的電阻和電容參數(如R4、R7和電容C7)決定。兩組方波脈沖信號在時間上有一個固定的時間差，專業上也稱為死區時間。它是保障IGBT兩組開關交替工作的重要參數之一。該時間是通過U2芯片(SG3525)的外圍器件(如R4、R7和電容C7)參數設置而確定的。至于如何確定，查看U2芯片的相關使用資料或說明即可了解。這里不再重復。這里需要說明的是:附圖9中，U2芯片(SG3525)輸出的HVM脈沖寬度調制信號是決定焊機逆變主電路輸出電壓和電流大小的信號。它的脈沖寬度由焊接電流給定信號Ug(附圖10中，A2-5端信號WO)與LEMl的輸出電流負反饋信號Ufi(附圖10中，A7-4端信號)共同決定。控制的對象或目標是輸出電流大小。空載時，來自LEMl的的負反饋信號Ufi很小。控制電路產生一個占空比較大的HVM脈沖信號，使半橋逆變主電路中上、下橋臂兩組IGBT管處于交替導通狀態，最終使逆變主電路輸出空載電壓。當操作者調節好前面板上焊接電流的電位器，并進行焊接時，控制電路通過LEMl檢測到輸出電流信號Ufi。它與焊接電流給定信號Ug進行比較。比較后的差值信號，在其它控制電路(主要是附圖10中的U7運算放大器CA3140等構成的PI(比例+積分)輸出特性控制電路)的作用下，運算放大器U7輸出的結果GV去控制附圖9中U2(SG3525) P麗芯片的輸出PWM脈沖寬度或一定頻率和占空比的信號。該信號通過IGBT的脈沖驅動電路，最終決定焊機逆變主電路的輸出電流和電壓大小，實現輸出電流參數的準確控制。并使焊機的輸出特性為恒流帶外拖的下降特性。進一步地說，當焊接電流給定信號Ug不變時，隨著焊機LEMl檢測到的電流負反饋Uf i信號增加，并且達到給定的設定值后，焊接電流給定信號Ug與LEMl電流負反饋控制信號Ufi的差值會隨電流增加而減小，通過U7電路的PI控制后，使焊機輸出P麗芯片的脈沖寬度或占空比減小，焊機的輸出電壓降低。這一過程，也就是所謂的電流截止負反饋控制，即只有當電流達到焊接電流電位器的設定值后才起作用的反饋控制。此后，隨著輸出電流的微小增加，輸出電壓會降低很多。當電壓下降到16V以下時，隨著電壓的降低，控制電路可使焊機輸出PffM芯片的脈沖寬度或占空比增加，使焊接電流按照設定的參數增大，最終形成恒流帶外拖的下降特性。當焊接電流給定信號Ug變化時，電流截止負反饋的設定值不同，但其它的控制過程是類似的。這樣，在電位器設定的Ugmin最小和最大Ugmax之間，就可獲得無數條下降特性曲線。這樣的控制輸出特性也是滿足手工電弧焊接的基本要求。
[0044]見附圖9和附圖10中，A9接口連接至附圖1中的PCB3板。U2(SG3525)逆變PffM和IGBT驅動等控制電路部分，通過Tl驅動隔離變壓器，其輸出Gl和El(或BI和E1)、G2和E2(或B2和E2)分別為兩組HVM脈沖信號，去控制半橋逆變主電路中上、下橋臂兩組IGBT管的通或斷工作狀態。U2(SG3525)芯片的PWM輸出信號的脈沖寬度受Ug輸入給定信號和LEMl電流負反饋信號Ufi控制。有無HVM信號輸出，則取決IFBl輸出初級逆變母線電流過流反饋信號和來自STl的溫度保護繼電器的控制信號。附圖1中，IFBl是一個電流檢測器，可檢測逆變主電路直流母線上的電流大小，也就是逆變主變壓器Tl的初級電流信號。IFBI的初級只有I匝，次級通常有200匝。連接至附圖10中左邊A8-1和A8-2端子。IFBl的次級輸出經D23?D26整流和電阻R29、R41?R42及電容C24、穩壓管Z4處理后，由OA輸出初級逆變母線電流過流反饋信號。該信號去控制附圖9中的Q6 SCR晶閘管或可控硅，最終控制U2 (SG3525 )的1腳電平狀態。這部分控制電路主要是檢查逆變主電路是否發生過流現象，并進行相應的控制。如果出現過流，附圖9中的Z4會擊穿，Q6 SCR晶閘管導通，U2(SG3525)的10腳電平被拉至高電平。U2芯片11和14腳輸出的PWM信號關閉，焊機半橋逆變主電路IGBT的驅動控制信號關閉，焊機關閉輸出。同時，過流/過熱指示LED發光二極管也會點亮，進行過流指示。
[0045]附圖1中，STl是常開型的溫度繼電器。連接到附圖10中的A8-3和A8-4之間。而溫度繼電器又緊貼在IGBT或Dl?D2輸出快速恢復二極管組的鋁合金散熱器上。當溫度繼電器動作時，表明主功率器件發生過熱現象。此時，附圖10中，OT信號端通過DlO拉至較低電平。同時，通過附圖9中運算放大器UlA和UlB及其外圍器件組成的電路，U2(SG3525)的8腳電平也會被拉至低電平，U2芯片11和14腳輸出的PffM信號關閉，焊機逆變主電路IGBT的驅動控制信號關閉，焊機關閉輸出。防止焊機因過熱而燒壞。同時，焊機前面板上的過流/過熱LED發光，進行過流/過熱指示。之后，在冷卻風機的作用下，當鋁合金散熱器的溫度下降到一定程度后，焊機內部的過熱現象消除，熱保護器恢復到常開狀態時，控制電路才能繼續輸出PWM控制信號。同時過流/過熱指示燈(黃色)熄滅。焊機又可以再次輸出。
[0046]附圖10中，A12接口的U+為焊機輸出電壓采樣信號。A4接口中，VRD為低空載電壓輸出選擇開關。未選擇VRD功能時，焊機輸出較高的空載電壓。通常為50?90VDC之間。當選擇VRD功能時，VRD開關閉合，接通+24V電源。此時，U4光電耦合器中的發光二極管發光，其內部三極管導通。同時，Z5穩壓管擊穿、穩壓，VRD的LED指示燈點亮。通過D12的箝位作用，使OT信號端電平拉至低電平。正如前面所述，該信號端為低電平時，2(SG3525)的8腳電平也會被拉至低電平，U2芯片11和14腳輸出的PWM信號關閉，焊機逆變主電路IGBT的驅動控制信號關閉，焊機關閉輸出。當電焊條與工件接觸準備焊接時，U+電壓采樣點與電路的“地”接觸，D5二極管會導通。會出現Z5穩壓管不會擊穿、穩壓的情況。此時，OT信號端電平又會變為高電平，U2芯片11和14腳輸出Pmi信號，焊機逆變主電路IGBT的驅動控制信號產生，使焊機輸出電壓和電流，實現引弧和焊接。不焊接的時候，U+電位較高，D5 二極管會截止、不導通。Z5穩壓管又會擊穿、穩壓。如此不斷反復，最終實現焊機輸出VRD低空載電壓或焊接過程的轉換控制。
[0047]此外，對不同電流等級和負載持續率要求的本實用新型焊機，可通過調整電路少量的零部件規格參數，形成不同輸出額定電流和負載持續率的產品，使產品系列化。例如，I)對300A輸出電流的機型，濾波電容C2采用100yF/800VDC的CBB16電容；不采用LI輸入電感；電源開關Kl采用40A等級的空氣開關;BRl三相整流橋采用三個35A/1000V的單相整流橋，即三個小電流等級的整流橋組成；半橋逆變主電路中的橋臂電容Cl采用2 X 10yF/400V的電容；IGBT采用4只40A/1200V的，分為兩組，每組2只；逆變輸出整流部分，采用8個60A/300V的快速恢復二極管器件。2)對350A和400A的輸出電流的機型，濾波電容C2采用兩只2200yF/400VDC的電解電容;采用LI輸入電感；電源開關Kl采用60A電流等級的空氣開關，電流級別高;BRl三相整流橋采用一個50A/1600V的三相整流橋組成；半橋逆變主電路中的橋臂電容Cl采用2 X 16yF/400V的電容；IGBT采用8只40A/1200V的，分為兩組，每組4只；逆變輸出整流部分，采用2個100A/400V的快速恢復二極管器件。另外，配合改變IGBT器件的散熱器尺寸改變逆變主變壓器和輸出濾波電抗器的規格和參數等，即可容易形成不同規格的系列產品。如300A/32V(60%負載持續率)、400A/36V(60%負載持續率)等多種電流等級和規格型號的產品。可進行大電流手工電弧焊(400A機型還可進行碳弧氣刨)作業。這些變化，目的是使產品的制作成本與相應機器的規格參數和性能指標相匹配。這樣，每種規格型號的焊機才能實現最優化的成本控制。這就提升了所開發產品的市場競爭力。
[0048]以上是本實用新型各電路部分及焊接方法的簡要控制過程說明。因闡述電路原理比較復雜。以上僅給出控制的一些主要方法、思想和結果。但由于本實用新型已給出了詳細的電路原理圖，因此對于有電路閱讀能力(或具備相關電路知識)的人來說，是完全可以讀懂的。電路圖也是一種無聲的語言。但對于沒有電路閱讀能力(或不具備相關電路知識)的人來說，即使解釋的再多，他們也是難以理解的。鑒于篇幅的關系，本專利說明書只能闡述主要的部分，以使專利說明書閱讀人能夠更好地理解相關的工作原理和過程。
[0049]通過上述說明可見，本實用新型電路設計新穎，有自己獨特的設計思路和方法。可實現三相380V供電電源下采用單管IGBT輸出300?400A(負載持續率60%)電流，可進行大電流手工電弧焊(400A機型還可進行碳弧氣刨)作業的要求。焊機具有低成本和高可靠性等優點。本實用新型手弧焊機的電路原理設計有自己的獨特之處。這也是申請本專利保護的根本目的所在。
[0050]以上內容是結合具體的焊機結構和電路板及控制功能對本實用新型所作的詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只限于這些說明。對本實用新型所述技術領域的其他技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干其它的推演和變換，這些都應該視為屬于本實用新型保護的范疇。
【主權項】
1.一種IGBT單管工業級逆變手弧焊機，包括外殼、前面板、后面板和內部的控制電路板，其特征在于:所述的前面板上設有數顯表、VRD低壓輸出和過流/過熱保護指示燈、電流遠/近控調節和VRD轉換開關、焊接引弧和推力電流調節電位器、遠控盒插座，以及正、負輸出電纜耦合器;后面板上有電源電纜連接端子和電源開關、冷卻風扇；內部的控制電路板包括三相整流橋電路板、IGBT電路板、控制大板、控制大板上的小控制板、快恢二極管的控制板，各控制板和電路板之間電氣關系連接在一起。2.如權利要求1所述的一種IGBT單管工業級逆變手弧焊機，其特征在于:所述的控制電路板包括電源輸入開關、BRl三相整流橋、上電緩沖電感L1、濾波電容C2、半橋逆變主電路中的單管IGBT控制PCB3板和橋臂電容Cl、逆變主變壓器Tl、快速恢復二極管組Dl和D2、輸出電流濾波電感L2、逆變初級電流檢測互感器IFB1、輸出電流檢測器LEMI共同組成的逆變主電路部分;其中濾波電容C2、單管IGBT控制PCB3板和橋臂電容Cl、逆變主變壓器Tl、快速恢復二極管組Dl和D2、輸出電流濾波電感L2、電流檢測器LEMl組成了半橋逆變控制電路。
【文檔編號】B23K9/10GK205464723SQ201620031866
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月14日
【發明人】謝志峰, 魏繼昆, 朱宣東, 朱宣輝, 陳法慶
【申請人】浙江肯得機電股份有限公司