弧焊逆变电源

(1)逆变电源内部干扰源逆变电源是一个强电和弱电组合的系统。在焊接过程中,焊接电流可达到几百甚至上千安培。因电流会产生较大的电磁场,特别在逆变主电路采用高逆变频率的焊接电源系统中,整流管整流,高频变压器漏磁,控制系统振荡,高频引弧,功率管开关等均会产生较强的谐波干扰。

其次,钨极氩弧焊机如果采用高频引弧时,由于焊机利用频率达几十万赫兹,电压高达数千伏的高频高压击穿空气间隙形成电弧,因此高频引弧也是一个很强的谐波干扰源。对于计算机控制的智能化弧焊逆变电源来说,由于采用的计算机控制系统运行速度越来越高,因此控制板本身也成了一个谐波干扰源,对控制板的布线也提出了较高的要求。

(2)逆变电源外部干扰源电网上的污染对电源系统来说是较为严重的干扰,由于加到电网上的负载千变万化,这些负载或多或少对电网产生谐波干扰,如大功率设备的使用使电网电压波形产生畸变,偶然因素造成瞬时停电,高频设备的开启造成电网电压波形具有高频脉冲、尖峰脉冲成分。另外在焊接车间内,由于不同焊接电源在使用时接地线可能相互连接,因此如不采取相应的措施,高频成分的谐波信号很容易窜入控制系统,使电源不能正常工作,甚至损坏。

高次电压和电流谐波之间存在严重相移,导致焊机的功率因数很低。

弧焊逆变电源 以其高效率电能转换著称,随着功率控制器件向实用化和大容量化方向发展,弧焊逆变电源也将跨入高频化、大容量的时代。弧焊逆变电源对电网来说,本质上是一个大的整流电源,由于电力电子器件在换流过程中产生前后沿很陡的脉冲,从而引发了严重的谐波干扰。逆变电源的输入电流是一种尖角波,使电网中含有大量高次谐波。高次电压和电流谐波之间存在严重相移,导致焊机的功率因数很低。低频畸变问题是当前电力电子设备的一个共性问题,在通信行业、家电行业都已引起相当的重视。另外,逆变焊机多采用硬开关方式,在功率元件的开关过程中不可避免地对空间产生谐波干扰。这些干扰经近场和远场耦合形成传导干扰,严重污染周围电磁环境和电源环境,这不仅会使逆变电路自身的可靠性降低,而且会使电网及临近设备运行质量受到严重影响。2100433B

多功能数字波控弧焊逆变电源专利目的

《多功能数字波控弧焊逆变电源》的目的在于克服2013年之前技术中的缺点与不足，提供一种多功能数字波控弧焊逆变电源。该逆变电源使焊机具备优异的一致性、可靠性和动态响应能力，基于电弧瞬态能量的精细化控制技术，优化利用焊接电弧能量，提高热效率，保证良好的电弧稳定性，实现多种电流脉冲波形输出控制，适应不同金属材料焊接，以获得优质的焊缝焊接质量。

多功能数字波控弧焊逆变电源技术方案

《多功能数字波控弧焊逆变电源》通过下述技术方案予以实现：一种多功能数字波控弧焊逆变电源，其特征在于：包括主电路、控制电路和送丝机模块；所述主电路包括依次连接的三相共模滤波模块、一次整流滤波模块、高频全桥逆变模块、功率变压器模块和二次整流滤波模块；所述控制电路包括ARM控制系统模块，以及与ARM控制系统模块连接的数字化面板模块、高频逆变驱动模块和送丝机驱动模块；

其中，所述主电路的三相共模滤波模块与三相交流输入电源连接；二次整流滤波模块的输出端一与送丝机模块的输入端连接，输出端二与焊接负载的输入端一连接；送丝机模块的输出端与焊接负载的输入端二连接；送丝机模块还与送丝机驱动模块信号连接；所述电压电流检测模块用于实时检测主电路电压电流值；所述高频全桥逆变模块与控制电路的高频逆变驱动模块连接，以实现由控制电路控制逆变电源的输出特性。

《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源具有优异的一致性、动态响应性能和扩展性；基于电弧瞬态能量的精细化控制技术，优化利用焊接电弧能量，提高热效率，保证良好的电弧稳定性，实现多种电流脉冲波形输出控制，适应不同金属材料焊接，以获得优质的焊缝焊接质量。同时通过采用数字化面板模块设置逆变电源输出特性参数，实现了全数字化控制，实现了多种焊接电流波形调节，使该发明逆变电源适应于多种金属材料的焊接，节省生产投入成本，提高生产效率。

所述控制电路还包括过流保护检测模块和过压欠压缺相检测模块；所述过流保护检测模块分别与ARM控制系统模块、高频逆变驱动模块和高频全桥逆变模块连接；所述过压欠压缺相检测模块分别与ARM控制系统模块和三相共模滤波模块连接。

所述控制电路还包括用于实时监测高频全桥逆变模块温度的温度检测模块；所述温度检测模块与ARM控制系统模块连接。

优选的方案是：所述ARM控制系统模块采用型号为STM32F405RGT6的ARM芯片；所述ARM芯片内固化有运行于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的多功能数字波控软件系统。《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源以型号为STM32F405RGT6的ARM芯片为核心，型号为STM32F405RGT6的ARM芯片是ARM Cortex^TM-M4架构的32位RISC嵌入式微处理器，将FreeRTOS嵌入式实时操作系统移植到焊机的控制中，使焊机具备优异的一致性、可靠性和动态响应能力。

所述ARM芯片的ADC端口直接与电压电流检测模块相连；ARM芯片的GPIO端口分别与过流保护检测模块、过压欠压缺相检测模块和温度检测模块直接相连；ARM芯片的PWM端口分别与高频逆变驱动模块和送丝机驱动模块相连；ARM芯片的CAN端口与数字化面板模块直接相连。

《多功能数字波控弧焊逆变电源》的原理是：主电路采用全桥逆变式拓扑结构，采用高空载慢送丝的引弧方式。全桥逆变脉宽的调制是通过在FreeRTOS嵌入式实时操作系统中进行实时任务调度，通过PID控制算法来实现给定信号与反馈信号的比较运算，把PID控制器运算输出结果通过ARM控制系统模块的TIMER模块输出数字化的PWM信号，通过高频逆变驱动模块进行隔离放大，控制高频全桥逆变模块的功率开关管IGBT按照一定的时序导通与关闭，实现高频交直流转变。电流反馈是在逆变电源输出端用电压电流检测模块检测电压电流输出值，得到采样信号，经过放大、比较，再输送到ARM控制系统模块，改变高频全桥逆变模块中功率管IGBT的导通与截止时间，实现占空比的调节以达到功率调节的目的，使逆变电源的瞬时输出能量保持稳定，达到焊接过程精细化控制的目的。

多功能数字波控弧焊逆变电源改善效果

1、《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源对焊接电弧的瞬态能量进行实时精细化控制，一阶阶跃响应实现无超调控制，使整个焊接过程中电弧能量得到精确和柔性控制，保证良好的电弧稳定性和挺度，更易于获得优质的焊接质量；

2、《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源实现了全数字化控制，具有优异的一致性、动态响应性能和扩展性；

3、《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源实现了多种焊接电流波形调节控制，针对不同焊丝，通过专家数据库调出对应的焊接波形，以适应各种焊接金属材料，实现多种焊接方法，一机多用，节省生产投入成本，提高生产效率。

《多功能数字波控弧焊逆变电源》涉及焊接工艺及设备技术，具体是指一种多功能数字波控弧焊逆变电源。

图1是《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源的结构框图；

图2是《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源的主电路的电路原理图；

图3（a）和图3（b）是《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源的控制电路中高频逆变驱动模块的电路原理图；

图4是《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源的控制电路中过流保护检测模块的电路原理框图；

图5是《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源的控制电路中ARM控制系统模块的具体连接图；

图6是《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源的控制电路中送丝机驱动模块的电路原理图；

图7是《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源的控制电路中电压电流检测模块的电路原理图；

图8是《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源的控制电路中温度检测模块的电路原理图；

图9（a）和图9（b）是《多功能数字波控弧焊逆变电源》逆变电源的控制电路中过压欠压缺相检测模块的电路原理图。