微束等离子弧焊主弧电源多功能主电路

摘要

本发明微束等离子弧焊主弧电源多功能主电路，涉及焊接电源技术领域。其包括输入整流滤波电路、功率开关元件、中频变压器、输出整流滤波电路、电流反馈电路、逆变控制驱动电路，同时包括功能选择开关(1)的输入端与输出整流滤波电路的一端连接，功能选择开关(1)的一个输出端同时与高频开关电路(2)和基值输出电路(3)连接，功能选择开关(1)的另一个输出端穿过电流传感器(11)与工件(12)连接，高频滤波电路(4)的两端分别与电流反馈电路连接和电流传感器(11)连接等组成。通过本发明实现微束等离子弧焊主弧电源主电路直流、低频脉冲、高频脉冲、混合脉冲等多功能输出。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接电源技术领域，具体指一种微束等离子弧焊电源多功能输出的主电路。

背景技术

微束等离子弧焊的焊接电流范围为0.02A～30A，最小电流和最大电流之间，电流范围达3个数量级，适合于薄细等精密结构件的各种不同严格工艺要求的焊接、切割、重熔、喷涂、缺陷修补等的材料精密加工和表面改性，对微束等离子弧焊焊接、切割、重熔、喷涂、缺陷修补等这些不同的材料精密加工和表面改性工艺，要求的焊接电流波形是不相同的，而对于同一种微束等离子弧焊的材料精密加工或材料表面改性工艺在不同数量级、甚至于在同一数量级内的焊接电流，对其电流波形的要求也不相同。现有微束等离子弧焊焊接电源采用可控硅电源、模拟式晶体管电源、逆变电源的主电路形式，可控硅电源的主电路由于受到其自身主电路结构的限制，只能实现直流焊接电流波形，并且可控硅电源的主电路庞大而笨重；逆变电源的主电路由于受到逆变频率的限制，只能输出直流或低频脉冲焊接电流波形；模拟式晶体管电源的主电路可实现任意波形的焊接电流波形输出，但因工频交流变压、整流、滤波组成模拟式晶体管电源的主电路中功率放大器件的供电部分，变压器笨重，体积庞大，而且功率放大器件的功耗大，不能达到节能环保的要求。

经对现有技术专利与文献检索发现，一个专利申请号为89106259.9的中国发明专利《微束等离子弧特种焊机》，该专利提出了一种用于微束等离子弧焊的晶体管式弧焊电源，该弧焊电源实现了高频脉冲输出；但该弧焊电源中模拟晶体管的供电部分采用通用的工频交流变压、整流、滤波形式，变压器笨重，体积庞大，更致命的是功耗大，无法达到节能环保的要求。另一个专利申请号为89109052.5的中国发明专利《晶体管弧焊逆变器》，该专利提出了一种弧焊逆变电源，该弧焊电源实现了直流和脉冲输出；但该弧焊电源脉冲输出的最高频率只有200HZ，无法实现超薄、超细等精细结构部件精细微束等离子弧焊接的高频(几十kHz)脉冲输出。同时，这两个专利均无法实现一个焊接电源的多功能输出。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足和缺陷，提供一种微束等离子弧焊电源多功能输出的主电路，使其一方面解决现有微束等离子弧焊接电源笨重，体积庞大问题，使之更适应于节能环保的焊接设备；另一方面也使这种节能环保的微束等离子弧焊机实现直流输出、低频脉冲输出、高频脉冲输出、混合脉冲输出等多个功能输出模式，提供适合于薄、细等精密结构件的各种不同工艺要求的焊接、切割、重熔、喷涂、缺陷修补等的材料精密加工和表面改性以及解决不同尺寸薄细等精密结构部件精密焊接时的变形、烧穿等关键技术问题的焊接设备。

本发明的技术方案：包括输入整流滤波电路、功率开关元件、中频变压器、输出整流滤波电路、电流反馈电路、逆变控制驱动电路、功能选择开关、高频开关电路、基值输出电路，高频滤波电路，功能选择开关的输入端与输出整流滤波电路的一端连接，功能选择开关的一个输出端同时与高频开关电路和基值输出电路连接，功能选择开关的另一个输出端穿过电流传感器与工件连接，高频滤波电路的一端与电流反馈电路连接，高频滤波电路的另一端与电流传感器连接，输出整流滤波电路的另一端与钨棒连接。高频开关电路由高频开关晶体管、高频开关驱动电路、高频开关控制电路组成，基值输出电路由模拟晶体管、模拟驱动晶体管、模拟控制电路组成，高频开关晶体管和高频开关控制电路之间连接有高频开关驱动电路，模拟晶体管和模拟控制电路之间连接有模拟驱动晶体管，高频开关晶体管的一端以及模拟晶体管一端均与功能选择开关连接，高频开关晶体管的另一端以及模拟晶体管的另一端均穿过电流传感器与工件连接。

本发明主电路中，高频开关电路、基值输出电路组成微束等离子弧焊主弧电源主电路的后端高频输出或混合脉冲输出部分，输入整流滤波电路、功率开关元件、中频变压器、输出整流滤波电路组成微束等离子弧焊主弧电源主电路的前端直流或低频脉冲输出部分，也作为后端高频输出或混合脉冲输出部分的供电电源。

本发明主电路的一个关键技术是在前端直流或低频脉冲输出部分和后端高频输出或混合脉冲输出部分之间有功能选择开关，通过该功能选择开关来切换选择直流输出或低频脉冲输出模式还是高频脉冲输出或混合脉冲输出模式：当功能选择开关切换到微束等离子弧焊主弧电源主电路的后端高频输出或混合脉冲输出部分时，该主电路工作在高频脉冲输出或混合脉冲输出模式；当功能选择开关没有切换到微束等离子弧焊主弧电源主电路的后端高频输出部分或混合脉冲输出时，该主电路工作在直流输出或低频脉冲输出模式。

本发明主电路的另一个关键技术是采用高频开关电路、基值输出电路实现微束等离子弧焊主弧电源主电路的高频脉冲输出或混合脉冲输出，在功能选择开关切换到微束等离子弧焊主弧电源主电路的后端高频输出或混合脉冲输出部分时，由高频开关控制电路控制并通过高频开关驱动电路的驱动，快速交替地导通和关断高频开关晶体管，当高频开关晶体管被控制导通时，微束等离子弧焊主弧电源主电路输出高频峰值；当高频开关晶体管被控制关断时，微束等离子弧焊主弧电源主电路输出高频基值。高频脉冲输出模式或混合脉冲输出模式取决于前端直流或低频脉冲输出部分，若前端直流或低频脉冲输出部分工作在直流输出，则微束等离子弧焊主弧电源主电路为高频脉冲输出模式；若前端直流或低频脉冲输出部分工作在低频脉冲输出，则微束等离子弧焊主弧电源主电路为混合脉冲输出模式。

本发明主电路的再一个关键技术是通过基值输出电路的模拟晶体管作为可变电阻，该可变电阻通过模拟控制电路控制并经模拟驱动晶体管驱动改变其电阻值，以达到独立调节高频基值的幅度的目的，而高频峰值的幅度则由逆变控制驱动电路控制前端直流或低频脉冲输出部分输出，以保证高频峰值和高频基值的独立可调目的。

薄、细等精细结构件精密焊接、切割、重熔、喷涂、缺陷修补等要求精细的工艺参数控制以及不同输出，特别是不同精密焊接特别需要的脉冲电弧焊及高频脉冲电弧焊对焊接电源主电路的脉冲输出的各参数独立控制调节提出了很高的要求。本发明主电路通过采用前端直流或低频脉冲输出部分和后端高频输出或混合脉冲输出部分的结构，达到分别独立调节直流输出幅度、低频脉冲输出的低频频率、低频占空比、低频峰值、低频基值、高频脉冲输出的高频频率、高频占空比、高频峰值、高频基值九个参数的独立调节，并通过功能选择开关，实现直流输出、低频脉冲输出、高频脉冲输出、混合脉冲输出等多个功能输出模式。

综上所述，本发明具有以下特点：

1.利用功能选择开关、前端逆变结构的供电电源、高频开关电路、基值输出电路的组合结构，可获得直流、低频脉冲、高频脉冲、混合脉冲等多个功能的输出模式；

2.利用高频开关电路、前端逆变结构的供电电源、基值输出电路实现微束等离子弧焊主弧电源多功能主电路多参数(高频脉冲峰值、高频脉冲基值、高频脉冲频率、高频脉冲占空比、低频脉冲峰值、低频脉冲基值、低频脉冲频率、低频脉冲占空比、直流)的各自独立调节；

3.利用微束等离子弧焊主弧电源主电路的前端直流或低频脉冲输出的逆变结构，大大减小微束等离子弧焊接电源的体积和重量，同时在很大程度上，提高了焊接电源的动态特性和运行的可靠性，并且使微束等离子弧焊接电源满足节能环保的要求。

附图说明

图1本发明微束等离子弧焊主弧电源多功能主电路结构框图；

图2本发明微束等离子弧焊主弧电源主电路的多功能输出波形图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述

本发明微束等离子弧焊主弧电源多功能主电路(如附图1所示)，包括输入整流滤波电路、功率开关元件、中频变压器、输出整流滤波电路、电流反馈电路、逆变控制驱动电路，以及功能选择开关1、高频开关电路2、基值输出电路3，高频滤波电路4等组成。其连接关系为：

功能选择开关1的输入端与输出整流滤波电路的一端连接，功能选择开关1的一个输出端同时与高频开关电路2和基值输出电路3连接，功能选择开关1的另一个输出端穿过电流传感器11与工件12连接，高频滤波电路4的一端与电流反馈电路连接，高频滤波电路4的另一端与电流传感器11连接，输出整流滤波电路的另一端与钨棒13连接。

高频开关电路2由高频开关晶体管5、高频开关驱动电路6、高频开关控制电路7组成，基值输出电路3由模拟晶体管8、模拟驱动晶体管9、模拟控制电路组成10，高频开关晶体管5和高频开关控制电路7之间连接有高频开关驱动电路6，模拟晶体管8和模拟控制电路10之间连接有模拟驱动晶体管9，高频开关晶体管5的一端以及模拟晶体管8一端均与功能选择开关1连接，高频开关晶体管5的另一端以及模拟晶体管8的另一端均穿过电流传感器11与工件12连接。

主弧电源多功能主电路的组成有前端直流或低频脉冲输出、功能选择、后端高频输出或混合脉冲输出三个部分。前端直流或低频脉冲输出部分是输入整流滤波电路将电网工频交流电变为高压直流电，再经功率开关元件变为高压、高频交流信号，然后由中频变压器、输出整流滤波电路将高压、逆变高频交流信号变为直流或低频脉冲输出，并且作为高频开关晶体管5和模拟晶体管8的供电电源，直流还是低频脉冲的输出取决于逆变控制驱动电路的设定，当设定为直流时，则逆变控制驱动电路在直流给定下控制前端直流或低频脉冲输出部分输出直流，当设定为脉冲时，则逆变控制驱动电路在低频频率、低频占空比、低频峰值、低频基值给定下控制前端直流或低频脉冲输出部分输出低频脉冲。功能选择部分是通过功能选择开关1的开关切换进行输出模式选择，当功能选择开关1切换到后端高频输出或混合脉冲输出位置，则选择高频输出或混合脉冲输出模式，高频输出模式还是混合脉冲输出模式取决于前端直流或低频脉冲输出部分，若前端直流或低频脉冲输出部分输出的是直流，则是高频输出模式，若前端直流或低频脉冲输出部分输出的是低频脉冲，则是混合脉冲输出模式；当功能选择开关1未切换到后端高频输出或混合脉冲输出位置，则选择直流输出或低频脉冲输出模式，直流输出模式还是低频脉冲输出模式取决于前端直流或低频脉冲输出部分，若前端直流或低频脉冲输出部分输出的是直流，则是直流输出模式，若前端直流或低频脉冲输出部分输出的是低频脉冲，则是低频脉冲输出模式。后端高频输出或混合脉冲输出部分由高频开关电路2、基值输出电路3组成，高频开关电路1是高频开关控制电路7在高频频率、高频占空比给定下通过高频开关驱动电路6驱动来控制高频开关晶体管5的快速交替地导通和关断，当高频开关晶体管被控制导通时，基值输出电路不起作用，微束等离子弧焊主弧电源主电路输出高频峰值，当高频开关晶体管被控制关断时，基值输出电路起作用，微束等离子弧焊主弧电源主电路输出高频基值；基值输出电路3是模拟控制电路10在高频基值给定下通过模拟驱动晶体管9驱动来控制模拟晶体管8的输出，即微束等离子弧焊主弧电源主电路输出高频基值。前端直流或低频脉冲输出部分独立调节直流、高频脉冲峰值、低频脉冲频率、低频脉冲占空比、低频脉冲峰值、低频脉冲基值6个参数；后端高频输出或混合脉冲输出部分中的高频开关电路2独立调节高频脉冲频率和高频脉冲占空比2个参数，基值输出电路3独立调节高频脉冲基值1个参数。

高频滤波电路4通过电流传感器11快速检测与高频脉冲输出同步的高频电流信号，并滤去高频分量，通过电流反馈电路，形成逆变控制驱动电路的电流反馈信号，得到多功能输出的恒流电源外特性。

本发明微束等离子弧焊主弧电源主电路的多功能输出波形图(如附图2所示)，输出的波形包括直流、低频脉冲、高频脉冲、混合脉冲这四种模式的波形，这四种模式的波形分别为附图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)。附图2(a)中可调节直流，附图2(b)中可调节低频脉冲频率、低频脉冲占空比、低频脉冲峰值、低频脉冲基值，附图2(c)中可调节高频脉冲峰值、高频脉冲基值、高频脉冲频率、高频脉冲占空比，附图2(d)中可调节低频脉冲频率、低频脉冲占空比、低频脉冲峰值、低频脉冲基值、高频脉冲峰值、高频脉冲基值、高频脉冲频率、高频脉冲占空比。