逆变式脉冲变极性TIG焊电源的主回路

1.逆变式脉冲变极性TIG焊电源的主回路，其特征在于，它采用全桥双逆变结构形式，逆变式脉冲变极性TIG焊电源的主回路包括两次逆变主电路，两次逆变主电路由依次连接的交流接触器（1）、输入整流滤波模块（2）、一次逆变模块（3）、输出整流滤波模块（4）、二次逆变模块（5）组成，其中，一次逆变模块（3）连接有一次逆变驱动模块（6），二次逆变模块连接有二次逆变驱动模块（7），所述一次、二次逆变驱动模块连接于保护电路（8），所述保护电路所连接的控制电路（9）接于安装在二次逆变模块输出端的电压检测模块（10）、电流检测模块（11）。
2.根据权利要求1所述的逆变式脉冲变极性TIG焊电源的主回路，其特征在于，两次逆
变主电路中，一次逆变主电路包括依序连接的输入整流滤波电路、全桥式逆变电路、输出整流滤波电路；
所述输入整流滤波电路，其采用三相全控整流桥(M1)，并在三相全控整流桥(M1)后并
联有电解电容（C1、C2、C3、C4）；
全桥式逆变电路，其包括IGBT功率开关管一、二、三、四（VT1、VT2、VT3、VT4）、二极管一、二、三、四（VD1、VD2、VD3、VD4）、电容一、二、三、四（VC1、VC2、VC3、VC4）、电阻一、二、三、四（R1、R2、R3、R4）、二极管七、八、九、十（D7、D8、D9、D10）和中频变压器（T1），二极管一、二、三、四（VD1、VD2、VD3、VD4）分别与IGBT功率开关管一、二、三、四（VT1、VT2、VT3、VT4）反向并联，电容一、二、三、四（VC1、VC2、VC3、VC4）分别与电阻一、二、三、四（R1、R2、R3、R4）串联之后再分别与二极管一、二、三、四（VD1、VD2、VD3、VD4）并联，二极管七、八、九、十（D7、D8、D9、D10）分别与电阻一、二、三、四（R1、R2、R3、R4）并联；
输出整流滤波电路，其为带有中心抽头的全波整流电路，整流二极管为快恢复二极管
（D11，D12），采用电感（L1）作为输出滤波器。
3.根据权利要求1所述的逆变式脉冲变极性TIG焊电源的主回路，其特征在于，两次逆
变主电路中，二次逆变主电路包括：续流二极管五、六、七、八（VD5、VD6、VD7、VD8）、输出电容五、六、七、八（VC5、VC6、VC7、VC8）、IGBT功率开关管五、六、七、八（VT5、VT6、VT7、VT8）、缓冲电容（C5）、回路电感（L2）、电弧等效电阻（R5），续流二极管五、六、七、八（VD5、VD6、VD7、VD8）分别与IGBT功率开关管五、六、七、八（VT5、VT6、VT7、VT8）反向并联，输出电容五、六、七、八（VC5、VC6、VC7、VC8）分别与IGBT功率开关管五、六、七、八（VT5、VT6、VT7、VT8）并联，IGBT功率开关管五、七串联构成的电路一(A)与IGBT功率开关管六、八构成的电路二(B)之前具有依次串联的回路电感（L2）和电弧等效电阻（R5），所述缓冲电容（C5）与电路一（A）并联，整个二次逆变主电路串接有一次逆变主电路的输出滤波电感（L1）。

逆变式脉冲变极性TIG焊电源的主回路\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及一种逆变式脉冲变极性TIG焊电源的主回路。\n背景技术\n[0002] 钨极氩弧焊电弧燃烧稳定，具有焊缝质量好、焊接接头的强度和塑性高的特点，因此在工业中获得了广泛的应用。\n[0003] 铝及铝合金具有较高的比强度和导热性、良好的耐腐蚀性以及在低温下能保持良好的力学性能等特点，适应现代科技及高新工程发展的需要，成为宇航、化工、交通运输等工业重要的结构材料之一。但是铝及铝合金焊接时，在铝及铝合金表面总会生成一层附着力强的和难熔的(熔点为2050℃)氧化膜(主要成分为Al2O3)，该层氧化膜不溶于金属并且妨碍被熔融填充金属润湿，焊接前需将其去除。因此铝及其合金钨极氩弧焊时要兼有阴极雾化作用(清除氧化膜)及减少钨极过热烧损的要求，一般采用交流钨极氩弧焊（TIG）。\n[0004] 采用交流 TIG 焊焊铝及其合金时，由于交流电流的极性周期性地变化，所以在每个周期里相当于半波为直流正接，另一半波为直流反接。正接的半波期间，钨极为负，可以发射足够的电子而不至于过热，防止其烧损，还能承载较大的电流容量，有利于焊接电弧的稳定，并增大工件的可焊厚度。反接的半波期间，铝板为负，其表面生成的氧化膜很容易被清理掉而获得表面美观、光亮、成型良好的焊缝。这样，同时兼顾了阴极雾化作用和钨极烧损减少的要求。但在电弧稳定性以及电流正负半波幅值和时间是否可独立调节的问题上不尽如人意，而且无法做到最大限度地减少钨极烧损。\n实用新型内容\n[0005] 本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种逆变式脉冲变极性TIG焊电源的主回路。\n[0006] 本发明逆变式脉冲变极性TIG焊电源的主回路采用了双逆变结构形式。一次逆变部分采用的电路形式是全桥式拓扑结构，其主要功能是实现钨极氩弧焊电源的恒流输出焊接外特性及电源的动态特性。二次逆变部分可采用半桥或全桥结构形式，其主要功能是把一次逆变部分输出的平滑的直流逆变为幅值可调的方波交流(变极性)输出。本发明所设计的逆变式脉冲变极性TIG焊电源采用全桥双逆变结构。\n[0007] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：\n[0008] 逆变式脉冲变极性TIG焊电源的主回路，其特征在于，它采用全桥双逆变结构形式，逆变式脉冲变极性TIG焊电源的主回路包括两次逆变主电路，两次逆变主电路由依次连接的交流接触器（1）、输入整流滤波模块（2）、一次逆变模块（3）、输出整流滤波模块（4）、二次逆变模块（5）组成，其中，一次逆变模块（3）连接有一次逆变驱动模块（6），二次逆变模块连接有二次逆变驱动模块（7），所述一次、二次逆变驱动模块连接于保护电路（8），所述保护电路所连接的控制电路（9）接于安装在二次逆变模块输出端的电压检测模块（10）、电流检测模块（11）。\n[0009] 两次逆变主电路中，一次逆变主电路包括依序连接的输入整流滤波电路、全桥式逆变电路、输出整流滤波电路；\n[0010] 所述输入整流滤波电路，其采用三相全控整流桥(M1)，并在三相全控整流桥(M1)后并联有电解电容（C1、C2、C3、C4）；\n[0011] 全桥式逆变电路，其包括IGBT功率开关管一、二、三、四（VT1、VT2、VT3、VT4）、二极管一、二、三、四（VD1、VD2、VD3、VD4）、电容一、二、三、四（VC1、VC2、VC3、VC4）、电阻一、二、三、四（R1、R2、R3、R4）、二极管七、八、九、十（D7、D8、D9、D10）和中频变压器（T1），二极管一、二、三、四（VD1、VD2、VD3、VD4）分别与IGBT功率开关管一、二、三、四（VT1、VT2、VT3、VT4）反向并联，电容一、二、三、四（VC1、VC2、VC3、VC4）分别与电阻一、二、三、四（R1、R2、R3、R4）串联之后再分别与二极管一、二、三、四（VD1、VD2、VD3、VD4）并联，二极管七、八、九、十（D7、D8、D9、D10）分别与电阻一、二、三、四（R1、R2、R3、R4）并联；\n[0012] 输出整流滤波电路，其为带有中心抽头的全波整流电路，整流二极管为快恢复二极管（D11，D12），采用电感（L1）作为输出滤波器。\n[0013] 两次逆变主电路中，二次逆变主电路包括：续流二极管五、六、七、八（VD5、VD6、VD7、VD8）、输出电容五、六、七、八（VC5、VC6、VC7、VC8）、IGBT功率开关管五、六、七、八（VT5、VT6、VT7、VT8）、缓冲电容（C5）、回路电感（L2）、电弧等效电阻（R5），IGBT功率开关管五、六、七、八（VT5、VT6、VT7、VT8），续流二极管五、六、七、八（VD5、VD6、VD7、VD8）分别与IGBT功率开关管五、六、七、八（VT5、VT6、VT7、VT8）反向并联，输出电容五、六、七、八（VC5、VC6、VC7、VC8）分别与IGBT功率开关管五、六、七、八（VT5、VT6、VT7、VT8）并联，IGBT功率开关管五、七构成的电路一(A)与IGBT功率开关管六、八构成的电路二(B)之前具有依次串联的回路电感（L2）和电弧等效电阻（R5），所述缓冲电容（C5）与电路一（A）并联，整个二次逆变主电路串接有一次逆变主电路的输出滤波电感（L1）。\n[0014] 本实用新型具有如下有益效果：\n[0015] 本发明逆变式脉冲变极性TIG焊电源的主回路主电路，电流过零速度快有利于电弧稳定；电流正负半波幅值和时间均可独立调节，在形成良好的阴极雾化作用的情况下，可以最大限度的减少钨极烧损，形成良好的焊接过程。\n[0016] 脉冲变极性钨极氩弧焊是一种理想的铝及其合金的电弧焊方法，可显著改善和提高铝合金材料的电弧焊接质量，从根本上突破并解决了实际工程应用中急切希望解决的难题，可替代传统的氩弧焊接工艺，在发挥电弧焊接技术自身优势的基础上显著改善和提高我国国防军事、航空、航天工业中某些特殊结构材料和关键零部件结构的焊接质量，将具有重要的工程应用价值和推广应用前景。\n附图说明\n[0017] 图1为逆变式脉冲变极性TIG电源系统框图。\n[0018] 图2为一次逆变主电路结构图。\n[0019] 图3为二次逆变主电路结构图。\n[0020] 图4为逆变式脉冲变极性TIG焊电源使用时输出的电流波形图。\n[0021] 附图标记说明：\n[0022] 1.交流接触器；2. 输入整流滤波模块；3. 一次逆变模块；4. 输出整流滤波模块；5. 二次逆变模块；6. 一次逆变驱动模块；7. 二次逆变驱动模块；8. 保护电路；9. 控制电路；10. 电压检测模块；11. 电流检测模块；M1. 三相全控整流桥；D1～D6. 普通整流二极管/超快恢复二极管(FRED)；C1～C4.电解电容；VT1～VT8.IGBT功率开关管一～八；VD1～VD4.二极管一～四；VC1～VC4.电容一～四；R1～R4.电阻一～四；D7～D10.二极管七～十；T1.中频变压器；D11、D12.快恢复二极管；L1.电感；VD5～VD8.续流二极管五～八; VC5～VC8.输出电容五～八; C5.缓冲电容；L2.回路电感；R5.电弧等效电\n阻。\n具体实施方式\n[0023] 为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。\n[0024] 文中，“/”代表“或”的含义。\n[0025] 如图1所示，逆变式脉冲变极性TIG焊电源的主回路，它采用全桥双逆变结构形式，逆变式脉冲变极性TIG焊电源的主回路包括两次逆变主电路，两次逆变主电路由依次连接的交流接触器1、输入整流滤波模块2、一次逆变模块3、输出整流滤波模块4、二次逆变模块5组成，其中，一次逆变模块3连接有一次逆变驱动模块6，二次逆变模块连接有二次逆变驱动模块7，所述一次、二次逆变驱动模块连接于保护电路8，所述保护电路所连接的控制电路9接于安装在二次逆变模块输出端的电压检测模块10、电流检测模块11，在整个主回路末端接有电弧负载。\n[0026] 参见图2，两次逆变主电路中，一次逆变主电路包括依序连接的输入整流滤波电路、全桥式逆变电路、输出整流滤波电路，在输入整流滤波电路之前接入交流接触器，一次逆变部分采用的电路形式是全桥式拓扑结构，主要功能在于实现钨极氩弧焊电源的恒流输出焊接外特性以及电源的动态特性；\n[0027] 所述输入整流滤波电路可将电网的工频交流电整流成一脉动的直流电。本设计采用三相全控整流桥M1，并在后并联有电解电容C1、C2、C3、C4，D1～D6为普通整流二极管，相互连成三相全控整流桥，如果以超快恢复二极管(FRED)替代普通整流二极管亦可，其中，电解电容C1与电解电容C2构成并联电路一，电解电容C3与电解电容C4构成并联二，并联电路一、二再进行串联之后构成的电路再并联接入电源输出电路中。采用大容量的电解电容进行滤波，以达到逆变电路要求输入电路提供的直流电纹波要尽量小的要求。 整个焊机采用三相交流380V电压经过三相桥式整流、滤波后供给以IGBT为功率开关器件的逆变器进行变频处理后，由中频变压器降压。\n[0028] 全桥式逆变电路，其包括IGBT功率开关管一、二、三、四VT1、VT2、VT3、VT4、二极管一、二、三、四VD1、VD2、VD3、VD4、电容一、二、三、四VC1、VC2、VC3、VC4、电阻一、二、三、四R1、R2、R3、R4、二极管七、八、九、十D7、D8、D9、D10和中频变压器T1，二极管一、二、三、四VD1、VD2、VD3、VD4分别与IGBT功率开关管一、二、三、四VT1、VT2、VT3、VT4反向并联，其是为了承受负载产生的反向电流以保护IGBT功率开关管。电容一、二、三、四VC1、VC2、VC3、VC4分别与电阻一、二、三、四R1、R2、R3、R4串联之后再分别与二极管一、二、三、四VD1、VD2、VD3、VD4并联，二极管七、八、九、十D7、D8、D9、D10分别与电阻一、二、三、四R1、R2、R3、R4并联，引入缓冲（吸收）环节可以避免IGBT功率开关管在关断时产生过高的电压上升速度（du/dt）和减少IGBT功率开关管的关断损耗。电路正常工作时，桥臂对边上的两只IGBT功率开关管（VT1和VT4或VT2和VT3）同时导通和关断，而对边上的两对IGBT功率开关管（VT1、VT4或VT2、VT3）交替通断，相位差为108°。当激励脉冲性能好轮流驱动桥对边上的两队IGBT功率开关管时，逆变主电路把直流高压（约540V）转换为20kHz的中频交流电压送到中频变压器，经降压后送入输出整流滤波电路。\n[0029] 输出整流滤波电路是将中频变压器二次绕组输出的电流整流为脉动的直流电，本发明采用的中频变压器二次绕组带有中心抽头的全波整流电路，整流二极管为快恢复二极管D11、快恢复二极管D12，采用电感L1作为输出滤波器，对整流后的脉动直流电进行平滑滤波。\n[0030] 参见图3，二次逆变部分可采用半桥或全桥结构形式（本案选用全桥结构形式），主要是把一次逆变部分输出的平滑的直流逆变为幅值可调的方波交流（变极性）输出，脉动变极性TIG焊电源最终输出电流的频率、正负半波导通时间由二次逆变部分所决定。两次逆变主电路中，采用全桥结构形式的二次逆变主电路包括：四个续流二极管，其分别为续流二极管五VD5、续流二极管六VD6、续流二极管七VD7、续流二极管八VD8；四个输出电容，其分别为输出电容五VC5、输出电容六VC6、输出电容七VC7、输出电容八VC8；参与换向的四个IGBT功率开关管，其分别为IGBT功率开关管五VT5、IGBT功率开关管六VT6、IGBT功率开关管七VT7、IGBT功率开关管八VT8；缓冲电容C5；回路电感L2；电弧等效电阻R5，四个IGBT功率开关管分别反向并联有续流二极管，且IGBT功率开关管还并联有输出电容;在这里，四个续流二极管五～八（VD5-VD8）和四个输出电容五～八(VC5-VC8)分别为模块自带的反向并联续流二极管和输出电容，IGBT功率开关管五、IGBT功率开关管七构成的电路一A与IGBT功率开关管六、IGBT功率开关管八构成的电路二B之前具有依次串联的回路电感L2和电弧等效电阻R5，所述缓冲电容C5与电路一A并联，整个二次逆变主电路串接有一次逆变主电路的输出滤波电感L1，从图中可知此部分电路具有前级恒流源。当IGBT功率开关管五VT5和IGBT功率开关管六VT6导通时，IGBT功率开关管七VT7和IGBT功率开关管八\nVT8截止，此时工件接负，电源输出极性DCEP；当IGBT功率开关管五VT5和IGBT功率开关管六VT6截止时，IGBT功率开关管七VT7和IGBT功率开关管八VT8导通，此时工件接正，电源输出极性DCEN，两组IGBT功率开关管相互交替导通，向电弧提供正负半波电流，二次逆变主电路中的IGBT功率开关管换向时电压相对较低，电流较大，换向频率也低。\n[0031] 参见图4，逆变式脉冲编辑性TIG焊电源，它是一种特殊的方波交流TIG焊，是一种输出电流频率、占空比、正负半波导通时间及幅值均可独立调节的钨极氩弧焊方法。逆变式脉冲变极性TIG焊电源使用时输出的电流波形图参见图4。\n[0032] 文中未阐述的结构可以现有技术得以实现。