双逆变交流方波钨极氩弧焊机及其控制方法

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双逆变交流方波钨极氩弧焊机及其控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及焊接设备技术领域的氩弧焊机，具体是一种双逆变交流方波钨极氩弧焊机及其控制方法。\n背景技术\n[0002] 交流方波钨极氩弧焊机，一般具备手工焊条焊、直流脉冲氩弧焊、交流方波氩弧焊等功能，现有的交流方波钨极氩弧焊机普遍存在内部电路复杂，两次逆变功耗大，整机效率低、整机体积大、重量重、暂载率低、材料成本高等问题；\n[0003] 交流氩弧焊需调节参数较多，现有的交流方波钨极氩弧焊机普遍存在操作钮数量多、面板拥挤，操作复杂、参数控制精度低等缺陷。因此，特别需要一种新的交流方波钨极氩弧焊机能减小内部电路复杂性、缩小焊机体积和重量、降低材料成本；降低整机电功耗、提高电源效率和使用暂载率；提高控制精度、扩展更多更新的焊接功能。\n发明内容\n[0004] 本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种双逆变交流方波钨极氩弧焊机及其控制方法。\n[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的。\n[0006] 本发明涉及一种双逆变交流方波钨极氩弧焊机，包括主板电路模块、输出板电路模块、面板控制电路模块以及引弧/维弧电路模块，其中，所述主板电路模块的输入端通过电源开关与外部交流输入电源插头连接，所述主板电路模块的输出端通过多芯排线与输出板电路模块的输入端连接，所述输出板电路模块的输出端通过铜排电缆分别与焊机正/负输出接口连接，所述面板控制电路模块通过多芯排线与主板电路模块的控制端口连接，所述引弧/维弧电路模块的输入端通过多芯排线与输出板电路模块的控制端口连接，所述引弧/维弧电路模块的输出端通过高频耦合电感与输出板电路模块的输出端口连接。\n[0007] 所述输出板电路模块包括变压整流滤波单元，所述面板控制电路模块包括信号处理电路单元，所述主板电路模块包括：输入整流滤波单元、辅助电源单元、一次逆变开关单元、气阀/高频控制电路单元、焊枪开关控制单元、保护电路单元、一次逆变控制单元以及一次逆变驱动单元，其中，所述输入整流滤波单元的输入端与电源开关连接，所述输入整流滤波单元的输出端分别与辅助电源单元和一次逆变开关单元的输入端连接，所述辅助电源单元的输出端分别与上述各单元的电源供给端连接，所述一次逆变开关单元的输出端与输出板电路模块的变压整流滤波单元的输入端连接，所述一次逆变驱动单元的输入端与一次逆变控制单元的输出端连接，所述一次逆变驱动单元的输出端与一次逆变开关单元的控制端连接，所述一次逆变控制单元的输入端分别与保护电路单元的输出端分别与面板控制电路模块的信号处理电路单元的输入/输出端连接，所述保护电路单元的输入端与输入整流滤波单元的输出端连接，所述气阀/高频控制电路单元的输入端与输入整流滤波单元的输入端连接，所述气阀/高频控制电路单元的输出端分别与气阀和引弧/维弧电路模块的高频引弧电路单元的输入端连接，所述焊枪开关控制单元的输入端通过焊机控制插口与焊炬开关连接，所述焊枪开关控制单元的输出端与面板控制电路模块的信号处理电路单元连接。\n[0008] 所述一次逆变开关单元、一次逆变控制单元以及一次逆变驱动单元为全桥拓扑一次逆变电路。\n[0009] 所述主板电路模块包括一次逆变开关单元，所述引弧/维弧电路模块包括高频引弧电路单元，所述输出板电路模块包括：变压整流滤波单元、二次逆变开关单元、尖峰电压箝位单元、二次逆变驱动单元、增压引弧电路单元以及高频耦合电路单元，其中，所述变压整流滤波单元的输入端与主板电路模块的一次逆变开关单元的输出端连接，所述变压整流滤波单元的输出端与二次逆变开关单元的输入端连接，所述二次逆变开关单元的输出端通过铜排电缆与焊机正输出接口连接，所述二次逆变驱动单元的输入端通过多芯排线与主板电路模块的主板控制端口连接，所述二次逆变驱动单元的输出端与二次逆变开关单元的控制端连接，所述尖峰电压箝位单元的输入/输出端均与变压整流滤波单元的输出端连接，所述增压引弧电路单元的输入端与变压整流滤波单元的输出端连接，所述增压引弧电路单元的输出端与二次逆变开关单元的输入端连接，所述高频耦合电路单元的输入端与引弧/维弧电路模块的高频引弧电路单元的输出端连接，所述高频耦合电路单元的输出端通过铜排电缆与焊机负输出接口连接。\n[0010] 所述二次逆变开关单元和二次逆变驱动单元为半桥拓扑二次逆变电路。\n[0011] 所述主板电路模块包括一次逆变控制单元，所述面板控制电路模块包括：信号处理电路单元、微电脑控制单元以及显示/按键电路单元，其中，所述信号处理电路单元的输入/输出端口分别与微电脑控制单元和主板电路模块的一次逆变控制单元的输入端连接，所述微电脑控制单元与显示/按键电路单元通过总线连接。\n[0012] 所述输出板电路模块包括变压整流滤波单元，所述主板电路模块包括气阀/高频控制电路单元，所述引弧/维弧电路模块包括：稳弧电路单元、高频引弧电路单元，其中，所述稳弧电路单元的输入/输出端通过多芯排线与输出板电路模块的变压整流滤波单元的输出端连接，所述高频引弧电路单元的输入端通过双芯排线与主板电路模块的气阀/高频控制电路单元的输出端连接，所述高频引弧电路单元的输出端通过高频耦合电感与焊机负输出接口连接。\n[0013] 本发明还涉及一种双逆变交流方波钨极氩弧焊机的控制方法，其工作过程具体如下：\n[0014] 步骤1，电网经电源开关为主板电路模块的输入整流滤波单元提供交流输入电源，经整流滤波电路整流滤波为一次直流高压，所述直流高压一路经主板电路模块的辅助电源单元产生焊机控制电路所需的多路低压直流电源，另一路经主板电路模块的一次逆变开关单元整流为高频高压交流脉冲；\n[0015] 步骤2，步骤1中产生的高频高压交流脉冲经输出板电路模块的变压整流滤波单元降压整流滤波为直流低压电源，再经输出板电路模块的二次逆变开关单元整流为焊接所需的直流或交流方波电源；\n[0016] 步骤3，主板电路模块的气阀/高频控制电路单元在微电脑控制单元的控制下，为氩弧焊提供提前送气、滞后关气、高频引弧所需的交流电源；主板电路模块的焊枪开关控制单元为微电脑控制单元提供氩弧焊模式的开启及关闭信号；\n[0017] 步骤4，高频引弧电路单元将主板高频控制电路输出的交流电源多次倍压后，经过脉冲控制及LC振荡电路振荡输出高频高压小电流引弧脉冲，使氩弧焊高频模式下引燃电弧；\n[0018] 步骤5，引弧/维弧电路模块的稳弧电路单元将主变压器输出的另一路高频高压脉冲倍压为负极性的直流高压电源后，采集二次逆变下管驱动信号PW4，输出与负极性清洗电流同步的负极性高压维弧脉冲，确保电弧从正半周向负半周过渡时维持电弧或迅速引燃电弧；\n[0019] 步骤6，输出板电路模块的尖峰电压箝位单元将变压整流滤波单元输出的直流电压尖峰箝位在整流器件的安全电压范围内；同时，输出板电路模块的增压引弧电路单元在高频引弧期间为焊接回路提供引弧脉冲电压，输出板电路模块的高频耦合电路单元在高频引弧期间，将引弧/维弧电路模块的高频引弧电路单元的高频高压耦合至焊接回路，击穿保护气体，从而引燃电弧，实现焊接过程；\n[0020] 步骤7，保护电路单元采集输入整流滤波单元的输出电压、变压整流滤波单元输出端的负载电压及焊机内部温升信号，经分析处理后输出给主板电路模块的一次逆变控制单元及面板控制电路模块的微电脑控制单元，实现输入过欠压保护、输出短路保护、过热保护。\n[0021] 所述主板电路模块的一次逆变驱动单元在主板电路模块的一次逆变控制单元的开关及外特性控制下，为一次逆变开关单元提供驱动脉冲信号。\n[0022] 所述输出板电路模块的二次逆变驱动单元在微电脑控制单元的作用下，为二次逆变开关单元提供频率、脉宽可连续调节的驱动信号。\n[0023] 所述面板控制电路模块的信号处理电路单元将主板电路模块输出的异常保护信号Pro、焊机开关控制信号Ts、负载电压信号Uo、控制电路电源DC15V经抗扰处理和电平转换后输出给微电脑控制单元，同时也将微电脑控制单元输出的电流给定信号I g、一次逆变开关信号Wc、气阀控制信号Gc、防触电保护信号VRD、高频引弧控制信号HFc、二次逆变控制信号PWM3经抗扰处理和电平转换后输出给主板控制电路；微电脑控制单元通过采集分析主板电路模块输出的各种电压信号及面板控制电路模块的显示/按键电路单元的控制信号，一路为面板控制电路模块输出各种控制信号，一路为显示/按键电路单元提供数码显示及指示灯指示信号。\n[0024] 所述高频引弧电路单元将主板高频控制电路输出的交流电源多次倍压后，经过脉冲控制及LC振荡输出的高频高压小电流引弧脉冲为三千伏以上。\n[0025] 本发明提供的双逆变交流方波钨极氩弧焊机，采用全桥拓扑一次逆变主电路、半桥拓扑二次逆变主电路以及微电脑系统控制电路，同时创新设计增压引弧电路单元、同步稳弧电路单元以及防触电VRD电路，用于实现交流方波钨极氩弧焊机的大功率、小体积、低成本、多功能、数字化、易操作的目的，全桥一次逆变电路与半桥二次逆变电路组合减小了电源功耗、节省了材料成本、压缩了整机体积、减小整机重量、增加了焊机的便携性、提高了使用暂载率。\n[0026] 本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：\n[0027] 1、微电脑控制面板简洁、显示直观、操作容易；\n[0028] 2、多种新的焊接模式一机多用；\n[0029] 3、多组用户数据存取及掉电记忆可节省设置时间；\n[0030] 4、全面的焊接工艺参数精密控制减小了焊接难度、提高了焊接工艺效果；\n[0031] 5、新的VRD功能既解决了防触电模式下手工焊难引弧问题，又提高了使用安全性；\n[0032] 6、增压引弧功能显著提升了交流氩弧焊在低温环境下一次引弧成功率；\n[0033] 7、同步稳弧电路单元成功解决了交流氩弧焊易断弧难题。\n附图说明\n[0034] 图1为本发明的整机电路结构示意图；\n[0035] 图2为本发明的电路原理图。\n具体实施方式\n[0036] 下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。\n[0037] 如图1所示，本实施例所述的双逆变交流方波钨极氩弧焊机，其包括：主板电路模块100、输出板电路模块200、面板控制电路模块300、引弧/维弧电路模块400四大模块。主板电路模块的输入端通过电源开关与外部交流输入电源插头连接，主板电路模块的输出端通过多芯排线与输出板电路模块的输入端连接，输出板电路模块的输出端通过铜排电缆分别与焊机正/负输出接口连接，面板控制电路模块通过多芯排线与主板电路模块的控制端口连接，引弧/维弧电路模块的输入端通过多芯排线与输出板电路模块的控制端口连接，引弧/维弧电路模块的输出端通过高频耦合电感与输出板电路模块的输出端口连接。\n[0038] 主板电路模块包括：输入整流滤波单元101、辅助电源单元102、一次逆变开关单元103、气阀/高频控制电路单元104、焊枪开关控制单元105、保护电路单元106、一次逆变控制单元107、一次逆变驱动单元108八个单元。其中，输入整流滤波单元的输入端与电源开关连接，输入整流滤波单元的输出端分别与辅助电源单元和一次逆变开关单元的输入端连接，辅助电源单元的输出端分别与各单元的电源供给端连接，一次逆变开关单元的输出端与输出板的变压整流滤波单元的输入端连接，一次逆变驱动单元的输入端与一次逆变控制单元的输出端连接，一次逆变驱动单元的输出端与一次逆变开关单元的控制端连接，一次逆变控制单元的输入端分别与保护电路单元的输出端和控制板电路模块的信号处理电路单元的输入输出端连接，保护电路单元的输入端与输入整流滤波单元的输出端连接，气阀/高频控制电路单元的输入端与输入整流滤波单元的输入端连接，气阀/高频控制电路单元的输出端分别与气阀和引弧/维弧电路模块的高频引弧电路单元的输入端连接。焊枪开关控制单元的输入端通过焊机控制插口与焊炬开关连接，焊枪开关控制单元的输出端与面板控制电路模块的信号处理电路单元连接。\n[0039] 输出板电路模块包括：变压整流滤波单元201、二次逆变开关单元202、尖峰电压箝位单元203、二次逆变驱动单元204、增压引弧电路单元205、高频耦合电路单元206六个单元。其中，变压整流滤波单元的输入端与主板电路模块的一次逆变开关单元的输出端连接，变压整流滤波单元的输出端与二次逆变开关单元的输入端连接，二次逆变开关单元的输出端通过铜排电缆与焊机正输出接口连接，二次逆变驱动单元的输入端通过多芯排线与主板控制端口连接，二次逆变驱动单元的输出端与二次逆变开关单元的控制端连接，尖峰电压箝位单元的输入输出端与变压整流滤波单元的输出端连接，增压引弧电路单元的输入端与变压整流滤波单元的输出端连接，增压引弧电路单元的输出端与二次逆变开关单元的输入端连接，高频耦合电路单元的输入端与引弧/维弧电路模块的高频引弧电路单元的输出端连接，高频耦合电路单元的输出端通过铜排电缆与焊机负输出接口连接。\n[0040] 面板控制电路模块包括：信号处理电路单元301、微电脑控制单元302、显示/按键电路单元303三个单元。其中，信号处理电路单元的输入输出/端口分别与微电脑控制单元和主板一次逆变控制单元的输入端连接，微电脑控制单元与显示/按键电路单元通过总线适时双向通讯。\n[0041] 引弧/维弧电路模块包括：稳弧电路单元401、高频引弧电路单元402两个单元。\n其中，稳弧电路单元的输入/输出端通过多芯排线与输出板的变压整流滤波单元的输出端连接，高频引弧电路单元的输入端通过双芯排线与主板电路模块的气阀/高频控制电路单元的输出端连接，高频引弧电路单元的输出端通过高频耦合电感与焊机负输出接口连接。\n[0042] 本实施例中，所述的双逆变交流方波钨极氩弧焊机的控制方法，其工作过程包括以下步骤(结合附图2所述的电路原理图进行描述)：\n[0043] 步骤1，电网经电源开关为输入整流滤波单元(由主板C1～C6、L1、BR1、BR2等组成)提供交流输入电源，经整流滤波电路整流滤波为一次直流高压DC280V～370V，所述直流高压一路经辅助电源单元产生焊机控制电路所需的多路低压直流电源(包含DC18V、DC15V、DC15V、DC12V等电压输出)，另一路经一次逆变开关单元(由主板Q11～Q19、C77～C80、R105～R114等组成)整流为高频高压交流脉冲(60KHz)；\n[0044] 步骤2，所述高频高压交流脉冲经变压整流滤波单元(由输出板T1、D1～D9、C1～C7、R2～R5等组成)降压整流滤波为直流低压电源(DC60V～80V)，再经二次逆变开关单元(由输出板R40～R52、Q5～Q15等组成)整流为焊接所需的直流或交流方波电源；\n[0045] 步骤3，气阀/高频控制电路单元(由主板K4、K5等组成)是在微电脑控制单元的控制下，为氩弧焊提供提前送气、滞后关气、高频引弧所需的交流电源(AC180V～260V)；\n焊枪开关控制单元(由主板T2、L2、U6、R11～R14、C32～C36等组成)为微电脑控制单元提供氩弧焊模式的开启及关闭信号；\n[0046] 步骤4，高频引弧电路单元(由引弧/稳弧板D1～D5、C1～C8、Q1、Q2等组成)将主板高频控制电路输出的交流电源多次倍压后，经过脉冲控制及LC振荡电路振荡输出三千伏以上的高频高压小电流引弧脉冲，确保氩弧焊高频模式下能顺利引燃电弧。\n[0047] 步骤5，稳弧电路单元(由引弧/稳弧板Q3、D11、D12、C12、C13等组成)将主变压器(输出板T1)输出的另一路高频高压脉冲倍压为负极性的直流高压(DC180V～250V)电源后，采集二次逆变下管驱动信号PW4，输出与负极性清洗电流同步的负极性高压维弧脉冲，确保电弧从正半周向负半周过渡时维持电弧或迅速引燃电弧；\n[0048] 步骤6，尖峰电压箝位单元将变压整流滤波单元输出的直流电压尖峰箝位在整流器件的安全电压范围内，确保交流方波焊接模式下整流器件不致过压损坏；同时，增压引弧电路单元在高频引弧期间为焊接回路提供远高于焊机空载电压的引弧脉冲电压，可极大改善高频引弧成效果；高频耦合电路单元(由输出板L2、C24、RY2等组成)在高频引弧期间，将高频引弧电路单元的高频高压耦合至焊接回路，以击穿保护气体，从而引燃电弧，实现焊接过程。\n[0049] 步骤7，保护电路单元(由主板U9A、D32～D35等组成)采集输入整流滤波单元的输出电压、变压整流滤波单元输出端的负载电压及焊机内部温升信号，经分析处理后输出给一次逆变控制单元及微电脑控制单元，以实现输入过欠压保护、输出短路保护、过热保护；\n[0050] 所述一次逆变驱动单元在一次逆变控制单元(由主板U12、U10、U9C、U11、R54～R89、C51～C70等组成)的开关及外特性控制下，为一次逆变开关单元提供驱动脉冲信号；\n[0051] 所述二次逆变驱动单元在微电脑控制单元的作用下，为二次逆变开关单元(由输出板R40～R52、Q5～Q15等组成)提供频率、脉宽可连续调节的驱动信号；\n[0052] 所述信号处理电路单元将主板电路模块输出的异常保护信号Pro、焊机开关控制信号Ts、负载电压信号Uo、控制电路电源DC15V经抗扰处理和电平转换后输出给微电脑控制单元，同时也将微电脑控制单元输出的电流给定信号Ig、一次逆变开关信号Wc、气阀控制信号Gc、防触电保护信号VRD、高频引弧控制信号HFc、二次逆变控制信号PWM3经抗扰处理和电平转换后输出给主板控制电路；微电脑控制单元通过采集分析主板电路模块输出的各种电压信号及按键电路的控制信号，一路为主板控制电路输出各种控制信号，一路为显示/按键电路单元提供数码显示及指示灯指示信号。\n[0053] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。