一種igbt單管全橋逆變手工電弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種IGBT單管全橋逆變手工電弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)，通過IGBT管套管腳護(hù)套、控制板和功率板放入各自護(hù)蓋中并澆注環(huán)氧灌封料，兩種方式來解決防塵性能問題，可避免逆變焊機(jī)長期使用后工作現(xiàn)場的一些含導(dǎo)電性金屬粉塵吸附到IGBT管等器件引腳之間、各控制電路板上，一定程度上提高了焊機(jī)工作可靠性；通過配置大風(fēng)量、高速直流冷卻風(fēng)機(jī)，利用功率板、IGBT散熱器、絕緣隔板、快恢復(fù)二極管散熱器和輸出整流板之間構(gòu)成良好風(fēng)道來改善發(fā)熱主功率關(guān)鍵零部件的冷卻效率，提高了大電流輸出時(shí)的負(fù)載持續(xù)率，解決了焊接時(shí)間短的問題，有效降低了IGBT或快恢復(fù)二極管、逆變變壓器的故障率。
【專利說明】
一種IGBT單管全橋逆變手工電弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實(shí)用新型涉及一種IGBT單管全橋逆變手工電弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)，屬于逆變焊機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]手工電弧焊機(jī)的銷售量很大，應(yīng)用范圍較廣。然而，此類焊機(jī)，不同的電路、電路板和整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制原理和方式不同，電路板和整機(jī)的布局和連接方式，或者連接的復(fù)雜程度不同，其產(chǎn)品生產(chǎn)的工序和制作工藝等也會(huì)完全不同。這些都會(huì)影響產(chǎn)品的性能、可靠性、生產(chǎn)效率和運(yùn)輸成本等，最終影響產(chǎn)品的市場競爭力。
[0003]目前，國內(nèi)外市場上，小型MOS管、IGBT管逆變式手工電弧焊機(jī)的額定電流通常在80?200A(負(fù)載持續(xù)率100?20%)的水平。對(duì)此類焊機(jī)產(chǎn)品來說，在低成本下，如果設(shè)計(jì)不好，會(huì)出現(xiàn)如下一些問題:I)抗網(wǎng)壓波動(dòng)能力差。例如，當(dāng)供電電網(wǎng)的輸入電源電壓較低，如180VAC以下時(shí)，即使是采用較細(xì)的電焊條，焊機(jī)也無法進(jìn)行正常焊接。這就使焊機(jī)的應(yīng)用范圍受到了一定的限制;2)負(fù)載持續(xù)率低，有的焊機(jī)只能達(dá)到10?25%。原因:焊機(jī)冷卻風(fēng)扇的配置、關(guān)鍵器件(如IGBT及其散熱器、快恢復(fù)二極管及其散熱器、主變壓器等)的冷卻風(fēng)道設(shè)計(jì)不合理。這會(huì)導(dǎo)致焊機(jī)工作的負(fù)載持續(xù)率降低，即可焊接的時(shí)間較短。問題嚴(yán)重的，還會(huì)導(dǎo)致IGBT或快恢復(fù)二極管炸管或損壞、逆變變壓器燒壞;3)防塵性能不好，導(dǎo)致焊機(jī)工作可靠性降低。逆變焊機(jī)長期使用后，工作現(xiàn)場的一些含導(dǎo)電性金屬粉塵會(huì)吸附到IGBT管等器件引腳之間、控制電路板上，導(dǎo)致爬電距離減小、器件和控制電路失效;4)拉弧性能不好，容易斷弧。小型逆變焊機(jī)，往往是一些非專業(yè)的人員操作設(shè)備。這些人員沒有受過焊接操作培訓(xùn)，其操作手法容易出現(xiàn)電弧長度忽長忽短現(xiàn)象，使電弧不穩(wěn)定，甚至經(jīng)常斷弧。如果電焊機(jī)的控制電路和性能不好，電弧長度稍微拉長一些，例如3?5mm，就會(huì)導(dǎo)致電弧熄滅，焊接過程中斷。在供電電源電壓降低時(shí)，這種現(xiàn)象會(huì)更加明顯。因此，如何在低成本的前提下，解決好上述問題，開發(fā)出結(jié)構(gòu)和性能好、可靠性高的焊機(jī)，是本實(shí)用新型解決的問題和目的。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型的目的在于提供一種IGBT單管全橋逆變手工電弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)，通過IGBT管套管腳護(hù)套、控制板和功率板放入各自護(hù)蓋中并澆注環(huán)氧灌封料，兩種方式來解決防塵性能問題，可避免逆變焊機(jī)長期使用后工作現(xiàn)場的一些含導(dǎo)電性金屬粉塵吸附到IGBT管等器件引腳之間、各控制電路板上，一定程度上提高了焊機(jī)工作可靠性;通過配置大風(fēng)量、高速直流冷卻風(fēng)機(jī)，利用功率板、IGBT散熱器、絕緣隔板、快恢復(fù)二極管散熱器和輸出整流板之間構(gòu)成良好風(fēng)道來改善發(fā)熱主功率關(guān)鍵零部件的冷卻效率，提高了大電流輸出時(shí)的負(fù)載持續(xù)率，解決了焊接時(shí)間短的問題，有效降低了 IGBT或快恢復(fù)二極管、逆變變壓器的故障率;通過采用新型控制電路的設(shè)計(jì)來解決“抗網(wǎng)壓波動(dòng)能力差”和“拉弧性能不好易斷弧”問題;本實(shí)用新型的電路板設(shè)計(jì)為三個(gè)部分，各部分控制板采用了大量的貼片器件，少量器件為插件式的，電路板的生產(chǎn)采用自動(dòng)化的裝配和焊接等先進(jìn)工藝加工技術(shù)。不僅縮小了產(chǎn)品尺寸，降低重量和運(yùn)輸成本，而且電路板之間的連接控制線很少，制作工藝也得到了簡化，更加方便生產(chǎn)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的采用以下技術(shù)方案:
[0006]一種IGBT單管全橋逆變手工電弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)，包括殼體部分、前面板部分、后面板部分和內(nèi)部的電路部分，其特征在于:內(nèi)部的電路部分包括有整流橋、IGBTl、IGBT2的散熱器1、功率板、整流輸出板、快恢復(fù)二極管的散熱器IV、控制板、IGBT3的散熱器11、IGBT4的散熱器II1、逆變主變壓器、輸出連接件、IGBT管的管腳護(hù)套、功率板或功率控制板的護(hù)蓋、絕緣隔板和塑料板風(fēng)罩以及功率板上的濾波電解電容、繼電器、驅(qū)動(dòng)變壓器和開關(guān)電源變壓器;所述的GBT3的散熱器I1、IGBT4的散熱器II1、整流橋和IGBT的散熱器I分別通過兩個(gè)螺絲固定在功率板上，整流橋、IGBT分別通過各自的螺絲固定在散熱器I上，絕緣隔板通過螺絲固定在散熱器I上，快恢復(fù)二極管的散熱器IV通過螺絲固定在絕緣隔板上，整流輸出板則通過6顆螺絲固定在散熱器IV上，通過螺絲組裝連接方式使主要零部件構(gòu)成一個(gè)整體，該部分還被塑料板風(fēng)罩所包圍，而塑料板風(fēng)罩通過螺絲固定在殼體部分的底板上，這樣就在功率控制板、IGBT散熱器和快恢復(fù)二極管散熱器之間構(gòu)成了風(fēng)道一，而塑料板風(fēng)罩則構(gòu)成了風(fēng)道二。
[0007]所述的IGBT管的管腳都套有腳護(hù)套，腳護(hù)套套入后再焊接到功率板上，功率板和控制板均放入護(hù)蓋中，并澆注環(huán)氧灌封料。
[0008]所述的功率板包括開關(guān)電源電路、IGBT驅(qū)動(dòng)控制電路和全橋逆變電路的一部分；開關(guān)電源電路主要包括開關(guān)電源變壓器、穩(wěn)壓管、快速二極管、開關(guān)電源控制芯片T0P264VG，以及它們周圍的電阻、電容。
[0009]所述的控制板上，布置有UC3846 PWM脈寬調(diào)制芯片、一個(gè)四運(yùn)算放大器和817光耦，以及電阻和電容、穩(wěn)壓管和二極管。
[0010]所述的整流輸出電路板上，布置有四個(gè)快恢復(fù)二極管以及八個(gè)電阻、二個(gè)電容。
[0011]所述的前面板上安裝有:正、負(fù)極輸出快速接頭座組件、工作電源指示燈及熱保護(hù)指示燈、控制板、電流數(shù)字顯示控制板或數(shù)顯板。
[0012]所述的后面板上安裝有:電源開關(guān)、供電電源線、冷卻風(fēng)機(jī)。
[0013]本實(shí)用新型，通過“IGBT管采用管腳護(hù)套”、“數(shù)顯板+控制板或控制板，以及功率板放入各自護(hù)蓋中并澆注環(huán)氧灌封料”兩種方式來解決防塵性能問題。這些技術(shù)措施，可避免逆變焊機(jī)長期使用后工作現(xiàn)場的一些含導(dǎo)電性金屬粉塵吸附到IGBT管等器件引腳之間、各控制電路板上。不會(huì)導(dǎo)致爬電距離減小。器件和控制電路不容易失效。這就一定程度上提高了焊機(jī)工作可靠性;通過配置大風(fēng)量、高速(4000?6000rpm/min )直流冷卻風(fēng)機(jī)，利用“功率板、IGBT散熱器、絕緣隔板、快恢復(fù)二極管散熱器和輸出整流板之間構(gòu)成良好風(fēng)道”來改善發(fā)熱主功率關(guān)鍵零部件的冷卻效率，提高了大電流輸出時(shí)的負(fù)載持續(xù)率(有的機(jī)型可高達(dá)100%，相當(dāng)于進(jìn)行連續(xù)焊接)，解決了焊接時(shí)間短的問題。同時(shí)，有效降低了 IGBT或快恢復(fù)二極管、逆變變壓器的故障率;通過采用新型控制電路的設(shè)計(jì)來解決“抗網(wǎng)壓波動(dòng)能力差”和“拉弧性能不好易斷弧”問題。在新的控制電路作用下，當(dāng)電網(wǎng)輸入電源電壓較低，如130VAC時(shí)，采用細(xì)的電焊條，焊機(jī)也可進(jìn)行正常焊接;如果電源電壓升高不超過270VAC，都不會(huì)影響焊機(jī)焊接性能。這就提高了焊機(jī)的抗網(wǎng)壓波動(dòng)能力，擴(kuò)大了焊機(jī)的應(yīng)用范圍；即使是沒有受過焊接培訓(xùn)的非專業(yè)人員操作焊機(jī)，在其操作手法差、電弧長度忽長忽短的情況下，只要電弧長度拉長不超過8mm以上范圍，焊接電弧仍然穩(wěn)定。不容易出現(xiàn)電弧熄滅或斷弧現(xiàn)象。提高了電弧穩(wěn)定性。本實(shí)用新型的電路板設(shè)計(jì)為三個(gè)部分。各部分控制板采用了大量的貼片器件，少量器件為插件式的。電路板的生產(chǎn)采用自動(dòng)化的裝配和焊接等先進(jìn)工藝加工技術(shù)。不僅縮小了產(chǎn)品尺寸，降低重量和運(yùn)輸成本。而且電路板之間的連接控制線很少，制作工藝也得到了簡化，更加方便生產(chǎn)。
[0014]對(duì)不同電流等級(jí)和負(fù)載持續(xù)率要求的本實(shí)用新型焊機(jī)，可通過調(diào)整電路板上少量的零部件規(guī)格參數(shù)，形成不同輸出額定電流和負(fù)載持續(xù)率的產(chǎn)品。例如，改變IGBT器件的電流等級(jí)、數(shù)量(例如，兩只并聯(lián)作為一只使用。需要同時(shí)修改電路板設(shè)計(jì))和散熱器尺寸;改變快速恢復(fù)二極管的型號(hào)和參數(shù);改變逆變主變壓器和輸出濾波電抗器的規(guī)格和參數(shù)等，即可容易形成不同規(guī)格的系列產(chǎn)品。如200A/28V(30%負(fù)載持續(xù)率，下同)、180A/27.2V(40%)、160A/26.4V(60%)、140A/25.6V( 100%)等產(chǎn)品。額定電流越小的，則額定負(fù)載持續(xù)率越高。當(dāng)然，這些變化，目的是使產(chǎn)品的制作成本與相應(yīng)機(jī)器的規(guī)格參數(shù)和性能指標(biāo)相匹配。這樣，每種規(guī)格型號(hào)的焊機(jī)才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的成本控制。這就提升了所開發(fā)產(chǎn)品的市場競爭力。本實(shí)用新型焊機(jī)的電路原理、電路板和整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有自己的獨(dú)特之處。這也是申請(qǐng)本專利保護(hù)的根本目的所在。
【附圖說明】
[0015]附圖1是本實(shí)用新型帶數(shù)顯手弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]附圖2是本實(shí)用新型不帶數(shù)顯手弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]附圖3是本實(shí)用新型焊機(jī)的電路原理框圖；
[0018]附圖4是本實(shí)用新型焊機(jī)功率控制板的電路原理圖；
[0019]附圖5是本實(shí)用新型焊機(jī)的輸出整流電路原理圖；
[0020]附圖6是本實(shí)用新型焊機(jī)的控制板電路原理圖；
[0021 ]附圖7是本實(shí)用新型焊機(jī)的數(shù)顯板電路原理圖；
[0022]附圖8是本實(shí)用新型散熱風(fēng)扇與大功率電器元件配合示意圖。
[0023]附圖中各部件的名稱如下:1、手柄;2、外蓋;3、塑料板風(fēng)罩;4、管腳護(hù)套;5、IGBT1;
6、IGBT2;7、整流橋;8、散熱器I ;9、電解電容；10、功率板；11、繼電器；12、驅(qū)動(dòng)變壓器；13、開關(guān)電源變壓器；14、絕緣隔板；15、散熱器IV; 16、輸出整流板、17、逆變主變壓器；18、輸出連接件;19、散熱器II; 20、IGBT3; 21、IGBT4;22、散熱器III; 23、功率板的護(hù)蓋；24、電源開關(guān)；25、后塑料面板;26、電源線及固線器;27、冷卻風(fēng)機(jī);28、底板;29、前塑料面板;30、負(fù)極輸出快速接頭;31、正極輸出快速接頭;32、控制板;33、面板基板;34、電流調(diào)節(jié)電位器旋鈕。
【具體實(shí)施方式】
[0024]如圖1-8所示，一種IGBT單管全橋逆變手工電弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)，其主要包括:
[0025]I)前面板部分，主要有正極輸出快速接頭座組件31、負(fù)極輸出快速接頭座組件30、前塑料面板29，控制板32上的工作電源指示燈(白色)及熱保護(hù)指示燈(黃色)、面板基板33、輸出電流調(diào)節(jié)電位器旋鈕34等。
[0026]有數(shù)顯功能的機(jī)型，帶數(shù)顯的前面電路板組件由兩塊控制板構(gòu)成。其中一塊為帶電流顯示表的控制電路板，也稱為數(shù)顯板或數(shù)顯控制板。該控制板上有電流顯示表的顯示數(shù)據(jù)微調(diào)電位器、單片機(jī)或微處理器控制電路系統(tǒng)。還有電源指示和過流/過熱保護(hù)指示發(fā)光二極管，以及其它很多的電子元器件。另外一塊電路板，稱為控制板。該控制板上有輸出電流微調(diào)電位器、UC3846 PWM控制芯片、運(yùn)算放大器LM324芯片、兩個(gè)光電耦合器EL817或PC817芯片，還有其它很多的電子元器件。兩塊控制板之間，通過電路板上設(shè)計(jì)的連接件焊接在一起，板與板之間沒有采用外部連接線;其生產(chǎn)制作工藝得到了簡化;整個(gè)電路板部分(控制板或控制板+數(shù)顯板)放入一個(gè)護(hù)蓋中并澆注環(huán)氧灌封料，起到防塵作用，同時(shí)，固定安裝在面板基板33上。
[0027]不帶有數(shù)顯功能的機(jī)型，前面電路板組件由一塊控制板構(gòu)成，稱為控制板。與上述有數(shù)顯的機(jī)型使用的控制板是一樣的。只不過是把源指示和過流/過熱保護(hù)指示發(fā)光二極管焊裝到了該控制板上。
[0028]無論是有數(shù)顯的機(jī)型，還是不帶有數(shù)顯的機(jī)型，只有主控制板部分，通過該板上設(shè)計(jì)的插座或接插件及其它們的連接線與焊機(jī)的其它部分電路進(jìn)行連接。
[0029]2)后面板部分主要有電源開關(guān)24、供電電源線26、冷卻風(fēng)機(jī)27、后塑料面板25等；冷風(fēng)從焊機(jī)后部的進(jìn)氣孔進(jìn)入，可使焊機(jī)內(nèi)部的一些發(fā)熱器件或零部件有良好的冷卻效果O
[0030]3)外殼部分。包括外蓋2、底板28、提手手柄I等。
[0031 ] 4)內(nèi)部的電路部分包括整流橋7、IGBTl、IGBT2的散熱器1、功率板或功率控制板
10、整流輸出板16、快恢復(fù)二極管的散熱器IV、控制板32、IGBT3的散熱器II(19)、IGBT4的散熱器111、逆變主變壓器、輸出連接件、IGBT管的管腳護(hù)套、功率板的護(hù)蓋23、絕緣隔板14和塑料板風(fēng)罩3，功率板或功率控制板10上的濾波電解電容9)繼電器11、驅(qū)動(dòng)變壓器12、開關(guān)電源變壓器13等元器件；IGBT的管腳都采用管腳護(hù)套套入后，再焊接到功率板或功率控制板10上，功率板或功率控制板10放入護(hù)蓋23中，并澆注環(huán)氧灌封料;控制板32也放入其護(hù)蓋中，并澆注環(huán)氧灌封料;本實(shí)用新型通過上述方式來解決焊機(jī)的防塵性能問題。這些技術(shù)措施，可避免逆變焊機(jī)長期使用后工作現(xiàn)場的一些含導(dǎo)電性金屬粉塵吸附到IGBT管等器件引腳之間、控制電路板上。不會(huì)導(dǎo)致爬電距離減小。器件和控制電路不容易失效。這就一定程度上提高了焊機(jī)工作可靠性。
[0032]IGBT3的散熱器I1、IGBT4的散熱器II1、整流橋7和IGBT的散熱器I分別通過兩個(gè)螺絲固定在功率板或功率控制板10上;整流橋7、I IGBT5、IGBT6分別通過各自的螺絲固定在散熱器I上；絕緣隔板14通過螺絲固定在散熱器I上，快恢復(fù)二極管的散熱器IV通過螺絲固定在絕緣隔板14上，整流輸出板16則通過六顆螺絲固定在散熱器IV上;通過上述組裝、連接方式，使本實(shí)用新型逆變焊機(jī)的主要零部件構(gòu)成一個(gè)整體，該部分還被塑料板風(fēng)罩3所包圍，而塑料板風(fēng)罩3通過螺絲固定在焊機(jī)底板28上。這樣，就在大控制電路板、IGBT散熱器和快恢復(fù)二極管散熱器之間構(gòu)成了 “風(fēng)道一”，而塑料板風(fēng)罩3則構(gòu)成了“風(fēng)道二”。由于配置了大風(fēng)量、高速(5000?6000rpm/min)直流冷卻風(fēng)機(jī)(27)，“風(fēng)道一”、“風(fēng)道二”的存在，可改善發(fā)熱主功率關(guān)鍵零部件(如各IGBT、各快恢復(fù)二極管、各散熱器、整流橋、逆變主變壓器等)的冷卻效率。也提高了大電流(如200A)輸出時(shí)的負(fù)載持續(xù)率。如果焊機(jī)的輸出電流小，則負(fù)載持續(xù)率會(huì)更高。這就較好解決了焊接時(shí)間短的問題。同時(shí)，有效降低了 IGBT或快恢復(fù)二極管、逆變變壓器等器件或零部件的故障率。
[0033]在功率板10、整流輸出板16、控制板32上，還有很多的電子元器件及其組成的控制電路，如電阻、電容、二極管、穩(wěn)壓管、脈沖寬度調(diào)制器電路、開關(guān)電源控制芯片、微處理器控制電路等。
[0034]本實(shí)用新型不像其它多電路板結(jié)構(gòu)的焊機(jī)那樣，電路板之間有很多的控制連接線，不僅制作工序多和生產(chǎn)工藝復(fù)雜，而且電路板還占據(jù)空間大，使整機(jī)尺寸大、重量重。而采用本實(shí)用新型的電路板結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)，則可縮小電路板和整機(jī)的尺寸，降低產(chǎn)品重量、生產(chǎn)和運(yùn)輸成本。因控制線少，焊機(jī)生產(chǎn)加工工序少，制作工藝也大大簡化，更加方便生產(chǎn)。另外，在電路中還采用了微處理器控制。通過它，不僅簡化了電路，而且可方便地實(shí)現(xiàn)手工焊參數(shù)的數(shù)字顯不等控制功能。
[0035]從電路的控制功能來看，主要是完成供電電源的產(chǎn)生、Pmi脈沖寬度調(diào)節(jié)、IGBT管驅(qū)動(dòng)控制和逆變、手工焊方法的逆變電路輸出參數(shù)(電流、電壓)控制、保護(hù)控制等工作。最終在控制電路的作用下，實(shí)現(xiàn)手工電弧焊的各項(xiàng)控制要求。
[0036]本實(shí)用新型焊機(jī)上述各部分電路的工作原理簡述如下:附圖3是本實(shí)用新型焊機(jī)的電路原理框圖。由附圖3可見，焊機(jī)的電路主要由電源開關(guān)SI(根據(jù)焊機(jī)輸出電流大小的不同，可選擇25A或30A的開關(guān))、整流器或整流橋BD1、功率板或功率控制板、控制板、逆變主變壓器T8、整流輸出控制板或輸出板、冷卻風(fēng)扇FAN(根據(jù)焊機(jī)不同輸出電流和負(fù)載持續(xù)率的要求，可選擇配置12V或24V的直流高速風(fēng)扇)等組成。電源開關(guān)SI控制焊機(jī)供電電源;整流器或整流橋BDl則是把交流變換為直流;功率板或功率控制板部分，包括開關(guān)電源電路、IGBT驅(qū)動(dòng)控制電路和部分全橋逆變電路。開關(guān)電源電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生+12V、+ 15V、-12V電源電壓；IGBT驅(qū)動(dòng)控制電路，則在控制板產(chǎn)生的PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的控制作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)控制，最終通過全橋逆變電路實(shí)現(xiàn)由直流到幾十KHz交流的變換;逆變主變壓器T8則實(shí)現(xiàn)降壓、變流;再通過輸出板或整流輸出控制板把幾十KHz交流的低壓、大電流信號(hào)整流變換為焊接所需要的直流，便于焊接。0UT(+)代表焊機(jī)的正極性輸出端;OUT(-)代表焊機(jī)的負(fù)極性輸出端。其它相關(guān)控制板的電路原理圖見附圖4、附圖5、附圖6所示。進(jìn)一步的工作原理說明如下:焊機(jī)通電后，電源開關(guān)Sl(24)接通電網(wǎng)電源。從電網(wǎng)來的交流電，先經(jīng)過BDl整流橋(7)整流后變?yōu)槊}動(dòng)直流電，送至功率板或功率控制板(10)的A、B兩端。通過功率板(1 )上的可控硅Q5的導(dǎo)通，再經(jīng)RTI熱敏電阻，之后，對(duì)ECI?2電解電容(根據(jù)焊機(jī)輸出電流大小的不同，可選擇470UF/400V或680UF/400V的電容)(9)進(jìn)行充電。ECl?2電解電容上的電壓逐漸升高，最后變?yōu)檩^為穩(wěn)定的+310V直流電。ECl?EC2電解電容起到濾波的作用。+310V直流電一方面供給由IGBTl?IGBT4管、(附圖3中)T8逆變主變壓器、(附圖5中)D1~D4快速恢復(fù)二極管、(附圖4中)T5初級(jí)母線電流檢測(cè)互感器等組成的全橋逆變主電路。其功能主要為:高壓直流電轉(zhuǎn)換為中頻(幾十KHz)交流電。(附圖3中)T8逆變變壓器實(shí)現(xiàn)電壓降壓和大電流輸出的變換。(附圖5中)D1~D4快速恢復(fù)二極管則是把逆變變壓器輸出的中頻交流電變換為直流電。另一方面，供給由83開關(guān)電源變壓器(13)(有四個(gè)繞組，分別是【、似、似、N4。.是初級(jí)繞組，其它是次級(jí)繞組)、TVS1和Z2~Z3穩(wěn)壓管、D16?D17和D21?D23等快速二極管、UlO開關(guān)電源控制芯片(T0P264VG)，以及它們周圍的電阻(R1、R2、R35等)、電容(C30?〇31、03丄34、(:17丄21等)等器件組成的開關(guān)電源電路，產(chǎn)生+12￥、+15￥、-12￥電源電壓，供給其它的控制電路等帶電工作。由于B3開關(guān)電源變壓器的初級(jí)繞組NI，以及它們周圍的TVSl穩(wěn)壓管、D27二極管等組成的電路，是連接至+310V的，屬于高壓回路。為確保控制電路的安全，在附圖4中，采用了U5 EL817光電耦合器進(jìn)行隔離。開關(guān)電源的核心控制芯片是U10，即T0P264VG芯片。關(guān)于開關(guān)電源這部分電路的工作原理，要進(jìn)一步詳細(xì)了解的話，需要去了解開關(guān)電源和T0P264VG開關(guān)電源控制芯片的相關(guān)工作原理和知識(shí)。介于篇幅的關(guān)系，這里僅僅是作了一個(gè)簡要的說明。總之，開關(guān)電源控制電路部分，可在B3的2個(gè)電壓輸出電路部分，分別獲得+12V、+ 15V、-12V電源電壓。供給其它不同的器件和電路使用。例如，+ 12V供給12V的直流高速風(fēng)扇FAN;兩個(gè)12V之間的24V電壓，供給24V的直流高速風(fēng)扇;+15V供給驅(qū)動(dòng)控制電路和控制板電路等。由開關(guān)電源部分的電路及原理可知，本實(shí)用新型沒有采用一般的控制變壓器和相關(guān)的電壓變換電路來產(chǎn)生上述3個(gè)電源電壓。其電路取電來自主回路中的+310V。開關(guān)變壓器的體積和尺寸、重量遠(yuǎn)小于一般的控制變壓器，這就降低本實(shí)用新型焊機(jī)的成本，提升了焊機(jī)的技術(shù)附加值。
[0037]本實(shí)用新型開關(guān)電源電路，有如下的優(yōu)點(diǎn):在電網(wǎng)電壓波動(dòng)的情況下，即使是在130VA0270VAC電壓波動(dòng)范圍，開關(guān)電源電路仍然能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的+12V、+ 15V、-12V電源電壓。這就可以保證焊機(jī)其它控制電路的正常工作。實(shí)驗(yàn)表明:在本實(shí)用新型的控制電路作用下，當(dāng)電網(wǎng)輸入電源電壓較低，如130VAC時(shí)，采用細(xì)的電焊條，焊機(jī)也可進(jìn)行正常焊接;如果電源電壓升高不超過270VAC，都不會(huì)影響焊機(jī)焊接性能。這就提高了焊機(jī)的抗網(wǎng)壓波動(dòng)能力，擴(kuò)大了焊機(jī)的應(yīng)用范圍。這就較好解決了“抗網(wǎng)壓波動(dòng)能力差”的問題。
[0038]附圖4中，J20A繼電器，根據(jù)焊機(jī)輸出電流的不同，可選擇30A/24V、40A/24V的繼電器。J20A繼電器的動(dòng)作時(shí)間是滯后于電源開關(guān)Sl(24)合上時(shí)刻的。由U0UTL431)程控管進(jìn)行控制，故J20A繼電器是延時(shí)動(dòng)作的。當(dāng)ECl?EC2電解電容上的充電電壓穩(wěn)定后，該繼電器才動(dòng)作。動(dòng)作后，其觸頭閉合RTl熱敏電阻的支路，使本實(shí)用新型焊機(jī)正常逆變工作時(shí)，大電流是從繼電器的觸頭流過的。這樣的電路，稱為上電緩沖電路。主要是防止電源開關(guān)Sl(24)接通瞬間，由于ECl?EC2電解電容(9)上沒有電壓，相當(dāng)于短路，會(huì)形成較大的浪涌電流，燒壞電源開關(guān)SI (24 )。而上電緩沖電路的作用，就是通過合閘瞬間Q5晶閘管導(dǎo)通、串入RTI熱敏電阻的方法來限制浪涌電流的。并且，RTl熱敏電阻的阻值，是隨其溫度上升而增大的。因此，上電緩沖電路可起到較好的保護(hù)作用。
[0039]附圖4中，T6驅(qū)動(dòng)變壓器(分為初級(jí)T6A，次級(jí)T6B、T6C、T6D、T6E)及其外圍的二極管(包括 D12?D15和 D18?D20、D22)、電阻(包括 R3、R7?R8、R10?R12、R50?R51、R57?R66等)、電容(包括 C32、C35-C36 )、穩(wěn)壓管 ZD2?ZD5、三極管(Q2-Q3、Q6-Q7 )、驅(qū)動(dòng)芯片 U8 和 Ul 5 (TC4420 )等組成IGBTl?IGBT4的驅(qū)動(dòng)電路。4個(gè)(根據(jù)焊機(jī)輸出電流不同，也可以是8個(gè)，每2個(gè)為一組，并聯(lián)使用。這需要同步修改電路板設(shè)計(jì))IGBT，4路驅(qū)動(dòng)，每個(gè)部分的驅(qū)動(dòng)電路形式是一致的。該部分電路，輸入的控制信號(hào)來自附圖4中的J28插頭，實(shí)際上也是與附圖6中的Xl插頭相連接的，見附圖3。由于附圖6中的UC3846芯片輸出的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)功率小，故需要經(jīng)過IGBT的驅(qū)動(dòng)控制電路進(jìn)行放大，再通過T6驅(qū)動(dòng)變壓器(12)及其外圍的驅(qū)動(dòng)電路去控φ?」4個(gè)(或8個(gè)，原因同之前的說明)IGBT的工作狀態(tài)。附圖4中，驅(qū)動(dòng)電路輸入的控制信號(hào)是由附圖6中的Ul脈沖寬度調(diào)制(PWM)芯片(UC3846)的A、B端輸出的控制信號(hào)。這些信號(hào)是一組方波脈沖信號(hào)。方波脈沖信號(hào)有一個(gè)固定的頻率。是保障IGBT開關(guān)工作的重要參數(shù)之一。該時(shí)間是通過UC3846芯片的外圍器件參數(shù)設(shè)置而確定的。至于如何確定，需要查看UC3846的相關(guān)使用資料或說明。介于篇幅的關(guān)系，這里不再重復(fù)說明。需要說明的是:PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)是決定焊機(jī)逆變主電路輸出電壓和電流大小的信號(hào)。
[0040 ]附圖6是本實(shí)用新型焊機(jī)的控制板電路原理圖。附圖6中，UI (UC3846 )是PffM脈沖寬度控制芯片;U2是四運(yùn)算放大器芯片;U3是光藕。1插頭連接至功率板的J15插頭，實(shí)際上就是連接至逆變主電路中逆變主變壓器的初級(jí)電流互感器T5的次級(jí)繞組。通過該互感器，檢測(cè)逆變主變壓器的初級(jí)電流，獲得焊機(jī)輸出控制所需要的電流反饋控制信號(hào)。OUT插頭，連接至焊機(jī)的輸出端，見附圖3所示。功率板的J28插頭，則連接至控制板的Xl插頭。見附圖3和附圖4所示。J28插頭輸出的控制信號(hào)，為IGBT驅(qū)動(dòng)電路的輸入控制信號(hào)，也就是使全橋逆變主電路中IGBT進(jìn)行通或斷控制的信號(hào)。0T1-1和0T2-1連接至過熱保護(hù)器的BI和B2端子。過熱保護(hù)器安裝在功率板上IGBT的鋁散熱器上。OT(Y-LED)為過熱保護(hù)指示燈(黃色)，安裝在焊機(jī)前面板上。PO(W-LED)為電源指示燈，也安裝在焊機(jī)前面板上。當(dāng)焊機(jī)控制電路產(chǎn)生+15V后，PO(W-LED)電源指示燈點(diǎn)亮，指示焊機(jī)帶電工作。+5V電源電壓來自UUUC3846)的2腳，是由該芯片的內(nèi)部參考電源(Vref)輸出的電壓。可供給相關(guān)的電路使用。RAl是焊機(jī)的電流調(diào)節(jié)電位器。RA是焊機(jī)輸出電流的校正調(diào)節(jié)電位器。U2A運(yùn)算放大器及其外圍器件組成的電路為PI控制電路。是本控制板上的核心電路之一。由附圖6可見，RAl電流調(diào)節(jié)電位器給出的Ug電流給定信號(hào)通過R27等輸入到PI運(yùn)算放大器的輸入一端；電流互感器T5檢測(cè)到的信號(hào)，通過DI ~D4整流變換后，獲得輸出電流控制的負(fù)反饋Uf i信號(hào)。該電流負(fù)反饋Uf i信號(hào)則通過R20、D5輸入到PI運(yùn)算放大器的輸入端，與Ug電流給定信號(hào)進(jìn)行比較。之后，經(jīng)過PI控制環(huán)節(jié)，U2A運(yùn)算放大器輸出的Uk控制信號(hào)決定著UUUC3846)芯片輸出的PffM脈沖信號(hào)的時(shí)間寬度。當(dāng)Ug電流給定信號(hào)和電流負(fù)反饋Ufi信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)使P麗脈沖信號(hào)的時(shí)間寬度發(fā)生改變，最終通過逆變主電路，實(shí)現(xiàn)焊機(jī)輸出電壓和電流的變化，以滿足手工電弧焊接的性能控制要求。如果電流互感器T5檢測(cè)到的信號(hào)過大，即發(fā)生過流現(xiàn)象時(shí)，控制電路會(huì)關(guān)閉Ul PffM芯片的脈沖輸出，使焊機(jī)停止輸出電流，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。
[0041]附圖6中，在焊接輸出過程中，當(dāng)IGBT散熱器發(fā)生過熱現(xiàn)象時(shí)，或者當(dāng)焊機(jī)內(nèi)部的熱保護(hù)器工作時(shí)，U2C運(yùn)算放大器的輸出狀態(tài)發(fā)生變化，一方面使OT(Y-LED)過熱保護(hù)指示燈(黃色)點(diǎn)亮，另一方面使三極管Q3導(dǎo)通，限制電流給定信號(hào)?？刂齐娐窌?huì)關(guān)閉Ul PffM芯片的脈沖輸出，使焊機(jī)停止輸出電流。同時(shí)，焊機(jī)停止焊接輸出。在冷卻風(fēng)機(jī)的作用下，當(dāng)IGBT散熱器的溫度下降到一定程度后，或當(dāng)焊機(jī)內(nèi)部的過熱現(xiàn)象消除、熱保護(hù)器恢復(fù)時(shí)，控制電路才能繼續(xù)輸出PWM控制信號(hào)。同時(shí)過熱指示燈(黃色)媳滅。這就實(shí)現(xiàn)了焊機(jī)過熱保護(hù)。
[0042]附圖6中，U3光藕只有當(dāng)Z2穩(wěn)壓管被擊穿、穩(wěn)壓后，其內(nèi)部的發(fā)光二極管才會(huì)發(fā)光。其實(shí)，也就是焊機(jī)輸出的電壓超過一定數(shù)值后，才會(huì)出現(xiàn)這種情況。此時(shí)，U3光藕內(nèi)部的三極管導(dǎo)通，+15V加至R34輸入端，控制U2B運(yùn)算放大器的輸出電平，這樣也就控制了焊機(jī)的輸出電壓。反之，如果焊機(jī)的輸出0UT(+)和OUT(-)兩端長時(shí)間短路，Z2穩(wěn)壓管就不會(huì)被擊穿，U3光藕內(nèi)部的三極管不導(dǎo)通。U2B輸出高電平，使Ul Pmi輸出的脈寬變得較小，這將把焊機(jī)的輸出電流控制到很小，從而實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)功能。
[0043]本實(shí)用新型焊機(jī)手工電弧焊輸出特性的簡要控制過程簡述如下:
[0044]焊機(jī)后面板的開關(guān)SI合上接通供電電源極短的時(shí)間后(此期間，焊機(jī)電路進(jìn)行上電緩沖控制，有一定的延時(shí)控制)，焊機(jī)內(nèi)部的上述各控制板帶電工作。前面板上的電源指示LED燈亮，指示焊機(jī)帶電。焊機(jī)內(nèi)部的IGBT PWM脈沖寬度控制電路產(chǎn)生一個(gè)占空比較大的脈沖信號(hào)，使IGBT的驅(qū)動(dòng)電路工作，使IGBT處于交替導(dǎo)通狀態(tài)，最終使單端正激逆變主電路輸出空載電壓。當(dāng)操作者調(diào)節(jié)好前面板上焊接電流的電位器，并進(jìn)行焊接時(shí)，控制電路通過T5電流互感器，可檢測(cè)到輸出電流信號(hào)。經(jīng)過信號(hào)處理，并以此作為電流負(fù)反饋控制Ufi信號(hào)，與焊接電流給定Ug信號(hào)進(jìn)行比較。比較后的差值信號(hào)，進(jìn)行PI(比例和積分)調(diào)節(jié)控制，再輸入到焊機(jī)輸出Pmi控制電路，其輸出的結(jié)果控制焊機(jī)輸出Pmi芯片的脈沖寬度或占空比，決定焊機(jī)輸出電流和電壓的大小，實(shí)現(xiàn)輸出電流參數(shù)的準(zhǔn)確控制。并使焊機(jī)的輸出特性滿足手工電弧焊接的要求。進(jìn)一步地說，當(dāng)焊接電流給定信號(hào)不變時(shí)，隨著焊機(jī)電路檢測(cè)到的電流增加，并且，達(dá)到給定的設(shè)定值后，焊接電流給定信號(hào)與電流負(fù)反饋控制信號(hào)的差值會(huì)隨電流增加而減小，通過PI控制后，使焊機(jī)輸出PWM芯片的脈沖寬度或占空比減小，焊機(jī)的輸出電壓降低。這一過程，也就是所謂的電流截止負(fù)反饋控制。即只有當(dāng)電流達(dá)到焊接電流電位器的設(shè)定值Ug后才起作用的反饋控制。此后，隨著電流微小的增加，電壓降低會(huì)很多。當(dāng)電壓下降到一定數(shù)值以下時(shí)，隨著電壓的降低，控制電路可使焊機(jī)輸出PWM芯片的脈沖寬度或占空比增加，使焊接電流按照設(shè)定的參數(shù)增大，最終形成恒流帶外拖的下降特性。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明:本實(shí)用新型焊機(jī)的推力電流大約為幾十A(安培)。當(dāng)焊接電流給定Ug信號(hào)變化時(shí)，電流截止負(fù)反饋設(shè)定值不同，但其它的控制過程是類似的。這樣，在電位器設(shè)定的最小和最大之間，就可獲得無數(shù)條下降特性曲線。這樣的控制，也是滿足手工電弧焊接的基本要求。關(guān)于電流的反饋和PWM及輸出特性控制過程，可參見其它相關(guān)的控制原理說明作進(jìn)一步的了解。
[0045]本實(shí)用新型焊機(jī)的上述控制電路，通過實(shí)際性能測(cè)試，性能良好。即使是沒有受過焊接培訓(xùn)的非專業(yè)人員操作焊機(jī)進(jìn)行手工電弧焊接，在其操作手法差、電弧長度忽長忽短的情況下，只要電弧長度拉長不超過8mm以上范圍，焊接電弧仍然穩(wěn)定。不容易出現(xiàn)電弧熄滅或斷弧現(xiàn)象。這就提高了電弧穩(wěn)定性。解決了 “拉弧性能不好易斷弧”的問題。
[0046]附圖7是本實(shí)用新型焊機(jī)的數(shù)顯板電路原理圖。對(duì)于有數(shù)顯功能的焊機(jī)，才有此部分的電路及其控制板。附圖7中，Ul是7805三端穩(wěn)壓器，其輸出產(chǎn)生+5V電壓，供給顯示系統(tǒng)電路工作。其供電電源通過Jl插頭，連接至本實(shí)用新型焊機(jī)的控制板12V直流電源插座。POWER是電源指示燈。有數(shù)顯功能的焊機(jī)，其面板上的電源指示燈就是使用本部分的指示燈。類似地，OP是過熱指示燈，其連接線連接至前面提及的控制板上相應(yīng)的過熱指示燈位置。附圖7中，U2是MCU單片機(jī)(如STM8S003系列等hSMG是數(shù)碼管組件(如CPS03631BG等)。在顯示控制電路的作用下，與焊機(jī)前面板上的電流調(diào)節(jié)電位器配合，可使SMG顯示10-200(這里以200A機(jī)型為例。如果是160A機(jī)型，則通過修改控制程序，顯示20-160。其它的機(jī)型，類似處理)數(shù)值。RPl是顯示數(shù)值與焊機(jī)實(shí)際電流偏差的校正電位器。通過調(diào)節(jié)它，可使SMG組件顯示的數(shù)值與焊機(jī)實(shí)際輸出電流大小一致。本數(shù)顯板電路中，U2 MCU單片機(jī)是核心。關(guān)于它是如何使用的，涉及許多單片機(jī)控制方面的知識(shí)，需要查看相關(guān)的資料等了解。介于篇幅的關(guān)系，這里不再重復(fù)說明。
[0047]以上是本實(shí)用新型焊機(jī)各個(gè)電路板部分的簡要控制過程說明。由于本實(shí)用新型已經(jīng)給出了附圖1?附圖7的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路原理圖，因此，對(duì)于有焊機(jī)結(jié)構(gòu)和電路閱讀能力(或具備相關(guān)知識(shí))的人來說，是完全可以讀懂的。電路圖就是一種無聲的語言。但是，對(duì)于沒有電路閱讀能力(或不具備相關(guān)電路知識(shí))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(guān)系，本文只能闡述主要的部分，以使讀者能夠更好地理解相關(guān)的工作原理和過程。
[0048]通過上述說明可見，本實(shí)用新型有自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路和方法。不僅實(shí)現(xiàn)了焊機(jī)的手工焊方法輸出等控制，而且，所設(shè)計(jì)的控制電路，包括它們的電路板和相互之間的連接關(guān)系，以及焊機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，都是使本實(shí)用新型焊機(jī)產(chǎn)品具有控制性能良好、焊機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊等技術(shù)優(yōu)勢(shì)的根本原因所在，也是滿足產(chǎn)品高效和低成本生產(chǎn)、高可靠性、制造工藝技術(shù)先進(jìn)性的重要保障。本實(shí)用新型專利申請(qǐng)保護(hù)的內(nèi)容就在于保護(hù)這種焊機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0049]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的焊機(jī)結(jié)構(gòu)和電路板及控制功能對(duì)本實(shí)用新型所作的詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施只限于這些說明。對(duì)本實(shí)用新型所述技術(shù)領(lǐng)域的其他技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干其它的推演和變換，這些都應(yīng)該視為屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范疇。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種IGBT單管全橋逆變手工電弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)，包括殼體部分、前面板部分、后面板部分和內(nèi)部的電路部分，其特征在于:內(nèi)部的電路部分包括有整流橋、IGBTl、IGBT2的散熱器1、功率板、整流輸出板、快恢復(fù)二極管的散熱器IV、控制板、IGBT3的散熱器I1、IGBT4的散熱器II1、逆變主變壓器、輸出連接件、IGBT管的管腳護(hù)套、功率板或功率控制板的護(hù)蓋、絕緣隔板和塑料板風(fēng)罩以及功率板上的濾波電解電容、繼電器、驅(qū)動(dòng)變壓器和開關(guān)電源變壓器；所述的GBT3的散熱器I1、IGBT4的散熱器II 1、整流橋和IGBT的散熱器I分別通過兩個(gè)螺絲固定在功率板上，整流橋、IGBT分別通過各自的螺絲固定在散熱器I上，絕緣隔板通過螺絲固定在散熱器I上，快恢復(fù)二極管的散熱器IV通過螺絲固定在絕緣隔板上，整流輸出板則通過6顆螺絲固定在散熱器IV上，通過螺絲組裝連接方式使主要零部件構(gòu)成一個(gè)整體，該部分還被塑料板風(fēng)罩所包圍，而塑料板風(fēng)罩通過螺絲固定在殼體部分的底板上，這樣就在功率控制板、IGBT散熱器和快恢復(fù)二極管散熱器之間構(gòu)成了風(fēng)道一，而塑料板風(fēng)罩則構(gòu)成了風(fēng)道--O2.如權(quán)利要求1所述的一種IGBT單管全橋逆變手工電弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的IGBT管的管腳都套有腳護(hù)套，腳護(hù)套套入后再焊接到功率板上，功率板和控制板均放入護(hù)蓋中，并澆注環(huán)氧灌封料。3.如權(quán)利要求1所述的一種IGBT單管全橋逆變手工電弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的功率板包括開關(guān)電源電路、IGBT驅(qū)動(dòng)控制電路和全橋逆變電路的一部分;開關(guān)電源電路主要包括開關(guān)電源變壓器、穩(wěn)壓管、快速二極管、開關(guān)電源控制芯片T0P264VG，以及它們周圍的電阻、電容。4.如權(quán)利要求1所述的一種IGBT單管全橋逆變手工電弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的控制板上，布置有UC3846 PffM脈寬調(diào)制芯片、一個(gè)四運(yùn)算放大器和817光耦，以及電阻和電容、穩(wěn)壓管和二極管。5.如權(quán)利要求1所述的一種IGBT單管全橋逆變手工電弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的整流輸出電路板上，布置有四個(gè)快恢復(fù)二極管以及八個(gè)電阻、二個(gè)電容。6.如權(quán)利要求1所述的一種IGBT單管全橋逆變手工電弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的前面板上安裝有:正、負(fù)極輸出快速接頭座組件、工作電源指示燈及熱保護(hù)指示燈、控制板、電流數(shù)字顯示控制板或數(shù)顯板。7.如權(quán)利要求1所述的一種IGBT單管全橋逆變手工電弧焊機(jī)的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的后面板上安裝有:電源開關(guān)、供電電源線、冷卻風(fēng)機(jī)。
【文檔編號(hào)】B23K9/10GK205437431SQ201521109710
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2015年12月28日
【發(fā)明人】孫敏, 魏繼昆, 朱宣東, 陳法慶, 朱宣輝
【申請(qǐng)人】浙江肯得機(jī)電股份有限公司