埋弧焊电源交直流方波控制器

摘要

本发明公开了一种埋弧焊电源交直流方波控制器，属一种用于埋弧焊的电源控制器，所述控制器包括：主控模块，接入IGBT驱动模块及控制器的电源输入端；IGBT驱动模块，接入逆变模块；逆变模块，接入控制器的电源输出端，主要包括由多个相互并联的绝缘栅双极型晶体管IGBT构成全桥逆变电路。通过独立的主控模块对逆变电路中的IGBT进行电压与电流脉冲宽度调制控制，以及焊接方波频率与输出电极的正负平衡比调节，使得控制器的正负平衡比可调范围较宽，输出电流及电压控制精确，且主控模块还可对控制器的输入电源进行各类故障检测；可与现有的直流埋弧焊电源配合实现交直流功能选择以及方波频率控制的埋弧焊功能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于埋弧焊的电源控制器，更具体的说，本发明主要涉及 一种埋弧焊电源交直流方波控制器。

背景技术

埋弧焊是自动化程度较高、生产效率高、焊缝成形好、无弧光辐射的一种 焊接设备，被广泛应用于桥梁、锅炉、造船、石油化工、海洋工程、核工业等 领域的厚板焊接。目前，各大行业使用的埋弧焊绝大多数是采用大功率直流电 源，大多存在磁偏吹现象，对熔深和熔敷率的调节和控制较难。随着国内埋弧 焊焊接工艺的提高，为加大融深和提高焊接生产效率，派生出了很多新的埋弧 焊工艺，如双丝和多丝埋弧焊、窄间隙埋弧焊、带极埋弧焊、添加粉末埋弧焊、 添加磁性焊剂埋弧焊等。为了适应这些焊接工艺，对埋弧焊电源又提出了新的 要求，而交流电源具有电流波形调节参数多、工艺实用性广，而且无直流电弧 存在的磁偏吹现象等优点，其应用范围广泛；对于直流电源存在的焊剂稳弧性 较差，对焊接工艺稳定性有较高要求，不适合在小电流范围、快速引弧、短焊 缝、高速焊的场合应用；但目前直流埋弧焊机在市场的保有量非常大，如统一 更换交流电源，直流电源将面临闲置或被淘汰，进而造成使用成本升高，因而 有必要针对直流埋弧焊机的交流电源应用做进一步的改进和研究。

发明内容

本发明的目的之一在于针对上述不足，提供一种埋弧焊电源交直流方波控 制器，以期望解决现有技术中直流埋弧焊电源存在的埋弧焊稳定性差，不适用 于各类要求较高的焊接操作等技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明所提供的一种埋弧焊电源交直流方波控制器，所述控制器包括：

主控模块，接入IGBT驱动模块及控制器的电源输入端，用于对电源输入端 的当前电流及电压进行动态采样，并将来自于控制端的各项参数转换为控制信 号，再传输至IGBT驱动模块；IGBT驱动模块，接入逆变模块，用于将来自于主 控模块的控制信号，进行隔离放大后输出至逆变模块，以控制当前逆变模块电 压及电流的输出；逆变模块，接入控制器的电源输出端，主要包括由多个相互 并联的绝缘栅双极型晶体管IGBT构成全桥逆变电路，用于由全桥逆变电路的上 桥臂按照控制信号控制焊接电流及电压的大小，由全桥逆变电路的下桥臂按照 控制信号控制焊接方波频率及输出电极的正负平衡比。

作为优选，进一步的技术方案是：所述控制器还包括人机交互模块，所述 人机交互模块接入主控模块的控制端，主控模块通过控制端与人机交互模块进 行通信，用于由人机交互模块设置埋弧焊电源的各项参数，并进行存储后传输 至主控模块。

更进一步的技术方案是：所述的人机交互模块中包括单片机，且与主控模 块之间通过SPI串行接口进行通信。

更进一步的技术方案是：所述逆变模块中的绝缘栅双极型晶体管IGBT为四 个，且相互连接组成的全桥逆变电路呈H型，所述四个绝缘栅双极型晶体管IGBT 均分别接入IGBT驱动模块，用于由主控模块通过IGBT驱动模块对全桥逆变电 路上桥臂中的两只绝缘栅双极型晶体管IGBT进行PWM控制，对下桥臂中的两只 绝缘栅双极型晶体管IGBT进行焊接方波频率及输出电极的正负平衡比调节。

更进一步的技术方案是：所述主控模块的内部还集成有进行控制器电源输 入端的过压、欠压、过流、过热及通讯连线故障判断的预设值。

更进一步的技术方案是：所述主控模块还接入埋弧焊主机的电源模块，用 于根据控制器电源输入端的当前电流及电压动态采样的情况，控制电源模块输 出电流及电压的大小。

更进一步的技术方案是：所述IGBT驱动模块为TLP250型光电耦合器。

更进一步的技术方案是：所述主控模块也为单片机。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：通过独立的主控模块对逆变 电路中的IGBT进行电压与电流脉冲宽度调制控制，以及焊接方波频率与输出电 极的正负平衡比调节，使得控制器的正负平衡比可调范围较宽，输出电流及电 压控制精确，且主控模块还可对控制器的输入电源进行各类故障检测；可与现 有的直流埋弧焊电源配合实现交直流功能选择以及方波频率控制的埋弧焊功 能，同时本发明所提供的一种埋弧焊电源交直流方波控制器结构简单，适于工 业化生产，可集成于各类直流埋弧焊电源上配合使用，应用范围广阔。

附图说明

图1为用于说明本发明一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

参考图1所示，本发明的一个实施例是一种埋弧焊电源交直流方波控制器， 该控制器包括：

主控模块，接入IGBT驱动模块及控制器的电源输入端，用于对电源输入端 的当前电流及电压进行动态采样，并将来自于控制端的各项参数转换为控制信 号，再传输至IGBT驱动模块；通过前述的控制端即可使控制器与外部设备相配 合，使用户进行埋弧焊接参数的设置；

IGBT驱动模块，接入逆变模块，用于将来自于主控模块的控制信号，进行 隔离放大后输出至逆变模块，以控制当前逆变模块电压及电流的输出；

逆变模块，接入控制器的电源输出端，主要包括由多个相互并联的绝缘栅 双极型晶体管IGBT构成全桥逆变电路，用于由全桥逆变电路的上桥臂按照控制 信号控制焊接电流及电压的大小，由全桥逆变电路的下桥臂按照控制信号控制 焊接方波频率及输出电极的正负平衡比。

在本实施例中，主控模块内设有独立的电流通道和电压通道，电流或电压 信号与给定参数信号输入到其内部的PWM脉宽调制芯片SG3525A（或TL494）进 行PI运算，结果输出到IGBT驱动模块的控制信号来控制电流或者电压的输出， 实现恒流或者恒压的目的。主控模块根据设置的焊接参数，利用内部的软件产 生10-99HZ方波和20%至80%的正负平衡信号，也输出到IGBT驱动模块，实现 焊接的频率和正负平衡的调节。采用单总线DS18B20芯片，做温度检测，可精 确检测模块的温度情况，实现温度保护和监控。电流检测采用霍尔电流传感器， 将采集到的电流信号转换为比例电压信号，由单片机AD转换口，采集进单片机， 进行数据计算，并判断是否过流。

通过本实施例中记载的控制器，即可与现有的直流埋弧焊电源配合实现交 直流功能选择以及方波频率控制的埋弧焊功能，即可使目前市场保有量较大的 老式直流埋弧焊机升级为一台带有直流/交流功能、恒流特性/恒压特性选择功 能、交流/直流手工焊功能，且电流达到1250A的交直流方波埋弧焊。

再参考图1所示，在本发明用于解决技术问题更加优选的一个实施例中， 为方便用户对埋弧焊的焊接参数进行设置，还可在上述的控制器中增设人机交 互模块，将人机交互模块接入主控模块的控制端，主控模块通过控制端与人机 交互模块进行通信，用于由人机交互模块设置埋弧焊电源的各项参数，并进行 存储后传输至主控模块。通过在人机交互模块中预设多种焊接参数，可由此形 成用户焊接参数库。

进一步的，为保证上述的人机交互模块与主控模块实现高速通信，需要在 人机交互模块中设置单片机，且与主控模块之间通过SPI串行接口进行通信， 通过SPI高速串行接口，使数据传输可达到1M/秒。

仍然参考图1所示，在本发明用于解决技术问题更加优选的另一个实施例 中，为方便主控模块对逆变模块的上桥臂与下桥臂进行控制，发明人还对逆变 模块的内部电路结构重新进行了设计，具体将上述逆变模块中的绝缘栅双极型 晶体管IGBT设置为四个，且它们相互连接组成的全桥逆变电路呈H型，同时将 四个绝缘栅双极型晶体管IGBT均分别接入IGBT驱动模块，用于由主控模块通 过IGBT驱动模块对全桥逆变电路上桥臂中的两只绝缘栅双极型晶体管IGBT进 行PWM控制，对下桥臂中的两只绝缘栅双极型晶体管IGBT进行焊接方波频率及 输出电极的正负平衡比调节。

另一方面，针对上述主控模块还对控制器电源输入端的当前电流及电压进 行动态采样，在上述主控模块的内部软件还可集成进行控制器电源输入端的过 压、欠压、过流、过热及通讯连线故障判断的预设值，通过将控制器内部电路 的当前状态与多种不同的预设值进行比较，即可对控制器的故障进行检测，亦 可配合相应的外围电路进行声光报警。

正如图1所示出的，在本发明的另一实施例中，为保证控制器的正常使用， 需向其电源输入端输入相对稳定的电压及电流，使直流电可被逆变为用于焊接 的交流电，因而主控模块的内部最好再集成电源控制程序，即将主控模块接入 埋弧焊主机的电源模块，用于根据控制器电源输入端的当前电流及电压动态采 样的情况，控制电源模块输出电流及电压的大小。

发明人最大的改进之一在于，采用主回路IGBT组成H全桥逆变电路，上桥 臂两只IGBT模块控制方式为PWM脉宽调制方式来进行电流、电压调节，下桥臂 两只IGBT模块来进行方波频率和正负平衡的调节。

另一方面，为使本领域技术人员能顺利实现本发明，发明人还公开了其在 试验过程中所采用的、且效果较佳的各类电路元件，具体为采用TLP250型光电 耦合器作为上述的IGBT驱动模块，采用单片机作为上述的主控模块；其中，作 为主控模块的单片机与人机交互模块中所包括的单片机，均可采用美国ATMEL 公司的AVR系列ATmega16A单片机，此单片机自带10位高速AD转换,可动态采 集实时电流电压参数，并通过I/O接口实时监控外部信号，和人机交互模块实 时通讯。而组成H全桥逆变电路的绝缘栅双极型晶体管IGBT则是一种BJT(双极 型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体 器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另 一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者 特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现 同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一 个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、 结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应 该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和 实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公 开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行 多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域 技术人员来说，其他的用途也将是明显的。