CN103100785A - 一种数字化逆变弧焊机输出极短路自动保护*** - Google Patents

一种数字化逆变弧焊机输出极短路自动保护*** Download PDF

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本发明公开了一种数字化逆变弧焊机输出极短路自动保护***，包括用于提供焊机所需电流和电压的逆变主电路，用于获取焊机输出极的输出电压的反馈电路，根据反馈电路的反馈电压发出开关信号的单片机电路，根据开关信号控制逆变主电路输出电流和电压的导通或断开的脉冲宽度调制控制电路。本发明的通过单片机和PWM控制电路控制焊机的输出，防止因为短路而造成焊机的损坏，也不用关机排除短路故障，方便、快捷、安全。

Description

一种数字化逆变弧焊机输出极短路自动保护***
技术领域
本发明涉及金属焊接设备领域，尤其涉及一种数字化逆变弧焊机输出极短路自动保护***。
背景技术
我国目前市场上的逆变弧焊机由于没有输出极短路自动保护功能，即使在焊接的时候有一些绝缘的保护措施，但是在实际的焊接作业过程中，焊机在各种复杂的使用现场，如造船厂、野外钢构、桥梁施工等，电焊机与焊接点较远，有的甚至达到100米远，使得输出极电览经常出现破损、砸断短路等现象，导致焊机的输出极经常短路。出现上述异常情况，如果现场作业人员没有及时发现，会造成焊机的瞬间输出电流增大，就会损坏焊机，损坏更多的电缆，引起电网的负载增加等等异常情况，尤其在潮湿场地施工会电击现场作业人员，在风干物燥场地出现短路情况，更容易引起火灾等安全隐患。
发明内容
本发明的目的，就是克服现有技术的不足，提供一种具有输出极短路保护的数字化逆变弧焊机输出极短路自动保护***和使用该***的焊机。
为了达到上述目的，采用如下技术方案：
一种数字化逆变弧焊机输出极短路自动保护***，包括用于提供焊机所需电流和电压的逆变主电路，还包括用于获取焊机输出极的输出电压的反馈电路，根据反馈电路的反馈电压发出开关信号的单片机电路，根据开关信号控制逆变主电路输出电流和电压的导通或断开的脉冲宽度调制控制电路。
进一步地，所述反馈电路包括霍尔电压传感器和比较电路，所述霍尔电压传感器将所述焊机输出极的输出电压转化为反馈电压输出至比较电路，通过比较电路的跟随器将所述反馈电压输出至单片机电路。
进一步地，所述霍尔电压传感器的输出端与跟随器的第一输入端连接，所述跟随器的第二输入端与其输出端连接，所述霍尔电压传感器的输出端与跟随器的第一输入端之间还设有用于调节反馈电压大小的调节电位器。
进一步地，还包括上拉电路，所述反馈电压经过上拉电路后连接至所述单片机电路；所述单片机电路通过判断反馈电压与预设的电压值大小，输出控制信号至脉冲宽度调制控制电路。
进一步地，所述脉冲宽度调制控制电路包括偏置电路和控制芯片，所述控制芯片的电压输入端和偏置电路连接。
进一步地，所述控制芯片为UC3846。
进一步地，所述偏置电路包括第一三极管和第二三极管，所述第一三极管的发射极接地，集电极连接至第二三极管的基极，基极连接至单片机的输出控制端；所述第二三极管发射极连接至15V电源，集电极连接至控制芯片的电压输入端。
进一步地，所述逆变主电路包括控制输出电流和电压的开关控制器，所述开关控制器为绝缘栅双极型晶体管，所述控制芯片连接至绝缘栅双极型晶体管的栅极，控制绝缘栅双极型晶体管的导通或关闭。
一种数字化逆变弧焊机，包括所述的***，还包括显示电路，所述显示电路与逆变主电路连接，用于显示焊机实时的电压和电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明检测反馈电压，通过单片机比较反馈电压与预设的电压值判断焊机是否正常工作，在焊机短路后，自动进入了保护状态，无需关机。同时焊机一直在检测焊机输出极的电压信号，待焊机短路故障排除后，焊机检测到正常的电压反馈信号，则焊机自动恢复正常工作。本发明无需担心焊机损坏，也不用关机排除短路故障，方便、快捷、安全。
另外，实际的焊机过程中接触起弧时会有短暂的短路，让单片机误判焊机处于短路状态。为了防止单片机误判，将预设的电压值降低。
附图说明
图1是实施例所述数字化逆变焊机输出极短路自动保护***流程图；
图2是实施例所述数字化逆变焊机输出极短路自动保护***结构图；
图3是实施例所述数字化逆变焊机输出极短路自动保护***的反馈电路的结构图；
图4是实施例所述数字化逆变焊机输出极短路自动保护***的单片机电路的结构图；
图5是实施例所述电压反向单元的电路结构图；
图6是实施例所述脉冲信号单元的电路结构图；
图7是本发明所述数字化逆变焊机输出极短路自动保护***的脉冲宽度调制控制电路的结构示意图。
图示：1—逆变主电路；2—反馈电路；3—单片机电路；4—脉冲宽度调制控制电路。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施方法来详细说明本发明，在本发明的示意性实施及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
请参阅图1，其为数字化逆变焊机输出极短路自动保护***流程图。其主要包括以下步骤：
S10：获取反馈电压。
S20：比较反馈电压与预设的电压值，判断反馈电压是否正常，若正常进行步骤S10，若不正常，进行步骤S30。
S30：偏置电路控制脉冲宽度调制控制电路，令绝缘栅双极型晶体管关闭。
在焊机正常工作的情况下，偏置电路控制脉冲宽度调制（PWM）控制电路，令绝缘栅双极型晶体管（IGBT）导通，从而逆变主电路输出焊机正常工作需要的电流和电压。在焊机短路的情况下，本***实时检测反馈电压，通过反馈电压与预设的电压值比较，得出反馈电压异常，从而单片机控制偏置电路，促使PWM控制电路控制IGBT关闭，令逆变主电路零输出，达到关闭输出的目的。
请参阅图2，本***包括用于提供焊机所需电流和电压的逆变主电路1，用于获取焊机输出极的输出电压的反馈电路2，根据反馈电路的反馈电压发出开关信号的单片机电路3，根据开关信号控制逆变主电路输出电流和电压的导通或断开的脉冲宽度调制控制电路4。逆变主电路1产生焊机所需的电流和电压，反馈电路2通过采集焊机输出极的电压信号，交给单片机电路3判断焊机是否正常工作，若不正常工作，脉冲宽度调制控制电路4关闭逆变主电路1的输出。
请参阅图3，所述反馈电路包括霍尔电压传感器S1和比较电路。管脚JP6的一端接在焊机输出的正极上，另一端接在焊机输出极的负极上。所述霍尔电压传感器S1的输出端V0与跟随器U3B的第一输入端5脚连接，所述跟随器U3B的第二输入端6脚与其输出端7脚连接。霍尔电压传感器S1的输出端V0与跟随器的第一输入端5脚之间还设有用于调节反馈电压大小的调节电位器RV1。正常情况下焊机的包括负载电压和空载电压的输出电压是20.8～70V，反馈电压通过VSM025A型霍尔电压传感器S1将输出电压转化为反馈电压信号，VSM025A型霍尔电压传感器S1的匝比为2500：1000，工作范围：10～500V电压，其具有低温漂、精度高、线性度好、响应时间快、抗干扰能力强的优点。调节电位器RV1可以在跟随器的5脚产生一个0～5V的反馈电压，通过电压跟随器U3B到达7脚，即WeldVol的电压和5脚的电压一样，由此可将此信号送到下一级的处理单元。所述跟随器U3B的型号为LM358。
请参阅图4，从焊机输出极正、负两端取得的反馈信号后，转换为反馈电压WeldVol，再经过上拉电路后输入到单片机PIC16F877A-I/PT的20脚。由单片机来判断焊机是否工作正常。PIC16F87系列单片机是microchip生产的中级产品，具有FLASH存储器的8位COMS单片机，PIC16F87系列单片机采用高性能的哈佛结构的CPU和RISC指令集，CPU通过不同的总线访问存储器的指令和数据，提高了CPU的工作速度和效率，比传统的程序与数据共用的存储体和总线的冯诺依曼结构改善了带宽。其I/O端口驱动带负载能力较强，每个输出端口可以驱动达到25mA的负载，可以高电平直接驱动发光二极管、光电耦合器、小型继电器，也可以低电平直接驱动，大大简化了控制电路。单片机的RD0—RD7、RE0—RE2脚均为为显示输出端口，用于驱动数码管显示，显示焊机实时的电压和电流。单片机的RB0、RB1脚为预置电流调节信号输入端，外接编码器；RA0脚的WeldCur端口接焊机输出端霍尔的反馈信号，用于显示焊机的焊接电流；RC0输出脚接温控输入端，用于监控焊机的工作温度；RC1脚接过流信号检测输入端；RC2脚为预置电流信号输出端；RC3脚为PwrPWM信号输出端。
单片机从PIC16F877A-I/PT的RA1脚获取的电压信号WeldVol是正常的时候，单片机的RC3脚会输出一个PwrPWM信号给图7的PWM控制电路。图7中管脚JP101外接峰值检测信号输入端与斜坡补偿电压叠加输入到控制芯片UC3846的ISEN+脚，即控制芯片的电流检测信号同相输入端，用来检测焊机变主压器原边的峰值电流。所述峰值检测信号为焊机主变压器原边的感应信号，通过套在原边的变压器将原边电流信号整除后通过全波整流加在负载电阻上的电压信号。原边峰值电流关系到焊机的输出电流，峰值电流越大，焊机的输出电流越大。通过接入峰值检测信号，将反馈回来的峰值检测信号参与PWM调节，能限制焊机的最大输出电流。当原边电流峰值突然异常变大时，能够通过迅速降低控制芯片UC3846的AOUT脚和BOUT脚的输出驱动波形的占空比，从而起到调节焊接电流的作用。所述斜坡补偿电压通过控制芯片UC3846的CT脚依次经过电阻R129、三极管Q105、电阻R116、电容C119和电阻R124产生。斜坡补偿电压提高了电路稳定性，避免占空比大于50%时引起工作电流扰动，减少开关频率在二分之一时的次谐波振荡。
图7的S-1端口接电流控制脉冲信号，其由图5所述的电压反向单元和图6所述的脉冲信号单元共同产生。请参阅图5，SetWeldCur端口接单片机的RC2脚，从单片机输出的控制信号通过电压反向单元输出负极性电压信号至脉冲信号单元。所述电压反向单元包括运算放大器U202A和运算放大器U202B，所述运算放大器U202A的正输入极接收主控芯片电路的预设的推力引弧电流信号，负输入极连接至其输出极；所述运算放大器U202B的负输入极通过电阻R223和电阻R219连接至运算放大器U202A的输出极、并通过电阻R220连接至其输出极，正输入极接地。电压反向单元的作用是运算放大器U2O2A实现电压跟随，降低输出阻抗提高负载能力，运算放大器U202B使SetWeldCur信号反相，起到隔离作用和增加对后级电路的驱动能力。请参阅图6，所述脉冲信号单元将所述负极性电压信号转化为驱动信号。JP201接霍尔电压传感器，将霍尔电压传感器的信号引入到脉冲信号单元。脉冲信号单元包括运算放大器U201B和运算放大器U201C，所述运算放大器U201B的负输入极连接至其输出极；所述运算放大器U201C的负输入极连接至运算放大器U201B的输出极，并通过电阻R216连接至其输出极，其正输入极接地，输出极连接至PWM控制电路，进而驱动PWM控制电路控制逆变主电路的开关器件的导通时间，控制逆变主电路输出电流。S-1端口用来调节控制芯片UC3846的AOUT脚和BOUT脚的输出驱动波形的占空比，进而调节焊机的输出电流的大小。单片机的PwrPWM信号连接至图4的PwrPWM端口，控制第一三极管Q103，进而控制控制芯片UC3846的VIN脚，作为控制芯片UC3846的偏置电路输入端。所述偏置电路包括第一三极管Q104和第二三极管Q103，所述第一三极管Q104的发射极接地，集电极连接至第二三极管Q103的基极，基极连接至单片机PIC16F877A-I/PT的输出控制端RC3；所述第二三极管Q103发射极连接至15V电源，集电极连接至控制芯片UC3846的电压输入端VIN。当PwrPWM为高电平时，偏置电路断开，控制芯片UC3846断电，所以PWM控制电路UC3846的AOUT脚和BOUT脚就不可以正常输出PWM信号驱动IGBT正常工作。当PwrPWM为低电平时，偏置电路导通，控制芯片UC3846供电正常，所以控制芯片UC3846的AOUT脚和BOUT就可以正常输出PWM信号驱动IGBT正常工作。
焊机短路自动保护功能的实现：根据下降特性焊机电源负载电压U2=(20+0.04I2)，其中I2≤600A。设定焊机的最小电流为20A，则焊机正常工作时最小的工作电压为20.8V，当焊机的焊接电流I2≥600A时，负载电压为44V，而焊机空载电压为70V。所以焊机没有短路的情况下输出电压范围为20.8～70V。按照反馈电压信号所取的比例为70：5。所以正常时WeldVol的取值范围是1.48V～5V。当WeldVol处于正常的范围时，单片机PIC16F877A-I/PT的RC3脚会输出一个低电平的PwrPWM信号给PWM控制电路，让偏置电路输入端正常供电，整个PWM控制电路正常工作，从而驱动IGBT，让焊机正常工作。
本发明的电压比较通过单片机程序设定，焊机的输出电压理论上低于20.8V时，即WeldVol的数值低于1.48V，则可以设定焊机处于短路状态，但是在实际的焊机过程中接触起弧时会有短暂的短路，让单片机误判焊机处于短路状态。所以为了减少出现误判的情况，单片机程序在设计时，设计焊机的输出电压低于13V时，即WeldVol的数值为小于0.92V时判断焊机为短路状态。当焊机输出极短路时，输出为0，电压低于单片机程序设定的13V，WeldVol的数值为小于0.92V，低于焊机正常时的1.48V，单片机获取短路信号后，马上关闭PwrPWM的信号输出，从而使PWM控制芯片UC3846停止工作，进而IGBT停止工作，焊机进入自动保护状态，焊机的输出电压和电流均为0。当短路状态排除时，WeldVol的数值恢复到1.48V～5V。焊机正常工作。无需进行关机动作，也无需担心焊机因为短路而损坏焊机，大大提高了焊机的安全性能。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种数字化逆变弧焊机输出极短路自动保护***，包括用于提供焊机所需电流和电压的逆变主电路，其特征在于：还包括用于获取焊机输出极的输出电压的反馈电路，根据反馈电路的反馈电压发出开关信号的单片机电路，根据开关信号控制逆变主电路输出电流和电压的导通或断开的脉冲宽度调制控制电路。
2.根据权利要求1所述的数字化逆变弧焊机输出极短路自动保护***，其特征在于：所述反馈电路包括霍尔电压传感器和比较电路，所述霍尔电压传感器将所述焊机输出极的输出电压转化为反馈电压输出至比较电路，通过比较电路的跟随器将所述反馈电压输出至单片机电路。
3.根据权利要求2所述的数字化逆变弧焊机输出极短路自动保护***，其特征在于：所述霍尔电压传感器的输出端与跟随器的第一输入端连接，所述跟随器的第二输入端与其输出端连接，所述霍尔电压传感器的输出端与跟随器的第一输入端之间还设有用于调节反馈电压大小的调节电位器。
4.根据权利要求2所述的数字化逆变弧焊机输出极短路自动保护***，其特征在于：还包括上拉电路，所述反馈电压经过上拉电路后连接至所述单片机电路；所述单片机电路通过判断反馈电压与预设的电压值大小，输出控制信号至脉冲宽度调制控制电路。
5.根据权利要求1所述的数字化逆变弧焊机输出极短路自动保护***，其特征在于：所述脉冲宽度调制控制电路包括偏置电路和控制芯片，所述控制芯片的电压输入端和偏置电路连接。
6.根据权利要求5所述的数字化逆变弧焊机输出极短路自动保护***，其特征在于：所述控制芯片为UC3846。
7.根据权利要求1所述的数字化逆变弧焊机输出极短路自动保护***，其特征在于：所述偏置电路包括第一三极管和第二三极管，所述第一三极管的发射极接地，集电极连接至第二三极管的基极，基极连接至单片机的输出控制端；所述第二三极管发射极连接至15V电源，集电极连接至控制芯片的电压输入端。
8.根据权利要求1所述的数字化逆变弧焊机输出极短路自动保护***，其特征在于：所述逆变主电路包括控制输出电流和电压的开关控制器，所述开关控制器为绝缘栅双极型晶体管，所述控制芯片连接至绝缘栅双极型晶体管的栅极，控制绝缘栅双极型晶体管的导通或关闭。
9.一种数字化逆变弧焊机，其特征在于：包括权利要求1—8任一权利要求所述的***，还包括显示电路，所述显示电路与逆变主电路连接，用于显示显示焊机实时的电压和电流。
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