CN103418892A - 一种具有能量保持回路的焊接电源装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种具有能量保持回路的焊接电源装置及控制方法包括电压输出电路、功率开关管Q1驱动电路、电流切换功率开关管Q2驱动电路、电源电流反馈滤波电路、电源电压反馈滤波电路、核心控制电路，还设置了具有能量保持回路的焊接电源主电路；电压输出电路向焊接电源主电路提供电压，焊接电源主电路中的功率开关管Q1和Q2分别受功率开关管Q1驱动电路和功率开关管Q2驱动电路的控制；电源电流反馈滤波电路用于对流过电弧负载的电流反馈信号滤波；所述的电源电压反馈滤波电路用于对电弧负载电压反馈信号滤波；核心控制电路控制焊接电源主电路中的能量保持功率开关管Q1和电流切换功率开关管Q2的通断2。

Description

一种具有能量保持回路的焊接电源装置及控制方法

技术领域

本发明属于热加工技术领域，特别涉及一种熔化极气体保护焊接设备。 

技术背景

熔化极气体保护焊接工艺主要采用两种熔滴过渡过程，一种是短路过渡工艺，另一种是脉冲过渡工艺。两种工艺方法一般都采用等速送焊丝配合直流平外特性电源模式工作。短路过渡焊接工艺中，电弧处于间歇燃烧状态，热输入相对较小，熔池的体积也较小，所以在管道等全位置焊接中尤其具有重要意义。但是，常规短路过渡焊接具有焊缝成形差，焊接飞溅大的缺点。 

为了抑制短路产生飞溅，目前常采用波形控制的方法。图1a-图1c所示为短路过渡的理想电流电压波形和熔滴过渡过程。在t1时刻，电弧处于燃烧状态，随着焊丝的不断送进，弧长越来越短，在t2时刻熔滴和熔池发生短路，此时电压迅速下降，由于熔滴和熔池短路后阻抗很小，所以电流开始上升。熔滴和熔池刚发生短路时接触面积较小，形成一个小液柱，该液柱称为短路初期小桥。此时电弧被短路，所有的电流都将流过短路初期小桥。如果流过短路初期小桥的电流较大，则容易造成爆断，从而产生飞溅。所以在短路发生的t2时刻，应该迅速减小焊接电流，避免短路初期小桥爆断，抑制飞溅产生。之后熔滴逐渐在熔池铺展开来，液柱的直径增大，熔滴的大部分转移到熔池之中，如图中t3所示。但是由于短路初期电流减小，造成电磁收缩力不足，所以当熔滴在熔池中铺展后，应该迅速增大电流，促使缩颈产生，防止固体短路的出现。当缩颈产生后，可以适当降低电流的上升速度。随着电流越来越大，而液柱的直径不断缩小。到t4时刻，焊接电流上升至很高，而液柱直径减小到很小，该液柱被称为短路后期小桥。此时很大的电流流过很细的液柱，将会造成短路后期小桥发生爆断，产生飞溅。当检测到短路后期小桥产生时，再次迅速降低电流，如图中t4所示，也可以避免飞溅的产生。当短路后期小桥在表面张力的作用下被拉断后，电弧再次建立，此时电流很小，但电压迅速上升，如图中t5所示。之后需要迅速增大电流，保证电弧有足够的能量，如图中t6所示。之后开始下一个短路周期。从图1a-图1c中可以看出，在两次短路小桥形成的阶段，如果电流较大，都容易产 生飞溅。 

在短路初期小桥和短路后期小桥产生的合适时刻迅速降低焊接电流，从理论上可以有效地降低飞溅，但实现难度较大。 

这是由于在焊接电源的主回路中，为了抑制电流的剧烈波动，往往需要串联一个滤波电感。在高频开关电源中，该电感值约为数十微亨，而在工频整流电路中，该电感值高达上百或数百微亨。如图2所示电路为一种常规焊接电源主电路的结构图，滤波电感串联在直流电压源的输出回路中。在焊接过程中，当短路发生时，整个主回路的等效阻抗很小，约为0.01-0.05欧。而输出滤波电感的电感量一般在30微亨以上，所以时间常数在600微秒以上。这个时间相对于短路过渡是一个很长的时间，在这样的主回路下，实现短路电流的精确控制是没有可能的。 

目前解决电源动态性能的主要方式如图3所示。这是一种可以改变回路时间常数的焊接电源主电路。电压输出电路的正输出端接输出滤波电感L的一端，输出滤波电感L的二端接功率电阻R的一端和电流切换功率开关管Q2的集电极C极，功率电阻R的二端和切换功率开关管Q2的发射极E相连作为焊接电源的正输出端，外接焊丝。电压输出电路的负输出端作为电源的负输出端，外接焊接母材。当电弧燃烧时，如图1a-图1c中t1所示，电流切换功率开关管Q2导通，功率电阻R被短接。当短路发生后，如图1a-图1c中t2时刻，电流切换功率开关管Q2关断，此时回路的阻抗主要由功率电阻R决定，其阻值一般在1欧以上，所以回路的时间常数降低为数十微秒，电源有足够的动态响应性能，电流可以很快降低至约40A以下，该电流可以避免飞溅产生。当熔滴在熔池表面铺展后，如图1a-图1c中t3所示，重新开通电流切换功率开关管Q2，此时调节电压输出电路（1）的输出电压可以使短路电流迅速上升。当检测到短路后期小桥产生，将要爆断时，再次关断电流切换功率开关管Q2，如图1a-图1c中t4所示，电流再次迅速下降。当小桥被表面张力拉断，电弧再次建立起来后，开通电流切换功率开关管Q2，调节电压输出电路（1）的输出电压可以使电流迅速上升，为电弧提供合适的能量，如图1a-图1c中t6所示，从而开始下一个周期。在本电路中，由于回路中串联了一个功率电阻R，可以大幅度减小电路的时间常数，从而实现对电流的精确控制。但是，该电路中当需要降低电流时，滤波电感L的能量几乎全部消耗在功率电阻R上，该电阻的功耗很大。更重要的是，由于短路后期电流 很大，例如使用直径为1.2毫米实芯焊丝时，短路峰值电流约为550A左右，此时切换功率开关管Q2关断的瞬时，以功率电阻R的阻值为1欧计算，其瞬态功率达到300千瓦以上，安全工作会很困难。如果过分的增大功率电阻R的体积，又可能造成其等效感抗过大而影响电流切换功率开关管Q2的安全工作。而且由于滤波电感L的能量几乎完全消耗，当需要迅速增大电流时，电感电流需要从很低的数值开始上升，可能导致由于电弧能量补充不及时引起断弧。 

发明内容

本发明的目的在于：解决在电路时间常数切换过程中，串联电阻功耗过大的问题；进一步提高电源的动态响应性能。通过在可以改变回路时间常数的电源主电路基础上，增加一个能量保持回路，为滤波电感L的能量提供一个新的流通回路。当需要迅速降低电源输出电流时，本发明并不需要减小电感中的电流，而是将其分流至其它回路，这样既可以在最短时间内降低电源输出电流，又可以减小串联功率电阻R上的功率消耗，电阻R的安全性得到大幅度提升。由于滤波电感L中的能量损耗较少，当电源需要增大输出电流时，通过输出回路阻抗切换，可以使滤波电感L的电流直接从电源输出，电源输出电流的上升速度可以达到50安/微秒，极大地提高了动态响应性能。 

本发明是采用以下技术手段实现的： 

一种具有能量保持回路的焊接电源装置包括：可调电压输出电路（1）、功率开关管Q1驱动电路（3）、电流切换功率开关管Q2驱动电路（4）、电源电流反馈滤波电路（6）、电源电压反馈滤波电路（7）、核心控制电路（8）、人机交互电路（9），其特征在于还设置了具有能量保持回路的焊接电源主电路（2）；所述的具有能量保持回路的焊接电源主电路（2）包括能量保持功率开关管Q1，能量保持二极管D1，输出滤波电感L，电流切换功率开关管Q2，和功率电阻R，输出滤波电感L的一端与能量保持功率开关管Q1的发射极E极相连，Q1的集电极C极和能量保持二极管D1的阴极K极相连，输出滤波电感L的二端和能量保持二极管D1的阳极A极、功率电阻R的一端、以及电流切换功率开关管Q2的集电极C极相连，功率电阻R的二端和电流切换功率开关管Q2的发射极E极相连，该端作为电路（2）的输出端，外接焊丝；所述的可调电压输出电路（1）的一个输出端与焊接电源主电路（2） 的能量保持功率开关管Q1的发射极E极相连，另一个输出端连接母材，焊接电弧建立于焊丝和母材之间。可调电压输出电路（1）向焊接电源主电路（2）提供可调电压，所述的焊接电源主电路（2）中的能量保持功率开关管Q1的基极与功率开关管Q1驱动电路（3）相连，受功率开关管Q1驱动电路（3）控制，电流切换功率开关管Q2的基极与电流切换功率开关管Q2驱动电路（4）相连，受电流切换功率开关管Q2驱动电路（4）控制；所述的电源电流反馈滤波电路（6）用于对流过电弧负载的电流反馈信号滤波，并发送至核心控制电路（8）；所述的电源电压反馈滤波电路（7）用于对电弧负载电压反馈信号滤波，并发送至核心控制电路（8）；核心控制电路（8）控制焊接电源主电路（2）中的能量保持功率开关管Q1和电流切换功率开关管Q2的通断，所述的人机交互电路（9）用于设定参数。 

所述的可调电压输出电路（1）的输出电压范围为0V—85V，输出电流范围为10-650A。 

一种具有能量保持回路的焊接电源控制方法，具体包括： 

当短路后期小桥形成时，关断电流切换功率开关管Q2，同时开通能量保持功率开关管Q1； 

当短路后期小桥被拉断时，开通电流切换功率开关管Q2，关断能量保持功率开关管Q1。 

当短路初期小桥形成时，关断电流切换功率开关管Q2，同时开通能量保持功率开关管Q1； 

当短路初期小桥形成后t毫秒时，0<t<1.5，开通电流切换功率开关管Q2，同时关断能量保持功率开关管Q1。 

焊接过程是一个由电弧燃烧阶段、短路阶段、电弧燃烧阶段组成的循环过程。由电弧燃烧阶段到短路阶段的过程中有两个重要的时刻，就是短路初期小桥的形成时刻，以及短路初期小桥形成时刻t（ms）后，0<t<1.5。在短路初期小桥形成的时刻，如果流过短路初期小桥的电流较大，则容易造成爆断，从而产生飞溅，所以需要在这个时刻迅速减小焊接电流，避免短路初期小桥爆断，抑制飞溅产生。由于短路初期电流减小，造成电磁收缩力不足，所以当短路初期小桥形成时刻t（ms）后，即熔滴在熔池中铺展后，应该迅速增大电流，促使缩颈产生，防止固体短路的出现。由短路阶段到电弧燃烧阶段的过程中也 存在两个重要的时刻，即短路后期小桥的形成时刻，以及短路后期小桥被拉断的时刻。当检测到短路后期小桥产生时，迅速降低电流，可以避免飞溅的产生。当短路后期小桥在表面张力的作用下被拉断后，电弧再次建立，此时电流很小，需要迅速增大电流，保证电弧有足够的能量。 

一种具有能量保持回路的焊接电源装置，包括电压输出电路（11）、功率开关管Q1驱动电路（3）、电流切换功率开关管Q2驱动电路（4）、电源电流反馈滤波电路（6）、电源电压反馈滤波电路（7）、核心控制电路（8）、人机交互电路（9），电感电流反馈滤波电路（10），其特征在于还包括具有能量保持回路的焊接电源主电路（2），所述的具有能量保持回路的焊接电源主电路（2）包括斩波功率开关管（Q1），续流二极管（D2），能量保持二极管（D1），输出滤波电感（L），电流切换功率开关管（Q2），和功率电阻R。斩波功率开关管Q1的集电极C和能量保持二极管D1的阴极K相连，斩波功率开关管Q1的发射极E和续流二极管D2的阴极K，以及输出滤波电感L的一端相连，输出滤波电感L的二端和功率电阻R的一端，能量保持二极管D1的阳极A，以及电流切换功率开关管Q2的集电极C相连，功率电阻R的另一端和电流切换功率开关管Q2的发射极E相连，该端作为电路（2）的正输出端，外接焊丝；电路（1）的负输出端和电路（2）中续流二极管D2的阳极A相连，该端同时作为电路（2）的输出端，外接焊接母材；电路（1）的正输出端接电路（2）中斩波功率开关管Q1的集电极C和能量保持二极管D1的阴极K；电源电流反馈滤波电路（6）用于对流过电弧负载的电流反馈信号滤波，并发送至核心控制电路（8）；电源电压反馈滤波电路（7）用于对电路（2）的输出电压反馈信号滤波，并发送至核心控制电路（8）；电感电流反馈滤波电路（10）用于对流过输出滤波电感（L）的电流反馈信号滤波，并发送至核心控制电路（8）；核心控制电路（8）控制焊接电源主电路（2）中的斩波功率开关管Q1和电流切换功率开关管Q2的通断，所述的人机交互电路（9）用于设定参数。 

所述的电压输出电路（11）的输出电压范围为14V—85V，输出电流范围为10-650A。 

一种具有能量保持回路的焊接电源控制方法，具体包括： 

当短路后期小桥形成时，关断电流切换功率开关管Q2，斩波功率开关管Q1控制流过滤波电感L的电流； 

当短路后期小桥被拉断到短路初期小桥再次形成之间，开通电流切换功率开关管Q2， 斩波功率开关管Q1控制燃弧电流的下降速度。 

当短路初期小桥形成时，关断电流切换功率开关管Q2，同时开通斩波功率开关管Q1； 

当短路初期小桥形成后t毫秒，0<t<1.5，到短路后期小桥形成之间，开通电流切换功率开关管Q2，斩波功率开关管Q1控制短路电流的上升速度。 

在本发明中，当电流切换功率开关管Q2开通或关断时，负载电流的上升和下降速度都远大于常规的可变时间常数斩波电路。 

有益效果

本发明所述的电源装置，当需要迅速减小输出电流时，输出滤波电感L中的电流被旁路到其它回路，而不是像常规的可变时间常数电源主电路一样，把电感能量消耗在串联功率电阻R上，所以功率电阻R的损耗大幅度减小，电流切换功率开关管Q2上的电压峰值也随之减小，提高了串联功率电阻R和电流切换功率开关管Q2的可靠性。此外，由于负载电流的迅速上升和下降是通过电路切换实现的，所以速度非常快，该时间基本等同于切换功率开关管Q2的开关速度，所以电源的动态性能大幅度提高。传统可变时间常数电源主电路的电流变化速度在10安/微秒左右，而本发明的电流变化速度可以达到50安/微秒以上。 

附图说明

图1a-c为理想短路电流电压波形和熔滴过渡过程示意图 

其中图1a为短路过渡的理想电压波形， 

图1b为短路过渡的理想电流波形， 

图1c为理想短路过渡过程熔滴过渡过程示意图。 

图2为常规焊接电源主电路； 

图3为可以改变回路时间常数的焊接电源主电路； 

图4为第一实施例的***整体结构图； 

图5a-f为第一实施例的工作原理图 

其中图5a为功率开关管Q2导通，Q1关断，Q3，Q5导通，Q4，Q6关断时的电流回路 

图5b为功率开关管Q2导通，Q1关断，Q3，Q5，Q4，Q6都关断时的电流回路 

图5c为功率开关管Q2导通，Q1关断，Q3，Q5关断，Q4，Q6导通时的电流回路 

图5d为电感电流较大，Q2关断，Q1导通，Q3，Q5关断，Q4，Q6导通时电流回路 

图5e为电感电流较小，Q2关断，Q1导通，Q3，Q5关断，Q4，Q6导通时电流回路 

图5f为功率开关管Q2关断，Q1导通，Q3，Q5，Q4，Q6关断时电流回路 

图6为一种基于工频变压器的斩波型可调电压输出电路 

图7为一种基于发电机的斩波型可调电压输出电路 

图8为一种基于晶闸管整流整流器的可调电压输出电路 

图9为一种基于发电机的可调电压输出电路 

图10为一种基于带抽头工频变压器的可调电压输出电路 

图11为第二实施例的***整体机构图 

图12a-d为第二实施例的工作原理图 

其中图12a为功率开关管Q2导通，Q1也导通的电流回路 

图12b为功率开关管Q2导通，Q1关断的电流回路 

图12c为功率开关管Q2关断，Q1导通的电流回路 

图12d为功率开关管Q2关断，Q1也关断的电流回路 

图13为本发明第一种技术方案原理框图。 

图2，3，4，5，7，8，9，10，11，12，13中：Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6——功率开关管，D1，D2，D3——二极管，L——滤波电感，R——功率电阻。TR——工频变压器，TRH——中频变压器，图4，12中：LEM1——电压传感器，LEM2，LEM3——电流传感器，（1）可调电压输出电路，（2）具有能量保持回路的焊接电源主电路，（3）功率开关管Q1驱动电路，（4）电流切换功率开关管Q2驱动电路，（5）电压输出电路功率开关管驱动电路,（6）电源电流反馈滤波电路，（7）电源电压反馈滤波电路，（8）核心控制电路，（9）人机交互电路，（10）电感电流反馈滤波电路，（11）电压输出电路。 

具体实施方式

实施方案一：

如图4所示为本发明的实施方案一的***结构图，以下结合附图和具体实施方案对本发明做进一步的详细说明：本发明中可调电压输出电路（1）、功率开关管Q1驱动电路（3）、电流切换功率开关管Q2驱动电路（4）、电压输出电路功率开关管驱动电路（5）、电源电流反馈滤波电路（6），电源电压反馈滤波电路（7）、核心控制电路（8）、人机交互电路（9） 属于现有技术。所述可调电压输出电路（1）由三相整流桥BR，输入滤波电容C，电压输出电路功率开关管Q3，Q4，Q5，Q6，中频变压器TRH，整流二极管D2，D3组成。可调电压输出电路（1）只要能输出0-85V的直流电压即可，根据焊机功率的要求不同，输出电流容量最大650A。该电路同样可以通过半桥逆变电路、推挽逆变电路，或单端逆变电路等获得；也可以采用基于工频变压器的斩波型电压输出电路、基于发电机的斩波型电压输出电路、基于晶闸管整流器的电压输出电路、基于发电机的电压输出电路、或基于带抽头的工频变压器的电压输出电路等。 

所述具有能量保持回路的焊接电源主电路（2）由能量保持功率开关管Q1，能量保持二极管D1，输出滤波电感L，功率电阻R，电流切换功率开关管Q2组成。由于能量保持功率开关管Q1一般采用大功率绝缘栅门极双极型晶体管（IGBT），该种器件一般内部反向并联一个二极管，所以需要电路中串联一个能量保持二极管D1，其作用是防止电流从能量保持功率开关管Q1的反向流过。如果能量保持功率开关管Q1采用其它大功率器件，可以避免反向导通，则此处可以不用能量保持二极管D1。 

具有能量保持回路的焊接电源装置实施例一***如图4所示。三相交流电的U，V，W三相分别接至三相整流桥BR的三个输入端一端、二端，和三端。三相整流桥BR的正输出端四端接输入滤波电容C的一端、可调电压输出电路（1）功率开关管Q3和Q6的集电极C端。三相整流桥BR的负输出端五端接滤波电容C的二端、可调电压输出电路（1）功率开关管Q4和Q5的发射极E极。可调电压输出电路（1）功率开关管Q3的发射极E极和Q4的集电极C极、中频变压器TRH的输入端一端相连。可调电压输出电路（1）功率开关管Q5的集电极C极和Q6的发射极E极、中频变压器TRH的输入端二端相连。中频变压器TRH的输出端三端和整流二极管D2的阳极A极相连，中频变压器TRH的输出端五端和整流二极管D3的阳极A极相连，整流二极管D2和D3的阴极相连，该端子作为可调电压输出电路（1）的正输出端，连接具有能量保持回路的焊接电源主电路（2）中的输出滤波电感L的一端和能量保持功率开关管Q1的发射极E极。能量保持功率开关管Q1的集电极C极和能量保持二极管D1的阴极K极相连。输出滤波电感L的二端和能量保持二极管D1的阳极A极，功率电阻R的一端和电流切换功率开关管Q2的集电极C极相连。功率电阻R的二端和电流切换功率开关管Q2的发射极E极相连，该端作为电路（2）的正输出端，外接焊丝。中频变压器副边的中心抽头输出端四端作为电路（1）的负输出端，同时也作为 电路（2）的负输出端，外接焊接母材。中频变压器TRH的一端和三端是同名端。 

功率开关管Q1驱动电路（3）由IGBT专用驱动芯片M57962组成，电流切换功率开关管Q2驱动电路（4）由IGBT专用驱动芯片M57962组成，电源电流反馈滤波电路（6）由低通滤波器组成，电源电压反馈滤波电路（7）由低通滤波器组成，核心控制电路（8）由PIC30f2020等组成，人机交互电路（9）由常规的LED或LCD等显示电路和键盘、编码器等电路组成。下面结合短路过渡过程的熔滴过渡过程，说明电源的工作过程。 

在可调电压输出电路（1）中，功率开关管Q3、Q5同时导通，功率开关管Q4、Q6同时导通。Q3、Q5和Q4、Q6的导通时刻反相，相位相差180度。通过控制可调电压输出电路（1）功率开关管的导通和关断，调节可调电压输出电路（1）的输出电压，从而调节负载电流的大小，使之按照理想的波形变化。在短路过渡过程中，负载电压是判断短路与否的关键指标。一般当负载电压大于某临界值时，认为焊接过程处于燃弧状态，当负载电压低于该值时，认为焊接过程处于短路状态。根据焊接平均电流的不同，判断短路电压的临界值一般在10-20V之间。 

当焊接过程处于燃弧状态时，此时电弧电压高于短路判断临界电压。焊接过程处于燃弧阶段，此时能量保持功率开关管Q1关断，电流切换功率开关管Q2导通。由于电流切换功率开关管Q2的导通压降比较低，可以忽略不计，所以此时电源的工作原理和传统全桥逆变电路相同。 

燃弧状态时，当可调电压输出电路（1）开关管Q3，Q5导通，Q4，Q6关断时，如图5（a）所示。中频变压器TRH原边电流从三相整流桥BR的正输出端四端流出，经功率开关管Q3，从中频变压器TRH的原边一端流入，从原边二端流出，经功率开关管Q5，最后从三相整流桥BR的负端五端流回。中频变压器TRH的副边电流从三端流出，经整流二极管D2，输出滤波电感L，电流切换功率开关管Q2，经焊接电弧负载，最后进入中频变压器TRH的中心抽头四端。 

当可调电压输出电路（1）开关管都关断时，如图5（b）所示。中频变压器TRH原边电流为零，副边的输出滤波电感L输出能量，电流从输出滤波电感L的二端流出，经电流切换功率开关管Q2，经电弧负载，进入中频变压器TRH副边的中心抽头，经整流二极管D2和D3续流，最后流回滤波电感L的一端。 

当可调电压输出电路（1）开关管Q4，Q6导通，Q3，Q5关断时，如图5（c）所示。 中频变压器TRH原边电流从三相整流桥BR的正输出端四端流出，经功率开关管Q6，从中频变压器TRH的原边二端流入，从原边一端流出，经功率开关管Q4，最后从三相整流桥BR的负端五端流回。中频变压器TRH的副边电流从五端流出，经整流二极管D3，滤波电感L，电流切换功率开关管Q2，经焊接电弧负载，最后进入中频变压器TRH的中心抽头四端。 

从以上过程可以看出，当能量保持功率开关管Q1关断，电流切换功率开关管Q2导通阶段，该电路的工作原理和常规的全桥逆变电路的工作原理完全相同。设中频变压器TRH副边的峰值电压为US，当原边的功率开关管导通时，可调电压输出电路（1）输出直流电压US，当原边功率开关管关断时，可调电压输出电路（1）输出电压为零。 

当熔滴和熔池发生短路，负载电压急剧下降，低于短路判断临界值，则认为短路初期小桥形成，此时关断电流切换功率开关管Q2，同时开通能量保持功率开关管Q1。当可调电压输出电路（1）功率开关管导通时，可调电压输出电路（1）输出幅值为US的电压，具有能量保持回路的焊接电源主电路（2）中的电流一部分流经功率电阻R，其电流幅值为US/R，其余部分流过能量保持二极管D1和能量保持功率开关管Q1，其电流回路如图5（d）所示。由于能量保持二极管D1和能量保持功率开关管Q1的压降较低，所以滤波电感中L的能量得以保持，而不是通过功率电阻R消耗。如果此时流过电感的电流较小，小于US/R，则电流回路如图5（e）所示。当可调电压输出电路（1）功率开关管关断时，中频变压器TRH和滤波电感L都不能输出能量，电源的输出电流为零。其电流回路如图5（f）。 

当短路初期小桥形成后t毫秒时，0<t<1.5ms。熔滴已经在熔池表面铺展，需要迅速增大焊接电流。此时开通电流切换功率开关管Q2，关断能量保持功率开关管Q1。通过控制可调电压输出电路（1）中功率开关管的导通和关断，可以控制短路电流的上升速度。该阶段的电源工作原理同常规的全桥逆变电路的工作原理。其电流回路如图5中（a），（b），或（c）所示。 

当短路后期小桥形成时，此时短路过程即将结束。该状态的检测采用现有技术，可以通过测试焊接负载电压的微分信号判断，也可以通过测试负载阻抗的微分信号判断。为了避免大飞溅的产生，应当迅速降低短路电流。此时关断电流切换功率开关管Q2，开通能量保持功率开关管Q1。由于短路后期电流较大，当可调电压输出电路（1）功率开关管导通时，可调电压输出电路（1）输出幅值为US的电压，输出滤波电感L中的电流一部分流经 功率电阻R，其电流幅值为US/R，其余部分流过能量保持二极管D1和能量保持功率开关管Q1，其电流回路如图5（d）所示。由于能量保持二极管D1和能量保持功率开关管Q1的压降较低，所以滤波电感L中的能量得以保持，而不是完全通过功率电阻R消耗。当可调电压输出电路（1）功率开关管关断时，中频变压器TRH和滤波电感L都不能输出能量，电源的输出电流为零。其电流回路如图5（f）。 

当短路小桥在表面张力的作用下被拉断时，此状态的判断条件是负载电压大于短路判断临界电压，关断能量保持功率开关管Q1，开通电流切换功率开关管Q2。然后开始一个新的周期。 

在本发明中，当电流切换功率开关管Q2开通或关断时，本发明所述电源装置的输出电流的上升和下降速度都远大于常规的可变时间常数斩波电路 

可调电压输出电路（1）的输出电压范围为0V—85V，平均电压范围为0-45V，输出电流范围为10-650A。功率电阻R的阻值为1-3欧。 

如图4所示，LEM1为隔离式电压传感器，并联于电路（2）的输出端，用于检测电路（2）的输出电压值。如果外部焊接电缆的长度很长，则该传感器可以直接并联于距离焊接电弧最近的焊接回路部件上。电源电压反馈滤波电路（7）位于LEM1和核心控制电路（8）之间。LEM2为隔离式电流传感器，用于检测电源输出电流。电源电流反馈滤波电路（6）位于LEM2和核心控制电路（8）之间。功率开关管Q1驱动电路（3）位于核心控制电路（8）和能量保持功率开关管Q1之间，电流切换功率开关管Q2驱动电路（4）位于核心控制电路（8）和电流切换功率开关管Q2之间。核心控制电路（8）和人机交互电路（9）相连，用于设置电源的输出参数。 

本实施例中采用脉冲宽度调节(Pluse Width Modulation，简称PWM)控制技术，通过电压输出电路功率开关管驱动电路（5）控制可调电压输出电路（1）功率开关管Q3，Q4，Q5，Q6的导通与关断。通过调整脉冲占空比，即可控制焊接过程中的输出电流。控制电流切换功率开关管Q2和能量保持功率开关管Q1的导通与关断，即可以切换电源回路的阻抗，达到改变电源动态性能的目的。 

在工作过程中，电压传感器LEM1对电路（2）的输出电压进行采样，电流传感器LEM2对电路（2）的输出电流进行采样。将采样结果送给核心控制电路（8），核心控制电路（8）将采样结果与人机交互电路（9）设定的参数分别进行比较运算，传递信号给电压输出电 路功率开关管驱动电路(5)，功率开关管Q1驱动电路(3)，电流切换功率开关管Q2驱动电路(4)，分别调节功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的导通和关断，最终实现输出电流和电压参数分别与人机交换电路(9)设定值相等。 

图4所示的整体结构图中，可调电压输出电路（1）也可以采用如图6所示的基于工频变压器的斩波型电路。三相电的U，V，W分别接三相工频变压器TR的三个输入端一端，二端，和三端。三相工频变压器TR的三个输出端四端，五端，和六端分别接三相整流桥BR的三个输入端一端，二端，和三端。三相整流桥BR的正输出端四端接滤波电容C的一端和功率开关管Q3的集电极C端。功率开关管Q3此时起到斩波控制的作用。功率开关管Q3的发射极E端和续流二极管D2的阴极K端相连。该端作为可调电压输出电路（1）的正输出端，和图4中具有能量保持回路的焊接电源主电路（2）中的能量保持功率开关管Q1的发射极E和滤波电感L的一端相连。三相整流桥BR的负输出端和滤波电容C的二端，续流二极管D2的阳极A极相连，该端作为可调电压输出电路（1）的负输出端，同时作为图4中电路（2）的负输出端。图6所示的可调电压输出电路和图4所示的可调电压输出电路（1）的功能完全相同，其控制区别在于图4中控制电路（2）的输出电流需要控制可调电压输出电路（1）中功率开关管Q3，Q4，Q5和Q6的导通和关断。而在图6中，只需要控制功率开关管Q3的导通和关断即可。 

图4所示的整体结构图中，可调电压输出电路（1）也可以采用如图7所示的基于发电机的斩波型电压输出电路。发电机MOTO的三个输出端一端，二端，和三端分别接三相整流桥BR的三个输入端一端，二端，和三端。三相整流桥BR的正输出端四端接滤波电容C的一端和功率开关管Q3的集电极C端，功率开关管Q3此时起到斩波控制的作用。功率开关管Q3的发射极E端和续流二极管D2的阴极K端相连，该端作为可调电压输出电路（1）的正输出端，和图4中具有能量保持回路的电源主电路（2）中的能量保持功率开关管Q1的发射极E极和滤波电感的一端相连。三相整流桥BR的负输出端和滤波电容C的二端，续流二极管D2的阳极A极相连，该端作为可调电压输出电路（1）的负输出端，同时作为图4中电路（2）的负输出端。图7所示的可调电压输出电路和图4所示的可调电压输出电路（1）的作用完全相同，其控制的区别在于图4中控制电路（2）的输出电流需要控制可调电压输出电路（1）中功率开关管Q3，Q4，Q5和Q6的导通和关断。而在图7中，只需要控制功率开关管Q3的导通和关断即可。 

图4所示的整体结构图中，可调电压输出电路（1）也可以采用如图8所示的基于晶闸管整流器的电压输出电路。三相电的U，V，W分别接三相工频变压器TR的三个输入端一端，二端，和三端。三相工频变压器TR的三个输出端四端，五端，和六端分别接三相可控晶闸管整流桥BR的三个输入端一端，二端，和三端。三相可控晶闸管整流桥BR的正输出端四端接滤波电容C的一端相连。该端作为可调电压输出电路（1）的正输出端，和图4中具有能量保持回路的电源主电路（2）中的能量保持功率开关管Q1的发射极E极和滤波电感的一端相连。三相可控晶闸管整流桥BR的负输出端和滤波电容C的二端相连，该端作为可调电压输出电路(1)的负输出端，同时作为图4中电路（2）的负输出端。图8所示的可调电压输出电路和图4所示的可调电压输出电路（1）的作用基本相同，其控制的区别在于图4中控制电路（2）的输出电流需要控制可调电压输出电路（1）中功率开关管Q3，Q4，Q5和Q6的导通和关断。而在图8中，通过控制晶闸管的导通角控制电压输出电路的输出电压，该电压即焊接过程中电弧的平均电压。焊接过程中的电流上升下降速度由滤波电感L的感抗值决定。能量保持功率开关管Q1和电流切换功率开关管Q2的控制和图4中相同。 

图4所示的整体结构图中，可调电压输出电路（1）也可以采用如图9所示的基于发电机的电压输出电路。发电机MOTO的三个输出端一端，二端，和三端分别接三相整流桥BR的三个输入端一端，二端，和三端。三相整流桥BR的正输出端四端接滤波电容C的一端相连。该端作为可调电压输出电路的正输出端，和图4中具有能量保持回路的电源主电路（2）中的能量保持功率开关管Q1的发射积E极和滤波电感L的一端相连。三相整流桥BR的负输出端和滤波电容C的二端相连，该端作为可调电压输出电路（1）的负输出端，同时作为图4中电路（2）的负输出端。图9所示的可调电压输出电路和图4所示的可调电压输出电路（1）的作用基本相同，其控制的区别在于图4中控制电路（2）的输出电流需要控制可调电压输出电路（1）中功率开关管Q3，Q4，Q5和Q6的导通和关断。而在图9中，通过调整发电机MOTO的输出电压来实现。焊接过程中的电流上升下降速度由滤波电感L的感抗值决定。能量保持功率开关管Q1和电流切换功率开关管Q2的控制和图4中相同。 

图4所示的整体结构图中，可调电压输出电路（1）也可以采用如图10所示的基于带抽头的工频变压器的电压输出电路。三相电的U，V，W分别接至三相工频变压器TR的 三个输入端一端，二端，和三端。三相工频变压器TR的三个输出端四端，五端，和六端分别接三相整流桥BR的三个输入端一端，二端，和三端。三相整流桥BR的正输出端四端接滤波电容C的一端相连。该端作为可调电压输出电路（1）的正输出端，和图4中具有能量保持回路的电源主电路（2）中的能量保持功率开关管Q1的发射极E极和滤波电感L的一端相连。三相整流桥BR的负输出端和滤波电容C的二端相连，该端作为可调电压输出电路（1）的负输出端，同时作为图4中电路（2）的负输出端。 

图10所示的可调电压输出电路和图4所示的可调电压输出电路（1）的作用基本相同，其控制的区别在于图4中控制电源的输出电流需要控制可调电压输出电路（1）中功率开关管Q3，Q4，Q5和Q6的导通和关断。而在图10中，通过调节三相变压器TR的原边匝数来实现。焊接过程中的电流上升下降速度由滤波电感L的感抗值决定。能量保持功率开关管Q1和电流切换功率开关管Q2的控制和图4中相同。 

实施方案二：

一种具有能量保持功能的焊接电源装置，其实施方案二***结构如图11所示。该装置包括电压输出电路（11）、功率开关管Q1驱动电路（3）、电流切换功率开关管Q2驱动电路（4）、电源电流反馈滤波电路（6）、电源电压反馈滤波电路（7）、核心控制电路（8）、人机交互电路（9），电感电流反馈滤波电路（10），还包括具有能量保持回路的焊接电源主电路（2），所述的具有能量保持回路的焊接电源主电路（2）包括斩波功率开关管（Q1），续流二极管（D2），能量保持二极管（D1），输出滤波电感（L），电流切换功率开关管（Q2），和功率电阻R。斩波功率开关管Q1的集电极C和能量保持二极管D1的阴极K相连，斩波功率开关管Q1的发射极E和续流二极管D2的阴极K，以及输出滤波电感L的一端相连，输出滤波电感L的二端和功率电阻R的一端，能量保持二极管D1的阳极A，以及电流切换功率开关管Q2的集电极C相连，功率电阻R的另一端和电流切换功率开关管Q2的发射极E相连，该端作为电路（2）的正输出端，外接焊丝；电路（1）的负输出端和电路（2）中续流二极管D2的阳极A相连，该端同时作为电路（2）的负输出端，外接焊接母材；电压输出电路（11）的正输出端接电路（2）中斩波功率开关管Q1的集电极C；电源电流反馈滤波电路（6）用于对流过电弧负载的电流反馈信号滤波，并发送至核心控制电路（8）；电源电压反馈滤波电路（7）用于对电路（2）的输出电压反馈信号滤波，并发送至核心控制电路（8）；电感电流反馈滤波电路（10）用于对流过输出滤波电感L上的电流反馈信号 滤波，并发送至核心控制电路（8）；核心控制电路（8）控制焊接电源主电路（2）中的斩波功率开关管Q1和电流切换功率开关管Q2的通断，所述的人机交互电路（9）用于设定参数。 

LEM1为隔离式电压传感器，用于检测电路（2）输出端的电压值。LEM1检测得到的电压反馈信号经电源电压反馈滤波电路（7）处理后输入到核心控制电路(8)中。LEM2为隔离式电流传感器，用于检测电路（2）输出的电流值，即流过电弧负载的电流值。LEM2检测到的电流反馈信号经电源电流反馈滤波电路(6)处理后进入核心控制电路（8）中。LEM3为隔离式电流传感器，用于检测流过输出滤波电感L中电流值。LEM3检测得到的电流反馈信号经电感电流反馈滤波电路(10)处理后输入到核心控制电路(8)中。核心控制电路（8）通过功率开关管Q1驱动电路(3)控制斩波功率开关管Q1的导通和关断，核心控制电路(8)通过电流切换功率开关管Q2驱动电路(4)控制切换功率开关管Q2的导通和关断。核心控制电路(8)和人机交互电路(9)相连，用于设置电源的输出参数。 

本发明中电压输出电路（11）、功率开关管Q1驱动电路（3）、电流切换功率开关管Q2驱动电路（4）、电源电流反馈滤波电路（6）、电源电压反馈滤波电路（7）、核心控制电路（8）、人机交互电路（9），电感电流反馈滤波电路（10），属于现有技术。其中电压输出电路（11）只要能输出直流电压，并保证其电压幅值在14-85V之间即可，根据焊机功率的要求不同，输出电流容量最大650A。该电路可以采用交流变压器，把单相或三相工频电变压后，再经整流滤波后输出；也可以通过常规的逆变电路，如全桥逆变电路、半桥逆变电路、单端逆变电路等，把单相或三相工频电转换成低压直流电获得；还可以采用发电机输出交流电，经整流滤波后输出；还可以采用大功率的恒流或恒压电源，把输出设定调节至最大，然后在输出端配合电容滤波。电源电流反馈滤波电路（6）由低通滤波器组成，功率开关管Q1驱动电路（3）由IGBT专用驱动芯片M57962组成，电感电流反馈滤波电路（10）由低通滤波器组成，电流切换功率开关管Q2驱动电路（4）由IGBT专用驱动芯片M57962组成，电源电压反馈滤波电路（7）由低通滤波器组成，核心控制电路（8）由PIC30f2020组成，人机交互电路（9）由常规的LED或LCD等显示电路和键盘、编码器等电路组成。 

本发明的工作原理请参照图12a-d。电压输出电路（11）的工作原理是众所周知的， 为了表述方便，在图12a-d中用“电压源”表示电压输出电路（11）。 

在实施例一中已经讲过，在短路过渡过程中，负载电压是判断短路与否的关键指标。一般当负载电压大于某临界值时，认为焊接过程处于燃弧状态，当负载电压低于该值时，认为焊接过程处于短路状态。根据焊接平均电流的不同，判断短路电压的临界值一般在10-20V之间。 

当焊接过程处于燃弧状态时，此时电弧电压高于短路判断临界电压。电流切换功率开关管Q2保持导通。通过控制斩波功率开关管Q1的导通和关断，可以控制电路（2）输出电流的大小。由于电弧正常燃烧时，电弧电压一般不会高于电压源的输出电压，所以能量保持二极管D1不具备导通条件，此时的电源工作原理和常规的斩波电路完全相同。当Q1管导通和关断时，电路的电流回路分别如图12a，图12b所示。 

当短路初期小桥形成时，此时熔滴和熔池发生短路，本发明所述电源装置的输出电压被迅速拉低，低于短路判断的临界电压。为了保证熔滴可以顺利过渡，电流切换功率开关管Q2关断，斩波功率开关管Q1导通，使电流保持在一个较低值，试验表明如果电流小于40A，则不会产生飞溅。功率电阻R被串入电源的主回路，电感L中部分电流流过能量保持二极管D1。由于负载电流的调整是通过电流切换实现的，所以其变化速度非常快，最高可以达到50安/微秒以上。 

当短路初期小桥形成t毫秒后，0<t<1.5，到短路后期小桥形成之间，开通电流切换功率开关管Q2，斩波功率开关管Q1控制短路电流的上升速度。这个阶段，熔滴已经在熔池表面铺展，需要迅速增大焊接电流，以促进缩颈产生，因此电流切换功率开关管Q2导通，另外通过控制斩波功率开关管Q1的开通和关断控制短路电流的上升速度。电流回路如图12a和图12b所示。 

当短路后期小桥形成时，短路电流上升到一个较高的值。为了避免飞溅的产生，应当迅速降低短路电流。短路后期小桥形成状态的检测采用现有技术，可以通过测试焊接负载电压的微分信号判断，也可以通过测试负载阻抗的微分信号判断。此时关断切换功率开关Q2，功率电阻R被串入电源主回路。斩波功率开关管Q1控制流过滤波电感L的电流。由于短路后期电流较大，电感中的电流部分流过功率电阻R，其余部分流过能量保持二极管D1。当斩波功率开关管Q1开通时，该电流将经过斩波功率开关管Q1流回电感，电流基本保持不变；当斩波功率开关管Q1管闭时，该电流将经过电压源和续流二极管D2流回电感， 此时电感电流将会下降。电流回路如图12c和图12d所示。 

当短路后期小桥在表面张力的作用下被拉断，电弧重新建立，负载电压相对短路电压有明显的上升，高于短路判断临界电压。在短路后期小桥被拉断到短路初期小桥再次形成之间，开通电流切换功率开关管Q2，斩波功率开关管Q1控制燃弧电流的下降速度。之后进入下一个循环周期。 

在本实施例中，当电流切换功率开关管Q2开通或关断时，流过负载的电流的上升和下降速度都远大于常规的可变时间常数斩波电路，最高速度可达50安/微秒。 

本实施例中电压输出电路的输出电压范围为14-85V。串联功率电阻R的阻值为1-3欧。电源的输出电流范围为10-650A。 

本发明采用脉冲宽度调节(Pluse Width Modulation，简称PWM)控制技术，控制斩波功率开关管Q1的导通与关断。调整占空比，即可控制焊接过程中的输出电流。控制电流切换功率开关管Q2的导通与关断，即可以改变电源回路的时间常数，达到改变电源动态性能的目的。 

在工作过程中，电源电压传感器LEM1用于反馈电路（2）的输出电压，电源电流传感器LEM2用于反馈电路（2）的输出电流，电感电流传感器LEM3用于反馈流过电感的电流。将反馈结果送给核心控制电路（8）后，核心控制电路（8）将反馈结果与人机交互电路（9）设定的参数分别进行比较运算，传递信号给斩波功率开关管Q1驱动电路（3）和电流切换功率开关管Q2驱动电路（4），分别调节功率开关管Q1、Q2的导通和关断，最终实现输出电流和电压参数分别与人机交互电路（9）设定值相等。 

Claims (8)

1.一种具有能量保持回路的焊接电源装置包括：可调电压输出电路（1）、功率开关管Q1驱动电路（3）、电流切换功率开关管Q2驱动电路（4）、电源电流反馈滤波电路（6）、电源电压反馈滤波电路（7）、核心控制电路（8）、人机交互电路（9），其特征在于还设置了具有能量保持回路的焊接电源主电路（2）；所述的具有能量保持回路的焊接电源主电路（2）包括能量保持功率开关管Q1，能量保持二极管D1，输出滤波电感L，电流切换功率开关管Q2，和功率电阻R；输出滤波电感L的一端与能量保持功率开关管Q1的发射极E极相连，Q1的集电极C极和能量保持二极管D1的阴极K极相连，滤波电感L的二端和能量保持二极管D1的阳极A极、功率电阻R的一端、以及电流切换功率开关管Q2的集电极C极相连，功率电阻R的二端和电流切换功率开关管Q2的发射极E极相连，该端作为电路（2）的正输出端，外接焊丝；所述的可调电压输出电路（1）的一个输出端与焊接电源主电路（2）的能量保持功率开关管Q1的发射极E极相连，另一个输出端连接母材，焊接电弧建立于焊丝和母材之间；可调电压输出电路（1）向焊接电源主电路（2）提供可调电压，所述的焊接电源主电路（2）中的能量保持功率开关管Q1的基极与功率开关管Q1驱动电路（3）相连，受功率开关管Q1驱动电路（3）控制，电流切换功率开关管Q2的基极与电流切换功率开关管Q2驱动电路（4）相连，受电流切换功率开关管Q2驱动电路（4）控制；所述的电源电流反馈滤波电路（6）用于对流过电弧负载的电流反馈信号滤波，并发送至核心控制电路（8）；所述的电源电压反馈滤波电路（7）用于对电弧负载电压反馈信号滤波，并发送至核心控制电路（8）；核心控制电路（8）控制焊接电源主电路（2）中的能量保持功率开关管Q1和电流切换功率开关管Q2的通断，所述的人机交互电路（9）用于设定参数。

2.根据权利要求1所述的一种具有能量保持回路的焊接电源装置，其特征在于：

当短路后期小桥形成时，关断电流切换功率开关管Q2，同时开通能量保持功率开关管Q1；当短路后期小桥被拉断时，开通电流切换功率开关管Q2，关断能量保持功率开关管Q1。

3.根据权利要求1所述的一种具有能量保持回路的焊接电源装置，其特征在于：

当短路初期小桥形成时，关断电流切换功率开关管Q2，同时开通能量保持功率开关管Q1；当短路初期小桥形成后t毫秒时，0<t<1.5，开通电流切换功率开关管Q2，同时关断能量保持功率开关管Q1。

4.根据权利要求1所述的一种具有能量保持回路的焊接电源装置，其特征在于：所述的可调电压输出电路（1）的输出电压范围为0V—85V，输出电流范围为10-650A。

5.一种具有能量保持回路的焊接电源装置，包括电压输出电路（11）、功率开关管Q1驱动电路（3）、电流切换功率开关管Q2驱动电路（4）、电源电流反馈滤波电路（6）、电源电压反馈滤波电路（7）、核心控制电路（8）、人机交互电路（9），电感电流反馈滤波电路（10），其特征在于还包括具有能量保持回路的焊接电源主电路（2），所述的具有能量保持回路的焊接电源主电路（2）包括斩波功率开关管Q1，续流二极管D2，能量保持二极管D1，输出滤波电感L，电流切换功率开关管Q2，和功率电阻R。斩波功率开关管Q1的集电极C和能量保持二极管D1的阴极K相连，斩波功率开关管Q1的发射极E和续流二极管D2的阴极K，以及输出滤波电感L的一端相连，输出滤波电感L的二端和功率电阻R的一端，能量保持二极管D1的阳极A，以及电流切换功率开关管Q2的集电极C相连，功率电阻R的另一端和电流切换功率开关管Q2的发射极E相连，该端作为电路（2）的正输出端，外接焊丝；电路（1）的负输出端和电路（2）中续流二极管D2的阳极A相连，该端同时作为电路（2）的负输出端，外接焊接母材。电压输出电路（11）的正输出端接电路（2）中斩波功率开关管Q1的集电极C；电源电流反馈滤波电路（6）用于对流过电弧负载的电流反馈信号滤波，并发送至核心控制电路（8）；电源电压反馈滤波电路（7）用于对电路（2）的输出电压反馈信号滤波，并发送至核心控制电路（8）；电感电流反馈滤波电路（10）用于对流过输出滤波电感（L）上的电流反馈信号滤波，并发送至核心控制电路（8）；核心控制电路（8）控制焊接电源主电路（2）中的斩波功率开关管Q1和电流切换功率开关管Q2的通断，所述的人机交互电路（9）用于设定参数。

6.根据权利要求5所述的一种具有能量保持回路的焊接电源装置，其特征在于：

当短路后期小桥形成时，关断电流切换功率开关管Q2，斩波功率开关管Q1控制流过滤波电感L的电流；当短路后期小桥被拉断到短路初期小桥再次形成之间，开通电流切换功率开关管Q2，斩波功率开关管Q1控制燃弧电流的下降速度。

7.根据权利要求5所述的一种具有能量保持回路的焊接电源装置，其特征在于：

当短路初期小桥形成时，关断电流切换功率开关管Q2，同时开通斩波功率开关管Q1；

当短路初期小桥形成后t毫秒，0<t<1.5，到短路后期小桥形成之间，开通电流切换功率开关管Q2，斩波功率开关管Q1控制短路电流的上升速度。

8.根据权利要求5所述的一种具有能量保持回路的焊接电源装置，其特征在于：所述的电压输出电路（11）的输出范围为14V—85V，输出电流范围为10-650A。

Images