非晶態(tài)軟磁鐵芯脈沖換能器高頻大功率弧焊電源制造技術(shù)

一種非晶態(tài)軟磁鐵芯脈沖換能器高頻大功率弧焊電源，屬于電焊機(jī)用電源設(shè)備。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)由整流器、濾波器、逆變器、二次整流與二次濾波器以及控制電路，保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。采用大功率效應(yīng)管作開(kāi)關(guān)電源，脈沖換能器鐵芯采用非晶態(tài)軟磁鐵芯，設(shè)有電流保護(hù)、電壓保護(hù)。具有頻率高、體積小、重量輕、效率高、單機(jī)輸出功率大，可節(jié)省大量有色金屬，特別適合用于移動(dòng)式電焊技術(shù)中。（*該技術(shù)在2011年保護(hù)過(guò)期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)涉及一種利用非晶態(tài)軟磁鐵芯脈沖換能器場(chǎng)效應(yīng)管脈寬調(diào)制逆變器開(kāi)關(guān)電源，特別是工業(yè)用高頻大功率弧焊電源，屬于電焊機(jī)用電源變換設(shè)備。過(guò)去電焊機(jī)使用的大功率電源為傳統(tǒng)的線性電源，由于它的工作頻率僅為50HZ，故變壓器、濾波器等換能器件體積大、笨重，還要消耗大量的銅、鋁、鋼鐵等金屬材料，且效率低只能達(dá)到35～60%。應(yīng)用在大功率時(shí)，上述缺點(diǎn)更為突出。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，70年代以后，電源朝小型化、重量輕、效率高方向發(fā)展，出現(xiàn)了高頻中、小功率開(kāi)關(guān)電源，這種電源采用AC-DC-AC(高頻)-DC(二次整流)的模式。工作頻率可達(dá)50KHZ，一般使用20KHZ，采用大功率晶體管和鐵氧體、鈹莫合金鐵芯換能器，因而體積、重量和效率等指標(biāo)較傳統(tǒng)線性電源都有較大改善，被稱(chēng)為“20KHZ電源技術(shù)革命”。但由于鈹莫合金價(jià)格昂貴，不宜推廣;鐵氧體的高頻損耗大，機(jī)械特性差，易碎也不宜做成大功率換能器，因而這類(lèi)電源的單機(jī)容量一般在1KW以下，對(duì)于工業(yè)用大負(fù)載電源只能采取積木式系統(tǒng)供電，不宜做動(dòng)力生產(chǎn)設(shè)備用。低頻大功率開(kāi)關(guān)電源采用高壓大功率二極管，可控硅等開(kāi)關(guān)元件，雖然可以取代傳統(tǒng)的線性電源，但由于頻率低仍存在體積大、苯重，有色金屬消耗大，功率因素低等缺點(diǎn)。本專(zhuān)利技術(shù)的目的正是為了克服上述幾種電源的缺點(diǎn)，而提供一種高頻大功率弧焊電源，它采用非晶態(tài)軟磁鐵芯換能器、場(chǎng)效應(yīng)管脈寬調(diào)制逆變器制成的開(kāi)關(guān)電源，具有頻率高，重量輕、體積小、效率高，單機(jī)輸出功率大，同時(shí)可節(jié)省大量有色金屬，從而適用于移動(dòng)式電焊技術(shù)中。本專(zhuān)利技術(shù)的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的圖1為本專(zhuān)利技術(shù)的原理性方框圖，其中虛線框圖Ⅰ為主電路，主電路包括整流器1、濾波器2，逆變器3、二次整流器4、二次濾波器5。框圖Ⅱ?yàn)榭刂齐娐罚涔ぷ髟砀攀鋈缦鹿ゎl50HZ的交流電接到整流器1的輸入端，整流后的電壓經(jīng)濾波器2濾波后供給逆變器3做直流電源，它的開(kāi)關(guān)元件選用大功率場(chǎng)效應(yīng)管，逆變器3可輸出幅值任意，頻率為10KHZ～100KHZ，波形根據(jù)負(fù)載需要可為矩形、梯形或正弦形的交流，供交流負(fù)載，輸出功率在1KW以上，其頻率可由控制器調(diào)節(jié)。在負(fù)載需直流供電時(shí)，逆變器3輸出的高頻交流經(jīng)過(guò)二次整流器4整流，再經(jīng)濾波器5濾波，便可得到穩(wěn)定的直流輸出。圖中7為輸出電流電壓檢測(cè)器，8為電源輸入電流檢測(cè)，檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)處理后加到控制器6的控制端，起調(diào)節(jié)、穩(wěn)定和保護(hù)作用。下面結(jié)合電路原理圖對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)的工作原理詳細(xì)介紹如下與方框圖1相對(duì)應(yīng)，圖2給出了整流器1濾波器2以及用于保護(hù)的撬棒電路的電原理圖，圖中輸入端A、B接50HZ交流電源，當(dāng)啟動(dòng)按鈕AT時(shí)，接觸器J1工作，它的常開(kāi)觸點(diǎn)J11、J12吸合，向整流器G101供電，主電路工作，J13自保，與此同時(shí)，控制電源變壓器B307通過(guò)繼電器J2的常閉觸點(diǎn)J21接通電源，控制電路工作。整流器G101采用整流模塊，具體型號(hào)視功率大小而定，其輸出經(jīng)濾波器C109、C110濾波后供給逆變器3和撬棒電路，撬棒電路由R108、R109、R110、繼電器J2、停止按鈕AQ和可控硅SCR1組成。當(dāng)接通停止按鈕AQ或由113端加入保護(hù)信號(hào)時(shí)，可控硅SCR1導(dǎo)通，繼電器J2工作，其常閉接點(diǎn)J21放開(kāi)，變壓器B307失電，控制電路停止工作，繼電器J1失電，J12、J13分開(kāi)，G101失電，主電路停止工作，同時(shí)可控硅SCR1導(dǎo)通，濾波器C109和換能器10儲(chǔ)存的能量通過(guò)R108釋放掉，籍以保護(hù)開(kāi)關(guān)元件。圖3為逆變器3的電原理圖。圖中電容器C101-104，電阻R101-104，二極管D105-108起阻容吸收作用，限制開(kāi)關(guān)元件T101-T104的電壓上升率du/dt。D101-104起續(xù)流作用，其開(kāi)通與關(guān)閉狀態(tài)取決于柵極控制信號(hào)。開(kāi)關(guān)元件選用大功率場(chǎng)效應(yīng)，當(dāng)T101、T102導(dǎo)通時(shí)，脈沖換能器10輸出能量并儲(chǔ)能。T101、T102關(guān)閉后，二極管D103、D104續(xù)流。在續(xù)流期間T101～T104均處于關(guān)閉狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)為零，稱(chēng)為死區(qū)。當(dāng)T103、T104導(dǎo)通時(shí)，換能器10反方向輸出能量并儲(chǔ)能。T103、T104關(guān)閉后，二極管D101、D102續(xù)流，控制信號(hào)同樣進(jìn)入死區(qū)，開(kāi)關(guān)T101～T104的導(dǎo)通時(shí)間tr和關(guān)斷時(shí)間tf通常在250ns以下，因換能器有0.5～0.8μs的延遲時(shí)間，逆變器3的開(kāi)導(dǎo)與關(guān)閉速度在1.2～1.5μs，因此，逆變器的工作取決于脈沖換能器10的高頻特性，考慮到大功率的應(yīng)用，脈沖換能器10采用非晶態(tài)軟磁鐵芯，其工作頻率宜取10KHZ～100KHZ，功率在1KW以上，對(duì)于交流負(fù)載，即可從脈沖換能器10直接得到高頻交流電。脈沖換能器10是本專(zhuān)利技術(shù)的特殊設(shè)計(jì)，它采用的鐵芯不同于目前使用的硅鋼片和鈹莫合金鐵芯，而是采用非晶態(tài)軟磁鐵芯脈沖換能器10的電絡(luò)圖如圖8(a)所示N1為初級(jí)線卷，N2，N2為次級(jí)線卷，為了改善波形初級(jí)線卷并聯(lián)C10，R10以消除脈沖上升邊的尖鋒干擾。采用的非晶態(tài)軟磁鐵芯的外形結(jié)構(gòu)圖如圖8(b)所示。其中主要尺寸為圓環(huán)的內(nèi)徑內(nèi)與外徑和厚度L。為了提高換能效率減少高頻損耗以及漏磁損耗，在線卷的設(shè)計(jì)上與一般技術(shù)也不同。本專(zhuān)利技術(shù)采用多股裸銅線固定在一起，用玻璃絲黃臘綢導(dǎo)管絕緣，初級(jí)線卷均勻繞在內(nèi)層，次線線卷均勻繞在初級(jí)線卷上，與設(shè)備固定時(shí)必須將多股銅線與接線柱采用釬焊辦法固接在一起以減少熱損耗提高效率。由于采用上述特殊材料的鐵芯，以及獨(dú)特的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，使得本專(zhuān)利技術(shù)的在高頻大功率情況下做成的弧焊電源具有體積小、重量輕、效率高、成本低單機(jī)輸出功率大，而且大大減少了有色金屬的消耗。(以后實(shí)施例中將以數(shù)據(jù)對(duì)比明顯地看出)。之所以能做到上述效果，可從非晶態(tài)軟鐵芯的磁化曲線看出。圖9畫(huà)出了幾種鐵芯的靜態(tài)磁化曲線的比較，圖中H為磁化強(qiáng)度單位為奧斯特(Qe)，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為高斯(Gs)，說(shuō)明本專(zhuān)利技術(shù)所采用的磁鐵芯的磁化性能優(yōu)越，它的初始導(dǎo)磁率大，矯頑力非常小，磁感應(yīng)強(qiáng)度大，損耗小的優(yōu)點(diǎn)。圖4為主電路的二次整流器4和二次濾波器5的電原理圖。從脈沖換能器10輸出的高頻交流，經(jīng)快恢復(fù)二極管，本專(zhuān)利技術(shù)采用肖特基管，D109、D110全波整流，再經(jīng)二次濾波器5C107、C108、L濾波后，得到穩(wěn)定的直流輸出，電抗線卷L的鐵芯，采用特別的非晶態(tài)軟磁鐵芯，因而體積和重量均可做到小巧輕便，圖中電流表A和電壓表V由負(fù)載要求決定。R107為死負(fù)載，同時(shí)可做電壓反饋采樣電阻。圖中11為負(fù)載，電流采樣信號(hào)直接取電流表分流器兩端。圖6是脈沖信號(hào)發(fā)生器及控制電路的電原理圖。圖中T201是脈沖信號(hào)發(fā)生器，各端作用如下(1)誤差放大器十，(2)誤差放大器一，(3)補(bǔ)償，(4)軟啟動(dòng)端，啟動(dòng)快慢由C206的值決定，(5)復(fù)位端，(6)電流截止控制R211，(7)電流截止控制R212，(8)封鎖端，(9)頻率細(xì)調(diào)W204，(10)頻率粗調(diào)C207，(11)死區(qū)調(diào)節(jié)W202，(12)同步，(13)A輸出(到601、701)，(14)Ve控制電源，(15)地，(16)，B輸出(到401、501)，(17)Vcc工作電壓12V，(18)基準(zhǔn)電壓5V。其中(13)與(16)的輸出信號(hào)為方波，相位相差180°。由主電路輸出電流表A的分流器兩端106、107取樣信號(hào)經(jīng)濾波器R205、R206、C201接誤差放大器的同相端(12)作電本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種非晶態(tài)軟磁鐵芯脈沖換能器高頻大功率弧焊電源，由整流器、濾波器、逆變器、二次整流器、二次濾波器、驅(qū)動(dòng)電路。控制電路和保護(hù)電路組成，其特征在于：〈１〉逆變器（３）由４只開(kāi)關(guān)管Ｔ↓［１０１］～Ｔ↓［１０４］，做開(kāi)關(guān)元件，續(xù)流二極管Ｄ↓［１ ０１］～Ｄ↓［１０４］分別與Ｔ↓［１０１］～Ｔ↓［１０４］并聯(lián)，每只開(kāi)關(guān)管還并聯(lián)一組起阻容吸收作用的電容Ｃ↓［１０１］～Ｃ↓［１０４］，電阻Ｒ↓［１０１］～Ｒ↓［１０４］和二極管Ｄ↓［１０５］～Ｄ↓［１０８］，脈沖換能器（１０）跨接在４０５和６０５兩點(diǎn)兩，當(dāng)Ｔ↓［１０１］，Ｔ↓［１０２］導(dǎo)通時(shí)，脈沖換能器（１０）輸出能量并儲(chǔ)能，Ｔ↓［１０１］，Ｔ↓［１０２］關(guān)閉后，二極管Ｄ↓［１０３］，Ｄ↓［１０４］續(xù)流。在續(xù)流期間Ｔ↓［１０１］～Ｔ↓［１０４］均處于關(guān)閉狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)為零，稱(chēng)為死區(qū)，當(dāng)Ｔ↓［１０３］、Ｔ↓［１０４］導(dǎo)通時(shí)脈沖換能器（１０）反方向輸出能量并儲(chǔ)能，Ｔ、關(guān)閉后，二極管Ｄ↓［１０１］、Ｄ↓［１０２］續(xù)流，控制信號(hào)同樣進(jìn)入死區(qū)，〈２〉逆變器中的脈沖換能器（１０）的鐵芯采用特制的非晶態(tài)軟磁鐵芯做 成，初次級(jí)線卷均用多股裸銅線，外面套上絕緣套管，〈３〉保護(hù)電路為由電阻Ｒ↓［１０８］、Ｒ↓［１０９］、Ｒ↓［１１０］繼電器Ｊ↓［２］、停止按鈕Ａ↓［Ｑ］和可控硅ＳＣＲ↓［１］組成的撬棒電路；當(dāng)接通停止按鈕Ａ↓［Ｑ］或由１１３端加入保護(hù)信 號(hào)時(shí)，可控硅ＳＣＲ↓［１］導(dǎo)通，繼電器Ｊ↓［２］工作，其常閉接點(diǎn)Ｊ↓［２１］放開(kāi)，變壓器Ｂ↓［３０７］失電，控制電路停止工作，繼電器Ｊ↓［１］失電，Ｊ↓［１２］，Ｊ↓［１３］分開(kāi)，Ｇ↓［１０１］失電，主電路停止工作，同時(shí)可控硅ＳＣＲ↓［１］導(dǎo)通，濾波器Ｃ↓［１０９］和脈沖換能器（１０）儲(chǔ)存的能量通過(guò)Ｒ↓［１０８］釋放掉，保護(hù)開(kāi)關(guān)元件，〈４〉二次整流器（４）采用肖特基二極管Ｄ↓［１０９］、Ｄ↓［１１０］組成全波整流電路，二次濾波器（５）的電抗器Ｌ的鐵芯采用非晶態(tài)軟磁鐵芯，〈 ５〉控制電路由主電路輸出電流表分流器兩端１０６、１０７取樣信號(hào)經(jīng)濾波器Ｒ↓［２０５］、Ｒ↓［２０６］、Ｃ↓［２０１］接誤差放大器的同相端（１４）作電流負(fù)反饋控制，Ｒ↓［２０１］，Ｒ↓［２０２］，Ｗ↓［２０２］，Ｗ↓［２０１］是脈寬調(diào)節(jié)控制端，也接到同相端（１４），〈６〉驅(qū)動(dòng)電路的輸出部分由用于改善脈沖后沿下降陡度的二極管Ｄ↓［４０４］與電阻Ｒ↓［４０５］并聯(lián)后再與...

【技術(shù)特征摘要】

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李國(guó)礎(chǔ)，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：李國(guó)礎(chǔ)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：42[中國(guó)|湖北]