非晶态软磁铁芯脉冲换能器高频大功率弧焊电源制造技术

一种非晶态软磁铁芯脉冲换能器高频大功率弧焊电源，属于电焊机用电源设备。本发明专利技术由整流器、滤波器、逆变器、二次整流与二次滤波器以及控制电路，保护电路和驱动电路组成。采用大功率效应管作开关电源，脉冲换能器铁芯采用非晶态软磁铁芯，设有电流保护、电压保护。具有频率高、体积小、重量轻、效率高、单机输出功率大，可节省大量有色金属，特别适合用于移动式电焊技术中。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用非晶态软磁铁芯脉冲换能器场效应管脉宽调制逆变器开关电源，特别是工业用高频大功率弧焊电源，属于电焊机用电源变换设备。过去电焊机使用的大功率电源为传统的线性电源，由于它的工作频率仅为50HZ，故变压器、滤波器等换能器件体积大、笨重，还要消耗大量的铜、铝、钢铁等金属材料，且效率低只能达到35～60%。应用在大功率时，上述缺点更为突出。随着科学技术发展，70年代以后，电源朝小型化、重量轻、效率高方向发展，出现了高频中、小功率开关电源，这种电源采用AC-DC-AC(高频)-DC(二次整流)的模式。工作频率可达50KHZ，一般使用20KHZ，采用大功率晶体管和铁氧体、铍莫合金铁芯换能器，因而体积、重量和效率等指标较传统线性电源都有较大改善，被称为“20KHZ电源技术革命”。但由于铍莫合金价格昂贵，不宜推广;铁氧体的高频损耗大，机械特性差，易碎也不宜做成大功率换能器，因而这类电源的单机容量一般在1KW以下，对于工业用大负载电源只能采取积木式系统供电，不宜做动力生产设备用。低频大功率开关电源采用高压大功率二极管，可控硅等开关元件，虽然可以取代传统的线性电源，但由于频率低仍存在体积大、苯重，有色金属消耗大，功率因素低等缺点。本专利技术的目的正是为了克服上述几种电源的缺点，而提供一种高频大功率弧焊电源，它采用非晶态软磁铁芯换能器、场效应管脉宽调制逆变器制成的开关电源，具有频率高，重量轻、体积小、效率高，单机输出功率大，同时可节省大量有色金属，从而适用于移动式电焊技术中。本专利技术的目的是这样实现的图1为本专利技术的原理性方框图，其中虚线框图Ⅰ为主电路，主电路包括整流器1、滤波器2，逆变器3、二次整流器4、二次滤波器5。框图Ⅱ为控制电路，其工作原理概述如下工频50HZ的交流电接到整流器1的输入端，整流后的电压经滤波器2滤波后供给逆变器3做直流电源，它的开关元件选用大功率场效应管，逆变器3可输出幅值任意，频率为10KHZ～100KHZ，波形根据负载需要可为矩形、梯形或正弦形的交流，供交流负载，输出功率在1KW以上，其频率可由控制器调节。在负载需直流供电时，逆变器3输出的高频交流经过二次整流器4整流，再经滤波器5滤波，便可得到稳定的直流输出。图中7为输出电流电压检测器，8为电源输入电流检测，检测到的信号经处理后加到控制器6的控制端，起调节、稳定和保护作用。下面结合电路原理图对本专利技术的工作原理详细介绍如下与方框图1相对应，图2给出了整流器1滤波器2以及用于保护的撬棒电路的电原理图，图中输入端A、B接50HZ交流电源，当启动按钮AT时，接触器J1工作，它的常开触点J11、J12吸合，向整流器G101供电，主电路工作，J13自保，与此同时，控制电源变压器B307通过继电器J2的常闭触点J21接通电源，控制电路工作。整流器G101采用整流模块，具体型号视功率大小而定，其输出经滤波器C109、C110滤波后供给逆变器3和撬棒电路，撬棒电路由R108、R109、R110、继电器J2、停止按钮AQ和可控硅SCR1组成。当接通停止按钮AQ或由113端加入保护信号时，可控硅SCR1导通，继电器J2工作，其常闭接点J21放开，变压器B307失电，控制电路停止工作，继电器J1失电，J12、J13分开，G101失电，主电路停止工作，同时可控硅SCR1导通，滤波器C109和换能器10储存的能量通过R108释放掉，籍以保护开关元件。图3为逆变器3的电原理图。图中电容器C101-104，电阻R101-104，二极管D105-108起阻容吸收作用，限制开关元件T101-T104的电压上升率du/dt。D101-104起续流作用，其开通与关闭状态取决于栅极控制信号。开关元件选用大功率场效应，当T101、T102导通时，脉冲换能器10输出能量并储能。T101、T102关闭后，二极管D103、D104续流。在续流期间T101～T104均处于关闭状态，对应的控制信号为零，称为死区。当T103、T104导通时，换能器10反方向输出能量并储能。T103、T104关闭后，二极管D101、D102续流，控制信号同样进入死区，开关T101～T104的导通时间tr和关断时间tf通常在250ns以下，因换能器有0.5～0.8μs的延迟时间，逆变器3的开导与关闭速度在1.2～1.5μs，因此，逆变器的工作取决于脉冲换能器10的高频特性，考虑到大功率的应用，脉冲换能器10采用非晶态软磁铁芯，其工作频率宜取10KHZ～100KHZ，功率在1KW以上，对于交流负载，即可从脉冲换能器10直接得到高频交流电。脉冲换能器10是本专利技术的特殊设计，它采用的铁芯不同于目前使用的硅钢片和铍莫合金铁芯，而是采用非晶态软磁铁芯脉冲换能器10的电络图如图8(a)所示N1为初级线卷，N2，N2为次级线卷，为了改善波形初级线卷并联C10，R10以消除脉冲上升边的尖锋干扰。采用的非晶态软磁铁芯的外形结构图如图8(b)所示。其中主要尺寸为圆环的内径内与外径和厚度L。为了提高换能效率减少高频损耗以及漏磁损耗，在线卷的设计上与一般技术也不同。本专利技术采用多股裸铜线固定在一起，用玻璃丝黄腊绸导管绝缘，初级线卷均匀绕在内层，次线线卷均匀绕在初级线卷上，与设备固定时必须将多股铜线与接线柱采用钎焊办法固接在一起以减少热损耗提高效率。由于采用上述特殊材料的铁芯，以及独特的导线结构，使得本专利技术的在高频大功率情况下做成的弧焊电源具有体积小、重量轻、效率高、成本低单机输出功率大，而且大大减少了有色金属的消耗。(以后实施例中将以数据对比明显地看出)。之所以能做到上述效果，可从非晶态软铁芯的磁化曲线看出。图9画出了几种铁芯的静态磁化曲线的比较，图中H为磁化强度单位为奥斯特(Qe)，B为磁感应强度，单位为高斯(Gs)，说明本专利技术所采用的磁铁芯的磁化性能优越，它的初始导磁率大，矫顽力非常小，磁感应强度大，损耗小的优点。图4为主电路的二次整流器4和二次滤波器5的电原理图。从脉冲换能器10输出的高频交流，经快恢复二极管，本专利技术采用肖特基管，D109、D110全波整流，再经二次滤波器5C107、C108、L滤波后，得到稳定的直流输出，电抗线卷L的铁芯，采用特别的非晶态软磁铁芯，因而体积和重量均可做到小巧轻便，图中电流表A和电压表V由负载要求决定。R107为死负载，同时可做电压反馈采样电阻。图中11为负载，电流采样信号直接取电流表分流器两端。图6是脉冲信号发生器及控制电路的电原理图。图中T201是脉冲信号发生器，各端作用如下(1)误差放大器十，(2)误差放大器一，(3)补偿，(4)软启动端，启动快慢由C206的值决定，(5)复位端，(6)电流截止控制R211，(7)电流截止控制R212，(8)封锁端，(9)频率细调W204，(10)频率粗调C207，(11)死区调节W202，(12)同步，(13)A输出(到601、701)，(14)Ve控制电源，(15)地，(16)，B输出(到401、501)，(17)Vcc工作电压12V，(18)基准电压5V。其中(13)与(16)的输出信号为方波，相位相差180°。由主电路输出电流表A的分流器两端106、107取样信号经滤波器R205、R206、C201接误差放大器的同相端(12)作电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非晶态软磁铁芯脉冲换能器高频大功率弧焊电源，由整流器、滤波器、逆变器、二次整流器、二次滤波器、驱动电路。控制电路和保护电路组成，其特征在于：〈１〉逆变器（３）由４只开关管Ｔ↓［１０１］～Ｔ↓［１０４］，做开关元件，续流二极管Ｄ↓［１ ０１］～Ｄ↓［１０４］分别与Ｔ↓［１０１］～Ｔ↓［１０４］并联，每只开关管还并联一组起阻容吸收作用的电容Ｃ↓［１０１］～Ｃ↓［１０４］，电阻Ｒ↓［１０１］～Ｒ↓［１０４］和二极管Ｄ↓［１０５］～Ｄ↓［１０８］，脉冲换能器（１０）跨接在４０５和６０５两点两，当Ｔ↓［１０１］，Ｔ↓［１０２］导通时，脉冲换能器（１０）输出能量并储能，Ｔ↓［１０１］，Ｔ↓［１０２］关闭后，二极管Ｄ↓［１０３］，Ｄ↓［１０４］续流。在续流期间Ｔ↓［１０１］～Ｔ↓［１０４］均处于关闭状态，对应的控制信号为零，称为死区，当Ｔ↓［１０３］、Ｔ↓［１０４］导通时脉冲换能器（１０）反方向输出能量并储能，Ｔ、关闭后，二极管Ｄ↓［１０１］、Ｄ↓［１０２］续流，控制信号同样进入死区，〈２〉逆变器中的脉冲换能器（１０）的铁芯采用特制的非晶态软磁铁芯做 成，初次级线卷均用多股裸铜线，外面套上绝缘套管，〈３〉保护电路为由电阻Ｒ↓［１０８］、Ｒ↓［１０９］、Ｒ↓［１１０］继电器Ｊ↓［２］、停止按钮Ａ↓［Ｑ］和可控硅ＳＣＲ↓［１］组成的撬棒电路；当接通停止按钮Ａ↓［Ｑ］或由１１３端加入保护信 号时，可控硅ＳＣＲ↓［１］导通，继电器Ｊ↓［２］工作，其常闭接点Ｊ↓［２１］放开，变压器Ｂ↓［３０７］失电，控制电路停止工作，继电器Ｊ↓［１］失电，Ｊ↓［１２］，Ｊ↓［１３］分开，Ｇ↓［１０１］失电，主电路停止工作，同时可控硅ＳＣＲ↓［１］导通，滤波器Ｃ↓［１０９］和脉冲换能器（１０）储存的能量通过Ｒ↓［１０８］释放掉，保护开关元件，〈４〉二次整流器（４）采用肖特基二极管Ｄ↓［１０９］、Ｄ↓［１１０］组成全波整流电路，二次滤波器（５）的电抗器Ｌ的铁芯采用非晶态软磁铁芯，〈 ５〉控制电路由主电路输出电流表分流器两端１０６、１０７取样信号经滤波器Ｒ↓［２０５］、Ｒ↓［２０６］、Ｃ↓［２０１］接误差放大器的同相端（１４）作电流负反馈控制，Ｒ↓［２０１］，Ｒ↓［２０２］，Ｗ↓［２０２］，Ｗ↓［２０１］是脉宽调节控制端，也接到同相端（１４），〈６〉驱动电路的输出部分由用于改善脉冲后沿下降陡度的二极管Ｄ↓［４０４］与电阻Ｒ↓［４０５］并联后再与...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李国础，
申请(专利权)人：李国础，
类型：发明
国别省市：42[中国|湖北]