用于交流氩弧焊的能量回收装置和交流氩弧焊接电路的制作方法

1.本发明涉及交流氩弧焊技术领域，具体涉及一种用于交流氩弧焊的能量回收装置和交流氩弧焊接电路。


背景技术：

2.在铝、镁及其合金的焊接中，广泛采用交流tig（钨极氩弧焊）工艺，保护气体为氩气或氦气。在交流负极性的半波里，钨极为正，电弧具有清除氧化膜的作用，在交流正极性的半波里，钨极为负，电弧可以增加焊缝熔深并提高钨极载流能力。交流氩弧焊焊接回路的电流需要按照一定的频率切换电流方向，焊接回路里有一个电感量较大的电抗器，并且焊枪与地线构成的焊接回路可能带来额外的电感。当焊接电流的方向被强制改变时，这些电感会产生很大的反向尖峰电压，随着焊接电流的增加，这种尖峰电压会变得很大，对焊机内部功率器件的安全运行造成了很大威胁。因此通常需要采用专门的吸收电路把这个尖峰电流吸收掉，以确保作用在功率器件上的电压不超过器件额定值。现有技术中一般采用rc吸收电路，当尖峰能量很大时，需要很大的rc参数，这会在电阻上产生很大的功耗，从而降低整机的效率。
3.因此，需要一种交流氩弧焊电感能量回收装置，在有效吸收电感换相尖峰能量的情况下，将能量返回给主电路，降低能耗，提高整机效率，以解决以上现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种用于交流氩弧焊的能量回收装置和交流氩弧焊接电路。
5.根据本发明的一个方面，提供一种用于交流氩弧焊的能量回收装置，包括顺次连接的第一整流电路、储能模块、比较模块、pwm驱动模块、逆变电路和第二整流电路。其中，第一整流电路为第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管组成的全桥整流电路，第一整流电路的输入端连接交流氩弧焊机焊接电路中二次逆变电路的输出端，第一整流电路适于将二次逆变电路中的电感换相产生的尖峰电压转换为直流电压；储能模块包括至少一个储能电容，适于存储第一整流电路输出的直流电压；比较模块适于将储能模块存储的直流电压与预设的参考电压比较，得到输出电平，以便控制pwm驱动模块的启动或关闭；pwm驱动模块适于在开启时驱动逆变电路将储能模块中存储的直流电压转换为交流电压；第二整流电路适于将逆变模块输出的交流电压转换为直流电压，并连接至交流氩弧焊接电路中一次逆变电路的直流母线输入端。
6.该能量回收装置能够将交流氩弧焊接电路中二次逆变输出回路中电感换相产生的尖峰电压能量，被几乎无损的返回到一次逆变电路的直流母线输入端，这样，既保证了二次逆变电路中功率开关器件的可靠性，又能减少能耗。
7.可选地，能量回收装置的输入端连接至交流氩弧焊焊接回路中二次逆变电路的输
出端，能量回收装置的输出端连接至交流氩弧焊焊接回路中一次逆变电路的直流母线输入端。
8.可选地，储能模块与比较模块的输入端之间设置有第一电阻分压电路，第一电阻分压电路包括相互串联的第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和并联在第四电阻两端的第一旁路电容，电阻分压电路适于将储能模块中存储的直流电压按照预定比例输出至比较模块的正相输入端。
9.可选地，比较模块的反相输入端连接由第五电阻、第六电阻、第二旁路电容组成的第二电阻分压电路，第二旁路电容并联在所述第六电阻两端。
10.可选地，比较模块适于在储能模块存储的直流电压小于预设的参考电压时，输出低电平，在储能模块存储的直流电压大于预设的参考电压时，输出高电平。
11.可选地，pwm驱动模块适于在比较模块输出高电平时开启，pwm驱动模块适于在比较模块输出低电平时关闭。
12.可选地，逆变电路为由第一开关器件、第二开关器件、第三旁路电容、第四旁路电容和第一降压变压器构成的半桥逆变电路，当第一开关器件导通时，第二开关器件截止；当第一开关器件截止时，第二开关器件导通。
13.可选地，第二整流电路为由第五二极管、第六二极管构成的推挽式整流电路，第二整流电路适于将逆变电路输出的交流电压转换为直流电压，并连接至交流氩弧焊接电路中一次逆变电路的直流母线输入端。
14.根据本发明的另一个方面，提供一种交流氩弧焊接电路，其特征在于，包括如上所述的能量回收装置、一次逆变电路、第二降压变压器、第三整流电路、二次逆变电路，能量回收装置的输入端连接至二次逆变电路的输出端，能量回收装置的输出端连接至一次逆变电路的直流母线输入端；一次逆变电路为多个开关器件构成的全桥或半桥逆变电路，适于将直流母线输出的直流电压转换为第一交流电压；第二降压变压器适于将第一交流电压降低为第二交流电压；第三整流电路适于将第二交流电压转换为直流电；二次逆变电路为第三开关器件、第四开关器件、第五旁路电容、第六旁路电容组成的半桥逆变电路；第三整流电路与二次逆变电路之间连接有电感。
15.可选地，在上述交流氩弧焊接电路中，当第三开关器件导通时，第四开关器件截止；当第三开关器件截止时，第四开关器件导通，二次逆变电路通过第三开关器件和第四开关器件轮流导通使流过电感的电流方向改变，从而在交流氩弧焊接电路中产生电弧。
16.根据本发明的方案，通过能量回收装置的一次整流、储能、电压比较、pwm驱动、二次整流处理，能够将二次逆变电路中电感换相产生的尖峰电压能量几乎无损地返回到一次逆变电路的直流母线输入端。既保证了二次逆变电路中功率开关器件的可靠性，又能降低能耗，提高整机效率，具有良好的经济价值。
17.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
18.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通
技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1示出了现有技术中包含rc吸收电路交流氩弧焊接电路示意图；图2示出了根据本发明一个实施例的包含能量回收装置的交流氩弧焊机焊接电路示意图；图3示出了根据本发明一个实施例的用于交流氩弧焊的能量回收装置300的电路原理图。
具体实施方式
19.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
20.现有技术中一般采用rc吸收电路吸收交流氩弧焊机流过电感的电流在强制换相时产生的尖峰电压。图1示出了现有技术中包含rc吸收电路的交流氩弧焊接电路示意图，如图1所示，交流氩弧焊接电路包括一次逆变电路1、降压隔离模块t1、二次逆变电路2、rc吸收电路。其中开关器件q1、q2、q3、q4以及滤波电容c4构成一次逆变电路1，变压器t1为高频变压器构成降压隔离模块，能够将一次逆变电路与二次逆变电路隔离。开关器件q7、q8、电容器c1、c6、变压器t1的二次端、二极管d1、d2、d3、d4构成的桥式整流电路共同构成二次逆变电路2。r1、r2、c2、c5构成rc吸收电路，用于吸收流过电感l1的电流在强制换相时产生的尖峰电压。由于大电流的交流氩弧焊机在强制切换电流方向时的电流很大，一般为400-630a,而且电流的变化率也很大，因此电感l1产生产生的尖峰能量很大，需要很大的rc吸收参数才能处理这个能量。此时通过吸收电阻的电流很大，产生的功耗高达几百瓦，这个能量时完全被浪费掉的，从而导致整机效率低下。因此，为了提高整机效率，本方案采用一种无损的能量吸收方式，能够把二次逆变的电感换相能量转移到一次逆变的直流母线上，使能量再次利用，从而提高整机效率。
21.图2示出了根据本发明一个实施例的包含能量回收装置的交流氩弧焊机焊接电路示意图。如图2所示，能量回收装置300的输入端a1、a2连接至二次逆变电路的输出端b1、b2，能量回收装置的输出端a3、a4连接至一次逆变电路的直流母线输入端dc_bus 和dc_bus-。如图2所示，包含能量回收装置的交流氩弧焊机焊接电路包括一次逆变电路100、第二降压变压器t2、第三整流电路200和二次逆变电路400，第三整流电路200和二次逆变电路400之间连接有电感l2和电弧发生端口。其中，一次逆变电路100可以是全桥逆变或半桥逆变结构，本方案对此不做限定。在本发明的一个实施例中，一次逆变电路100包括由开关器件q1、q2、q3、q4以及滤波电容c15、c16构成的全桥逆变电路，一次逆变电路100可以将直流母线输出的直流电压转换为第一交流电压。开关器件可以是igbt（绝缘栅双极晶体管）、gto（可关断晶闸管）、mosfet（场效应管）等全控型半导体开关器件。第二降压变压器t2为高频降压变压器，能够将第一交流电压降为第二交流电压，能够起到降压和隔离的作用，避免一次逆变电路100和二次逆变电路400之间的相互干扰。第三整流电路200由二极管d11、d12、d13、d14构成，能够将第二交流电压转换为直流电压。二次逆变电路400包括第三开关器件q9、第四
开关器件q10、第五旁路电容c14、第六旁路电容c17构成的半桥逆变电路。当第三开关器件q9导通时，第四开关器件q10截止，当第三开关器件q9截止时，第四开关器件q10导通。二次逆变电路400通过第三开关器件q9和第四开关器件q10轮流导通使流过电感l2的电流方向改变，从而在交流氩弧焊接电路中产生电弧。为了吸收电感l2因强制改变电流方向产生的尖峰电压，本方案提供了一种能量回收装置，能够将二次逆变电路中电感换相产生的尖峰能量几乎无损的返回给一次逆变电路，既能保证二次逆变电路中功率开关器件的可靠性，又能降低能耗，提高整机效率。
22.图3示出了根据本发明一个实施例的用于交流氩弧焊机的能量回收装置300的电路示意图。如图3所示，能量回收装置300包括顺次连接的第一整流电路310、储能模块320、比较模块330、pwm驱动模块340、逆变电路350和第二整流电路，所述第一整流电路310为第一二极管d5、第二二极管d6、第三二极管d9、第四二极管d10组成的全桥整流电路，第一整流电路310的输入端连接交流氩弧焊机焊接电路中二次逆变电路的输出端，第一整流电路适于将二次逆变电路中的电感换相产生的尖峰电压转换为直流电压；储能模块320包括至少一个储能电容（c8、c9、c10），适于存储第一整流电路输出的直流电压；比较模块330适于将储能模块320存储的直流电压与预设的参考电压比较，得到输出电平，以便控制pwm驱动模块340的启动或关闭；pwm驱动模块340适于在开启时驱动逆变电路350将储能模块330中存储的直流电压转换为交流电压；第二整流电路360适于将逆变电路350输出的交流电压转换为直流电压，并连接至交流氩弧焊接电路中一次逆变电路的直流母线输入端。
23.具体地，能量回收装置300的输入端a1、a2连接至二次逆变电路的输出端（电感l2的两端），当流过电感l2的电流方向改变时，电感l2中产生的尖峰电压能量通过第一二极管d5、第二二极管d6、第三二极管d9、第四二极管d10组成的第一整流电路进行整流后输出直流电压。转换后的直流电压存储在储能电容c8、c9、c10并联组成的储能模块中。储能电容c8、c9、c10中存储的直流电压经电阻第一电阻r3、第二电阻r4、第三电阻r5、第四电阻r6、并联在第四电阻r6两端的第一旁路电容c12组成的第一电阻分压电路分压后，送至比较模块（电压比较器u1b）的同相输入端（电压比较器u1b的输入引脚5）第四电阻r6和第一旁路电容c12的一端接地。电压比较器u1b的反相输入端（输入引脚6）接由第五电阻r7、第六电阻r8、并联在第六电阻r8两端的c13组成的第二电阻分压电路后产生一个参考电压，第六电阻r8和第二旁路电容c13（c13并联在r8的两端，r8和c13的一端接地）的一端接地。通过计算电阻的参数获得合适的分压比，使电压比较器u1b在吸收储能电容c8、c9、c10存储的直流电压高于参考电压值时，输出电平翻转为高电平，电压比较器u1b输出的高电平信号作为pwm驱动模块的启动/关闭信号：当u1b（输出引脚7）输出高电平时，pwm驱动模块启动工作；当u1b输出低电平时，pwm驱动模块停止工作。
24.在本发明的一个实施例中，当储能模块中储能电容存储的直流电压高于预设电压400v时，电压比较器u1b输出高电平，使pwm驱动模块可以驱动由第一开关器件q5、第二开关器件q6、第三旁路电容c7、第四旁路电容c11、第一降压变压器t3组成的半桥逆变电路工作，其中，第一开关器件q5、第二开关器件q6可以是igbt、mosfet等任意一种全控型半导体开关器件。半桥逆变电路的输出电流经由第五二极管d7、第六二极管d8构成的第二整流电路整流后输出至一次逆变电路的直流母线输入端（dc_bus 和dc_bus-），完成能量的回收利用。当储能模块中储能电容存储的直流电压低于预设电压400v时，可认为电感产生的尖峰电压
不高，不会影响二次逆变电路中功率器件的可靠性，此时电压比较器u1b输出低电平，pwm驱动模块关闭，停止能量转移。
25.通过上述方案，通过能量回收装置的一次整流、储能、电压比较、pwm驱动、二次整流处理，能够将二次逆变电路中电感换相产生的尖峰电压能量几乎无损地返回到一次逆变电路的直流母线输入端。既保证了二次逆变电路中功率开关器件的可靠性，又能降低能耗，提高整机效率，具有良好的经济价值。
26.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
27.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
28.本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
29.本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
30.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
31.此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。
32.如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必
须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
33.尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。
34.因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。