高效节能型野外作业用TIG焊接电源系统

高效节能型野外作业用tig焊接电源系统
技术领域
1.本发明属于焊接技术领域，具体涉及高效节能型野外作业用tig焊接电源系统。


背景技术：

2.野外作业对于大功率焊接设备供电成为问题，新型节能型适用于野外作业的焊接电源成为新的技术瓶颈。此外，空间受限核岛内部施焊，供电仍然存在问题，本专利提出一种超级电容储能供电的tig电源，以解决焊接电源供电困难问题。


技术实现要素：

3.发明目的：针对上述现有技术，提出高效节能型野外作业用tig焊接电源系统；
4.技术方案：
5.高效节能型野外作业用tig焊接电源系统，包括pfc+dc/dc电路、超级电容、全桥逆变电路、电流检测电路、电压检测电路以及交互界面：
6.所述pfc+dc/dc电路包括sic mosfet管q1-q6、初级侧全桥q7-q10、谐振电感l3-l6、谐振电容c2,c3和二次侧整流电路q11-q14；所述sic mosfet管q1的输入端为经l1-l2滤波的三相电，所述sic mosfet管q7的输入端为经pfc电路校正功率因数的vdc，所述谐振电感l3的输入端为初级侧全桥电路输出的vdc，所述sic mosfet管q11的输入端为经l3-l6谐振的vdc；
7.所述全桥逆变电路包括sic mosfet管q15-q18；sic mosfet管q15的输入端为超级电容c5-cn+1输出的vdc；
8.所述电流检测电路包括第一mcu控制器、霍尔效应传感器、第一opa320运算放大器；所述第一mcu控制器的输入端为第一opa320运算放大器输出的放大信号，所述霍尔效应传感器的输入端为i
inv
，所述第一opa320运算放大器的输入端为霍尔效应传感器检测的电流信号；
9.所述电压检测电路包括第二mcu控制器、amc1301隔离放大器和第二opa320运算放大器；所述第二mcu控制器的输入端为电压传感器，所述amc1301隔离放大器的输入端为母线电压，所述第二opa320运算放大器的输入端为隔离放大器输出的抗电磁干扰电压；
10.所述交互界面包括初始参数设置界面、焊接电源储能界面和焊接电源焊接界面；所述初始参数设置界面用于设置初始参数，所述焊接电源储能界面用于管理和监控焊接电源储能过程，所述焊接电源焊接界面用于设置焊接参数、设置通讯参数和管理焊接过程；
11.所述交互界面与所述第一mcu控制器、第二mcu控制器通信连接，所述第一mcu控制器、第二mcu控制器与所述pfc+dc/dc电路、所述电流检测电路和所述电压检测电路连接；
12.所述pfc+dc/dc的输出端为超级电容，所述全桥逆变电路的输出端连接焊接工件和钨极。
13.优选的，所述焊接电源系统还包括功率管驱动电路，所述功率管驱动电路包括：nsi6602b-dswr驱动板和sic mosfet功率管，所述nsi6602b-dswr驱动板的ina、inv引脚分
别连接pwm信号vg1、vg2，所述nsi6602b-dswr驱动板的addi、gndi、vddi引脚分别连接5vp、pgnd、5vp，所述nsi6602b-dswr驱动板的vdda、outa、gnda引脚分别连接+15va、g1、-4va。
14.所述nsi6602b-dswr驱动板的vddb、outb、gndb引脚分别连接+15vb、g2、-4vb。
15.优选的，所述电源系统还包括驱动芯片、稳压电容s_c9-11和滤波电容s_c1-4，所述驱动芯片的+v0、0v、-v0引脚分别连接+15va、conna、-4va，所述驱动芯片的gnd、vin引脚分别连接pgnd、15vp。
16.有益效果：
17.1.采用高密度超级电容组储能模块为tig焊提供能量，实现野外无电环境或供电困难狭小空间内tig焊接。
18.2.前端采用pfc功率因数校正电路，通过有源功率校正，提高充电电路的功率因数。pfc接入电网进行ac/dc功率转换，降低谐波电流，通过dc-dc变换器获得超级电容储能模块所需开路电压。
19.3.可由太阳能光伏发电的直流电，接入电源为电池供电和焊接提供能量。其中光伏发电的直流电不需并网直接为设备供电。
20.4.采用高密度超级电容进行持续供电，为焊接全桥逆变提供能量；通过控制能量输出率实现供电过程节能，mcu控制器采集超级电容电压、电流值，并通过can通信收发指令，用于实现能量输出控制。
21.5.采用sic mosfet全桥拓扑调节电流，由pfc功率因数校正电路抑制电流脉冲幅度；通过新型sic mosfet和sic功率二极管实现开关过程的节能，降低开关管开关过程中能量损耗。
附图说明
22.图1是高效节能型野外作业用tig焊电源系统结构图；
23.图2是电源拓扑结构图；
24.图3是功率管驱动电路；
25.图4是驱动芯片供电电源；
26.图5是野外作业tig焊电源软件流程；
27.图6是焊接电源储能界面；
28.图7是焊接电源焊接界面；
29.图8是电池电压随时间变化表。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
31.1.系统结构
32.高效节能型野外作业用tig焊接电源系统结构，如图1所示。系统由pfc+dc/dc、超级电容、全桥逆变电路、电流检测电路、电压检测电路以及交互界面组成。交互界面用于实时检测三相电压和电流、显示系统运行状态并设置输出电压、电流等参数。使用mcu控制器usb电缆将控制器与交互界面连接。mcu控制器隔离can端口接收交互界面中设置的电压、电流参数并按照程序设定进行运行。mcu控制器控制pfc和dc-dc逆变器获得超级电容和焊接
所需电压值，或通过太阳能光伏发电的直流电直接接入dc/dc模块为超级电容和焊接供电。同时，mcu采集超级电容电压、电流值，并通过can通信收发指令，用于实现数字功率控制，满足野外作业tig焊接需求。电源为工频380v交流输入，pfc+dc/dc连接电网和高密度超级电容。pfc接入电网进行ac/dc功率转换，减少谐波电流，通过dc-dc变换器获得超级电容和焊接所需开路电压。超级电容用于储存电能，为焊接全桥逆变提供能量。通过sic mosfet降低逆变过程中能量损耗，实现节能。
33.2.硬件电路
34.电源拓扑结构，如图2所示。由功率因数校正电路(q1-q6)、cllc逆变电路(q7-q14)、焊接电流逆变电路(q15-q18)、谐振电感(l1,l2)、谐振电感(l3,l6)、稳压电容(c1)、谐振电容(c2、c3)、高密度超级电容组(c4-cn+1)和焊接工件组成。(1)三相电经l1-l2滤波输入至sic mosfet二极管q1-q6组成的pfc电路，经电容c1进入cllc调压模块，初级侧全桥(q7-q10)，经过谐振电感(l3,l6)，谐振电容(c2,c3)，二次侧整流电路(q11-q14)，获得为超级电容充电所需的电压和电流值，储能模式下为超级电容(c5-cn+1)充电。(2)直流供电(太阳能光伏直流)接入电容c1两端，可输入该拓扑，经cllc逆变电路(q7-q14)为超级电容充电和焊接提供能量；(3)焊接模式：超级电容(c5-cn+1)作为焊接能量源，开始焊接时，电流流过全桥电路(q15-q18)为工件和电极供电，完成焊接。q15-q18通过调节pwm占空比获得焊接所需的脉冲焊接电流。
35.为降低功率电路在整流逆变过程中的能量损耗，功率管采用sic mosfet，其驱动电路，如图3所示。使用高可靠性双通道隔离栅驱动器u1驱动电路，pwm信号vg1，vg2经过ina，inv输入，至outa和outb输出，每个输出可以产生4a峰值电流和吸收6a峰值电流，输出g1,g2两组脉冲至sic mosfet门极。因sic mosfet驱动需负向电压保障其稳定关断，gnda，gndb分别连接-4v。同时，dis连接至gnd，对u1使能，通过s_r2和s_c5调节ina和inv两组信号的死区时间，避免上下桥驱动过程中同一桥臂上下管同时开通损坏开关管。
36.驱动芯片供电电源电路，如图4所示。该电路为sic mosfet提供+15v和-4v电压，输入稳压电容由s_c9、s_c10、s_c11组成，由15vdc供电，经滤波输出端获得+15v和-4v电压，+15v滤波电容由s_c1-s_c4组成，-4v滤波电容由s_c5-s_c8组成。为sic mosfet驱动提供稳定的驱动脉冲。
37.3.控制软件
38.野外作业gtaw电源软件流程，如图5所示。软件由初始化主页界面、菜单界面、储能界面、焊接界面组成。系统开始运行，进入初始化界面，设置参数函数，选择储能模式或者焊接模式，在储能模式下进入充电状态，其中分为交流电源和直流电源。(1)交流电源通过pfc+cllc获得稳定直流电为超级电容模块充电；(2)直流电源如光伏发电的直流源，可直接连接至cllc端，调制电压，为电池充电和焊接提供能量；(3)焊接模式下，进入焊接界面，设置焊接电压、焊接电流和开关频率后开始施焊，施焊通过can通信实施监测焊接参数的变化，焊接完成后结束。
39.图1是高效节能型野外作业用gtaw电源系统结构图；包括交互界面、mcu控制器、pfc+dc/dc、超级电容和全桥逆变。所述交互界面与mcu通信连接，所述mcu控制器与pfc电路和电流电压检测电路连接，所述pfc+dc/dc的输出端为超级电容，所述超级电容的输入端为pfc+dc/dc，所述全桥逆变的输出端连接焊接工件和钨极。
40.图2是电源拓扑结构图；包括pfc+dc/dc电路、超级电容和全桥逆变电路。所述pfc的输入端为经l1-l2滤波的三相电，所述dc/dc的输入端为经pfc电路校正功率因数的vdc，所述超级电容的输入端为经l3-l6谐振的vdc。所述全桥逆变电路的输入端为超级电容c5-cn+1输出的vdc。
41.图3是功率管驱动电路；包括nsi6602b-dswr驱动板和sic mosfet功率管。所述nsi6602b-dswr驱动板的ina、inv引脚分别连接pwm信号vg1、vg2，所述nsi6602b-dswr驱动板的addi、gndi、vddi引脚分别连接5vp、pgnd、5vp，所述nsi6602b-dswr驱动板的vdda、outa、gnda引脚分别连接+15va、g1、-4va，所述nsi6602b-dswr驱动板的vddb、outb、gndb引脚分别连接+15vb、g2、-4vb。
42.图4是驱动芯片供电电源；包括驱动芯片、稳压电容(s_c9-11)和滤波电容由(s_c1-4)。所述驱动芯片的+v0、0v、-v0引脚分别连接+15va、conna、-4va，所述驱动芯片的gnd、vin引脚分别连接pgnd、15vp。
43.焊接电源储能界面，如图6所示。模式切换按钮、左侧交流电源栏、右侧直流电源栏、右上方指示灯和右下方按钮组成。模式转化按钮由菜单、储能模式、焊接模式、fra模式组成，点击“菜单”进入开机初始化菜单界面，点击“储能模式”进入储能界面，点击“焊接模式”进入焊接界面，点击“fra设置”进入fra设置界面。
44.(1)在交流电源栏中，上面方框显示输入l-nac电压值、电流值、有功功率、视在功率和有功电能，下面方框显示输出电压值、电流值、有功功率、视在功率和功率因数。点击“恒压模式”按钮，直流电源以恒压模式工作，点击“恒流模式”按钮，直流电源以恒流模式工作。
45.(2)直流电源栏中，显示输入输出端电压和电流，点击“恒压模式”按钮，直流电源以恒压模式工作，点击“恒流模式”按钮，直流电源以恒流模式工作。点击“开始充电”按钮，“充电”指示灯亮起，点击“停止充电”按钮，“充电”指示灯熄灭，电量指示灯显示充电过程中实时电量，充电完成后“已充满”指示灯亮起，当电路发生故障，无法正常充电时，“故障”亮起。
46.焊接电源焊接界面，如图7所示。由闭环实时参数显示框、通信设置框、参数设置框和指示灯、按钮等组成。电量指示灯显示焊接过程电量剩余量，系统处于运行状态，运行指示灯亮起；系统运行出现故障，故障指示灯亮起；焊接过程中焊接指示灯亮起；闭环实时参数用来显示输入输出电压值、电流值，输出视在功率、输出有功功率、输出有功电能和功率因数；通信连接框用来显示此用户软件与mcu控制电路的通信连接情况，当通信成功时，“连接成功”勾选框处于勾选状态，软件默认勾选“保存上次选项”用来保存上次使用时使用的焊接参数；参数设置框用来设置焊接参数，根据焊接工件厚度选择焊接电流、峰值电流、焊接速度和送丝速度，设置好氩气流量、脉冲宽度和脉冲频率后可以开始焊接，点击“开始焊接”按钮施焊，点击“停止焊接”按钮停止焊接。
47.超级电容运行效率测试结果，如表1所示。输入母线电压349vav，经pfc获得700vdc，经dc/dc转换降压获得输出电压，开路电压为91.31v，系统功率为10.1kw，效率为99.6％；开路电压为90.95v，系统功率为18.8kw，效率为99.3％。
48.表1运行效率测试结果
[0049][0050]
超级电容电压随焊接时间的变化逐渐衰减，如图8所示。焊接电流为50a施焊8小时，电源电压从100v降至75v，焊接电流为100a施焊8小时后，电源电压从100v降至70v，焊接电流为200a施焊8小时后，电源电压从100v降至65v，焊接电流为300a施焊8小时后，电源电压从100v降至60v，焊接电流为600a施焊8小时后，电源电压从100v降至50v。
[0051]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.高效节能型野外作业用tig焊接电源系统，其特征在于，包括pfc+dc/dc电路、超级电容、全桥逆变电路、电流检测电路、电压检测电路以及交互界面：所述pfc+dc/dc电路包括sic mosfet管q1-q6、初级侧全桥q7-q10、谐振电感l3-l6、谐振电容c2,c3和二次侧整流电路q11-q14；所述sic mosfet管q1的输入端为经l1-l2滤波的三相电，所述sic mosfet管q7的输入端为经pfc电路校正功率因数的vdc，所述谐振电感l3的输入端为初级侧全桥电路输出的vdc，所述sic mosfet管q11的输入端为经l3-l6谐振的vdc；所述全桥逆变电路包括sic mosfet管q15-q18；sic mosfet管q15的输入端为超级电容c5-cn+1输出的vdc；所述电流检测电路包括第一mcu控制器、霍尔效应传感器、第一opa320运算放大器；所述第一mcu控制器的输入端为第一opa320运算放大器输出的放大信号，所述霍尔效应传感器的输入端为i
inv
，所述第一opa320运算放大器的输入端为霍尔效应传感器检测的电流信号；所述电压检测电路包括第二mcu控制器、amc1301隔离放大器和第二opa320运算放大器；所述第二mcu控制器的输入端为电压传感器，所述amc1301隔离放大器的输入端为母线电压，所述第二opa320运算放大器的输入端为隔离放大器输出的抗电磁干扰电压；所述交互界面包括初始参数设置界面、焊接电源储能界面和焊接电源焊接界面；所述初始参数设置界面用于设置初始参数，所述焊接电源储能界面用于管理和监控焊接电源储能过程，所述焊接电源焊接界面用于设置焊接参数、设置通讯参数和管理焊接过程；所述交互界面与所述第一mcu控制器、第二mcu控制器通信连接，所述第一mcu控制器、第二mcu控制器与所述pfc+dc/dc电路、所述电流检测电路和所述电压检测电路连接；所述pfc+dc/dc的输出端为超级电容，所述全桥逆变电路的输出端连接焊接工件和钨极。2.如权利要求1所述的高效节能型野外作业用tig焊接电源系统，其特征在于，所述焊接电源系统还包括功率管驱动电路，所述功率管驱动电路包括：nsi6602b-dswr驱动板和sic mosfet功率管，所述nsi6602b-dswr驱动板的ina、inv引脚分别连接pwm信号vg1、vg2，所述nsi6602b-dswr驱动板的addi、gndi、vddi引脚分别连接5vp、pgnd、5vp，所述nsi6602b-dswr驱动板的vdda、outa、gnda引脚分别连接+15va、g1、-4va；所述nsi6602b-dswr驱动板的vddb、outb、gndb引脚分别连接+15vb、g2、-4vb。3.如权利要求1所述的高效节能型野外作业用tig焊接电源系统，其特征在于，所述焊接电源系统还包括驱动芯片、稳压电容s_c9-11和滤波电容s_c1-4，所述驱动芯片的+v0、0v、-v0引脚分别连接+15va、conna、-4va，所述驱动芯片的gnd、vin引脚分别连接pgnd、15vp。

技术总结
本发明提供高效节能型野外作业用TIG焊接电源系统，属于焊接技术领域，包括PFC+DC/DC电路、超级电容、全桥逆变电路、电流检测电路、电压检测电路以及交互界面，本发明采用高密度超级电容组储能模块为GTAW提供能量，实现野外无电环境或供电困难狭小空间内GTAW焊接。采用SiCmosfet全桥拓扑调节电流，由PFC功率因数校正电路抑制电流脉冲幅度；通过新型SiCmosfet和SiC功率二极管实现开关过程的节能，降低开关管开关过程中能量损耗。关管开关过程中能量损耗。关管开关过程中能量损耗。


技术研发人员：郭豫鹏 李鑫 刘尧 韦东波 陆晓峰 朱晓磊
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/5