專利名稱：無次級整流直流電阻焊機及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出一種無次級整流直流電阻焊機及控制方法，具體地說是一種應(yīng)用于各種電阻點、凸、縫焊機的裝置及控制方法。
三相低頻電阻焊機是20世紀(jì)50年代研制出的一種電阻焊機，該焊機由一臺特殊的焊接變壓器以及相應(yīng)的整流元器件等組成。這個特殊的焊接變壓器有一個單匝的次級繞組和三個相互獨立的、具有相同匝數(shù)的初級繞組。初級和次級繞組都繞在同一鐵芯上，因此在焊接時受同一磁力線的作用。每個初級線圈通過兩只反向并聯(lián)的可控硅與電網(wǎng)中的兩相相連接。三相低頻電阻焊機具有許多優(yōu)點，但是其焊接時仍存在焊接電流過零點和焊接變壓器的體積與重量大的問題，限制了這類電阻焊機的使用與發(fā)展。20世紀(jì)70年代之后，人們又研制出了次級整流直流電阻焊機。該焊機由于采用直流電流進(jìn)行焊接具有許多優(yōu)點，是目前國內(nèi)外電阻焊機發(fā)展的主要方向之一，目前國內(nèi)外各種電阻焊機直流焊接電流的獲得主要是通過次級整流，即在電阻焊機的次級側(cè)接入大功率的整流二級管，把交變的電流變?yōu)橹绷麟娏鬟M(jìn)行焊接。但是由于采用了大功率的整流二極管，又將帶來新的能量損耗。一般說來，用于次級整流的二極管在工作時將產(chǎn)生1.5伏左右的管壓降。一般電阻焊機的次級電壓為5伏左右，也就是說，在次級整流型電阻焊機工作時，次級5伏左右的工作電壓要有約1.5伏被用來克服由整流二極管產(chǎn)生的壓降，該損耗約占整個焊機輸出功率的32％。另外，大功率整流二級管價格昂貴，為了防止整流二極管的損壞，焊機還需增加相應(yīng)的均流和過流保護(hù)電路，這樣不僅增加了整臺焊機的成本，而且還增加了焊機的維修成本和難度。20世紀(jì)80年代，人們又研制出了逆變電阻焊機。由于采用了現(xiàn)代變流技術(shù)，逆變式電阻焊機不僅控制精度高，而且其焊接變壓器的體積與重量大大減小。另一方面，逆變式電阻焊機往往需要次級整流，因而同樣存在因接入次級整流元件而產(chǎn)生的附加能量損耗和保護(hù)電路復(fù)雜等問題。在電阻焊接電源的發(fā)展歷史上，只有三相低頻電阻焊機在性能上與次級整流電阻焊機相近，而且不存在次級整流元件的能量損耗。但是，三相低頻電阻焊機的缺點是焊接電流過零點和焊接變壓器的體積與重量大的問題。
本發(fā)明的原理是根據(jù)三相低頻電阻焊機的工作原理可知，在焊接時，其焊接主電路通過對輸入電壓進(jìn)行整流，對焊接變壓器初級線圈輸出一個持續(xù)的直流電壓，該電壓在焊接過程中始終保持，直至下一次電壓的反向。焊接變壓器是一個儲能器件，當(dāng)輸入焊接變壓器初級線圈的電壓由高電平變?yōu)榱惴鼤r，由于電感的儲能作用，焊接變壓器的輸出電流和流經(jīng)焊接變壓器的激磁電流均不是立即下降到零，而是按照指數(shù)規(guī)律下降。由于在傳統(tǒng)三相低頻電阻焊機焊接時，其焊接變壓器初級線圈始終在一個直流電壓作用下，必然導(dǎo)致在焊接過程中焊接變壓器內(nèi)的磁感應(yīng)強度不斷上升。為了避免焊接變壓器磁飽和而引起的焊接主電路整流元件的損壞，傳統(tǒng)三相低頻電阻焊機焊接時需不斷定時改變焊接變壓器通電方向。采用傳統(tǒng)三相低頻電阻焊機的控制方法，將會產(chǎn)生如下問題。首先，在一次焊接過程中，對焊接變壓器初級線圈始終施加直流電壓，將導(dǎo)致焊接變壓器鐵芯內(nèi)的磁感應(yīng)強度連續(xù)上升，另一方面也沒有發(fā)揮焊接變壓器的儲能作用。
本發(fā)明控制方法的原理是三相電源分別由a、b、c三個接線端子接入，經(jīng)三相全波整流以后，將三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動直流電，經(jīng)電容器組C0濾波之后，施加在雙極型隔離柵晶體管組兩端。當(dāng)t11時刻發(fā)出焊接信號時，在控制電路的作用下，雙極型隔離柵晶體管T1、T4同時導(dǎo)通，電源通過T1、T4輸入到焊接變壓器，此時，輸入到焊接變壓器的能量一部分以電磁能的形式存儲于焊接變壓器中，另一部分經(jīng)變壓器耦合后產(chǎn)生用于焊接的電流；當(dāng)達(dá)到設(shè)置的斬波導(dǎo)通時間t12后，T1截止，存儲與焊接變壓器能量經(jīng)次級回路釋放，焊接變壓器初級線圈通過T4和并聯(lián)在T2兩端的二極管D2以及續(xù)流電阻R0釋放，在焊接變壓器存儲能量釋放的同時，焊接變壓器鐵芯退磁；當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)計的休止時間t13時，T1再次導(dǎo)通，電源能量再次輸入焊接變壓器。當(dāng)斬波頻率很高時，由于暫波休止時間很短，其退磁的作用是有限的，為了避免焊接變壓器長時間單方向?qū)ǘa(chǎn)生的磁飽和，輸入若干次暫波脈沖之后，在t14時刻，T1長時間截止，以便焊接變壓器鐵芯的退磁；當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定休止時間后，T1再次導(dǎo)通，再向焊接變壓器輸入若干暫波脈沖，如此循環(huán)，直至焊接結(jié)束，焊接工程結(jié)束時，仍是T1先截止，延時一定時間之后，T4再截止，之后存儲與焊接變壓器的能量繼續(xù)通過續(xù)流電阻R0釋放，直至焊接過程結(jié)束。在上述焊接過程中，因為焊接變壓器為單方向通電，將不可避免地在焊接變壓器鐵芯內(nèi)殘留下部分剩磁。為了消除焊接變壓器鐵芯內(nèi)在焊接過程中產(chǎn)生的剩磁，下一次焊接時，焊接控制裝置控制T3、T2導(dǎo)通，重復(fù)上述過程。但是在新的焊接過程中，焊接控制器控制T3反復(fù)導(dǎo)通、截止，T2在焊接過程中一直導(dǎo)通。本發(fā)明控制方法是改對焊接變壓器初級線圈始終施加直流電壓，為斷續(xù)的斬波脈沖電壓，即采用分段斬波控制方法。其出發(fā)點是利用流經(jīng)電感元件的電流不能躍變的特點。在焊接變壓器初級線圈輸入電壓為高電平時，焊接變壓器從電源中吸收能量，該能量一部分通過焊接變壓器次級回路輸出到被焊工件，一部分則儲存在焊接變壓器中；當(dāng)作用在焊接變壓器初級線圈輸入電壓為零時，存儲在焊接變壓器中能量通過次級回路和并聯(lián)在初級線圈兩端的續(xù)流電路釋放。隨著焊接變壓器中存儲能量的釋放，鐵芯中的磁感應(yīng)強度隨之減小。由于焊接變壓器次級電流按照指數(shù)規(guī)律下降，在其下降到一定值時，再輸入下一個高電平，焊接進(jìn)入下一循環(huán)。因為當(dāng)以這種方式工作時，焊接過程中的磁滯回線不再是單調(diào)上升的，就有可能通過適當(dāng)設(shè)計焊機和焊接參數(shù)，并通過實驗得出其最大磁感應(yīng)強度的上限，而此時焊接電流在不需要次級整流的情況下仍保持為脈動直流的。根據(jù)該上限設(shè)計焊接變壓器，可以達(dá)到減小其體積與重量的目的。
本發(fā)明中焊機的結(jié)構(gòu)是三相電源分別從a、b、c三個接線端子接入，其中電源a相分別接到整流二極管ZD1的陽級和ZD2的陰級，電源b相分別接到整流二極管ZD3的陽級和ZD4的陰極，電源c相分別接到整流二極管ZD5的陽級和ZD6的陰極。然后把整流二極管ZD1、ZD3和ZD5的陰相相互連接，并連接到濾波電容C0的正極，作為焊接功率開關(guān)電源的正輸入端，把整流二極管ZD2、ZD4和ZD6的陽級相互連接，并連接到濾波電容C0的負(fù)極，作為焊接功率開關(guān)電源的地輸入端。經(jīng)過電容濾波后的電壓施加到由雙極型隔離柵晶體管T1、T2、T3、T4組成的焊接主電路功率開關(guān)組上，其中濾波電容C0的正極分別接T1和T3到的集電極，T1的射極再分別接到T2的集電極和焊接變壓器的一端，T3的射極再分別接到T4的集電極和焊接變壓器的另一端，同時，T1的射極和T3的射極還分別與續(xù)流電阻R0的一端相連接。為了保護(hù)雙極型隔離柵晶體管，在T1、T2、T3、T4集射極兩端均分別并聯(lián)接有快速二極管D1、D2、D3、D4和無感電容C1、C2、C3、C4。T2和T4的射級相連之后再與濾波電容C0的另一端相連接，構(gòu)成導(dǎo)電回路。T1、T2、T3、T4基級與控制電路相接。焊接變壓器的次級線圈一端電電阻焊機的上電極相連接，另一端與電阻焊機的下電極相連接。在電極壓力的作用下，被焊接工件夾持在上下電極之間，當(dāng)有足夠的焊接電流流過被焊區(qū)域時，就在該區(qū)域形成焊點。

圖1中A、B兩點為輸出端，接焊接變壓器輸入端。
本發(fā)明具體控制方法是(1)三相電源分別由a、b、c三個接線端子接入，經(jīng)三相全波整流以后，將三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動直流電，經(jīng)電容器組C0濾波之后，施加在雙極型隔離柵晶體管組兩端。(2)當(dāng)t11時刻發(fā)出焊接信號時，在控制電路的作用下，雙極型隔離柵晶體管T1、T4同時導(dǎo)通，電源通過T1、T4輸入到焊接變壓器。(3)當(dāng)達(dá)到設(shè)置的斬波導(dǎo)通時間t12后，T1截止，存儲與焊接變壓器能量經(jīng)次級回路釋放，焊接變壓器初級線圈通過T4和并聯(lián)在雙極型隔離柵晶體管T2兩端的二極管D2以及續(xù)流電阻R0釋放，在焊接變壓器存儲能量釋放的同時，焊接變壓器鐵芯退磁。(4)當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)計的休止時間t13時，T1再次導(dǎo)通，電源能量再次輸入焊接變壓器。為了避免焊接變壓器長時間單方向?qū)ǘa(chǎn)生的磁飽和，輸入若干次暫波脈沖之后，(5)在t14時刻，T1長時間截止，以便焊接變壓器鐵芯的充分退磁；(6)當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定休止時間t15后，T1再次導(dǎo)通，再向焊接變壓器輸入若干暫波脈沖，如此循環(huán)，直至焊接結(jié)束，焊接工程結(jié)束時，仍是T1先截止，延時一定時間之后，T4再截止，之后存儲與焊接變壓器的能量繼續(xù)通過續(xù)流電阻R0釋放，直至焊接過程結(jié)束。在上述焊接過程中，因為焊接變壓器為單方向通電，將不可避免地在焊接變壓器鐵芯內(nèi)殘留下部分剩磁。為了消除焊接變壓器鐵芯內(nèi)在焊接過程中產(chǎn)生的剩磁，下一次焊接時，焊接控制裝置控制T3、T2導(dǎo)通，重復(fù)上述過程。但是在新的焊接過程中，焊接控制器控制T3反復(fù)導(dǎo)通、截止，T2在焊接過程中一直導(dǎo)通。
本發(fā)明可以在不采用次級整流二極管的情況下，同樣得到脈動直流焊接電流，同時還使其焊接變壓器的體積與重量與三相低頻電阻焊機相比大大減小。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、節(jié)能效果明顯，由于次級無整流元件，因此不存在次極整流損耗，與次級整流電阻焊機相比，可以節(jié)能約30％；2、控制精度高，傳統(tǒng)逆變式電阻焊機的控制精度約1毫秒，采用本發(fā)明可以使焊接時間控制精度提高到0.1毫秒；3、控制方法簡單，因而可靠性和穩(wěn)定性提高；4、與傳統(tǒng)三相低頻電阻焊機相比，重量減輕。
圖1為本發(fā)明裝置原理結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明裝置輸出電壓波形示意圖。
實施例本發(fā)明電極壓力為300公斤，焊接電流18000安培，電極端頭直徑為5毫米，被焊接工件為1+1mm鋁合金，本發(fā)明中觸發(fā)脈沖具體參數(shù)為斬波頻率為10000Hz，斬波導(dǎo)通占空比為50％，每間隔6個斬波脈沖休止一次，休止時間為0.5毫秒，整個焊接時間為40毫秒。雙極型隔離柵晶體管型號為CM300DY-24H，無感電容規(guī)格為0.15F/1200V，德國IXYS快速二極管型號為DSEI260-10B。
權(quán)利要求
1.一種無次級整流直流電阻焊機，其特征在于三相電源分別從[a]、[b]、[c]三個接線端子接入，其中電源[a]相分別接到整流二極管[ZD1]的陽級和[ZD2]的陰級，電源[b]相分別接到整流二極管[ZD3]的陽級和[ZD4]的陰極，電源[c]相分別接到整流二極管[ZD5]的陽級和[ZD6]的陰極，然后把整流二極管[ZD1]、[ZD3]和[ZD5]的陰相相互連接，并連接到濾波電容[C0]的正極，作為焊接功率開關(guān)電源的正輸入端，把整流二極管[ZD2]、[ZD4]和[ZD6]的陽級相互連接，并連接到濾波電容[C0]的負(fù)極，作為焊接功率開關(guān)電源的地輸入端，經(jīng)過電容濾波后的電壓施加到由雙極型隔離柵晶體管[T1]、[T2]、[T3]、[T4]組成的焊接主電路功率開關(guān)組上，其中濾波電容C0的正極分別接[T1]和[T3]到的集電極，[T1]的射極再分別接到[T2]的集電極和焊接變壓器的一端，[T3]的射極再分別接到[T4]的集電極和焊接變壓器的另一端，同時，[T1]的射極和[T3]的射極還分別與續(xù)流電阻[R0]的的一端相連接，在[T1]、[T2]、[T3]、[T4]集射極兩端均分別并聯(lián)接有快速二極管[D1]、[D2]、[D3]、[D4]和無感電容[C1]、[C2]、[C3]、[C4]，[T2]和[T4]的射級相連之后再與濾波電容[C0]的另一端相連接，組成導(dǎo)電回路，[T1]、[T2]、[T3]、[T4]基級和控制電路相接，焊接變壓器的次級一端與電阻焊機的上電極相連接，另一端與電阻焊機的下電極相連接。
2.一種無次級整流直流電阻焊機控制方法，其特征在于以斬波脈沖的形式向焊接變壓器初級施加電壓，并在一定斬波脈沖之后增加休止時間，以利焊接變壓器鐵芯的退磁，(1)三相電源分別由[a]、[b]、[c]三個接線端子接入，經(jīng)三相全波整流以后，將三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動直流電，(2)當(dāng)[t11]時刻發(fā)出焊接信號時，在控制電路的作用下，雙極型隔離柵晶體管[T1]、[T4]同時導(dǎo)通，電源通過[T1]、[T4]輸入到焊接變壓器，(3)當(dāng)達(dá)到設(shè)置的斬波導(dǎo)通時間[t12]后，[T1]截止，存儲與焊接變壓器能量級次級回路釋放，焊接變壓器初級線圈通過T4和并聯(lián)在雙極型隔離柵晶體管[T2]兩端的二極管[D2]以及續(xù)流電阻[R0]釋放，在焊接變壓器存儲能量釋放的同時，焊接變壓器鐵芯退磁，(4)當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)計的休止時間[t13]時，[T1]再次導(dǎo)通，電源能量再次輸入焊接變壓器，(5)在[t14]時刻，[T1]長時間截止，以便焊接變壓器鐵芯的退磁，(6)當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定休止時間[t15]后，[T1]再次導(dǎo)通，再向焊接變壓器輸入若干暫波脈沖，如此循環(huán)，直至焊接結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明提出一種無次級整流直流電阻焊機及控制方法，該裝置是輸入端接三相電源經(jīng)整流，濾波后的電壓施加到由4只雙極型隔離柵晶體管組成的焊接主電路功率開關(guān)組上，在每只雙極型隔離柵晶體管的集射極兩端均并聯(lián)接有快速二極管和無感電容，焊接變壓器的次級一端與電阻焊接機的上電極相連接，另一端與電阻焊接機的下電極相連接，在電極壓力的作用下，被焊接工件夾持在上下電極之間，當(dāng)有足夠的焊接電流流過被焊區(qū)域時，就在該區(qū)域形成焊點。本發(fā)明的控制方法，主要是實行分段斬波控制方法，即在控制電路的控制下，以斬波脈沖的形式向焊接變壓器初級施加電壓，并在一定斬波脈沖之后增加休止時間，以利焊接變壓器鐵芯的退磁。
文檔編號B23K9/10GK1410214SQ01133289
公開日2003年4月16日 申請日期2001年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月25日
發(fā)明者王清, 吳林, 林尚揚, 張相軍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)