CN102615388A - 一种节能的轻便的电容放电焊机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种节能的轻便的电容放电焊机，本焊机的主电路如附图所示，焊接前，交流电通过控制单元(1)，整流模块(2)将电容C₁充电到预定电压值后，断开单元(1)使电容C₁(6)处在带电备用状态。焊接时，C₁(6)枪先经晶闸管SCR(7)向C₂(8)突击充电。然后电容C₁(6)和C₂(8)同时向焊件电弧放电，完成焊接工艺。由于C₂(8)的放电电流并不经过SCR(7)，故SCR(7)的电流定额可以减小；而且焊接电流和焊接电压波形相同，相位相同，故负载侧(放电回环中)没有无功损耗和畸变损耗，使电容所储全部能量均为焊接所需的有功功率，达到节能。而且“C₁-SCR-C₂”π形结构，拥有“降压功能”，而无铁磁变压器的一切弊端。通过合理选配C₁、C₂的电容量，可使本焊机的焊接能量可“大小由之”，并能有效地缩小体积、重量和成本。

Description

一种节能的轻便的电容放电焊机

技术领域：

本发明专利涉及一种电容放电焊机(或称为电容储能焊机)。

背景技术：

现代化工厂的建设和维护均离不开焊接。例如核电站，有人形象地说：“整座电站是钢材和其它金属器材堆积起来的。堆积的手段是焊接”。同样，核电站的维护也离不开焊接。例如，电站反应堆的构件是一直处在高温、高压、高辐射下，承受冷却剂的高速冲刷，维修工作在所难免。众所皆知，2011年3月11日，日本福岛核电站在地震、海啸后，多台机组发生氢爆炸和核泄漏，酿成灾难。灾后，日本平民虽然“反核电之声”不绝，但其政界、经济界显然不会因噎废食，终将予以修理和重建。请注意，使用电弧切割/置换设备部件时，必将受到施工场地的限制，且不同设备焊接时所需能量也有大有小，因此，该类工程的进行显然需要有一台能“大小由之”的电焊机。

众所皆知，焊机存储的电能W：

$\begin{array}{cc}W=\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}^2& \left(J\right)\end{array}---\left(1\right)$

式中C-电容器的电容值(F)

U-充电电压值(V)

根据(1)式可知，改变W有两个途径：

(a)改变C的电容量——但增大C值，会使电焊机的体积和重量变大，有时竟是无法实现的。例如，<电焊机>杂志2010年4期(第1-6页)有题为“电弧螺柱焊电源的发展方向探索——超级电容器在螺柱焊机中的应用”一文中指出：

“对于直径大于16mm的螺柱，如果采用电容储能焊接时，需要单体电解电容器二十万只并联，每只电解电容器的电容值为三万微法，每只重量按2kg计算，总重量为四十万kg，它需要十吨大卡车一万辆才能装得下。”显然这是不可能实现的。

(b)另一途径是提高电压U——我国弧焊机的输入电压为交流220/380V，其空载电压为40-90V。众所皆知，提高空载电压若不采取有效措施，恐将危及操作者的安全。

发明内容：

本专利目的是提供一种电容放电焊机，其焊接能量能“大小由之”，而其放电回环中的电压对操作者保证是安全的。

为了达到上述目的，本专利的技术方案是将一种“双电容佯谬电路”(TwoCapacitor Paradox Circuit)引入焊机的放电回环中。具体地讲，将对比文件图1中的电容器C(13)一分为二，如图2(a)中的C₁(6)和C₂(8)。其中C₁(6)置于晶闸管SCR(7)的阳极端；C₂(8)置于晶闸管SCR(7)的阴极端。这样，“C₁-SCR-C₂”形成的“π形结构”被称为“双电容佯谬电路。”

附图说明：

下面结合图2(a)的主电路作进一步详细地说明。

图1是现有技术(对比文件)的电容放电焊机的主电路图。

图2是本专利的电容放电焊机的主电路图。

鉴于各图中所含的元器件较多，兹列表说明之。

表1元器件一览表

序号	名称
		1	充电控制单元
2	整流模块
		3	充电限流电阻
4	充电电容器C1的残留能量释放电阻
		5	充电电容器C1的释放开关
6	充电电容器C1
		7	本专利电路(图2(a))中的晶闸管
8	放电电容器C2
		9	焊接工件电阻

10	放电电容器C2的剩余电荷释放电阻
		11	剩余电荷释放开关
12	交流电源
		13	对比文件中的充电电容器(见图1)
14	焊把与工件形成的“等效开关”
		15	对比文件中的晶闸管(见图1)
16	金属氧化物非线性电阻MOV(或称金属氧化物无间隙避雷器Metal Oxide Varister)

具体实施方式：

本专利焊机的主电路如图2(a)所示，其中充电控制单元(1)、晶闸管整流模块(2)和C₁(6)等组成充电回环(charging loop)；晶闸管SCR(7)，电容器C₂(8)与焊接终端的焊把焊件(9)组成放电回环(discharging loop)。其工作特点如下：

1、焊接前(设t＜0)：晶闸管SCR(7)未触发。

此时，电容器C₁(6)可由充电控制单元(1)接通电源(12)，使其充电到预定的初值电压v_c1(0_-)。随后即关断控制单元(1)，让电容器C₁(6)一直保持v_c1(0_-)电压初值不变，蓄能待用。

同时，电容器C₂(8)上也可能有初值电压v_c2(0_-)，例如，若上一次焊接完毕后C₂(8)上留有剩余能量。

2、焊接之顷(设t＝0)：此时触发SCR(7)，使晶闸管导通。

SCR(7)一旦导通，两电容器C₁(6)和C₂(8)被直接连接起来，变成同一电位。其值为V₀：

$V_0=\frac{C_1{v}_{c1}\left(0_{-}\right)+C_2{v}_{c2}\left(0_{-}\right)}{C_1+C_2}---\left(2\right)$

式中：C₁v_c1(0_-)为电容器C₁在t＜0之前储存的电荷量；

C₂v_c2(0_-)为电容器C₂在t＜0之前储存的电荷量；

(2)式是根据SCR(7)导通前、后两电容器上总的电荷量不变的“电荷守恒法则”推得的。

若晶闸管SCR(7)在触发前，电容器C₂(8)上并未充电，则v_c2(0_-)＝0，于是(2)式变为；

$V_0=\frac{C_1}{C_1+C_2}{v}_{c1}\left(0_{-}\right)---\left(3\right)$

其中，显然

故V₀恒小于v_c1(0_-)。

请注意(3)式启发我们一个十分可贵的性能：

“C₁-SCR-C₂”这个π形结构可当作“降压变压器”来用。因为它能将C₁(6)上原来充有的高电压v_c1(0_-)，在SCR导通的一瞬间降为低电压V₀。因此，我们可以把v_c1(0_-)选的高一些，使电容器C₁(6)多储存一些电能，而此时因为SCR(7)未导通，电焊机操作者不可能接触到高电压v_c1(0_-)，操作者的人身安全是有保障的；再同时，我们选择合适的电容器C₂(8)的电容值，让SCR(7)触发导通后的V₀值处在安全电压的范围内，保证操作者的人身安全。

下面举两个实施例，并与对比文件相比较，以观实效

表2两种焊机的特点比较

[2。1]。本专利焊机的输入电压取交流380V时

根据表2。。2所示，对比文件所需的电容器的电容量为32000μF，而本专利所需电容器的电容量仅为C₁＝0.8μF，C₂＝13μF，两者相差约两千五百倍。显而易见，两者的体积和重量相去甚远。

3、晶闸管SCR(7)导通之初(0_-＜t＜0₊)：

在此时(0_-＜t＜0₊)，两电容一旦接触，电容器C₁(6)便立即给电容器C₂(8)突击充电，使C₂(8)瞬间变成放电回环中的第二电源。注意，此时在C₁-SCR-C₂结构中流的是脉冲电流(称为δ(t)函数)，其值瞬息即逝。由于它在流过C₁(6)，SCR(7)和C₂(8)等器件时来不及升温，故在选择各该器件时，无需考虑该脉冲电流的热效应。

4、在脉冲电流消失后(t＞0₊)：

放电回环中C₁(6)和C₂(8)同时向焊接终端(9)放电。但只有C₁(6)的放电电流才通过晶闸管SCR(7)，而C₂(8)的放电电流并不通过SCR(7)。因此，本专利的晶闸管SCR(7)的电流定额比对比文件中的SCR(15)要小，其必须配置的散热器也相应缩小。显然这也有于改善本焊机的重量、体积和造价。

5、根据数学分析，本专利焊机的晶闸管SCR(7)导通后，焊接终端(9)上的焊接电压v(t)和焊接电流i(t)均为同一波形的指数函数，即：

v(t)＝V₀e^-bt， $i\left(t\right)=\frac{V_0}{R}{e}^{-\mathrm{bt}}---\left(4\right)$

其中， $V_0=\frac{C_1{v}_{c1}\left(0_{-}\right)+C_2{v}_{c2}\left(0_{-}\right)}{C_1+C_2},$ $b=\frac{1}{R(C_1+C_2)}---\left(5\right)$

式中，v_c1(0_-)和v_c2(0_-)各为电容器C₁(6)和C₂(8)焊接前的电压初值；R为焊把与焊件的电阻。

由于焊接电流和电压波形相同，相位一致，因此，放电回环中没有无功损耗和畸变损耗，使两个电容器中的全部能量都能化为焊接所需的有功功率。无高次谐波，无电磁辐射。同时，从电源的公用电网(12)来看，充电回环中的充电控制单元(1)与放电回环中的晶闸管SCR(7)交替工作，焊把与焊件(9)跟电源电网并无直接电的联系。也就是说，本焊机对电源电网来说是一种容性负载，而电源电网的其它负载常以感性负载为主。故本焊机有改善其所在电网功率因数的作用。

6、焊件吸收的能量为：

$W=\frac{V_0}{2\mathrm{bR}}[1-e^{-2\mathrm{b\&tau;}}]---\left(6\right)$

式中，τ为工件的焊接时间。该能量公式简单便于控制，有利于开发波控法、熔滴控制等。

7、传统的电容放电焊机，由于其放电回环中含有焊接变压器(因为它是铁磁材料制成的)，含有较强的电感量，使放电回环变成含R，L，C的等值电路，焊接电流呈衰减震荡状态，其设计也有一定的难度。本焊机取消了焊接变压器，使波前十分陡峭，有利于电弧的引燃和维持稳定。

8、从焊接工艺来看，由于本焊机的焊接电流是按负指数曲线衰减的，在焊接结束阶段，电流逐渐衰减到零，易于防止出现弧坑裂纹。

9、本专利推荐的“C₁-SCR-C₂”π形结构可普遍适用于各类电容放电焊机，取得显著的功效。

10、众所皆知，晶闸管是较弱的电子元器件，为了防止因它击穿而危及操作者人身安全起见，在本焊机的SCR(7)和晶闸管整流模块(2)上分别并联MOV元件。所谓MOV元件，是金属氧化物非线性电阻(Metal Oxide Varistor或Surgeprotective Devices(SPD))之简称。它在微机、电视机等领域应用，可把最低电压限在8V。目前在微机、电视机中，MOV的应用十分普遍和成熟可靠。

Claims (1)

1.一种电容放电焊机，其主电路包括充电回环和放电回环，而其特征在于其放电回环是由：“双电容佯谬电路”和“焊接终端的焊把和焊件(9)”等组成；其中双电容佯谬电路是指：由“电容器C₁(6)，晶闸管SCR(7)，电容器C₂(8)”三者连接成的“π形结构”；该结构有类似于“降压变压器”的降压功能；而无通常铁磁材料变压器的一切缺点。

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