CN108809114B - 逆变电阻焊机电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种逆变电阻焊机电源，包括整流滤波装置、逆变器、高频变压器和倍流整流电路，整流滤波装置的输出端与逆变器的输入端电连接，逆变器的输出端与高频变压器的输入端电连接，高频变压器的输出端与倍流整流电路的输入端电连接；整流滤波电路用于将输入的交流电经过整流滤波得到直流电源；逆变器用于将直流电经过逆变后变为高频交流电；高频变压器用于将高频交流电经过变压和隔离后并输出低电压，倍流整流电路将经过变压和隔离的交流电压经过整流电路后输出直流电源；逆变器与高频变压器之间有电流环，取反馈信号作用于逆变驱动电路，逆变驱动电路的输出端与逆变器相连接。适用于黑色金属和有色金属等之间的焊接，焊接控制精度高。
Description
技术领域
本发明涉及电阻点焊电源技术领域，尤其是涉及一种逆变电阻焊机电源。
背景技术
逆变阻焊电源，又称阻焊逆变器，是一种新型的焊接电源。这种焊接电源一般输入三相交流电压，先经一次整流、滤波转换成直流电压；再通过控制模块控制大功率开关器件，如绝缘栅双极型三极管(IGBT)的交替导通和截止，将直流电压逆变成几千赫兹到几万赫兹的中高频交流电压；逆变后的交流电压经变压器降压至电阻焊接所需十多伏的低压；最后二次整流输出平稳的直流焊接电流。
一般的逆变焊机的输入工作电压固定为AC220V或AC380V，不能在AC220V和AC380V之间切换使用，使用范围受到限制，局限性较大。因此同时适用AC220V和AC380V工作电压的逆变直流焊机具有一定的市场需求。
现有的逆变电焊机是将三相交流电经整流、滤波后得到一个较平滑的直流电，由功率开关元件(一般为IGBT或场效应管，下同)组成的逆变电路将该直流电变为15至100kHz的交流电，经中频主变压器降压后，再次整流获得平稳的直流输出焊接电流。
现在的电阻焊电源有工频交流电源、工频整流电源、储能式电源，以及中频逆变电源。工频电源焊接的质量较差，对于黑色金属还可以胜任，但对于有色金属就难以焊接。工频整流，储能式，以及中频逆变电源在焊接性能上大大优于工频式电阻焊电源，但还是存在体积和重量较大，成本高等缺点，且焊接控制精度差等缺点。尤其是在焊接高导热性及内阻小的有色金属时，其焊接效果不尽人意。
因此，有必要开发一种体积小、成本低且焊接控制精度高的逆变电阻焊机电源，缩短焊接时间，从而提高焊接效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于黑色金属和有色金属的逆变电阻焊机电源，且体积小、成本低且焊接控制精度高的逆变电阻焊机电源，缩短焊接时间，从而提高焊接效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，该逆变电阻焊机电源，包括整流滤波装置、逆变器、高频变压器和倍流整流电路，所述整流滤波装置的输出端与所述逆变器的输入端电连接，所述逆变器的输出端与所述高频变压器的输入端电连接，所述高频变压器的输出端与所述倍流整流电路的输入端电连接；所述整流滤波电路用于将输入的三相或单相交流电经过整流滤波得到直流电源；所述逆变器用于将直流电经过逆变后变为高频交流电；所述高频变压器用于将高频交流电经过变压和隔离后并输出低电压，所述倍流整流电路将经过变压和隔离的交流电压经过整流电路后输出直流电源；所述逆变器与高频变压器之间连接串有电流环，作用于逆变驱动电路，所述逆变驱动电路的输出端与所述逆变器相连接。
采用上述技术方案，将电流依次通过整流滤波装置、逆变器、高频变压器和倍流整流电路，将三相(或单相)交流电经过整流滤波装置整流、滤波得到直流电源，再将此直流电源通过逆变器，逆变为20-50KHz的高频交流电，再输入高频变压器，经过变压和隔离输出低电压，然后经过整流电路输出低压直流电源进行焊接，适用于黑色金属和有色金属以及异种金属的焊接，使黑色金属和有色金属及异种金属的焊接达到一个比较完美的效果；其中逆变器中的逆变电路采用IGBT或场效应管为功率元件，实现从电源的直流输出端取电压反馈，从主变压器的输入端，也就是变压器的初级取电流反馈作用于逆变驱动电路，从初级取电流反馈的优点有：如果按照常规从电源的输出端取电流反馈，则电阻焊电源的焊接电流非常大，达到几千安培乃至几万安培，无论从工艺以及成本来说都非常不合适；而在变压器初级取电流反馈，相对而言电流要小几十倍，则非常容易实现；另外，对于其他逆变焊接电源，在电源的输出端存在高频高压等等干扰的时候，这种反馈方式可有效地防止干扰进入前端的逆变电源，因为主变压器为感应隔离式的，即将干扰阻挡在后端而不进入前端逆变电源以致损坏逆变功率管等元件；该逆变电阻焊机电源的逆变驱动电路采用UC3846为驱动核心芯片；UC3846是一种双端输出的电流控制型pwm控制芯片，驱动核心芯片外围电路包括滤波电容和参考基准源；该驱动核心芯片分别由引脚11和引脚14输出，pwm脉冲的A、B输出端输出，其中引脚11和引脚14分别连接两组驱动形成由4个驱动构成的H桥，在H桥中电流可以在两组驱动中交替流动，从而在高频变压器中形成可变化的磁场，根据脉冲变化可以控制变压器输出；同时通过电流环采集负载电流的变化反馈作用于逆变驱动电路；采用功率场效应晶体管推挽输出作为脉冲变压器的驱动器，从而驱动lGBT；此电路特点是变压器二次输出电路简单，故障率低，但对脉冲变压器的绕制要求较高，漏抗要小。
本发明进一步改进在于，所述倍流整流电路包括负载RL、二极管D1、二级管D2、初级线圈、第一电感和第二电感，所述第一电感与所述第二电感连接，所述二极管D1和二极管D2方向相反且连接，所述二极管D1与所述第一电感的一端相连接且同时与次级线圈的一端相连接，所述二极管D2的一端与所述第二电感的一端相连接且同时与次级线圈的另一端相连接；所述电阻负载的一端分别与第一电感的另一端和第二电感的另一端相连接；所述负载RL的另一端分别与所述二级管D1的另一端和所述二级管D2的另一端相连接。
采用上述技术方案，输出整流电路采用的是倍流整流电路；这种整流电路是通过传统的桥式整流电路演变而来，它将桥式整流电路中一个桥臂中的两个二极管用两个电感(L1，L2)取代，变压器的副边绕组产生的对称正负方波电压，开关管对应的一个周期分成t1、t2、t3和t4四个时间区间，它的工作原理是：将第一电感标记为电感L1，将第二电感标记为电感L2；
(1)电路的工作模式，根据一个周期内方波电压对应的4个时间段，可以把电路工作过程分为4个工作模式，1)工作模式1：在0＜t＜t1区间时，如图2所示，当短的次级线圈为高电位时，此区间D2导通，D1承受反压截止，电流从短的次级线圈的上端出发，经过电感L1，负载电阻电阻RL，D2回到次级线圈的下端，在输出电流连续的条件下，电感L2仍储存有能量，此能量将形成放电电流，此电流从电感L2的c端出发，经RL、D2回到L2的d端，即t1区间是D2导通，D1截止，L1充电，L2放电，充电电流及放电电流以相同的方向流过负载电阻RL。当电感L1和L2完全相同时，其值用L代替，开关管占空比D(0～0.45)，频率为20KHz；
2)工作模式2：在t1＜t＜t2区间时，逆变器中的电力开关元件(IGBT)关闭，此时，副边电感L1中的储存能量向负载电阻RL放电，L1的放电电流从短的线圈的下端出发，经负载电阻RL、D1回到L1的a端，L2的放电电流从c端出发，经负载电阻RL、D2回到L2的另一端，可见，续流阶段变压器副边两个整流二极管D1、D2同时导通，L1及L2的放电流均以相同的方向流过负在RL，电路工作在续流状态；
3)工作模式3：在t2＜t＜t3区间时，此时工作原理同工作模式1，只是电感L1和L2的工作顺序与工作模式1是相反的，是D1导通，D2截止，L2充电，L1放电；
4)工作模式4：在t3＜t＜t4区间时，其工作原理同工作模式2，续流阶段变压器副边两个整流二极管D1、D2同时导通，L1及L2的放电电流均以相同方向流过负载电阻RL，电路工作在续流状态。
这种由单线圈双电感双管倍流整流电路，将交流方波电压整流为直流输出电压，常规带中心抽头的全波整流电路，在截止时整流二极管要承受两倍的变压器次级电压；这种特点在现有的电路及器件条件下，只能用在中频及工频领域，则很难将开关频率进一步提升；因为当开关频率增加时，逆变器极易形成不正常的自激振荡，这种自激振荡将引起过电压，整流管温度急剧上升，使逆变器无法正常工作；而倍流整流电路则无此类弱点，且与带中心抽头全波电路相比，变压器次级仅需一个绕组不用中心抽头；与桥式整流电路相比，所需整流管少了一半，且少了一倍的整流管压降；变压器次级平均输送电流只需输出负载电阻电流的一半；输出负载电流由两个电感同时分担，每个滤波电感的工作频率等于变压器频率；同时由倍流整流电路构成的整流器，由于电感的工作频率及输送电流均比全波整流器的要小一半，因此体积可以做得更小。
本发明进一步改进在于，所述高频变压器包括环形非晶磁芯和次级铜带，在所述环形非晶磁芯的内侧绕制初级线圈，所述初级线圈的外表面再绕制多组次级铜带形成次组绕组；所述次级铜带的内侧的尾端输出一直延伸经过所述第一电感作为出线一；所述次级铜带的外侧的首端输出一直延伸经过所述第二电感作为出线二；所述出线一与所述出线二并联接在一起作为总电源的输出正极；所述次级铜带的首端和尾端在第一电感和第二电感之前分别连接有一组整流管，经过整流管后并联在一起作为总电源的输出负极。采用上述技术方案，由于该逆变电阻焊机电源逆变频率较高，因此磁芯性能要求为饱和磁通密度要大，磁导率要高，高的居里温度和稳定性，低的损耗；对比当前使用的磁芯材料，非晶材料性价比较高；现有的非晶材料，多为环形；即使有C型的非晶，其使用功率和磁通量也大为减小；这是由于非晶材料的制作工艺的特点。用环形非晶制作主变压器，次级线圈由于工作在高频状态下，集肤效应非常严重。最佳的材料就是多股细铜丝制作的编织铜带。因此在环形非晶的内侧一圈平均分布绕制初级线圈，在初级线圈外再绕制次级铜带且为多组平均分布，这样是为了减小变压漏抗；将次级铜带的内测的尾段输出一直延伸经过第一电感作为出线；将次级铜带的外侧的首端输出一直延伸经过第二电感作为出线；而后这两个出线并接作为总电源的输出正极；而次级铜带的首段和尾端在输入第一电感和第二电感之前分别接整流管，经过整流管之后并联在一起，即为总电源的输出负极。这种制作方案，可使次级输出不经过任何连接头，直接到电源的正极，大大减小了输出环节的阻抗及感抗，而提高了整机的输出功率和效率。
本发明进一步改进在于，所述次级铜带的首端与尾端均通过薄铜板与所述整流管相连接，所述薄铜板与所述整流管连接，在整流管输出端连接安装在散热器上。
本发明进一步改进在于，所述高频变压器的初级进线端装有电流互感器，用于获取高频变压器的初级电流的反馈信号，作用于逆变驱动电路。
本发明进一步改进在于，所述散热器为铝板，所述铝板与所述薄铜板和整流管相连接的组件连接，作为总电源的输出负极。在逆变频率较高的状态下，非晶磁芯易于饱和而采用铁氧体做主变的磁芯，则将变压器和整流器的结构做成这样，变压器的次级绕组的首段和薄铜板连接压紧以保证接触面积，然后直接通过电感输出，和相同方式输出的尾端并接，作为总电源的正极；首段与尾端连接的薄铜板各与一组整流管连接在整流管输出端公共连接在作为散热器的铝板上，且散热器铝板连接铜板则输出电源的负极。铝板的背面向外延伸设有连续的锯齿状凸出部，这样的设置更有利于散热。
本发明进一步改进在于，所述逆变驱动电路中还包括PWM脉宽调制信号器，用于对输出功率进行调节。
本发明进一步改进在于，所述逆变器采用IGBT或功率场效应管作为功率元件，从电源的直流输出端获取电压反馈，从变压器的初级线圈获取电流反馈作用于逆变驱动电路。
作为本发明优选方案，所述次级铜带的匝数为1匝。将三相交流(或单相电源)经整流滤波电路，得到较为平滑的直流电源，再经功率管逆变，输出频率为20--50KHZ的交流电压，将此电压连接高频主变压器的初级线圈并用电流互感器取变压器初级电流的反馈信号，作用于逆变器的驱动电路；然后根据工艺要求，变压器输出多个次级，通常每个次级的匝数为1匝；再将多个次级首段并接，尾端并接，进行倍流整流，之后输出直流低压供焊接使用。
作为本发明优选方案，所述逆变器用于将直流电经过逆变后变为20-50KHz的高频交流电。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明：
图1为本发明逆变电阻焊机电源的连接结构图；
图2为本发明的逆变电阻焊机电源的倍流整流电路；
图3为本发明的逆变电阻焊机电源结构图；
图4为图3中从A-A处的剖面图；
图5是本发明的逆变电阻焊机电源的逆变驱动电路图；
图6为本发明的逆变电阻焊机电源的逆变器的逆变主电路图；
其中图3-4中：1-电感；101-第一电感；102-第二电感；2-环形非晶磁芯；3-初级线圈；4-次级绕组；5-整流管；6-铝板，7-负极；8-正极。
具体实施方式
为了更好地理解本发明相对于现有技术所作出的改进，下面分别对这本发明的具体实施方式作出详细说明。
实施例1：如图1所示，该逆变器中采用IGBT作为功率元件；该逆变电阻焊机电源，包括整流滤波装置、逆变器、高频变压器和倍流整流电路，所述整流滤波装置的输出端与所述逆变器的输入端电连接，所述逆变器的输出端与所述高频变压器的输入端电连接，所述高频变压器的输出端与所述倍流整流电路的输入端电连接；所述整流滤波电路用于将输入的三相或单相交流电经过整流滤波得到直流电源；所述逆变器用于将直流电经过逆变后变为高频交流电；所述高频变压器用于将高频交流电经过变压和隔离后并输出低电压，所述倍流整流电路将经过变压和隔离的交流电压经过整流电路后输出直流电源；所述逆变器与高频变压器之间有电流环，取电流反馈作用于逆变驱动电路，所述逆变驱动电路的输出端与所述逆变器相连接；如图2所示，所述倍流整流电路包括负载RL、二极管D1、二级管D2、初级线圈3、第一电感101和第二电感102，所述第一电感101与所述第二电感102连接，所述二极管D1和二极管D2方向相反连接，所述二极管D1与所述第一电感101的一端相连接且同时与次级级线圈的一端相连接，所述二极管D2的一端与所述第二电感102的一端相连接且同时与次级线圈的另一端相连接；所述负载RL的一端分别与第一电感101的另一端和第二电感102的另一端相连接；所述负载RL的另一端分别与所述二级管D1的另一端和所述二级管D2的另一端相连接；如图3-4所示，所述高频变压器包括环形非晶磁芯2和次级铜带，在所述环形非晶磁芯2的内侧绕制初级线圈3，所述初级线圈3的外表面再绕制多组次级铜带形成次组绕组4；所述次级铜带的内侧的尾端输出一直延伸经过所述第一电感101作为出线一；所述次级铜带的外侧的首端输出一直延伸经过所述第二电感102作为出线二；所述出线一与所述出线二并联接在一起作为总电源的输出正极8；所述次级铜带的首端和尾端在第一电感101和第二电感102之前分别连接有一组整流管5，经过两组整流管5后并联在一起作为总电源的输出负极7；所述次级铜带的首端与尾端均通过薄铜板与所述整流管5相连接，所述薄铜板与所述整流管5的连接组件，在整流管5输出端的散热器上；所述高频变压器的初级进线端装有电流互感器，用于获取高频变压器的初级电流的反馈信号，作用于逆变驱动电路；所述散热器为铝板6，所述铝板6与所述整流管5相连接作为总电源的输出负极7；所述逆变驱动电路中还包括PWM脉宽调制信号器，用于对输出功率进行调节；所述逆变器采用IGBT或功率场效应管作为功率元件，从电源的直流输出端获取电压反馈，从变压器的初级线圈3获取电流反馈作用于逆变驱动电路，所述次级铜带的匝数为1匝；所述逆变器用于将直流电经过逆变后变为20-50KHz的高频交流电。将三相交流(或单相电源)经整流滤波电路，得到较为平滑的直流电源，再经功率管逆变，输出频率为20--50KHZ的交流电压，将此电压连接高频主变压器的初级线圈3并用电流互感器取变压器初级电流的反馈信号，作用于逆变器的驱动电路；然后根据工艺要求，变压器输出多个次级，通常每个次级的匝数为1匝；再将多个次级首段并接，尾端并接，进行倍流整流，之后输出直流低压供焊接使用。
实施例2：该逆变器中采用场效应晶体管作为功率元件；该逆变电阻焊机电源，包括整流滤波装置、逆变器、高频变压器和倍流整流电路，所述整流滤波装置的输出端与所述逆变器的输入端电连接，所述逆变器的输出端与所述高频变压器的输入端电连接，所述高频变压器的输出端与所述倍流整流电路的输入端电连接；所述整流滤波电路用于将输入的三相或单相交流电经过整流滤波得到直流电源；所述逆变器用于将直流电经过逆变后变为高频交流电；所述高频变压器用于将高频交流电经过变压和隔离后并输出低电压，所述倍流整流电路将经过变压和隔离的交流电压经过整流电路后输出直流电源；所述逆变器与高频变压器之间有电流环，取电流反馈作用于逆变驱动电路，所述逆变驱动电路的输出端与所述逆变器相连接；所述倍流整流电路包括负载RL、二极管D1、二级管D2、初级线圈3、第一电感101和第二电感102，所述第一电感101与所述第二电感102连接，所述二极管D1和二极管D2方向相反且连接，所述二极管D1与所述第一电感101的一端相连接且同时与次级线圈的一端相连接，所述二极管D2的一端与所述第二电感102的一端相连接且同时与次级线圈的另一端相连接；所述负载RL的一端分别与第一电感101的另一端和第二电感102的另一端相连接；所述负载RL的另一端分别与所述二级管D1的另一端和所述二级管D2的另一端相连接；所述高频变压器包括环形非晶磁芯2和次级铜带，在所述环形非晶磁芯2的内侧绕制初级线圈3，所述初级线圈3的外表面再绕制多组次级铜带形成次组绕组4；所述次级铜带的内侧的尾端输出一直延伸经过所述第一电感101作为出线一；所述次级铜带的外侧的首端输出一直延伸经过所述第二电感102作为出线二；所述出线一与所述出线二并联接在一起作为总电源的输出正极8；所述次级铜带的首端和尾端在第一电感101和第二电感102之前分别连接有一组整流管5，经过两组整流管5后并联在一起作为总电源的输出负极7；所述次级铜带的首端与尾端均通过薄铜板与所述整流管5相连接，所述薄铜板与所述整流管5的连接组件，在整流管5输出端的散热器上；所述高频变压器的初级进线端装有电流互感器，用于获取高频变压器的初级电流的反馈信号，作用于逆变驱动电路；所述散热器为铝板6，所述铝板6与所述整流管5相连接作为总电源的输出负极7；所述逆变驱动电路中还包括PWM脉宽调制信号器，用于对输出功率进行调节；所述逆变器采用IGBT或功率场效应管作为功率元件，从电源的直流输出端获取电压反馈，从变压器的初级线圈3获取电流反馈作用于逆变驱动电路，所述次级铜带的匝数为1匝；所述逆变器用于将直流电经过逆变后变为20-50KHz的高频交流电。
如图5所示，该逆变电阻焊机电源的逆变驱动电路采用UC3846为驱动核心芯片；UC3846是一种双端输出的电流控制型pwm控制芯片，芯片外围电路包括滤波电容和参考基准源；该驱动核心芯片分别由引脚11和引脚14输出，pwm脉冲的A、B输出端输出，其中引脚11和引脚14分别连接两组驱动形成由4个驱动构成的H桥，在H桥中电流可以在两组驱动中交替流动，从而在高频变压器中形成可变化的磁场，根据脉冲变化可以控制变压器输出；同时通过电流环采集负载电流的变化反馈作用于逆变驱动电路；采用功率场效应晶体管推挽输出作为脉冲变压器的驱动器，从而驱动lGBT；此电路特点是变压器二次输出电路简单，故障率低，但对脉冲变压器的绕制要求较高，漏抗要小。
如图6所示，图6为本发明的逆变电阻焊机电源的逆变器的逆变主电路，采用M1-M4四只IGBT管组成的全桥逆变；其中P1-1和P1-2是主变压器输入的电流反馈，T2为主变压器，1、2是初级绕组，3、4、5、6为多组输出的次级绕组；G1E1～G4E4是全桥的四路驱动。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (6)
1.一种逆变电阻焊机电源，其特征在于，包括整流滤波装置、逆变器、高频变压器和倍流整流电路，所述整流滤波装置的输出端与所述逆变器的输入端电连接，所述逆变器的输出端与所述高频变压器的输入端电连接，所述高频变压器的输出端与所述倍流整流电路的输入端电连接；所述整流滤波电路用于将输入的三相或单相交流电经过整流滤波得到直流电源；所述逆变器用于将直流电经过逆变后变为高频交流电；所述高频变压器用于将高频交流电经过变压和隔离后并输出低电压，所述倍流整流电路将经过变压和隔离的交流电压经过整流电路后输出直流电源；所述逆变器与高频变压器之间连接串有电流环，作用于逆变驱动电路，所述逆变驱动电路的输出端与所述逆变器相连接；
所述倍流整流电路包括负载RL、二极管D1、二极管D2、初级线圈、第一电感和第二电感，所述二极管D1和所述二极管D2的阳极相连接，所述二极管D1和二极管D2的阴极分别连接次级线圈的两端，所述二极管D1的阴极与所述第一电感的一端相连接且同时与次级线圈的一端相连接，所述二极管D2的阴极与所述第二电感的一端相连接且同时与次级线圈的另一端相连接；所述负载RL的一端分别与第一电感的另一端和第二电感的另一端相连接；所述负载RL的另一端分别与所述二极管D1的另一端和所述二极管D2的另一端相连接；
所述高频变压器包括环形非晶磁芯和初级绕组及次级铜带，在所述环形非晶磁芯的内侧绕制初级线圈，所述初级线圈的外表面再绕制多组次级铜带形成次组绕组；所述次级铜带的内侧的尾端输出一直延伸经过所述第一电感作为出线一；所述次级铜带的外侧的首端输出一直延伸经过所述第二电感作为出线二；所述出线一与所述出线二并联接在一起作为总电源的输出正极；所述次级铜带的首端和尾端在第一电感和第二电感之前分别连接有一组整流管，两组整流管的阳极连接在一起作为总电源的输出负极；
所述次级铜带的首端与尾端均通过薄铜板与所述整流管相连接，所述整流管输出端在散热器上；所述高频变压器的初级进线端装有电流互感器，用于获取高频变压器的初级电流的反馈信号，作用于逆变驱动电路。
2.根据权利要求1所述的逆变电阻焊机电源，其特征在于，所述散热器为铝板，所述铝板与所述薄铜板和整流管组件相连接作为总电源的输出负极。
3.根据权利要求1所述的逆变电阻焊机电源，其特征在于，所述逆变驱动电路中还包括PWM脉宽调制信号器，用于对输出功率进行调节。
4.根据权利要求1所述的逆变电阻焊机电源，其特征在于，所述逆变器采用IGBT或功率场效应管作为功率元件，从电源的直流输出端获取电压反馈，从变压器的初级线圈获取电流反馈作用于逆变驱动电路。
5.根据权利要求1所述的逆变电阻焊机电源，其特征在于，所述次级铜带的匝数为1匝。
6.根据权利要求1所述的逆变电阻焊机电源，其特征在于，所述逆变器用于将直流电经过逆变后变为20-50KHz的高频交流电。
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