CN116810114A - 储能电阻焊智能充电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及储能电阻焊智能充电系统及方法，系统包括SCR电路、电容C1、电容C2、二极管D1、二极管D2、电感L1、IGBTQ1、IGBTQ2、进线电压采样电路、SCR驱动电路、IGBT驱动电路、主控电路、电流采样电路和电压采样电路。储能充电系统在充电过程中，根据采样的进线电压以及电容C1两端电压的情况，实时调整两个IGBT的控制策略，来实现电容C1的快速充电。本发明通过使用IGBT快速开关功能，利用降压充电和升压充电技术，可提高充电效率，降低功耗，降低设备体积。
Description
技术领域
本发明属于电阻焊电容储能充电技术领域，尤其是储能电阻焊智能充电系统及方法。
背景技术
如图8所示，现有储能焊充电设计是基于可控硅控制并经过升压变压器以及限流电阻来给电容进行充电。在充电过程中限流电阻能耗大，以3万焦耳储能焊机为例，每次焊接充放电时，限流电阻都有损耗，能量约2.9万焦耳：
升压变压器输出整流后Us，通过限流电阻给电容充电。
假设电压要充到800V，电容2000uF*48
WC＝1/2CU2 WC＝1/2*2000Uf*48*(800V)2＝30720J
假设电容要充到800V，使用1s时间，限流电阻为5Ω，使用恒流充电：
W＝I2Rt＝76.82*5*1＝29491.2J
同时现有技术设计升压变压器体积大，成本高，结构复杂，不便于安装。因此如何提高充电效率，降低损耗，降低设备体积成为储能充电系统的一大难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出储能电阻焊智能充电系统及方法，通过使用IGBT快速开关功能，利用降压充电和升压充电技术，可提高充电效率，降低功耗，降低设备体积。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
储能电阻焊智能充电系统，包括SCR电路、电容C1、电容C2、二极管D1、二极管D2、电感L1、IGBT Q1、IGBT Q2、进线电压采样电路、SCR驱动电路、IGBT驱动电路、主控电路、电流采样电路和电压采样电路，所述SCR电路的输出端则分别连接电容C2的一端和IGBT Q1的集电极，IGBT Q1的发射极分别连接二极管D1的负极和电感L1的一端，电感L1的另一端串联电流采样电路后分别连接IGBT Q2的集电极和二极管D2的正极，二极管D2负极连接电容C1的一端，电容C1的另一端、IGBT Q2的发射极、二极管D1的正极和电容C2的另一端连接SCR电路的另一输出端，电容C1的两端并联电压采样电路，主控电路分别连接IGBT驱动电路、SCR驱动电路、进线电压采样电路、电流采样电路和电压采样电路，进线电压采样电路连接SCR电路，IGBT驱动电路分别连接IGBT Q1的门极和IGBT Q2的门极，SCR驱动电路连接SCR电路。
一种储能电阻焊智能充电系统的储能充电方法，包括以下步骤：
步骤1、SCR电路控制整流，经电容C2滤波，IGBT Q1和IGBT Q2处于关闭状态；
步骤2、处于降压充电阶段，控制IGBT Q1在某频率范围(2KHz～10KHz)导通关断，对电容C1进行充电；
步骤3、处于降压充电阶段，控制IGBT Q1和IGBT Q2在某频率范围(2KHz～10KHz)同时导通关断，对电容C1进行充电；
步骤4、升压充电阶段，IGBT Q1导通，IGBT Q2在某频率范围(2KHz～10KHz)开通关断，对电容C1进行充电。
而且，所述步骤1的具体实现方法为：通过进线电压采样电路对电压和相序进行检测，使主控电路根据电压变化来控制SCR电路中VT1、VT2和VT3导通关断，主控电路先给SCR电路一个初始小的开通角度，并逐步增加SCR的开通角度，缓起充电，当开通角度达到全开后，VT1、VT2和VT3一直保持在全开状态，C2两端电压为U(t)。
而且，所述电压U(t)为：
其中，U0为三相电源的线电压。
而且，所述步骤2的具体实现方法为：
电容C1两端电压为0，通过主控电路控制IGBT Q1导通给电容C1进行充电，开始充电时，电容C1两端电压低，直流电压U(t)两端电压高，IGBT Q1导通时，通过电感L1限电流给电容C1进行充电，同时采样充电电路里的电流，如果电流或IGBT Q1导通时间超过主控电路设置，则关闭IGBT Q1，重复直至充电电压到达设定值或该阶段电压设定值。
而且，所述步骤3的具体实现方法为：通过主控电路控制IGBT Q1和IGBT Q2同时进行导通和关断，当IGBT Q1和IGBT Q2同时导通时，给电感L1储能，当IGBT Q1和IGBT Q2同时关断时，电感L1储存的能量给电容C1充电，重复直至充电电压到达设定值或该阶段电压设定值，过程中根据电流情况频率会自动调整；该阶段是为了提高充电效率，因IGBT Q1和IGBT Q2同时导通时，电感两端的电势差大，单位时间内电感储能的效率增加，而且放电时电感上的能量可全部给电容C1充电。随着电容C1两端的电压继续增高，电压越高，其需要的能量也越大，但电感L1储能不变，其充电效率会降低，在一定电压时切换到步骤4继续充电
而且，所述步骤4的具体实现方法为：IGBT Q1一直导通，IGBT Q2在某个频率范围(2KHz～10KHz)开通关断，当IGBT Q2导通时，给电感L1储能；当IGBT Q2关断时，由于电感电流不能突然为零，电感两端产生反电动势，叠加U(t)一起给电容C1充电，该阶段充电电压可高于U(t)，重复直至充电电压到达设定值，过程中根据回路中的电流情况IGBT Q2导通关断频率可自动调整。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明利用两个IGBT的开关功能和电感的限流及蓄能功能给电容充电，充电电路无限流电阻，利用电感限流和IGBT关断限流，电容不易损坏，电量损耗小，相比传统储能焊充电时更节能。
2、本发明充电时间短，在不同电压阶段，使用不同的IGBT控制策略，使电感蓄能后给电容充电效率达到最佳，相较SCR充电电网利用率更高，充电更快；其中，IGBT Q2的控制策略提高充电电压。
3、本发明充电所用的电感相较升压变压器体积小，重量轻，成本低，节能环保。
附图说明
图1为本发明的电路图；
图2为本发明步骤1的电路等效模型；
图3为本发明步骤2的电路等效模型；
图4为本发明步骤3的电路等效模型；
图5为本发明步骤4的电路等效模型；
图6为本发明步骤4中IGBT Q2导通的等效模型；
图7为本发明步骤4中IGBT Q2关断的等效模型；
图8为现有储能焊充电系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
基于储能电阻焊智能充电系统，如图1所示，包括SCR电路、电容C1、电容C2、二极管D1、二极管D2、电感L1、IGBT Q1、IGBT Q2、进线电压采样电路、SCR驱动电路、IGBT驱动电路、主控电路、电流采样电路和电压采样电路，所述SCR电路的输出端分别连接电容C2的一端和IGBT Q1的集电极，IGBT Q1的发射极分别连接二极管D1的负极和电感L1的一端，电感L1的另一端串联电流采样电路后分别连接IGBT Q2的集电极和二极管D2的正极，二极管D2负极连接电容C1的一端，电容C1的另一端、IGBT Q2的发射极、二极管D1的正极和电容C2的另一端连接SCR电路的另一输出端，电容C1的两端并联电压采样电路，主控电路分别连接IGBT驱动电路、SCR驱动电路、进线电压采样电路、电流采样电路和电压采样电路，进线电压采样电路连接SCR电路，IGBT驱动电路分别连接IGBT Q1的门极和IGBT Q2的门极，SCR驱动电路连接SCR电路。
一种储能电阻焊智能充电系统的储能充电方法，包括以下步骤：
步骤1、SCR电路控制整流，经电容C2滤波，IGBT Q1和IGBT Q2处于关闭状态。
如图2所示，通过进线电压采样电路对电压和相序进行检测，使主控电路根据电压变化来控制SCR电路中VT1、VT2和VT3导通关断，主控电路先给SCR电路一个初始小的开通角度，并逐步增加SCR的开通角度，缓起充电，当开通角度达到全开后，VT1、VT2和VT3一直保持在全开状态，此时C2两端电压为U(t)。
电压U(t)为：
其中，U0为三相电源的线电压。
步骤2、处于降压充电阶段，IGBT Q1导通。
如图3所示，开始充电时，电容C1两端电压为0，相当于短路，直流电压U(t)，可通过主控电路限制IGBT Q1导通时间以及电感的限流功能，给电容C1进行充电；在充电过程中随电容电压提高，主控电路会根据采样电流反馈来调整IGBT Q1导通时间或导通频率，从而保证稳定高效的电流给电容充电；主控电路同时会监控电容器C1两端电压来确定，是继续充电还是停止充电。
在降压充电阶段：
能量为：WC＝1/2CUc 2，其中UD2为二极管D2两端电压，其固定压降很小，可忽略不计。
主控电路可控制回路中的充电电流，即设定回路中最大电流和Q1最大导通时间dt，当到了最大电流或Q1最大导通时间dt时即关闭Q1，从而控制回路中的充电电流。
Q1开通瞬间，C1两端电压不能突变，流过电感的电流线性上升，加之有电流监测回路，当电流超过某一设定值时可及时关闭Q1，从而限制回路中的电流；
回路中一般电流限制在200A左右。
在该阶段，IGBT Q1关断时电流会下降，为提高充电效率，可控制IGBT Q1关断时间从而限制电流下降，保证该阶段电容充电效率。
电感L1电压为：
IGBT Q1开通时：
KVL方程为：U(t)＝UL1+UC1。
充电过程中，理想模型暂不考虑内阻：
IGBT Q1断开时：
KVL方程为：
(此阶段通过回路中的电流反馈，主控电路控制Q1开通关断，来给电容充电)
随着充电电压提高，充电回路中电流会逐渐减小，充电效率会降低，此时为加快充电效率，则在一定电压时转到下一阶段(如果电容器电压未到充电所需电压，达到所需电压则终止充电)，即进行步骤3继续充电。
步骤3、处于降压充电阶段，IGBT Q1和IGBT Q2导通。该阶段仍是降压充电阶段，是为加速充电速度设计。
如图4所示，通过主控电路控制IGBT Q1和IGBT Q2同时进行导通和关断，导通时间受电流和最大导通时间限制，关断受下降电流和最大周期时间限制，此种限流方法可保证电感L1的能量，更多的转移到电容C1中去，从而提升充电效率。
在该阶段，在IGBT Q1和IGBT Q2导通时给电感L1蓄能，在IGBT Q1和IGBT Q2关断时，由于电感L1电流不能突变，电感L1中的能量开始释放并转移到电容C1中；在IGBT Q1和IGBT Q2同时导通时，电感两端电势差增大为U(t)，单位时间电感L1蓄的能量更多，当IGBTQ1和IGBT Q2关断时，电感L1中的能量释放到电容C1上，即电容C1充电效率提高；但随着电容C1电压提高，当电容C1电压超过某一值时，但电感L1蓄能不变，其充电效率会降低，为此转到步骤4继续充电。
步骤4、升压充电阶段，IGBT Q1一直导通，IGBT Q2在某频率范围开通关断，对电容C1进行充电。
如图5所示，IGBT Q1一直导通，IGBT Q2在某个频率范围开通关断，当IGBT Q2导通时，给电感L1蓄能；当IGBT Q2关断时，通过电感L1叠加电源U(t)给电容C1充电，主控电路检测电容器电压到达设定电压时完成电容储能充电，如果未达到设定的电压值，但时间限定已到达，也结束充电，并提示相关信息。
如图6所示，初始时，IGBT Q1一直导通，IGBT Q2导通，电容C1两端电压为某一值，此时，通过主控回路控制IGBT Q2在某频率范围导通关断，
W＝1/2LI2
当IGBT Q2导通时，通过U(t)电源给电感L1蓄能，关断IGBT Q2时，电感两端的产生的反电动势叠加U(t)一起向电容C1充电，电容C1的电压到达设定电压时完成储能充电。
如图7所示，由于电感L1电流不能突变，电感L1电流方向不变，则Uc＝U(t)+UL，电感放电，电感L1蓄能转移到电容C1上，同时电源也向电容C1充电，当电感L1电流为0时，电感停止放电。在这个电感蓄能放电过程中，IGBT Q2的导通和关断通过限流和周期设置来控制。
其中，电流采样电路将回路中电流反馈给主控电路，主控电路检测到电流超过设定电流值时关断IGBT Q2，或当充电时间超过周期限制时关断。
为提高充电效率：
一种是增加电路中的最大电流限制，电流越大，IGBT Q2导通时，电感L1中蓄的能量就越高。
一种是提高电感L1蓄能释放到电容C1上的效率，这种通过控制IGBT Q2关断重新开启的时刻，即IGBT Q2的频率会根据设定的电感L1充电电流大小和放电电流大小自动调整。(在上述每个阶段都可以使用上述两个提高充电效率的手段)
在充电过程中，充电电压快到位时，主控板为保证充电电压精度，通过电压采样板测量反馈电压值后，根据剩余所需电荷量，计算后续充电电流限值，并给到控制端进而控制充电速度和充电精度。
储能焊升压变压器是基于供电频率50Hz/60Hz来设计的，自耦升压变压器，以100KW充电功率来说，升压变压器体积大概在600*500*300mm。
本发明中电感L1是限流储能元件，并使其工作几KHz，体积大概为200*160*120mm。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.储能电阻焊智能充电系统，其特征在于：包括SCR电路、电容C1、电容C2、二极管D1、二极管D2、电感L1、IGBTQ1、IGBTQ2、进线电压采样电路、SCR驱动电路、IGBT驱动电路、主控电路、电流采样电路和电压采样电路，所述SCR电路的输出端分别连接电容C2的一端和IGBTQ1的集电极，IGBTQ1的发射极分别连接二极管D1的负极和电感L1的一端，电感L1的另一端串联电流采样电路后分别连接IGBTQ2的集电极和二极管D2的正极，二极管D2负极连接电容C1的一端，电容C1的另一端、IGBTQ2的发射极、二极管D1的正极和电容C2的另一端连接SCR电路的另一输出端，电容C1的两端并联电压采样电路，主控电路分别连接IGBT驱动电路、SCR驱动电路、进线电压采样电路、电流采样电路和电压采样电路，进线电压采样电路连接SCR电路，IGBT驱动电路分别连接IGBTQ1的门极和IGBTQ2的门极，SCR驱动电路连接SCR电路。
2.一种如权利要求1所述的储能电阻焊智能充电系统的储能充电方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、SCR电路控制整流，经电容C2滤波，IGBTQ1和IGBTQ2处于关闭状态；
步骤2、处于降压充电阶段，控制IGBTQ1在某频率范围导通关断，对电容C1进行充电；
步骤3、处于降压充电阶段，控制IGBTQ1和IGBTQ2在某频率范围同时导通关断，对电容C1进行充电；
步骤4、升压充电阶段，IGBTQ1一直导通，IGBTQ2在某频率范围开通关断，对电容C1进行充电。
3.根据权利要求2所述的基于储能电阻焊智能充电系统的储能充电方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现方法为：通过进线电压采样电路对电压和相序进行检测，使主控电路根据电压变化来控制SCR电路中VT1、VT2和VT3导通关断，SCR开通时，主控电路先给SCR电路一个初始小的开通角度，并逐步增加SCR的开通角度，使其缓起充电，当开通角度增加到全开后，VT1、VT2和VT3一直保持在全开状态，C2两端电压为U(t)。
4.根据权利要求3所述的基于储能电阻焊智能充电系统的储能充电方法，其特征在于：所述电压U(t)为：
U(t)＝U0*2
其中，U0为三相电源的线电压。
5.根据权利要求4所述的基于储能电阻焊智能充电系统的储能充电方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方法为：初始电容C1两端电压为0，直流电压U(t)两端电压高，通过主控电路控制IGBTQ1导通关断给电容C1进行充电，IGBTQ1导通时，通过电感L1限电流给电容C1进行充电，同时采样充电电路里的电流，如果电流或IGBTQ1导通时间超过主控电路设置，则关闭IGBTQ1，重复直至充电电压到达设定值或该阶段电压设定值；随着电容C1两端的电压逐渐增高，电感两端电势差逐渐减小，充电效率下降，随切换到步骤3继续充电。
6.根据权利要求5所述的基于储能电阻焊智能充电系统的储能充电方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现方法为：通过主控电路控制IGBTQ1和IGBTQ2同时进行导通和关断，当IGBTQ1和IGBTQ2同时导通时，给电感L1储能，当IGBTQ1和IGBTQ2同时关断时，电感L1储存的能量给电容C1充电，重复直至充电电压到达设定值或该阶段电压设定值，过程中根据回路中电流情况，IGBTQ1和IGBTQ2导通频率自动调整；，因IGBTQ1和IGBTQ2同时导通时，电感两端的电势差大，单位时间内电感储能的效率增加，而且放电时电感上的能量全部给电容C1充电；随着电容C1两端的电压继续增高，电压越高，其需要的能量也越大，但电感L1储能不变，其充电效率会降低，在一定电压时切换到步骤4继续充电。
7.根据权利要求6所述的基于储能电阻焊智能充电系统的储能充电方法，其特征在于：所述步骤4的具体实现方法为：IGBTQ1一直导通，IGBTQ2在某个频率范围2KHz～10KHz开通关断，当IGBTQ2导通时，给电感L1储能；当IGBTQ2关断时，电感两端产生反电动势，叠加U(t)给电容C1充电，该阶段充电电压高于U(t)，重复直至充电电压到达设定值，过程中根据电流情况IGBTQ2导通频率自动调整。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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