CN1273258C - 一种中频电阻焊逆变电源装置 - Google Patents

Abstract

一种用于焊接领域的中频电阻焊逆变电源装置，包括有变压器、与变压器初级线圈相连接的桥式逆变器、与变压器次级的多个单匝线圈相连接的多个或阳极端或阴极端共连的一对二极管整流单元，该共连连接点为电源装置的一个输出端；一对二极管各自的另外一个端点分别连接电感上的一组串联单匝线圈的两个端点；该串联单匝线圈的连接点为电源装置的另外一个输出端。将多组输出并联即为电源装置的总输出。其中，变压器次级的单匝线圈的个数、整流单元的个数与电感的单匝线圈串联的组数为一一对应关系；变压器次级单匝线圈的个数由电源装置的输出电流确定。本发明解决了整流单元中截止整流管反压大的问题，使电阻焊逆变电源的开关频率达到20kHz。

Description

一种中频电阻焊逆变电源装置

技术领域

本发明涉及一种中频电阻焊逆变电源装置，适用于焊接技术领域。

背景技术

电阻焊是一种利用工件电阻热焊接的方法，主要应用于汽车及航空制造业。电阻焊机中的主要设备是电阻焊电源装置。由于逆变电源装置具有体积小、重量轻、可控性好等优点，80年代初，电阻焊逆变电源装置开始替代工频次级整流电源装置，如专利ZL93219514.8，US4973815所述。开关频率是衡量逆变电源装置设计水平的重要技术指标。目前，电阻焊逆变电源装置存在的问题便是开关频率较低。电弧焊逆变电源装置的开关频率普遍采用20kHz，而电阻焊逆变电源装置的开关频率不超过5000Hz，一般多为600-700Hz。与弧焊电源装置相比，电阻焊电源装置具有大功率、大电流、低电压的特点(电压2到7伏，电流2千安到12千安)；在现有电路及器件条件下，该特点使逆变电源装置的开关频率难以进一步提升。目前，电阻焊逆变电源装置采用与弧焊逆变电源装置相同的电路结构。图1是现有电阻焊逆变电源技术的电路原理图。图中直流电Vd由电网的工频交流电整流获得，Vd经中频桥式逆变器转换成中频交流电v，中频交流电v经变压器降压、二极管整流后，呈直流电输出至电阻焊机的两个电极。图1是采用双线圈2管中心抽头式整流。这种电源装置包括有变压器1、与变压器1的初级线圈N1相连接的桥式逆变器2，变压器次级由多个双匝线圈构成，第一单匝线圈N211与第二单匝线圈N212构成一个双匝线圈，每个双匝线圈的中间抽头端点连接在一起作为电源装置的一个电信号输出端点，此端点连接电阻焊机的一个第二电极D；每个双匝线圈的另外两个端点与一对第一二极管D1和第二二极管D2的阳极连接，第一二极管D1、第二二极管D2的阴极端点连接在一起作为电源装置的另一个电信号输出端点，此端点连接电阻焊机的另一个第一电极C，双匝线圈的个数由电源装置的输出电流确定。电阻焊电源工作时，若第一单匝线圈N211与第一二极管D1阳极的连接端是高电位、第二单匝线圈N212与第二二极管D2阳极的连接端是低电位时，第一二极管D1导通，第二二极管D2承受反压截止，第二二极管D2承受的反压为第一单匝线圈N211及第二单匝线圈N212的输出电压，即承受两倍的单匝线圈的输出电压；当交流电压换向后第二二极管D2导通，第一二极管D1截止，第一二极管D1也承受两倍的单匝线圈的输出电压。由于电阻焊逆变电源装置所用电流较大，所以二极管管耗功率不容忽视。为了降低管耗，整流电路一般采用肖特基二极管，大电流(如300A)肖特基二极管耐压较低，多为45伏。若采用图1中整流电路的方式，截止的整流管要承受2倍的变压器次级电压。由于整流管承受2倍反压，导致工作时反向电流增加，限制了整流管的开关频率，开关频率被限制在5kHz左右。如果进一步提高逆变器的开关频率，在电阻焊电源低电压大电流状况下，这种整流电路将使桥式逆变器2形成不正常的自激振荡，使逆变电源无法正常工作。目前弧焊逆变电源还可以采用单线圈4管全桥整流电路。这种整流电路的缺点是，交流每半波有两个二极管导通，消耗在整流管上的功率是图1中整流电路的2倍。由于电阻焊电源具有低电压大电流特点，整流管管耗增加一倍将严重降低逆变电源的效率，所以电阻焊逆变电源不采用这种整流电路。

发明内容

本发明的一种中频电阻焊逆变电源装置的目的是：克服现有电阻焊逆变电源装置截止整流管承受反压大及逆变器开关频率低等缺点，提供一种使用现有肖特基二极管的中频电阻焊逆变电源装置。

本发明的一种中频电阻焊逆变电源装置采用的技术方案参见图2、图3、图4、图5和图6。该装置包括有变压器1、与变压器1的初级线圈N1相连接的桥式逆变器2、与变压器1的次级线圈N2相连接的整流单元，电源装置电信号的两个输出端分别连接电阻焊机的第一电极C和第二电极D，特征在于：其中变压器1的次级线圈N2由两个以上的单匝线圈N21构成，采用公知技术根据电源装置输出电流量确定单匝线圈的个数；每个单匝线圈N21连接一个整流单元，每个单匝线圈N21所连接的整流单元、是由或阳极端或阴极端共连的一对第一二极管D1和第二二极管D2构成，该共连接端点为电源装置的一个电信号输出端点；第一二极管D1的端点A与电感L上的第一电感单匝线圈L11的一端连接，第二二极管D2的端点B与电感L上的第二电感单匝线圈L12的一端连接，电感L上分别绕制多个第一电感单匝线圈L11和第二电感单匝线圈L12，每两个第一电感单匝线圈L11和第二电感单匝线圈L12串联为一个单匝线圈组，每两个单匝线圈的串联连接端点为电源装置的另外一个电信号输出端点；电感L上单匝线圈组的个数由变压器次级单匝线圈的个数确定，变压器次级的一个单匝线圈对应电感上的一个单匝线圈组；在此电源回路中，桥式逆变器2的输出端将电信号输入给变压器1的初级线圈N1的两个端点，初级线圈N1通过电磁感应将电信号偶合到变压器次级的单匝线圈N21上，单匝线圈N21的两个端点将电信号分别输入给整流单元中第一二极管D1的端点A和第二二极管D2的端点B，整流单元的或阳极端或阴极端共连端点与电感L上的单匝线圈组的串联连接端点之间输出的电信号即为该装置的一组输出；将多组输出并联，即为该装置的总输出。

本发明所述的一种中频电阻焊逆变电源装置，桥式逆变器2与变压器初级线圈N1的一根连接线中，设置有初始导磁率不低于8000的软磁磁环3。

本发明所述的中频电阻焊逆变电源装置，电感L采用E形磁芯，E型磁芯两端的铁心柱分别绕多个第一电感单匝线圈L11和第二电感单匝线圈L12，每两个第一电感单匝线圈L11和第二电感单匝线圈L12串联为一个单匝线圈组。

本发明所述的一种中频电阻焊逆变电源装置，电感L可采用开口对接的两个独立的第一U型磁芯L1和第二U型磁芯L2构成一个独立的电感磁芯，第一U型磁芯L1的铁心柱上绕多个第一电感单匝线圈L11，第二U型磁芯L2的铁心柱上绕多个第二电感单匝线圈L12，第一U型磁芯L1上的单匝线圈的个数与第二U型磁芯L2上的单匝线圈的个数相同；连接方式为，第一U型磁芯L1上的每个第一电感单匝线圈L11顺次与第二U型磁芯L2上所对应的第二电感单匝线圈L12串联为一个单匝线圈组，第一U型磁芯L1上每个单匝线圈的另外一个端点都与第一二极管D1的一个端点A连接，第二U型磁芯L2上每个单匝线圈的另外一个端点都与第二二极管D2的一个端点B连接，将多个单匝线圈组的串联点连接在一起作为电源装置的一个电信号输出端点；第一U型磁芯L1、第二U型磁芯L2上单匝线圈串联成的单匝线圈组的个数与变压器次级单匝线圈的个数相同。

本发明所述的一种中频电阻焊逆变电源装置，第一二极管D1的端点A和第二二极管D2的端点B至单匝线圈N21的连线采用可降低传输线感抗的同轴线。

本发明的一种中频电阻焊逆变电源装置电路工作原理及过程如下所述(见图2)：桥式逆变器2将直流电Vd转换成中频方波交流电v后输入至变压器1的初级线圈N1，初级线圈N1通过电磁感应将电信号偶合到次级线圈N21，次级线圈N21感应出低压交流电。若交流电的极性是上正下负，即第一二极管D1的阳极是正电位，第二二极管D2的阳极是负电位，第一二极管D1导通，第二二极管D2截止，第二二极管D2承受的反压等于次级线圈N21的输出电压；由于电阻焊机在工作时两个电极压在工件4上，电流从次级线圈N21的上端出发，流过第一二极管D1、第二电极D、工件4、第一电极C、第二电感单匝线圈L12回到其的下端；同时，第一电感单匝线圈L11上的电流从其的上端出发，经第一二极管D1、第二电极D、工件4、第一电极C回到第一电感单匝线圈L11的下端。当单匝线圈N21的输出电压由上正下负转变为零时，由于电感电流不能突变，电流从第二电感单匝线圈L12的下端出发，经第二二极管D2、第二电极D、工件4、第一电极C回到第二电感单匝线圈L12上端；同时，电流也从第一电感单匝线圈L11的上端出发，经第一二极管D1、第二电极D、工件4、第一电极C回到第一电感单匝线圈L11的下端，此阶段第二二极管D2及第一二极管D1导通，形成续流电路。当单匝线圈N21的输出电压由零转变成上负下正时，电流从单匝线圈N21的下端出发，流过第二二极管D2、第二电极D、工件、第一电极C、第一电感单匝线圈L11回到单匝线圈N21的上端；同时，第二电感单匝线圈L12上的电流从第二电感单匝线圈L12的下端出发，经第二二极管D2、第二电极D、工件4、第一电极C回到第二电感单匝线圈L12的上端，此阶段第一二极管D1截止，第二二极管D2导通。当单匝线圈N21的输出电压由上负下正转变为零时，电流从第一电感单匝线圈L11的上端出发，经第一二极管D1、第二电极D、工件4、第一电极C回到第一电感单匝线圈L11的下端；同时，电流从第二电感单匝线圈L12的下端出发，经第二二极管D2、第二电极D、工件4、第一电极C回到第二电感单匝线圈L12上端，此阶段又是第一二极管D1及第二二极管D2导通，形成续流电路。当单匝线圈N21电压极性再次转变为上正下负时，重复以上过程。

本发明的一种中频电阻焊逆变电源装置的特点是：解决了图1中整流单元中截止整流管反压大的问题；在使用现有肖特基管的前提下，将逆变电源装置的开关频率提高到20kHz的中频水平；提高了装置的控制性能，降低了装置的体积及重量。

附图说明

图1现有的采用双线圈中心抽头2管全波整流的电阻焊逆变电源装置示意图；

图2本发明的一种中频电阻焊逆变电源装置示意图(第一二极管D1和第二二极管D2共阴极连接，E型磁芯)；

图3本发明的一种中频电阻焊逆变电源装置示意图(第一二极管D1和第二二极管D2共阳极连接，E型磁芯)；

图4本发明的一种中频电阻焊逆变电源装置示意图(第一二极管D1和第二二极管D2共阴极连接，U型磁芯)

图5本发明的一种中频电阻焊逆变电源装置示意图(第一二极管D1和第二二极管D2共阳极连接、U型磁芯)；

图6变压器次级线圈制作示意图；

图中：1、变压器；2、桥式逆变器；3、磁环；4、工件；5、变压器磁芯；变压器初级线圈N1；变压器次级线圈N2；变压器次级线圈N2中的单匝线圈N21；第一二极管D1，第二二极管D2，

第一二极管D1的端点A，第二二极管D2的端点B；电感L；第一电感单匝线圈L11、第二电感单匝线圈L12；电阻焊机的第一电极C、第二电极D；

电感L上两个独立的第一U型磁芯L1和第二U型磁芯L2；

与第一二极管D1、第二二极管D2端点A、B对应连接的变压器次级单匝线圈N21的端点A1、B1；

现有技术中变压器次级的第一单匝线圈N211、第二单匝线圈N212。

具体实施方式

本发明按前述附图2-6实施。该装置中中采用了单线圈双电感双管全波整流电路。这种全波整流电路，交流每半周只有一个二极管导通，截止二极管承受的反压相当于图1中二极管承受的反压的一半，反压为变压器次级线圈N21的电压。导通二极管的管耗与图1中二极管的管耗相同。为了降低二极管的管耗，选用肖特基二极管。

为使整流电路适应电阻焊大电流的要求，设计中采用了变压器次级线圈匝数取1，电感线圈匝数也取1，二极管并联整流单元多组并联的方案。为了解决多组二极管整流单元并联时的均流问题，在变压器次级设置多个单匝线圈，在电感上也设置多个单匝线圈串联组，与整流单元形成一一对应的关系。本发明的实施例证实，这种整流电路在开关频率20kHz的条件下，使用45V300A的肖特基管不会使逆变器产生不正常的自激振荡。

变压器次级至二极管的连线在工作时传输交流电，若此段传输线过长(如长度超过200mm)，所产生的交流感抗限制了大电流输出。当逆变器开关频率越高时，交流感抗的影响也越严重。如果用提高变压器次级空载电压的方法获取大电流，由于大电流(300A)肖特基二极管承受的反压仅为45V，整流电路将不能正常工作。为此，将此段传输交流电的导线制成同轴电缆以降低电感(见图6)。图中，变压器次级单匝线圈N21采用多股线，多股线外缠绕绝缘带。把单匝线圈N21穿过变压器磁芯5后，将线圈的头和尾合并成同轴线。当次级单匝线圈N21的端点A1、B1与二极管端点A、B对应连接时，再将线圈的头尾分开。

由于在变压器次级使用同轴导线的线圈，因此次级感抗很低，装置工作时，会带来因瞬间冲击电流较大，损坏肖特基二极管的问题。为解决这个问题，在变压器初级设置了抑制电流尖峰的磁环3。

该装置中，电感L可选用E型磁芯(图2和图3)。在E型磁芯两端的铁心柱上，两个第一电感单匝线圈L11和第二电感单匝线圈L12产生的磁通方向在中间铁心柱上是相反的。E型磁芯的优点是电感不容易饱和。电感L也可由开口对接的两个独立的第一U型磁芯L1及第二U型磁芯L2构成一个独立的电感磁芯(图4及5)。在第一U型磁芯L1上绕多个第一电感单匝线圈L11，在第二U型磁芯L2上绕多个第二电感单匝线圈L12，将第一电感单匝线圈L11、第二电感单匝线圈L12串联成线圈组。一根导线从电感铁心的窗口穿过便是电感上的一个单匝线圈。采用两个独立磁芯的优点是易于线路安装。

本发明的装置包括有(见图2)：公知的桥式逆变器2，根据输出电流大小可采用全桥或半桥逆变器；变压器1，其次级线圈N2由多个单匝线圈N21构成；整流单元，由阴极端连接在一起的第一二极管D1和第二二极管D2构成；电感L，由多组两个第一电感单匝线圈L11和第二电感单匝线圈L12串联构成；磁环3，其作用是抑制电流尖峰。该装置中，变压器次级的单匝线圈N21、第一二极管D1和第二二极管D2构成的整流单元和电感的第一电感单匝线圈L11和第二电感单匝线圈L12的串联组均为多组。三者的数量为一一对应关系。变压器次级单匝线圈N21的个数由逆变电源装置的输出电流确定。该装置的电路连接回路为：桥式逆变器2的输出端与变压器1的初级线圈N1连接，初级线圈N1通过电磁感应偶合至次级线圈N2，变压器次级线圈N2中的的单匝线圈N21的二端分别与整流单元中的第一二极管D1的端点A和第二二极管D2的端点B连接，端点A与电感L上的单匝线圈组的一端连接，端点B与电感L上的单匝线圈组的另一端连接，整流单元中的第一二极管D1和第二二极管D2的阴极连接端点与电感L上的单匝线圈组的串联连接端点之间即为该装置的一组输出端；将多组输出端并联，即为该装置的总输出端。

图3中，整流单元中的第一二极管D1与第二二极管D2采用共阳极连接方式。其与图2整流单元的区别是：变压器1的次级单匝线圈N21的一端与第一二极管D1的阴极连接，另一端与第二二极管D2的阴极连接，第一二极管D1和第二二极管D2的阳极连接在一起，二极管阳极共连端点与电阻焊机的第二电极D连接。第一二极管D1的阴极与第一电感单匝线圈L11的一端连接，第一电感单匝线圈L11的另一端与第二电感单匝线圈L12连接，第二电感单匝线圈L12的另一端与第二二极管D2的阴极连接，第一电感单匝线圈L11与第二电感单匝线圈L12串联组的共连端点与电阻焊机的第一电极C连接。此图中，电源回路的工作原理与图2相同，不同之处是该装置的输出极性是相反的。

图4中，电感L由开口对接的两个独立的第一U型磁芯L1和第二U型磁芯L2构成。U型磁芯上绕多个第一电感单匝线圈L11、第二电感单匝线圈L12，第一电感单匝线圈L11和第二电感单匝线圈L12串联为一组。每个磁芯上第一电感单匝线圈L11和第二电感单匝线圈L12的个数与变压器次级单匝线圈N21的个数相同。此图电源回路的工作原理与图2相同。选用两个独立磁芯的优点是易于线路安装。

图5中，整流单元中的第一二极管D1与第二二极管D2采用共阳极连接；电感L采用开口对接的两个独立的第一U型磁芯L1和第二U型磁芯L2。其与图4的区别是整流单元中的第一二极管D1与第二二极管D2采用共阳极连接。此图中，电源回路的工作原理与图2、图4相同，不同之处是该装置的输出极性是相反的。

图2、3、4、5中，具体实施的各类参数是：输入电压：3相380V。桥式逆变器2：半桥式逆变器，开关频率为20kHz。变压器：变比32比1，次级单匝线圈N21的个数是15个，单匝线圈个数确定方法：变压器次级单匝线圈N21的个数由逆变电源装置的输出电流确定，如输出最大电流为3500A，若选用300A肖特基整流模块，整流模块的个数至少为：3500/300≈12个，考虑多模块并联时的均流系数及工程条件下使用的安全系数，模块个数还应增加20％左右，即用15个模块。整流单元：采用15组或阴极共连、或阳极共连的肖特基二极管，型号301CNQ045。磁环：R8K，软磁铁氧体材料，导磁率大于8000，磁环尺寸：φ38*18*13(外环直径38mm，内环直径18mm，高13mm)，用4只。次级单匝线圈N21同轴段的线长是600mm。在图2、3实施例中，电感L的磁芯采用大功率高频开关电源用磁芯，型号EE110，间隙0.2mm。在图4、5实施例中，两个独立电感L的磁芯是U型硅钢片磁芯、截面52*26(mm)，铁心间隙0.5mm。逆变电源装置输出电压4V、输出电流3500A、开关频率为20kHz。

Claims (5)

1、一种中频电阻焊逆变电源装置，包括有变压器(1)、与变压器(1)的初级线圈(N1)相连接的桥式逆变器(2)、与变压器(1)的次级线圈(N2)相连接的整流单元，电源装置电信号的两个输出端分别连接电阻焊机的第一电极(C)和第二电极(D)，本发明的特征在于：其中变压器(1)的次级线圈(N2)由两个以上的单匝线圈(N21)构成，采用公知技术根据电源装置输出电流量确定单匝线圈的个数；每个单匝线圈(N21)连接一个整流单元，每个单匝线圈(N21)所连接的整流单元、是由或阳极端或阴极端共连的一对第一二极管(D1)和第二二极管(D2)构成，该共连接端点为电源装置的一个电信号输出端点；第一二极管(D1)的端点(A)与电感(L)上的第一电感单匝线圈(L11)的一端连接，第二二极管(D2)的端点(B)与电感(L)上的第二电感单匝线圈(L12)的一端连接，电感(L)上分别绕制多个第一电感单匝线圈(L11)和第二电感单匝线圈(L12)，每两个第一电感单匝线圈(L11)和第二电感单匝线圈(L12)串联为一个单匝线圈组，每两个单匝线圈的串联连接端点为电源装置的另外一个电信号输出端点；电感(L)上单匝线圈组的个数由变压器次级单匝线圈的个数确定，变压器次级的一个单匝线圈对应电感上的一个单匝线圈组；在此电源回路中，桥式逆变器(2)的输出端将电信号输入给变压器(1)的初级线圈(N1)的两个端点，初级线圈(N1)通过电磁感应将电信号偶合到变压器次级的单匝线圈(N21)上，单匝线圈(N21)的两个端点将电信号分别输入给整流单元中第一二极管(D1)的端点(A)和第二二极管(D2)的端点(B)，整流单元的或阳极端或阴极端共连端点与电感(L)上的单匝线圈组的串联连接端点之间输出的电信号即为该装置的一组输出；将多组输出并联，即为该装置的总输出。

2、根据权利要求1所述的一种中频电阻焊逆变电源装置，其特征在于，所述的桥式逆变器(2)与变压器初级线圈(N1)的一根连接线中，设置有导磁率不低于8000的软磁磁环(3)。

3、根据权利要求1所述的一种中频电阻焊逆变电源装置，其特征在于，所述的电感(L)采用E形磁芯，E型磁芯两端的铁心柱上分别绕多个第一电感单匝线圈(L11)和第二电感单匝线圈(L12)，每两个第一电感单匝线圈(L11)利第二电感单匝线圈(L12)串联为一个单匝线圈组。

4、根据权利要求1所述的一种中频电阻焊逆变电源装置，其特征在于，所述的电感(L)可采用开口对接的两个独立的第一U型磁芯(L1)和第二U型磁芯(L2)构成一个独立的电感磁芯，第一U型磁芯(L1)铁心柱上绕多个第一电感单匝线圈(L11)，第二U型磁芯(L2)的铁心柱上绕多个第二电感单匝线圈(L12)，第一U型磁芯(L1)上的单匝线圈的个数与第二U型磁芯(L2)上的单匝线圈的个数相同；连接方式为，第一U型磁芯(L1)上的每个第一单匝线圈(L11)顺次与第二U型磁芯(L2)上所对应的第二电感单匝线圈(L12)串联为一个单匝线圈组，第一U型磁芯(L1)上每个单匝线圈的另外一个端点都与第一二极管(D1)的一个端点(A)连接，第二U型磁芯(L2)上每个单匝线圈的另外一个端点都与第二二极管(D2)的一个端点(B)连接，将多个单匝线圈组的串联点连接在一起作为电源装置的一个电信号输出端点；第一U型磁芯(L1)、第一U型磁芯(L2)上单匝线圈串联成的单匝线圈组的个数与变压器次级单匝线圈的个数相同。

5、根据权利要求1所述的一种中频电阻焊逆变电源装置，其特征在于，所述的第一二极管(D1)的端点(A)和第二二极管(D2)的端点(B)至单匝线圈(N21)的连线采用可降低传输线感抗的同轴线。

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