CN1410214A - 无次级整流直流电阻焊机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无次级整流直流电阻焊机及控制方法，该装置是输入端接三相电源经整流，滤波后的电压施加到由4只双极型隔离栅晶体管组成的焊接主电路功率开关组上，在每只双极型隔离栅晶体管的集射极两端均并联接有快速二极管和无感电容，焊接变压器的次级一端与电阻焊接机的上电极相连接，另一端与电阻焊接机的下电极相连接，在电极压力的作用下，被焊接工件夹持在上下电极之间，当有足够的焊接电流流过被焊区域时，就在该区域形成焊点。本发明的控制方法，主要是实行分段斩波控制方法，即在控制电路的控制下，以斩波脉冲的形式向焊接变压器初级施加电压，并在一定斩波脉冲之后增加休止时间，以利焊接变压器铁芯的退磁。

Description

无次级整流直流电阻焊机及控制方法

本发明提出一种无次级整流直流电阻焊机及控制方法，具体地说是一种应用于各种电阻点、凸、缝焊机的装置及控制方法。

三相低频电阻焊机是20世纪50年代研制出的一种电阻焊机，该焊机由一台特殊的焊接变压器以及相应的整流元器件等组成。这个特殊的焊接变压器有一个单匝的次级绕组和三个相互独立的、具有相同匝数的初级绕组。初级和次级绕组都绕在同一铁芯上，因此在焊接时受同一磁力线的作用。每个初级线圈通过两只反向并联的可控硅与电网中的两相相连接。三相低频电阻焊机具有许多优点，但是其焊接时仍存在焊接电流过零点和焊接变压器的体积与重量大的问题，限制了这类电阻焊机的使用与发展。20世纪70年代之后，人们又研制出了次级整流直流电阻焊机。该焊机由于采用直流电流进行焊接具有许多优点，是目前国内外电阻焊机发展的主要方向之一，目前国内外各种电阻焊机直流焊接电流的获得主要是通过次级整流，即在电阻焊机的次级侧接入大功率的整流二级管，把交变的电流变为直流电流进行焊接。但是由于采用了大功率的整流二极管，又将带来新的能量损耗。一般说来，用于次级整流的二极管在工作时将产生1.5伏左右的管压降。一般电阻焊机的次级电压为5伏左右，也就是说，在次级整流型电阻焊机工作时，次级5伏左右的工作电压要有约1.5伏被用来克服由整流二极管产生的压降，该损耗约占整个焊机输出功率的32％。另外，大功率整流二级管价格昂贵，为了防止整流二极管的损坏，焊机还需增加相应的均流和过流保护电路，这样不仅增加了整台焊机的成本，而且还增加了焊机的维修成本和难度。20世纪80年代，人们又研制出了逆变电阻焊机。由于采用了现代变流技术，逆变式电阻焊机不仅控制精度高，而且其焊接变压器的体积与重量大大减小。另一方面，逆变式电阻焊机往往需要次级整流，因而同样存在因接入次级整流元件而产生的附加能量损耗和保护电路复杂等问题。在电阻焊接电源的发展历史上，只有三相低频电阻焊机在性能上与次级整流电阻焊机相近，而且不存在次级整流元件的能量损耗。但是，三相低频电阻焊机的缺点是焊接电流过零点和焊接变压器的体积与重量大的问题。

本发明的原理是：根据三相低频电阻焊机的工作原理可知，在焊接时，其焊接主电路通过对输入电压进行整流，对焊接变压器初级线圈输出一个持续的直流电压，该电压在焊接过程中始终保持，直至下一次电压的反向。焊接变压器是一个储能器件，当输入焊接变压器初级线圈的电压由高电平变为零伏时，由于电感的储能作用，焊接变压器的输出电流和流经焊接变压器的激磁电流均不是立即下降到零，而是按照指数规律下降。由于在传统三相低频电阻焊机焊接时，其焊接变压器初级线圈始终在一个直流电压作用下，必然导致在焊接过程中焊接变压器内的磁感应强度不断上升。为了避免焊接变压器磁饱和而引起的焊接主电路整流元件的损坏，传统三相低频电阻焊机焊接时需不断定时改变焊接变压器通电方向。采用传统三相低频电阻焊机的控制方法，将会产生如下问题。首先，在一次焊接过程中，对焊接变压器初级线圈始终施加直流电压，将导致焊接变压器铁芯内的磁感应强度连续上升，另一方面也没有发挥焊接变压器的储能作用。

本发明控制方法的原理是：三相电源分别由a、b、c三个接线端子接入，经三相全波整流以后，将三相交流电转变为脉动直流电，经电容器组C₀滤波之后，施加在双极型隔离栅晶体管组两端。当t₁₁时刻发出焊接信号时，在控制电路的作用下，双极型隔离栅晶体管T₁、T₄同时导通，电源通过T₁、T₄输入到焊接变压器，此时，输入到焊接变压器的能量一部分以电磁能的形式存储于焊接变压器中，另一部分经变压器耦合后产生用于焊接的电流；当达到设置的斩波导通时间t₁₂后，T₁截止，存储与焊接变压器能量经次级回路释放，焊接变压器初级线圈通过T₄和并联在T₂两端的二极管D₂以及续流电阻R₀释放，在焊接变压器存储能量释放的同时，焊接变压器铁芯退磁；当到达设计的休止时间t₁₃时，T₁再次导通，电源能量再次输入焊接变压器。当斩波频率很高时，由于暂波休止时间很短，其退磁的作用是有限的，为了避免焊接变压器长时间单方向导通而产生的磁饱和，输入若干次暂波脉冲之后，在t₁₄时刻，T₁长时间截止，以便焊接变压器铁芯的退磁；当到达设定休止时间后，T₁再次导通，再向焊接变压器输入若干暂波脉冲，如此循环，直至焊接结束，焊接工程结束时，仍是T₁先截止，延时一定时间之后，T₄再截止，之后存储与焊接变压器的能量继续通过续流电阻R₀释放，直至焊接过程结束。在上述焊接过程中，因为焊接变压器为单方向通电，将不可避免地在焊接变压器铁芯内残留下部分剩磁。为了消除焊接变压器铁芯内在焊接过程中产生的剩磁，下一次焊接时，焊接控制装置控制T₃、T₂导通，重复上述过程。但是在新的焊接过程中，焊接控制器控制T₃反复导通、截止，T₂在焊接过程中一直导通。本发明控制方法是改对焊接变压器初级线圈始终施加直流电压，为断续的斩波脉冲电压，即采用分段斩波控制方法。其出发点是利用流经电感元件的电流不能跃变的特点。在焊接变压器初级线圈输入电压为高电平时，焊接变压器从电源中吸收能量，该能量一部分通过焊接变压器次级回路输出到被焊工件，一部分则储存在焊接变压器中；当作用在焊接变压器初级线圈输入电压为零时，存储在焊接变压器中能量通过次级回路和并联在初级线圈两端的续流电路释放。随着焊接变压器中存储能量的释放，铁芯中的磁感应强度随之减小。由于焊接变压器次级电流按照指数规律下降，在其下降到一定值时，再输入下一个高电平，焊接进入下一循环。因为当以这种方式工作时，焊接过程中的磁滞回线不再是单调上升的，就有可能通过适当设计焊机和焊接参数，并通过实验得出其最大磁感应强度的上限，而此时焊接电流在不需要次级整流的情况下仍保持为脉动直流的。根据该上限设计焊接变压器，可以达到减小其体积与重量的目的。

本发明中焊机的结构是：三相电源分别从a、b、c三个接线端子接入，其中电源a相分别接到整流二极管ZD₁的阳级和ZD₂的阴级，电源b相分别接到整流二极管ZD₃的阳级和ZD₄的阴极，电源c相分别接到整流二极管ZD₅的阳级和ZD₆的阴极。然后把整流二极管ZD₁、ZD₃和ZD₅的阴相相互连接，并连接到滤波电容C₀的正极，作为焊接功率开关电源的正输入端，把整流二极管ZD₂、ZD₄和ZD₆的阳级相互连接，并连接到滤波电容C₀的负极，作为焊接功率开关电源的地输入端。经过电容滤波后的电压施加到由双极型隔离栅晶体管T₁、T₂、T₃、T₄组成的焊接主电路功率开关组上，其中滤波电容C₀的正极分别接T₁和T₃到的集电极，T₁的射极再分别接到T₂的集电极和焊接变压器的一端，T₃的射极再分别接到T₄的集电极和焊接变压器的另一端，同时，T₁的射极和T₃的射极还分别与续流电阻R₀的一端相连接。为了保护双极型隔离栅晶体管，在T₁、T₂、T₃、T₄集射极两端均分别并联接有快速二极管D₁、D₂、D₃、D₄和无感电容C₁、C₂、C₃、C₄。T₂和T₄的射级相连之后再与滤波电容C₀的另一端相连接，构成导电回路。T₁、T₂、T₃、T₄基级与控制电路相接。焊接变压器的次级线圈一端电电阻焊机的上电极相连接，另一端与电阻焊机的下电极相连接。在电极压力的作用下，被焊接工件夹持在上下电极之间，当有足够的焊接电流流过被焊区域时，就在该区域形成焊点。图1中A、B两点为输出端，接焊接变压器输入端。

本发明具体控制方法是：(1)三相电源分别由a、b、c三个接线端子接入，经三相全波整流以后，将三相交流电转变为脉动直流电，经电容器组C₀滤波之后，施加在双极型隔离栅晶体管组两端。(2)当t₁₁时刻发出焊接信号时，在控制电路的作用下，双极型隔离栅晶体管T₁、T₄同时导通，电源通过T₁、T₄输入到焊接变压器。(3)当达到设置的斩波导通时间t₁₂后，T₁截止，存储与焊接变压器能量经次级回路释放，焊接变压器初级线圈通过T₄和并联在双极型隔离栅晶体管T₂两端的二极管D₂以及续流电阻R₀释放，在焊接变压器存储能量释放的同时，焊接变压器铁芯退磁。(4)当到达设计的休止时间t₁₃时，T₁再次导通，电源能量再次输入焊接变压器。为了避免焊接变压器长时间单方向导通而产生的磁饱和，输入若干次暂波脉冲之后，(5)在t₁₄时刻，T₁长时间截止，以便焊接变压器铁芯的充分退磁；(6)当到达设定休止时间t₁₅后，T₁再次导通，再向焊接变压器输入若干暂波脉冲，如此循环，直至焊接结束，焊接工程结束时，仍是T₁先截止，延时一定时间之后，T₄再截止，之后存储与焊接变压器的能量继续通过续流电阻R₀释放，直至焊接过程结束。在上述焊接过程中，因为焊接变压器为单方向通电，将不可避免地在焊接变压器铁芯内残留下部分剩磁。为了消除焊接变压器铁芯内在焊接过程中产生的剩磁，下一次焊接时，焊接控制装置控制T₃、T₂导通，重复上述过程。但是在新的焊接过程中，焊接控制器控制T₃反复导通、截止，T₂在焊接过程中一直导通。

本发明可以在不采用次级整流二极管的情况下，同样得到脉动直流焊接电流，同时还使其焊接变压器的体积与重量与三相低频电阻焊机相比大大减小。本发明具有如下优点：1、节能效果明显，由于次级无整流元件，因此不存在次极整流损耗，与次级整流电阻焊机相比，可以节能约30％；2、控制精度高，传统逆变式电阻焊机的控制精度约1毫秒，采用本发明可以使焊接时间控制精度提高到0.1毫秒；3、控制方法简单，因而可靠性和稳定性提高；4、与传统三相低频电阻焊机相比，重量减轻。

图1为本发明装置原理结构图。

图2为本发明装置输出电压波形示意图。

实施例：

本发明电极压力为300公斤，焊接电流18000安培，电极端头直径为5毫米，被焊接工件为1+1mm铝合金，本发明中触发脉冲具体参数为：斩波频率为10000Hz，斩波导通占空比为50％，每间隔6个斩波脉冲休止一次，休止时间为0.5毫秒，整个焊接时间为40毫秒。双极型隔离栅晶体管型号为：CM300DY-24H，无感电容规格为：0.15F/1200V，德国IXYS快速二极管型号为：DSEI260-10B。

Claims (2)

1.一种无次级整流直流电阻焊机，其特征在于：三相电源分别从[a]、[b]、[c]三个接线端子接入，其中电源[a]相分别接到整流二极管[ZD₁]的阳级和[ZD₂]的阴级，电源[b]相分别接到整流二极管[ZD₃]的阳级和[ZD₄]的阴极，电源[c]相分别接到整流二极管[ZD₅]的阳级和[ZD₆]的阴极，然后把整流二极管[ZD₁]、[ZD₃]和[ZD₅]的阴相相互连接，并连接到滤波电容[C₀]的正极，作为焊接功率开关电源的正输入端，把整流二极管[ZD₂]、[ZD₄]和[ZD₆]的阳级相互连接，并连接到滤波电容[C₀]的负极，作为焊接功率开关电源的地输入端，经过电容滤波后的电压施加到由双极型隔离栅晶体管[T₁]、[T₂]、[T₃]、[T₄]组成的焊接主电路功率开关组上，其中滤波电容C₀的正极分别接[T₁]和[T₃]到的集电极，[T₁]的射极再分别接到[T₂]的集电极和焊接变压器的一端，[T₃]的射极再分别接到[T₄]的集电极和焊接变压器的另一端，同时，[T₁]的射极和[T₃]的射极还分别与续流电阻[R₀]的的一端相连接，在[T₁]、[T₂]、[T₃]、[T₄]集射极两端均分别并联接有快速二极管[D₁]、[D₂]、[D₃]、[D₄]和无感电容[C₁]、[C₂]、[C₃]、[C₄]，[T₂]和[T₄]的射级相连之后再与滤波电容[C₀]的另一端相连接，组成导电回路，[T₁]、[T₂]、[T₃]、[T₄]基级和控制电路相接，焊接变压器的次级一端与电阻焊机的上电极相连接，另一端与电阻焊机的下电极相连接。

2.一种无次级整流直流电阻焊机控制方法，其特征在于：以斩波脉冲的形式向焊接变压器初级施加电压，并在一定斩波脉冲之后增加休止时间，以利焊接变压器铁芯的退磁，(1)三相电源分别由[a]、[b]、[c]三个接线端子接入，经三相全波整流以后，将三相交流电转变为脉动直流电，(2)当[t₁₁]时刻发出焊接信号时，在控制电路的作用下，双极型隔离栅晶体管[T₁]、[T₄]同时导通，电源通过[T₁]、[T₄]输入到焊接变压器，(3)当达到设置的斩波导通时间[t₁₂]后，[T₁]截止，存储与焊接变压器能量级次级回路释放，焊接变压器初级线圈通过T₄和并联在双极型隔离栅晶体管[T₂]两端的二极管[D₂]以及续流电阻[R₀]释放，在焊接变压器存储能量释放的同时，焊接变压器铁芯退磁，(4)当到达设计的休止时间[t₁₃]时，[T₁]再次导通，电源能量再次输入焊接变压器，(5)在[t₁₄]时刻，[T₁]长时间截止，以便焊接变压器铁芯的退磁，(6)当到达设定休止时间[t₁₅]后，[T₁]再次导通，再向焊接变压器输入若干暂波脉冲，如此循环，直至焊接结束。

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