CN2640682Y - 电容缓冲储能逆变式电弧螺柱焊机 - Google Patents

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齐铂金
王阿鬲
焦洪杰
张伟
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Abstract

本实用新型公开了一种电容缓冲储能逆变式电弧螺柱焊机，在现有电弧螺柱焊机中增加了储能电容器作为缓冲储能部件，三相交流电通过可控整流后，对电容器进行充电，存储在电容器上的能量经变换后，提供焊接所需的直流电流，在金属螺柱或类似工件的端面与另一金属表面之间产生电弧，待结合面表面熔化时，迅速施加压力完成焊接。另外，在缓冲储能电容器后采用了先进的并联式全桥逆变变换与控制电路，实现了对电弧电流和电压更为快速准确的控制。该设备能方便、可靠、有效的实现螺柱焊，各种参数匹配更加合理，同时可减小螺柱焊机工作时对电网的冲击，提高了电网容量的利用率。并且同时减小焊机的体积，提高焊机的效率。

Description

电容缓冲储能逆变式电弧螺柱焊机
技术领域
本实用新型涉及一种电焊机，特别是指一种电容缓冲储能逆变式电弧螺柱焊机。
背景技术
目前，国内外已公开的螺柱焊机从原理上划分主要有两种类型，即电容放电螺柱焊机和电弧螺柱焊机。
电容放电螺柱焊机的基本原理为：电网电压通过变压器隔离变压、可控整流后对电容器组进行充电至所需的电压，将能量储存在电容器组中，其充电电压可调节。焊接时，储存在电容器组中的能量直接通过待焊工件进行放电产热，从而实现螺柱焊接。由于电容器组的能量是直接通过待焊工件放电，因而其放电电流、放电时间和放电过程的精确控制是难以实现的。实践证明，由于上述工作原理的局限性，电容放电螺柱焊接这种方法只适合于小尺寸的螺柱焊接(如附图1所示)。
电弧螺柱焊接与传统的电弧焊接(如埋弧焊、手工电弧焊等)的原理是类似的，即在待焊工件端面产生电弧(其电弧电流和电压均可控)，使待焊工件表面熔化来实现焊接。与传统的电弧焊接相比，电弧螺柱焊接的显著特点是电弧电流大，高达数千安培，焊接时间短，一般为几百毫秒到几秒之间，瞬时功率达到一百多千瓦，并有顶锻过程；而一般的电弧焊接只有数百安培(埋弧焊除外，其焊接电流也可达上千安培)，焊接过程长达数分钟以上，无顶锻过程。目前公开的电弧螺柱焊机的原理与传统的电弧焊机相类似，大都是由电网电压经变压器隔离降压后，再经可控整流滤波直接向待焊工件供电产生电弧实现焊接(如附图2所示)。与电容放电螺柱焊机相比，这种电弧螺柱焊机可实现大尺寸的螺柱焊接，但在使用时，对供电电网的容量要求大，瞬时功率冲击高；由于工作时间短，暂载率较低，供电电网的容量利用率低，对电网的瞬时冲击很大。另外，这种焊机由于采用的是传统的电路结构，焊机的体积大，效率低。
发明内容
为了克服上述焊机的不足，针对电弧螺柱焊的特点，本实用新型提出一种新型的电容缓冲储能逆变式电弧螺柱焊机。在现有电弧螺柱焊机中增加了储能电容器作为缓冲储能部件，三相交流电通过可控整流后，对电容器进行充电，存储在电容器上的能量经变换后，提供焊接所需的直流电流，在金属螺柱或类似工件的端面与另一金属表面之间产生电弧，待结合面表面熔化时，迅速施加压力完成焊接。另外，在缓冲储能电容器后采用了先进的并联式全桥逆变变换与控制电路，实现了对电弧电流和电压更为快速准确的控制。该设备能方便、可靠、有效的实现螺柱焊，各种参数匹配更加合理，同时可减小螺柱焊机工作时对电网的冲击，提高了电网容量的利用率。并且同时减小焊机的体积，提高焊机的效率。
本实用新型是一种电容缓冲储能逆变式电弧螺柱焊机，含有程序及焊枪控制电路、电源外特性控制电路，程序及焊枪控制电路接收焊接时间的设定并对焊枪焊接时间进行控制，同时输出控制信号给电源外特性控制电路；电源外特性控制电路接收推力电流、焊接电流的设定，以及焊接反馈回的电流信号If，所述设备还包括电容缓冲储能电路和全桥逆变电路，所说电容缓冲储能电路由三相可控桥式整流模块MT、电感L、缓冲储能电容器组组成，电容缓冲储能电路的输入端接三相380V电压，电压经三相可控桥式整流模块MT整流后，通过电感L对缓冲储能电容器组进行充电，并将电能储存在电容器组上，再由电容缓冲储能电路的输出端4、5输出至全桥逆变电路的输入端6、7；所说的全桥逆变电路由并联多组逆变模块组成，逆变模块由无极性电容Ci、两块半桥IGBT Qi1～Qi4、变压器Bi、快恢复整流二极管Di1、Di2、电感Li组成，直流电经输入端6、7输出至无极性电容Ci，通过控制IGBT Qi1、Qi4与IGBT Qi2、Qi3相互交替导通，将直流电变换成方波交流电，方波交流电通过变压器Bi隔离降压后，由快恢复整流二极管Di1、Di2整流，再经电感Li滤波变换成直流电由输出端8、9输出，通过调节绝缘栅极双极晶体管IGBT Qi1～Qi4的脉冲导通宽度可实现对焊枪输出电流、电压的控制。
所述的电弧螺柱焊机，其全桥逆变电路由并联4～6组逆变模块组成，每组可变换传递的功率为30～50kW。
所述的电弧螺柱焊机，其缓冲储能电容器组先由两个电容串联后，再对每一组串联的电容进行并联连接形成电容器组，缓冲储能电容器的容量为40,000μF～100,000μF，耐压值大于600V。
所述的电弧螺柱焊机，其三相可控桥式整流模块的晶闸管参数为(50A～200A)/(1200V～1600V)，电感L的取值范围为2mH～10mH。
所述的电弧螺柱焊机，其逆变模块的无极性电容器Ci采用20u/800V的CBB电容；绝缘栅极双极晶体管Qi1～Qi4是两块半桥IGBT模块组成，参数为200A/1200V，型号BSM200GB120DN2；变压器Bi采用微晶合金环形铁芯，变比为5～7，快恢复整流二极管Di1、Di2通流能力＞800A，耐压值400V～600V。
本实用新型具有以下优点：(1)对电网的容量要求大大降低，并避免了工作中对电网的瞬时冲击，优化了用电环境，降低了用电成本；(2)对电弧螺柱焊电弧的过程控制更加快速和精确，提高了电弧螺柱焊的质量；(3)所有电器模块镶嵌在箱体底座及固定支架上，使整个装置结构合理；(4)体积小、重量轻、效率高；(5)由于采用常规的结构零件及电器元器件，所以，制造工艺简单、成本低廉。
附图说明
图1是现有电容放电螺柱焊机的简要原理框图。
图2是常规电弧螺柱焊机的简要原理框图。
图3是本实用新型的焊机主面板示意图。
图4是本实用新型的电路原理框图。
图5是本实用新型的电容缓冲储能电路原理图。
图6是本实用新型的全桥逆变电路接线框图。
图7是图6中单组全桥逆变电路的电路原理图。
图中：301.箱体  302.推力电流调节钮  303.焊接电流调节钮  304.焊接时间调节钮  305.电压表  306.电流表  307.电淅及故障显示  308.电源开关  309.工作模式选择开关  310.焊接控制电缆
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
本实用新型是一种电容缓冲储能逆变式电弧螺柱焊机，焊机内部电路部分包括电容缓冲储能电路，以及可控整流电路的驱动电路和对电容进行充电的充电控制电路、全桥逆变电路，以及全桥逆变电路的驱动电路、程序及焊枪控制电路和电源外特性控制电路，程序及焊枪控制电路接收由焊接时间调节钮304设定的焊接时间来实现对焊枪焊接时间进行控制，同时输出控制信号给电源外特性控制电路。电源外特性控制电路接收由推力电流调节钮302和焊接电流调节钮303设定的推力电流、焊接电流，以及焊接反馈回的电流信号If，输出给全桥逆变电路的驱动电路，由驱动电路对全桥逆变电路实现逆变控制。电容缓冲储能电路由三相可控桥式整流模块、电感、缓冲储能电容器组组成，电容缓冲储能电路的输入端接三相380V电压，电压经三相可控桥式整流模块MT整流后，通过电感L对缓冲储能电容器组进行充电，并将电能储存在电容器组上，再由其输出端4、5输出直流电至全桥逆变电路的输入端6、7。所说的全桥逆变电路由并联4组逆变模块组成(可以根据焊机输出的总功率选取逆变模块的数量)，直流电经输入端6、7输入至无极性电容Ci，通过控制绝缘栅极双极晶体管Qi1、Qi4与绝缘栅极双极晶体管Qi2、Qi3相互交替导通，将直流电变换成方波交流电，方波交流电通过变压器Bi隔离降压后，由快恢复整流二极管Di1、Di2整流，再经电感Li滤波变换成直流电由输出端8、9输出，通过调节绝缘栅极双极晶体管Qi1～Qi4的脉冲导通宽度可实现对输出电流、电压的控制。请参见图4、5、6、7所示。
在本实用新型中，给出了焊机主面板的示意图，在主面板上设有推力电流调节钮302、焊接电流调节钮303、焊接时间调节钮304、电压表305、电流表306、电源及故障显示307、电源开关308、工作模式选择开关309，焊接控制电缆310。该面板上各部分的位置关系可自行设定，不用于限制本实用新型所作出的创造性贡献，只为了便于说明本实用新型的电弧螺柱焊机的内部控制电路。请参见图3所示。
图4为本实用新型焊机内部电路的基本工作原理图，电源开关接通后，三相380V电压被输入电容缓冲储能电路中，经其输出端4、5输出给并联式全桥逆变电路，变换成电弧螺柱焊接所需的直流电传给焊枪与工件产生电弧从而实现螺柱焊接。焊接电流的控制是由电源外特性控制电路接收反馈回的焊接电流信号If，以及焊接电流设定、推力电流设定形成闭环控制，再通过驱动电路对并联全桥逆变电路中的绝缘栅极双极晶体管IGBT控制而实现的。对电容器组充电电流Ic的控制是由充电电流控制电路通过驱动电路控制电容缓冲储能电路中的晶闸管来实现的。由程序及焊枪控制电路实现对焊机的焊接时间、焊枪及相关程序的控制。
图5为本实用新型的电容缓冲储能器电路原理图，电容器组先由两个电容串联后，再对每一组串联的电容进行并联连接形成电容器组，三相电经三相可控桥式整流模块MT整流后，通过电感L对缓冲储能电容器进行充电，将电能储存在电容器上，再由端子4、5输出至并联全桥逆变电路的端子6、7，充电电流的调节可通过控制三相桥式可控整流模块中的晶闸管来实现。三相桥式可控整流晶闸管的参数为(50A～200A)/(1200V～1600V)，电感L的选择范围为2mH～10mH，缓冲储能电容器的容量为40,000μF～100,000μF，耐压值应大于600V以上。
在图6中，储存在电容器组中的直流电由输出端4、5进入全桥逆变电路的输入端6、7，经逆变处理后由输出端10、11输出至焊枪及工件。并联的全桥逆变电路的模块数可由4～6组组成，在本实用新型中采用了4组，每组的电路结构相同，可变换传递的最大功率达30～50kW。
在图7中，直流电由输入端6、7进入由绝缘栅极双极晶体管(IGBT Qi1～Qi4)组成的全桥逆变电路，通过绝缘栅极双极晶体管Qi1、Qi4与绝缘栅极双极晶体管Qi2、Qi3相互交替导通，将直流电变换成方波交流电；方波交流电通过变压器Bi隔离降压后，由快恢复整流二极管Di1、Di2整流，再经电感Li滤波变换成直流电由输出端8、9输出，通过调节绝缘栅极双极晶体管Qi1～Qi4的脉冲导通宽度可实现对输出电流、电压的控制。电路中的具体参数如下所示：Ci采用20u/800V的CBB电容；绝缘栅极双极晶体管Qi1～Qi4是两块半桥IGBT模块组成，参数为200A/1200V，型号BSM200GB120DN2；变压器Bi采用了微晶合金环形铁芯，变比为5～7；Di1、Di2为快恢复整流二极管，通流能力＞800A，耐压值400V～600V。
实施例
该例子仅用来证明本实用新型可实现，不用于限制本实用新型要求保护的范围。根据缓冲储能电容器容量的设定电容器个数，根据焊机输出功率来设定全桥逆变电路模块的块数。现设定缓冲储能电容器容量为50,000μF时，三相可控桥式整流晶闸管为150A/1200V的标准模块，电感L为3mH，耐压值大于600V以上，此时应由20只10,000μF/400V的电容，先将每两个电容C1、C2，C3、C4，C5、C6，C7、C8，C9、C10，C11、C12，C13、C14，C15、C16，C17、C18，C19、C20串联后，再并联成10组，形成储能电容器组，对储能电容器组充电电流Ic的控制是由充电电流控制电路通过驱动电路控制电容缓冲储能电路中的晶闸管来实现的，经输出端4、5输出至全桥逆变电路的输入端6、7。根据输出功率160KW选取4块逆变模块并联，无极性电容Ci采用20u/800V的CBB电容；绝缘栅极双极晶体管Qi1～Qi4是两块半桥IGBT模块组成，参数为200A/1200V，型号BSM200GB120DN2；变压器Bi采用了微晶合金环形铁芯，变比为5.5；快恢复整流二极管Di1、Di2通流能力＞800A，耐压值400V～600V。

Claims (5)

1、一种电容缓冲储能逆变式电弧螺柱焊机，含有程序及焊枪控制电路、电源外特性控制电路，程序及焊枪控制电路接收焊接时间的设定并对焊枪焊接时间进行控制，同时输出控制信号给电源外特性控制电路；电源外特性控制电路接收推力电流、焊接电流的设定，以及焊接反馈回的电流信号If，其特征在于：所述设备还包括电容缓冲储能电路和全桥逆变电路，所说电容缓冲储能电路由三相可控桥式整流模块MT、电感L、缓冲储能电容器组组成，电容缓冲储能电路的输入端接三相380V电压，电压经三相可控桥式整流模块MT整流后，通过电感L对缓冲储能电容器组进行充电，并将电能储存在电容器组上，再由电容缓冲储能电路的输出端4、5输出至全桥逆变电路的输入端6、7；所说的全桥逆变电路由并联多组逆变模块组成，逆变模块由无极性电容Ci、两块半桥IGBT Qi1～Qi4、变压器Bi、快恢复整流二极管Di1、Di2、电感Li组成，直流电经输入端6、7输出至无极性电容Ci，通过控制IGBT Qi1、Qi4与IGBT Qi2、Qi3相互交替导通，将直流电变换成方波交流电，方波交流电通过变压器Bi隔离降压后，由快恢复整流二极管Di1、Di2整流，再经电感Li滤波变换成直流电由输出端8、9输出，通过调节绝缘栅极双极晶体管IGBT Qi1～Qi4的脉冲导通宽度可实现对焊枪输出电流、电压的控制。
2、根据权利要求1所述的电弧螺柱焊机，其特征在于：全桥逆变电路由并联4～6组逆变模块组成，每组可变换传递的功率为30～50kW。
3、根据权利要求1所述的电弧螺柱焊机，其特征在于：缓冲储能电容器组先由两个电容串联后，再对每一组串联的电容进行并联连接形成电容器组，缓冲储能电容器的容量为40,000μF～100,000μF，耐压值大于600V。
4、根据权利要求1所述的电弧螺柱焊机，其特征在于：三相可控桥式整流模块的晶闸管参数为(50A～200A)/(1200V～1600V)，电感L的取值范围为2mH～10mH。
5、根据权利要求1所述的电弧螺柱焊机，其特征在于：逆变模块的无极性电容器Ci采用20u/800V的CBB电容；绝缘栅极双极晶体管Qi1～Qi4是两块半桥IGBT模块组成，参数为200A/1200V，型号BSM200GB120DN2；变压器Bi采用微晶合金环形铁芯，变比为5～7，快恢复整流二极管Di1、Di2通流能力＞800A，耐压值400V～600V。
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