無硅鋼片鐵芯直流電焊機制造技術(shù)

無硅鋼片鐵芯直流電焊機是一種電子化的電焊機，適于電弧焊接用，屬電力電子技術(shù)領(lǐng)域。其原理是先把交流市電整流為直流，然后由絕緣柵晶體管逆變?yōu)楦哳l交流，再經(jīng)高頻變壓器降壓整流后成為焊接用的直流電。其特點是取消傳統(tǒng)電焊變壓器的硅鋼片鐵芯，使本型電焊機具有重量輕、無噪音、無振動、高效節(jié)能等優(yōu)點，特別是省鐵省銅達８０％以上，經(jīng)濟意義大。本發(fā)明專利技術(shù)完滿地解決了逆變管嚴重的過流過壓問題，使開關(guān)電源式電焊機達到了實用化。（*該技術(shù)在2011年保護過期，可自由使用*）

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
現(xiàn)在常用的弧焊電焊機分交流和直流兩種類型。交流電焊機結(jié)構(gòu)簡單、牢固可靠，它實際上是一臺允許輸出端可瞬時短路運行、輸出電流可調(diào)的變壓器、直流電焊機結(jié)構(gòu)比較復雜，價格昂貴，但直流焊接質(zhì)量較好。直流電焊機現(xiàn)有兩種形式一種為直流發(fā)電機式，一種為變壓器降壓整流式，常用為直流發(fā)電機式，現(xiàn)有電焊機都存在以下一些缺點一是重量大，一般每臺重量都在100公斤以上，最重的達數(shù)百公斤以上，除工作中移動十分不方便外，還需耗費大量硅鋼片及銅線;二是功率因數(shù)低，無功功率損耗大;三是鐵損銅損較大，效率不高。本專利技術(shù)的目的，是采用現(xiàn)有電子技術(shù)，研制一種主體部分不含硅鋼片的新型電焊機，從而使這種電焊機達到重量輕、省鐵省銅、高效、節(jié)電的效果。由于絕緣柵雙極高壓高速大功率半導體器件(簡稱IGBT)的出現(xiàn)，這種把電焊機徹底電子化的夢想已經(jīng)由本專利技術(shù)的成功而成為現(xiàn)實。本專利技術(shù)采用開關(guān)逆變原理，把三相工頻交流電壓整流逆變?yōu)轭l率15-20KHz左右的高頻電壓，再由高頻變壓器降低電壓以取得大電流，然后進行高頻整流，取得可供焊接用的直流電流。本專利技術(shù)采用了完善的過流過壓自動保護技術(shù)，使逆變電源電焊機達到了實用化程度，這種電焊機具有體積小、重量輕、無噪音、無振動、節(jié)能、效率高的優(yōu)點，比傳統(tǒng)電焊機省鐵省銅達80%-90%以上，具有潛在的巨大社會經(jīng)濟意義。二、工作原理本專利技術(shù)的工作原理方框圖見附附圖說明圖1，380伏的三相交流電源由各相整流器分別整流成為脈動直流電壓，此直流電壓經(jīng)IGBT大功率晶體管逆變而成為頻率達15-20千赫芝左右的高頻矩形波，此高頻電壓經(jīng)高頻變壓器降壓，變成數(shù)十伏的高頻低壓后，由快速整流二極管整流、濾波而成為可供焊接用的直流電壓。由于采用高頻逆變，變壓器的體積、重量與同容量工頻變壓器相比可以小得多。高頻變壓器的導磁材料采用鐵氧體，鐵氧體是一種與陶瓷燒制工藝類似方法制造的導磁材料，其部分物理性質(zhì)類似陶瓷，俗稱磁芯。傳統(tǒng)電焊機采用硅鋼片作導磁材料，俗稱鐵芯。因此，這種由高頻變壓器組成的電焊機是一種無硅鋼片鐵芯的電焊機。本專利技術(shù)的工作原理雖然簡單，但實現(xiàn)起來卻不容易，這是因為電焊機是一種工作經(jīng)常處于短路-負載-空載-短路循環(huán)狀態(tài)的電器工具，當焊條接觸工件時，相當于短路，由于是直流，焊接回路無交流阻抗，直流電阻很小，因此短路電流很大，反映到高頻變壓器高壓側(cè)的電流也大，當焊條由短路狀態(tài)轉(zhuǎn)為起弧(負載)狀態(tài)，或者電弧突然拉斷，由于電流突變，會產(chǎn)生強烈的暫態(tài)過程，在高頻變壓器初級產(chǎn)生比電源電壓高得多的暫態(tài)電壓，而擔負逆變?nèi)蝿?wù)的晶體管(IGBT)是一種對電流、電壓非常敏感的器件，極易因過流過壓而損壞。因此，本專利技術(shù)的主要任務(wù)之一是妥善解決逆變晶體管的過電流過電壓保護問題。本專利技術(shù)的具體原理線路圖見圖2，圖2中只示出了A相原理圖，B、C相原理圖與A相完全相同，整機由三相組合而成，各相的整流輸出+、-端并聯(lián)在一起，以增大輸出電流，并減小紋波。在未濾波情況下，整機輸出電壓由高頻矩形波組成，但為工頻橋式整流脈動電壓所調(diào)制，其波形(見圖4(d))與普通三相橋式整流波形相同。本機各相線路由單相工頻整流電路、高頻逆變電路、高頻整流電路、脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路、過流過壓保護電路、抗干擾電路等組成。1、單相工頻整流電路(見圖2)主要由二極管D101-104組成一個橋式整流電路。220V交流電壓經(jīng)高頻扼流圈EQ1、雙向可控硅SCR、起焊限流電阻R101進入整流器、C102為抗干擾電容，空載時，C102兩端電壓等于交流電壓峰值;負載時，C102濾波作用不大，主要起抗干擾作用，整流輸出電壓為脈動直流電壓，其平均電壓值小于或等于輸入交流電壓有效值的0.9倍。R102為放電電阻，其作用是停電時將C102所充電荷迅速放電，以防檢修人員誤碰觸電。2、高頻逆變、變壓整流電路由絕緣柵雙極高壓高速晶體管(IGBT)BG1-2、高頻變壓器B、快速整流二極管D107、D108組成。IGBT是近年來出現(xiàn)的新型高壓高速大功率晶體管，它具有VMOS管電壓激勵和達林頓管低飽和壓降的優(yōu)點，還具有高速、高可靠、低形狀損耗、低脈沖拖尾電流、對溫度不敏感等優(yōu)點，是當前十分理想的大功率電力電子器件。BG1-2與高頻變壓器B的初級線圈組成推挽式逆變電路，這種逆變電路與采用4個管子的橋式逆變電路相比，具有線路簡單、用管子少、激勵方便、造價較低的優(yōu)點，但亦具有管子承受電壓高的缺點。推挽逆變電路的工作原理(見圖2)在BG1-2兩個管子的柵極上加上互為反相的矩形觸發(fā)脈沖，使BG1-2輪流導通與截止，在脈沖正半周時，上面的管子(BG1)導通，下面的管子(BG2)截止，此時直流電源向高頻變壓器B的初級上半個線圈供電，于是在B的次級產(chǎn)生一個正方波電壓;在脈沖負半周時，上面的管子(BG1)由導通變截止，下面的管子(BG2)由截止變導通，直流電源向B的初級下半個線圈供電，于是在B的次級產(chǎn)生一個負方波電壓。這樣，在連續(xù)觸發(fā)脈沖的作用下，在B的次級便能得到交流矩形波電壓，觸發(fā)脈沖頻率這里可選擇為15-20KHz，比工頻50Hz高得多，因此可稱為高頻，此高頻交流電壓經(jīng)快速整流管D107-108組成的全波整流電路整流后，再經(jīng)三相電路公用的電容C105及低頻扼流圈EQ2濾波后，就可用來焊接了。電容C105用于對高頻方波濾波，扼流圈EQ2濾除的是工頻的6次(300Hz)以上的諧波，因此仍采用硅鋼片鐵芯，但由于濾去的頻率較高，EQ2的體積可以做得比較小。高頻變壓器次級兩端電壓波形見圖4(a)-(b)，其中圖4(a)是在示波器上用20KHz同步電壓觀測到的波形，由圖可見這是交流方波。圖4(b)是用50Hz同步電壓觀測到的波形，由圖4(b)可見，這是高頻方波被工頻橋式整流脈動電源調(diào)制的波形，在20KHz時，每個工頻周期包含有400個高頻方波。高頻變壓器次級電壓全波整流后的波形見圖4(c)-(d)，此兩圖都是在示波器上用50Hz同步電壓觀測到的，其中圖4(c)是單相整流波形;圖4(d)是A、B、C三相整流電壓迭加后的波形圖，可見與普通三相橋式整流波形相同，其中除直流分量外，還包括工頻6次為主的諧波。這些波形中包含的高頻矩形波，由電容C105濾波;6次諧波則由低頻扼圈EQ2進行濾波。推挽變壓器的兩個初級線圈匝數(shù)相等，同名端順向串聯(lián)，因此當一個線圈通電時，會在另一個線圈上產(chǎn)生一個相位相同的電壓，此電壓與電源電壓相加，等于兩倍電源電壓正向加于截止的逆變管集電極、發(fā)射極上。在220V電源情況下，逆變管正向電壓峰值為622V，加上尖峰電壓，一般達800V左右，因此管子耐壓至少應(yīng)在千伏以上。3、脈沖寬度調(diào)制電路該電路的作用一是產(chǎn)生兩路互為反相的脈沖，用以觸發(fā)逆變晶體管;二是通過調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的寬度，達到調(diào)節(jié)焊接電流的目的。所謂脈沖寬度調(diào)制(PWM)，就是控制逆變晶體管導通截止時間比(占空比)，導通脈沖寬時，從直流電源吸收功率大，導通脈沖窄時，吸收功率小，因此通過調(diào)節(jié)逆變管激勵脈沖的寬度，即可調(diào)節(jié)高頻變壓器B的輸出功率，功率變了，焊接電流也就變了，這是本機電流調(diào)整的原理。脈沖寬度調(diào)制器采用現(xiàn)成的集成電路，其型號為TL494，國內(nèi)同類產(chǎn)品型號為CW494，該集成電路是理想的形狀電源控制集成電路，已獲得廣泛應(yīng)用，其內(nèi)部原理圖見圖3(a)。TL494工作原理該電路的主本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種由絕緣柵雙極大功率晶體管構(gòu)成的開關(guān)電源式無硅鋼片鐵芯直流電焊機，其特征在于包括過電流保護電路和抗干擾電路。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳甲標，
申請(專利權(quán))人：陳甲標，
類型：發(fā)明
國別省市：45[中國|廣西]