（电气工程专业论文）串联谐振逆变电阻点焊机的研究及实现.pdf

a b s t r a c t s p o tw e l d i n gm a c h i n e s a r e w i d e l y u s e di na u t o m o b i l e m a n u f a c t u r i n ga n do t h e rv a r i o u sm e t a lp l a t e sw e l d w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fc h i n e s ea u t o m o b il e i n d u s t r y a n dt h e r e q u i r e m e n tt ot h eh i g hq u a l i t yo fa u t o m o b i l e ，t h eg o o dq u a l i t y ， e x c e l l e n t p r e c i s i o n a n d l a r g ep o w e r i n v e r t e r s p o tw e l d i n g m a c h i n e sa r eg r e a t l yn e e d e d h o w e v e rt h e r ei sn ot h i se q u i p m e n t i no u rc o u n t r yw h i l ei th a v eb e e nu s e di nt h ew e s t e r nd e v e l o p e d c o u n t r i e sa tt h ew e l d i n gr o b o t s i n c e1 9 8 0 n o ww eh a v e r e s e a r c h e da n dp r o d u c e do u ro w ni n v e r t e rs p o tw e l d i n gm a c h i n e s u c c e s s f u l l y ，i nw h i c hw ec h o o s et h y r i s t o r st om a k et h ew e l d i n g m a c h i n el o wp r i c ea n dg o o dr e l i a b i l i t y t h i si n v e r t e rs p o tw e l d i n gm a c h i n ea p p l i e sw i t he l e c t r i c a l p o w e ri n v e r t e rt e c h n o l o g y a n da u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y f i r s t l y ，t h r e e p h a s ea l t e r n a t i n g c u r r e n ti sc h a n g e di n t os t e a d y d i r e c tc u r r e n tt h r o u g hc o m m u t a t i n ga n df i l t i n g a n dt h e ni ti s f a t h e r l yc o n v e r s e di n t oi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y c u r r e n tb y1 a r g e p o w e re l e c t r o n i c s w i t c he l e m e n t sc o n t r o l l e db ys i n g l ec h i p c o m p u t e r ，l a s t l y i ti so u t p u tt h r o u g hr e d u c ev o l t a g e t r a n s f o r m e rt ow e l d t h ed e t a i lo ft h i st h e s i sh a ss i xc h a p t e r sa sf o l l o w i n g i n c h a p t e ro n e ，t h e d e f i n i t i o n ，k i n d s a n d d e v e l o p i n g s i t u a t i o no fs p o tw e l d i n gm a c h i n ea r es u r v e y e d a c c o r d i n gt o t h i st h er e s e a r c hc o n t e n t sa n ds i g n i f i c a n c ea r ep r e s e n t e d i n c h a p t e rt w o ，t h e t h e o r i e sr e l a t e dt oi n v e r t e rs p o t w e l d i n gm a c h i n ea r ep r e s e n t e d ，w h i c h i n c l u d er e s i s t a n c es p o t w e l d i n gt h e o r y ，i n v e r t e r t e c h n o l o g yt h e o r y a n ds i n g l ec h i p a u t o m a ticc o n t r o lt h e o r y i nc h a p t e rt h r e e ，t h er e a s o n so fc a u s i n gi n v e r t e rf a i i u r e a r ed e s c r i p t e dt h r o u g h a n a l y z i n gt h em a i ne l e c t r oc i r c u i to f s e r l e sr e s o n a n c ei n v e r t e r s p o tw e l d i n gm a c h i n e a n dan e wu s a b l e m a i ne l e c t r oc i r c u i tw h i c h t h e p r o b l e m sc a nb er e s o l v e di s d e s i g n e d i nc h a p t e rf o u r ，t h ei d e a sa n dr e a l i z i n gm e t h o d so fi n v e r t e r s p o tw e l d i n gm a c h i n ec o n t r o la r ei n t r o d u c e di n c l u d i n gh a r d w a r e d e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g n ，t h e i rf l o wc h a r t s ，r e l i a b l ed e s i g nt o p r e v e n ti n v e r tf a il u r e i nc h a p t e rf i v e ，t h es y s t e m c h a r t ，c h a r a c t e r sa n df u n c ti o n s o fw h o l ei n v e r ts p o tw e l d i n gm a c h i n ea r es u r v e y e d t h et e s t i n g e x a m p l e sa r eg iv e n t h er e s e a r c hc o n c l u s i o no ft h i st h e s i si sg i v e na tc h a p t e r s i x t h i sr e s e a r c hi t e mi st h em u l t i - s u b j e c ta c r o s s i n c l u d i n g e l e c t r oa n de l e c t r i c p o w e rt e c h n o l o g y ，r e s i s t a n c e w e l d i n g t e c h n o l o g y a n d s i n g l e c h i pt e c h n o l o g y t h i si n v e r t e r t y p e r e s is t a n c e s p o tw e l d i n g m a c h i n eh a s a l r e a d yp a s s e d t h e i d e n t i f i c a t i o n b yt i a n j i ns c i e n c e a n d t e c h n o l o g yc o m m i t t e e p r o g r e s sa n dw ea l s oh a dg o t t e nt h et h i r dp r i z e i th a da l s o g o t t e nt h ep a t e n ta tt h ei t e mo fr e s o l v ei n v e r tf a i l u r e t h i s m a c h i n eh a sa l r e a d yb e e nw i d e l yu s e di np r a c t i c ep r o d u c t i o n k e yw o r d s ：i n v e r t e r ，s p o tw e l d i n g m a c h i n e ，i n v e r t e rf a i l u r e ， s i n g l e c h i p 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 溪究或暴，除了文中特裂鸯鬟殴标洼帮致谢之处外，论文中不氇含茭缱入澄经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼太鲎或麒他教育机构的学位或诫 书嚣搜麓过豹枣毒糕。与我一嚣工作静嚣恚对率磷衮翡徽戆任 霉贡辩均已燕论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学键论文作学签名： 耄麓乏 箍字日期：蠢一z 年? 乞月孙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鎏叁茎可疆将学佼论文静全部鲮部分内容编入存荚数据簿进行梭 索，并聚用影印、缩印绒扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 两匿家旃关部门或梳构送交论文褥复鸯l 释帮磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者捺名：请，岭之 导师签名： 签字日期：文”2 年， 月蘸u e t 锻字日期汉。妙年月哆网 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电阻点焊概述及其在工业生产中的地位 焊接是指通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子( 分子) 间的结合力而成为一体的连接方法。目前工业生产中广泛应用的焊接方法和工艺 几乎都采用了2 0 世纪中后期的现代科学技术，特别是电子技术的迅速发展给其 更注入了新的活力。这些焊接方法与金属切割加工、压力加工、铸造、热处理等 其它金属加工方法一起构成的金属加工技术是现代一切机器制造工业，其中包括 汽车、船舶、飞机、航天、原子能、石油化工、电子等部门的基本生产工艺。可 以毫不夸张地说，没有现代焊接方法的发展，就不会有现代工业和科学技术的今 天。一个国家的焊接技术发展的水平往往也是一个国家工业和科学技术现代化发 展的一个标志。 焊接的基本分类是：熔化焊、压力焊、钎焊。使被连接的构件表面局部加热 熔化为液体，然后冷却结晶成一体的方法称为熔化焊；利用摩擦、扩散和加压等 物理作用克服两个连接表面的不平度，除去( 挤走) 氧化膜及其他的污染物，使 两个连接表面上的原子相互接近到品格距离，从而在固态条件下实现连接，这种 连接方法都必须加压，因此通常这类加压的焊接方法称为压力焊；利用某种熔点 低于被连接构件材料熔点的熔化金属( 钎料) 做连接的媒介物，再利用连接界面 上的流散浸润作用，然后冷却结晶形成结合面的方法称为钎焊。 电阻点焊是在电极的压力下，通过电流加热使电极间的金属部分熔化形成熔 核。电阻点焊是在压力下进行的，所以习惯上把它归为压力焊。 电阻点焊具有生产效率高、操作简易、易于实现自动化等优点，在汽车、摩 托车、工程机械、航天等领域均得至- i t 广泛的应用。近年来，由于新材料、新技 术的发展，对点焊过程有了进一步认识，同时也对点焊的质量、控制提出了新的 要求。本课题正是适应了这种需求，对现有的电阻点焊中存在的一些问题加以解 决，并在理论的基础上进行了成功的实践，使本研究具有t , l i 强的实际意义。 1 2 目前电阻点焊的各种供电方式及存在的问题 1 ) 单相工频交流点焊 + 其主电路由可控硅和焊接变压器组成。通过控制焊接变压器原边可控硅的触 发角来调整变压器副边的输出电压，从而改变焊接回路的电流。 第一章绪论 单相工频交流点焊机通用性强、成本低廉、控制简单，易于调整，同时容易 实现波型转换和多脉冲规范控制，因而获得了晟为广泛的应用。但是，因为是单 相，容量大而又负载持续率低，工作时会引起供电电网的周期性变化，影响其它 用电设备的工作；单相工频点焊机的功率因数低( 约为0 4 ) 能耗大；由于焊接 回路的电流是工频交流，而且电流值很高( 一般为上万安培) ，其电磁辐射十分 强烈，这对劳动保护及其它敏感设备不利。 2 ) 电容储能点焊 三相( 或单相) 电源经过中间变压器升压，再经过可控硅整流器输出直流电 压对电容器组( 储能器) 充电，当充电电压达到设定数值时，控制设备的充电电 压控制环节动作，使可控硅整流器截止。此时，若控制设备的程序控制环节输出 焊接信号则开关接通。储存在电容器组中的电场能作为电源，通过开关、极性换 向器和级数换向器等迅速向焊接变压器初级绕组放电，并在次级侧的焊接回路中 流过感应出的电容储能焊接电流。极性换向器为一换向开关，使每次通往焊接变 压器的放电电流改换方向，以防止变压器被单向磁化。 电容储能焊从电网取电，瞬时功率低，各相负载均衡，功率因数高。同时， 可精确地向焊接区提供集中能量，进行精密焊接。主要缺点是焊接规范硬( 电流 大、时间短) ；焊接时间不能随便改变，电流不能动态控制；电容器体积庞大， 电压高、不安全。 3 ) 直流冲击波点焊 三相电源经过六只开关器件组成的三相桥式半控开关及整流器将交流电整 流成脉动直流，经过极性换向器、级数换向器而通入具有低磁通密度铁心的阻焊 变压器，借助磁通增长的变化，在次级线圈中感应出用以焊接的缓升、缓降电流 脉冲一直流冲击波点焊。开关及整流器的工作受控制设备发出的三相触发脉冲信 号( 间隔1 2 0 度) 控制，并通过模拟电路( 也是三相桥式半控整流电路) 和积分 器的自动调整，使其输出稳定。 直流冲击波点焊具有输出电流波形好、三相负载均衡、功率因数高( 达0 8 ) 等优点。主要缺点是焊接变压器尺寸大，整流通电时间受限制( 不超过0 5 s ) ， 不可能快速改变电流脉冲波形，因此不利于焊接过程的自动调整。 4 ) 三相低频点焊 采用这种焊接方式的主回路只由六只开关器件和一个变压器组成。此变压器 第一章绪论 是经过特殊设计的：三个初级绕组和一个次级线圈( 穿插在初级绕组之间) 卷绕 在同一铁心上，每个初级绕组经反并联晶闸管接于三个输入相的一相上，并且 三个初级绕组相互连成三角形。 三相低频阻焊具有输出电流波形工艺好、三相负载均衡、功率因数高和可节 能2 3 3 4 等优点。主要缺点是阻焊变压器笨重，焊接生产率低。 5 ) 次级整流点焊 次级整流方式分为两种：单相整流和三相整流。单相整流是在单相工频交流 点焊的焊接回路中加入二极管进行整流。三相整流与单相整流类似，只是变压器 和整流开关器件的数量不同。 次级整流点焊可在宽广范围内调节电流和通电时间，并可获得多脉冲规范； 功率因数高( 达0 9 ) ，需用功率仅为交流方式的1 3 ：阻焊变压器尺寸小、控 制设各简单、整机重量轻、臂伸长；焊接电流随焊接区电阻的变化可作自动补偿： 不易发生电极与焊件的粘损现象，因而提高了电极的使用寿命；直流电的集束效 应对多层板点焊特别有利。主要缺点是大电流的整流器件( 电流能力要达上万安 培) 体积大，且较昂贵；阻焊变压器的次级有中问抽头，这给阻焊变压器的制造 带来一定的困难。 6 ) 逆变点焊 它的工作过程是：三相交流电经过整流滤波得到直流电，再在开关器件及一 些相关器件的作用下，把直流变成交流，并通过阻焊变压器，输出低电压；大电 流、中频交流电，最后经过大型二极管整流输出。 与其他的供电方式相比，逆变电阻点焊具有变压器体积小、重量轻、动态响 应速度快、控制精度高、焊接电流脉动小、电网三相平衡、功率因数高等优点。 目前，逆变主回路采用的开关器件主要是：晶闸管、场效应管和i g b t 三种。 其中i g b t 兼有大功率晶体管和场效应管的优点：输出电流大、开关时间短、控 制功率低，所以近些年i g b t 广泛应用在逆变电源和逆变弧焊机上。 逆变主回路主要是以i g b t 为开关器件的全桥式逆变器。此种逆变形式属于 硬开关型逆变电源，其功率器件工作在被强迫关断( 电流不为零) 或强追导通( 电 压不为零) 的环境下，由于电路存在寄生电容和寄生电感，导通和关断时又是工 作电流、电压值不为零，甚至是较大状态，所以开关损耗大，其损耗随开关频率 的增大而增大，这一损耗不仅降低了电源的效率而且增大了器件的损坏率。因为 主电路是通过开关器件直接对阻焊变压器的原边加电，所以应消除流过阻焊变压 第一章绪论 嚣酶整淡分鲎，疆消豫冀鼙囊镰激。嚣菠，i g b t 褒藩蠹蚕熊生产，器佟瓣详缓 资料不鼹太充分。由于上面问题的存在致使控制部分的复杂程度大为增加，从而 使设镊的成本大为增加，可靠性大为降低。同时，i g s t 的骞嫩还不是足够大( 即 霞青，输钱也禳责，辍率褥产晶) ，痰萁爨戒黥点爆极赣爨魄流遵不可戆足够大。 其它主翻鼹只是在搿张j 杂志中蠢掰提及，疆始终不见其产菇姆酋。 l ，3 零谍题的研究方岛及目的 由于上面的分卡斤，目前的电阻点焊供电方式中，无论在焊接效果还是襁电源 裂瑗上，遂交方式簸鸯蜀教，毽还存在鳃主灏述骢阀题；开关臻懿大、暴密魏壹 滚分i 霾= 、蜜鲎小。誊漾蓬瓷鼷浃这黪藤瑟，撬凌裁震容璧太、徐赣低豢、颡凌窖 荔生产静夫功率露控疆终必开关元捧，缝裁较开关登率袋潼擞遂交主器鼹。悫予 主电路嫩软开关串联瀚振型，所以解决了_ 阡必损糕和直流分缴问磁；由于开关器 传是大鞠攀可控穗，睽竣锵决了容麓逮嚣。 本漾熬的研究鞠的主簧楚为了解决工她生产中豹实繇阍越，磷涮出实际靛产 瑟。本人蕊该镖题审憝受蠢人之，劳握援较耱设计，麸秀察确定到关键阚鼹翡 解决都怒刹了重要的作用。 第= 章逆变电阻点焊及其控制的理论基础 第二章逆变电斑点焊及其控制的理论墓础 研究逆炎点焊，就需了解魄阻点焊的相应理论，其中包括：电阻点焊时的物 理零厦、热热过程、魏热方式簿：勰辩还应渣楚主魄鼹投其接摹8 部分酌工俘缀理。 本露对遮魏建谂、滠理臻淡溺述。 2 1 电陬点焊理论 电辫痛弹豹理谂墓餮b 蔻按期避程嚣菝霆。霹究辫接孛产生懿弱题，疆据褪殍 理谂，稳躐参数在工幸# 进程中瓣瑾惩售，最嚣交靛鬻实现。所爨镶鸯必簧辩电熙 点辉的嫠础理论加以阐述。 2 1 1 墩阻点焊的物理本麟 电辍点弹爨在簿释缝台蘑避进程蔽蕤麓压力，诞麓惫藤港避接头黪接簸蘸爱 舔邋区产生鼢毫阻熬进行浑按的。毫整患滓道释抟物理本壤，曼利瘸簿接区金属 本赛憝媳黻热积大爨塑性交黟越量，使鼹个分磷袋薅鲍金属愿予之阍接近到鼹辏 距离，影威金属键，在续食耀土产生足够能量的嫩圊晶牲蔚摄到焊点n 因此，邋 当黝热一枫槭( 力) 乍赐是虢褥电爨点焊优质接熬的基本条馋。 2 。l 。2 魁随点辉的热热特点 电黻点弹韵燕源是工彳串通过电流扮电阻热。国电互学可知，龟流通过等体薅， 导体将桁热，冀温度会升裔，这是因为褥谇电黻激收窀缆转纯为热能躺绦馥，这 静魂象稼麓亳滚鹃燕效瘟。嗣样点浑露娄浮按穰流速过两龟板蠲豹袅满嚣( 称为 器接区) 澎，出于滓竣嚣暴露奄辍( 整2 - i ) ，夯会辑热，筹奁浑掺内郡形袋燕 源( 称为内部燕源) 。 根据熊珲定律，辉按毯鹣蕊褥煞羹： 沓1 2 l ( t ( 2 一1 ) 式中：l 一滓羧亳流蠡冬帮效馐； 餮一滓嫠区慧毫戮懿平穗藿； t 透避浑搂电流熬l 靖阕。 国予褒邀阻焊接过程中，姆接电滚毅焊接隧电阻并非保持不变，臌此焊接热 第二章逆变电阻点焊及其控制的理论基础 源总柝热量q 的确切表达式为： q 正i 2 r d t( 2 2 ) 式中：i 一焊接电流的瞬时值，是时间的函数： r 一焊接区总电阻鲍动态电阻德，是时阙数函数； t 一通道焊接电流的时间。 对于点烬，爆接热源愍援热量逐可以写成： 啦如i m 2 甜2 h ) d t ( 2 - - 3 ) 式中：r i 一焊件间接触电阻的动态电阻值，是时间的函数； r 。l _ 一毫缀与溽l 串润接霆蠹瞧匿款凌态电溅篷，是辩露夔爨数； r 。一焊件内部电阻的动态电阻值，是时间的函数 圈芏一1 电麟威蚌烊擦区示寤嘿静荦嫂呶藤瞳 眭争甚馘甚电阻 羲警一浑辩内部散阻 r e r 电板向工件阙的甚电阻 蠢c 一簿静鬻罄舳电阻 & 与2 r 。豫必接触邀魅，宅是一耪隧燕电阻，邋嚣指的楚在点烬电投魅力下 所测定的接触面( 焊件一焊件、焊件一电极接触面) 处的电阻值。它的形成原因 第二章逆变电阻点焊及其控制的理论基础 是由于接触寝面微观上的凹凸不平及不良导体( 表颟氧化膜、油、锈以及吸附气 体层等) 的存在所致。当焊接电流通过接触面时，接触点附近及不良母体膜部位 的电流线发生弯曲变长，并向接触点密集而使实际导电截面减小。这种电流线的 拥挤、交长邸形残了隧热电隈。 影酶接藤龟疆戆主要霾豢穗摇；霹兹表嚣状态、邀羧压力帮霆鼙蒸瀑菠。霹海 接表面进行机械清理可比化学清洗得到更低的接触电阻值，僵化学清洗嚣的零件 接触电阻聪为均匀、稳定。电极压力的增大将使金属的弹性与塑性变形增加，对 压平接触袭蕊的凹凸不平和破坏不良导体膜均有利，其结果使接触电附减小。当 压力由增大变为重薪减，、时，囊予塑性变形使接触点数目和接触面积不w 能并恢 复原，捩，戴辩戆接魅宅疆、毽羝予豢莲力终臻下豹数壤嚣至“漆爱”瑰鬈，在实骣 生产中，利用“滞后”现象，搿获得低而均匀的接触电阻。温度爵离鑫满变形阻 力下降，裂性变形增大，接触电阻急剧降低直至消失，对焊点进行电流预热可获 得同预压必似的效果。 焊件内部电阻2 k 是焊接隧金属材料本身所具有的电阻，该区域的体积要大 予戳毫投一弹 譬接魅嚣荛凑数灏棱俸薅积，这是患烬辩戆“边缘效废”。边缘效 应是电流流经板俘时，其电流线在板侔( 单板律) 中阍部分将囱边缘扩鼹，使电 流场呈现鼓形的现象。显然，当焊接电流通过重藏的两焊件时，由于边缘效应， 电极下的电流场将成双鼓形。研究表明，边缘效威熄一种仅与几何因綮宵关的物 理现象。虑焊时产生该现象的根本原因是电极与焊件接触面积远远小予焊件的横 截嚣积。瓣辩点撰热热是不均匀豹，浮极区内各患激度不同( 由于热传浮，通常 中心瀑液离瑟边缘温度逐溺辩低) ，电阻率蠢不阂，这虢弓| 超霹接毫滚缀避较燕 的部分金属丽呈现绕流现象，进一步促进电流场向边缘扩展。 不同的众属材料在加热过穰中焊接区动态j 总电阻r 的变化规律相溅很大。不 锈钢、钛念众等材料呈单调下降的特性；铝及铝合金在加热初期迅速下降后趋于 稳定；稳 燕辕钢在点焊热热避瑕中其基电阻1 的变他麴线上却明显熬蠢一峰值。 点群辩麴邀隧是产生内熬熬源电阻热翡墓磁，是形成簿接懑废场黪恣在嚣 素。研究液明，接触电阻的析热约占内部热源的5 1 0 ，虽然接触电阻析热量 占热源比例不大，并且在焊撩开始后很快降低、消失，但这部分热量对建立焊接 初期的温度场、扩大接触面积，促进电流场分布的均匀是很有重要作用的n 但是 过大甄接触电遛有可能造成通魄不正常( 因为点燃枫的二次空载电压缀低，一般 在豫￥左右) 或霞揍簸嚣主鼹郝迸减遘分强嚣撰熬瓣产垒囔溅、嵇溪簿虢麓e 内 部电阻的析热量约占内部热源的9 0 9 5 ，是形成熔核的热量基础。 电阻点焊的热源产生于烨件内部，与熔化焊时的外部热源( 电弧、气体火焰 第二摩逆变电阻点焊及其控制的理论基础 等) 相比，对焊接区的加热更为迅速、集中。 2 。l3 电阻点焊的过程分析 点焊过程是徽热与机械( 力) 作用下形成焊点的过程。热作用使焊件贴合面 熬母辛孝金疆熔讫；疑棱( 力) 馋爱键焊接嚣产生盛要的鏊羧变形，二誊逶囊配合、 共同作用是获得优质接头的基本条件。 焊接缓蓼是农疆焊孛宠残一个浮点膨钰据弱全部程彦。器嚣痰届景广泛戆焊 接循环为：加压、焊接、维持、冷却。熔核、塑性环及其周围母材金属的部分 搦戏了点烬接头。在一良妊静焊接獯嚣条 孛下，接头豹形成过程怒囊预压、通电 加热和冷却结晶三个连续阶段所组成。 该压盼段的撬一电避程特点是；电极压力 0 、焊接电滚一o ，其侔鼹是在 电极压力下清除部分接触表面的不平和氯化膜，形成物理接触点，这就为以后 烽接电流麴颁剥邋过及表露原予形成熔核做好准餐。 通电加热阶段的机电特点怒：电极压力 0 、焊接电流 0 ，其作用是在 热与杌檄 0 、焊接电流= 0 ，其作用是维 掩一段对闻的电投压力，歪熔佬核心完全冷帮凝潮为斑。 可知，电阻点焊具有以下基本特点：点焊是热一机械( 力) 联合作用的焊接 过程；煮溥具有大电流、短对闯、压力状态下进霉予溽揍静工艺猗燕；溽件瀚靠足 寸不大的熔核进行连接，熔核应均匀、对称的分布在两焊件的贴面上。 2 2 逆变控制理论 随着电子技术和大功率快速电子元器件的不断发展，逆变技术已经逐步引进 劐了焊接领域。尤其在弧海领域，现在已骞相当戏熬鳃产品；然谣在电阻点焊镁 域，逆交的应用还处于起步和成长阶段。 ! 三童里壅皇堕皇塑墨基塑型竺翌笙茎型 2 2 1 逆变电路的本质 从本质上来讲，不管是利用什么样的手段，逆变就是把直流变成交流。这个 过程一般是通过功率开关器件，再配上阻容器件和变压器，把直流变成由变压器 输出的理想的交流波形完成的。一般所用的开关器件有：开关三极管，场效应管、 i g b t 和可控硅。变压器不能用一般的工频变压器而要用高频或中频变压器。 2 2 2 部分主要逆变电路的原理 从电路的开关类型上来分，可分为硬开关逆变和软开关逆变。硬开关电路开 关损耗大、对开关器件的要求高、射频干扰大、功率因数低；而软开关逆变在这 些方面就比硬开关好得多。本课题所选用的就是软开关逆变电路。这里主要讨论 软开关逆变的主电路。 凰2 0 零电氘零电匪多谐振开燕电路 1 ) 零电流开关谐振逆变主电路 如图2 2 ( a ) 所示，零电流开关是指通过辅助的l c 谐振元件、整流功率 器件上的电流波形，使得功率器件在零电流条件下自然关断，实现器件的自然换 流。零电流开关技术的优点在于降低了器件的开关损耗，对具有少子导电的功率 器件效果很好。此外，由于谐振电路的配置关系，使得电路对分布参数的敏感性 降低。其缺点是由于流过电源开关内的电流是正弦波，导致有较高的电流有效值 和电流峰值，另外，谐振电路的环流也产生了附加的导电耗损。在开通时，断态 时存在与器件输出电容的能量，在器件内部耗损掉，影响高频工作时的效率。大 电压开通时的d i d t 经密勒电容与门极驱动电路耦合，引起对门极电路的干扰。 用电流的谐振开关，简单的代替p w m 逆交主电路中的功率开关，可以得到一组近 似的逆变电路，并可把它们看为p w m 与谐振电路的混合体。 9 第二章逆变电阻点焊及冀控制的理论基础 2 ) 零惫蓬开美( z v s ) 谮缀遴变主龟路 如网2 - 2 ( b ) 所示，零电压开关是指通过辅助的谐振元件电感和电容，整 形功窜器件上的电聪波形，使得功率器件的输出电容电压在器件开通前降为零， 为霜弹麓开遘蘩造零逮篷条馋，并游蒎爨转奄生穗壅毫蜜穰荚耱嚣遵援耧，镬褥 开关频率大大提意。但是z v s 霄辩个缺点，个缺点是器释过大的邀援艨力，诧 应力与负载范围成篪比，使得很雅实现负载大范围变化盼z v s 。另一个缺点是由 与谐振电容起振荡的整流二极蛰引起的，蒜是非阻尼振荡，则对逆变器的电压 增益帑不乖j 的影确，函丽可穗产黛阉繇振荡。 3 ) 多 黪振逆燮主毫路 弼强耩示2 2 ( e ) ，多 鏊掇荡遂变主魄鼹建攒在一个开关结秘孛综会零电 压与零电流开关豹特性，谐振魄卷既与开关器件并联，又与二级管捐并联，把开 关器件和二级管都形成零电腱开关。其主要优点是把所有的主要的寄生参数( 功 率嚣转麓鲶出电容，二叛管鼹雅壤容移交悉嚣黪滚感等等拯磬入港缀曦黪庆， 使褥魄路串鲍器终均在零电篷辩嚣遥，获蔼羚低了拜关攫耨，提离了工襻效率。 以上三种电路的缺点是调频工作时器件所受的电压电流应力大。 窜鼗谐摄遴交皇毫路 固： p 固； 圭怖 _ j 4 一 j 一 商： 鸯主| 主揆辜瑗谮辗逆变圭窀强磅全耩攀联谐羲遵蔓塞趣赣 融- 3 串联谐振遵变主窀路 如凰2 3 所示，串联谐振逆变主电路原来是为了功率澎状器件自然捩流而 使蠲静。逢感l 、窀容c 、秘攀器俘帮受载攀联在一莛影成一个欠瓣怒壤路，壹 于电路是欠阻尼的，引起振游，这样流过功辫开关的电流出现自然过零的现象。 所以，串联谐振邋变逛路比较邋念于恒定受泼的彀路。在审联谐振逆燹魄鼹中， 开关器髂本鑫可以爨反寓二褫管，鼯双蠢开必；磁可以是单窿努关。鼹2 3 交流魄潺发生器零疆篆：指强递交运簿鼹，交瀛窀滚突然繇惫、缺桶躞 电压过低观教。 ) 敬秘麴裕藿爱不是：说诗骞溺遂变毫爨辩，对予导遽瓣重囊蹙熟澎旗售 计不足，造成换相的裕量时间小于晶闸管的关鼢所蒜的时间。 2 ，3 蕈装棍在控爨枣耱痊霸 单片机( 单片微型计算机) 又称微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r ) ，爝七十年代 中期发滕起来的一中太规模集成媳路器件。它谯块蕊片内集成了计算帆的餐种 功麓潜静，擒藏耱蘩菏式豹徽攮诗算辍；，卡每代滚滚，鏊辩上蕈片梳酌没震 禳狭，蕤产藏之多令天秘不疆接，蠢瑷了稷多褰缝麓瓣精望纂冀瓿，戮逡瘦各个 领域的不同需疆。 2 3 1 帮麓橇的主妥特点 凌攀嚣巍瀚爨鏊囊袋了诸多酌瓷漂鍪：运冀都襻、逻棼控裁熬侉、眷鞲熬终、 定对帮襻，躺辩俘、逶落部谗蔫等，鑫于这些部捧戆集戚袋褥攀片穰对倍譬毂 控翻鞴懿爨飙肖穰强静能力，辩甜滋予把藤来匏薄板枫上的各琏能蕊片搭粲藏爨 一个芯片中，使得单片机的抗干扰艨力比单板机勰商了大步。由于很多单片机 都集戏露嬲，鼯馒没露集成选w 以邋过扩展缀方便的嶷现a d 转换，这就为处理 模掇镶号猴螯了条孛。瓣曩季一簸糖攀冀爨藜毒爨镪帮梅，霹滏缀方镬翡缀成分数 控镄豢缓。又濑予擎寿懿霹程窿控麟，这羲为袭缆筑骖渡、缝霆提供缀大熬空 阍。所裔遮特特征对较小蕊横的工拽控制是非常懑合的。另外，我国现谯的攀片 礁熬毒臻露经缀藏熬，芯片秘蒜多、馀嬉低；开发王蕊齐全、份格遥中、开发矮 境友好，所以单片机系统已成为备种羟制韵酋遗系娩。 耋。3 2 攀靖械在奉羧剿审扮作搏 革片椒谯本系统中主要的佟粥镩： 第二章逆变电阻点焊及其控制的理论基础 1 ) 参数输入 在本系统中的参数是通过拨硒输入的，系统的显示用数码瞽来完成。这里同 时涉及到参数的存储、修改、删除。这些没有单片机的参与是很难完成的。 2 ) 聚集信号 本控制系统通过采集点焊机的输出信号作为控制调节依据，所耍采集的这些 信号一部分为模拟信号，一部分为数字倍号。模拟信号先经过单片枫控制的a 。 器件进行a d 转换变为数字信号，输入给单片机；另一部分数字信号，则通过单 片祝控翻的1 0 日把它稻读入。 3 ) 控制输出 控隶l 舔统处壤采集静信号，控裁虿控疆鹣导遥，簌悉胃懿按照输入静参数谲 节输出。 4 ) 镱误摄警 在系统的运行中，难免会出现错误，如果对这灶不作处理，可能会出现事故a 爱鞋在系缝爨设诗孛热入了窭罐处璎使出瑷镄误戆成兹攒失降到羧诋t 第三鞲逆变电阻点焊机主电路的设计实现 第兰章逆变电阻点焊主电路的设计实珑 逶避上瑟繁二牵对部分主要邋变圭毫臻戆分援，我们鬏据电辍浑祝黪将点决 定逆变主阐路采用串联谐振电路。通过调憋在一定时间段的焊接脉冲数，米调节 鹭狐输出缝量载大小。 3 ，l 遂变瞧阻点焊主晷路的魇璎分亳蓐 a b e d 1d 2d 5k p iz p ik p 3 k 一k 、 【j e 。j j l 攒 e$ c d = 2 = i i _ 一 r 卜 d 3甜渤k p 2 f 2 释坩融j 筻鞠 k 一 k 一l 1 匕jj j 图3 一l串联逆变器主回路 茹謦3 一i ，交六个整辘二摄管( 9 1 一沩) 缰藏三耀不褥控l ；搴整流器，貔工簇 电能整流成直流电。由于可采取改变负载功率因数的方法来调节输出功率，故不 必箱可控熬滚楱。整滤援帮塞接瓢电疆3 8 0 铰供电，经电感l l 弱嘏辩电器缓c d 滤波，其崴流电压值约为： u c d = 1 4 l 3 8 0 v = s 3 7 v 由于c d 既具滤波储能的作用，又要给中频回路提供通路，所以要选得足够 大。蚕蒌l ，褰挽建大产生较蔫中频奄压，彩晌递交器戆运行。由予e d 斡容量是 够大，可认为整流后的直流电源为恒压源，其逆变电路等效图如图3 2 。 一c li 翻3 - 2 率联逆瓷器等效瓣理翻 图中r 为变服器等效电阻，l 为变压器等效电感，c 为中频补偿电容，它们 缀成了串联谐振回路。其帮关( 逆变器) 蠢霞个稀鬻组成，每一携餐有一对控硅 一塑三童堂窭曼墨塞塑塑圭璺堕塑堡笪壅堡 帮一瓣浚二投管。冀互箨遂疆分爨翔下； 溺t2 0 时对可控硅k p l 稍k p 4 加触发脉冲，使之导通。电流流通路径如图 3 3a 沂示。这个电路实质上是个r l c 串联电路对恒定输入的晌成电路。由 墓尔餮夫电压定咎( k v l ) ，套 r i + 己童 ：嘲 破 将j = c 警代入，经整理得到以电容电联u c 为变量的电路方程： 上l 。一d 下 u c + r c a u _ f _ c + 卵= 搿 d t d l 这是一个常系数的、二除线憷非齐次微分方程。其特馥方程为： 三2 十露鬈+ 1 = 0 由此可求得其特征根为： 矗历丌 藏一夏+ l 副一历 露扩震、。1 p 2 一西一l 瓦一面 根据方程解根的形式，盛接譬f 用数学分析的结果，可襻出以下结论： 1 ) 当寰 颇霹，电容魄援u c 是荸条璜长瓣，退察羧连续竞惫瓷爱达嚣 电源电压u d ，充电过程为非搬游形，即电路不振荡。 2 ) 当r u c d 。至t 。时刻i = o ，可控硅 k p l 秘k p 4 关瑟。警k p t 和k p 4 美凝后，由予u c u c d ，奄容器可逶邂二摄繁z p l 秘z p 4 羧邃( 觅鍪3 3 b ) 。至t 。辩裁，款滚宠事，毫滚秀隆至零。当t 器， 虽然u c d u c ，但由于可控硅融哭断，电路中不会再有电流。 第三章逆变电阻点焊机主电路的设计实现 若使可控硅可靠关断，当电流下降为零后，还需一段反压时间。图3 - - 3 c 中 可知，这段时间为t z t 。，这段时间内晶闸管承受反压，其值等于二极管的管压 降。晶闸管关断的条件应是：t 。一t ， t 。 图3 - - 3 a幽3 - - 3 b图3 3 c k p 2 和k p 3 的触发过程同上相同，但电流方向相反。即l c 组成了串联谐振 电路，输出电压波形宽度由l c 决定，输出频率由控制板给可控硅发出的触发信 号之频率决定，但最高触发频率小于f a ( f 0 为l c 谐振频率) 。 回路振荡条件为尺c 2 厄万，为了确保逆变成功，必须要求回路等效电阻r 和 等效电感l 与补偿电容c 满足该条件。 3 2 串联谐振主回路的优点 串联逆变器的输入是恒定的电压，输出的电流波形接近正弦波，输出的波形 是矩形波。故属于电流形逆变器。它的优点是： 1 ) 通过改变触发脉冲频率达到改变输出功率的目的。这样当逆变点焊机要 求输出不同功率时，由微电脑改变触发频率即可，简单方便，易于操作。 2 ) 启动简单，适用于经常启动的场合。逆变点焊机正是经常肩动的设备。 3 ) 可控硅是自然关断的，关断前电流缓慢下降为0 ，关断时间短，损耗小。 4 ) 可控硅承受电压较低，为直流5 3 5 v 。主回路桥臂使用1 2 0 0 v 的可控硅即 可，不必串联。 综上所述，串联逆变器一般适用于负载性质变化不大、需要频繁启动和工作 频率较高的场合。 3 3 逆变失败的难点和解决方法 3 3 i 串联谐振的缺点 任何电路都不会是完美的，串联谐振也存在着以下缺点： 1 ) 逆变失败时浪涌电流大。为避免浪涌电流需要加限制浪涌电流的线路。 2 ) 串联谐振回路的d v d t 较大，需要加吸收回路线路以保护器件n 第三章遒变电阻点挥杌主电路的设计实现 3 ) 串联谐振输出电压离，溢用变压器输出。而点焊机正是由变藤器输出的。 4 ) 串联谐振回路要求负栈变化范围小。如果负载变化大，例如点焊机等效 电阻r 、簿效电感l 变化大时，若不满足振荡条件，则导致逆变失败。因此逆变 点焊辊需聚用复杂酶回路参数计算和特殊的技术措施，防止逆变失败。 3 3 2 本课题遂变失败的主要原因 正常焊接时，点焊机焊缀间工件的电阻是很小的。但当工件表丽锈蚀严重、 凹凸不平成开路时，焊极间的电阻的变化是相当大的。当不满足振荡条件 r c 2 五两辩，藏会导致逆交失睃。当逆交失欢造成意濂侧短路时，由予嘏容器e d 德驻蓑大，竣毫稷侠，会产豢凝大的滚添毫滚，露叛涛一个交宅室瓣慧漆控簿。 而逆变器的电源由于采用不可控的三相桥，也不能使其投入逆变状态寐做保护。 通过计算，可求出变压器原边等效电阻r 、挥撒电感l 及2 压硒。变压器原 边等效原理图如图3 - 4 。 瑚，” 图3 0 变压器原边等效原理圈 经掺簿，变篷爨等效阻摭公式为： z i - z l z i 其中：z 1 = r i + ，越i ，z ( 3 一1 ) 厶2 汹f ) 2 ：- 一 z 2 r + j m l 2 式中：z ；为变压器原遮阻抗； z ；隽交莲器错迭藕合到暴边戆疆抗； 礁隽交压器的耩会系数。 进一步推导可得出变压器原边等效电阻r 和等效电感l 的计算公式： r ：蝉， ( 3 哪 阱 蛐一臀岛 睁s ， 其中：泖= r 2 + ( m k ) 2 第三章邋变电阻点焊机主电路的设计实现 遽遘 美上公式爵诗篓出交爱器辗透等效惫隧r 纛等效泡感l 并蕊爨震、三蘧 ，变化时的曲线图，如图3 一s 。从图中可看出只有当r o 9n 时，r 才能满足振荡条件。其中，r o 9q 时嫩然也满足 振荡条箨，毽兢露簿效电感l 缀大， 冀叛焱察已经稷娄舔了。 强3 一s b 左鹭曲扁都躅 0 o 3 2 1 ”f l “ 一摊 曲卜 常= 冀饕譬2 i_ 扭q ) l 等效电阻r 等效电拣l 2 ，l c 可觅该方案鬓委麓有效嚣蠛只霄r o 。0 0 4q ，实嚣上搽涯受载罄瀵懋爱求是 不可缝做至8 的，这魏是造成遵变失败豹主要舔因。 3 3 。3改进皇网路克虢邀蜜失败的依攥 为了使r 总满足r 。2 压骨，必须采取措施使振荡条件成立。 在变压器原边辩联一电感b ，其等效电路图如图3 - 6 。 争雪0 疆3 6 势骏穗感居变嚣器原边等效电路鬻 整新计算等效阻抗公式为： 乙，：量生0 坠箕孥2 婪 浯碡) 锄一z l + 磊一( r 斗歹删) 十( 置+ 倒) 进一步推导可得出主回路改进厢变压器骤边等效电阻r 和等效电感l 的计算 公式，荠藏出等效泡匿r 、等效魄感l 及蛹露r 黪关系鼹线，冤鬻3 - ? 。 秘 第三奄逆变电阻点焊机主电路的设计实现 瞬3 - 7 a 改避后鲍r 、l 敷24 l c 对照图 z b i 2 l l ，5 | 。涯一 i 童蠹寓鲁磊霉是赛墓曼篓蓥蓥量萎萋量誊塞窝 r ( m 0 ) 一等簸电班r 等效电感l 2 l i c 飘罄中可看国，当交疆器琢逸并联一瞧感b 爝，无论r 壤露麓繇髓满足振荡 条件。经分析可取知，l 。取值越小，r 、l 与2 万西之曲线相距越远，振荡条件越 满足。毽t 3 取值越小，分滚越太，会影璃整个簿辍蠡奄效率，菠b 教篷应逶中。 故并联合适的电感就可消除逆变失败的现象。经过厂瘃的实际使用，没有出 蠛遂交失效靛穗獯，萎戆僚持覆囊牲蕤戆辫接效聚，涯鞠羧遴蜃酌方寨竞龛嚣之 有效。 3 3 4 逆变电阻点焊机主回路的其鬯可靠胜设计 除了在焊接变压器原边并联电感以确保逆交成功外，还对逆交主凰路做了其 它一些可靠性设计。 图3 - i 所示的电路还存在一黧闻题，如晶阐篱承受的d v d t 、d i d t 狠大。 为此，增加了限流电抗器l f i _ l f 4 ，使晶闸锗被触发时换流电流缓慢上升、下降， d i d t 明驻减少；增加d v d t 暖牧溺路r c ，使垂予鑫溺瞽嚣关辩瑟路中产生的尖 脉冲而造成的d v d t 较大现象明照好转。图3 - 7 怒实用的串联谐振逆变主回路。 托 t ：“平i _ 一 篁iij - j ”： 。一 v 爹， ：j 豳3 - 7 囊翅拣串联谴振逆变圭回路 第四章逆变电腿点焊机控割系统的设计实现 第四章逆变电阻点焊控制系统的设计实现 对点焊主电路确定之后，这章开始讨论控制系统的实现。这部分主要从硬l 牛 魏软 牛这鼹大方疆对系绕避行讨论。 4 。1 逆变电阻点焊控制系统的硬件部分 系统的硬件部分是控制的基础，如果这部分设计不合理，将对下面的工l 乍产 生嚣常重大静影响，甚至导致本课题韵失败。这部分采用模块仡设计，每一模块 分别调试，最后组装调试，这样就降低了风险，加快了速度。 4 。i 1 硬件电路的原理框图及萁分析 图4 - - i 为硬件部分的原理撼图。它由以下部分组成：