专利名称：电阻焊接电源装置的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及电阻焊接电源装置，尤其涉及布置成将用作焊接能量的电功率临时聚集在其电容器中的电源装置。
参考图5，描述了一种常规电阻焊接电源装置的结构。在该电源装置中，工频单相交流电源电压E0从交流电源线100经变压器102施加给整流电路104，从整流电路104输出的直流电压经电阻器106对电容器108充电，电容器108的充电能量通过闭合开关110泄放到与焊接电极112和114相关联的电路中，由此将焊接电流iw送入工件(W1和W2)中。
整流电路104构成单相半控桥整流器，该整流器由一对可控硅S1、S2和一对彼此桥接的二极管D1、D2组成。整流电路104用于将来自变压器102的交流电源电压全波整流成直流电压。这里，通过未示出的起动电路在工频的每半个周期CY交替起动可控硅S1、S2的控制。这允许每半个周期CY受到相位控制的直流充电电流ic送入电容器108中。
变压器102不仅充当来自交流电源线100的交流电源电压E0的降压变压器，而且考虑到直接使用电容器108聚集的能量的电阻焊接时的安全问题，变压器102还使装置与交流电源线100电(直流-电流-方法)隔离。
在上述传统电阻焊接电源装置中，为了将电阻焊接能量(电功率)聚集在电容器108内，通过起动整流电路104的可控硅S1、S2将在工频的每半个周期CY受到相位控制的充电电流ic送入电容器108。
但如图6所示，从充电开始时间t0开始，随着时间的流逝，每半个周期，充电电流ic(1)、ic(2)、ic(3)等的供电时间T1、T2、T3等随着逐渐减小的峰值P1、P2、P3等逐渐缩短。具体地说，随着充电周期的重复，充当整流电路104的输出电压的反电动势的电容器108的充电电压将逐渐增大，结果在整流电路104的输出电压超过电容器108的充电电压期间的每半个周期CY供电时间T将随着电流峰值P的逐渐减小而向每个周期中心逐渐减少。即，充电电流ic的有效值将逐渐变小。
以这种方式，由于送入电容器108的充电电流ic是脉动电流并且随着时间的推移逐渐变小，所以常规电阻焊接电源装置的充电效率很低。因此，为了增大充电率，随着输入到整流电路104中的预整流交流电压有效值的增大，变压器102的容量已经被增大。然而，由于充电效率低，于是大型变压器降低其占空系数并增加了能源的浪费、增大了功耗、设备空间、成本等。
本发明旨在解决现有技术中存在的以上问题。所以，本发明的目的是提供一种确保以电荷形式聚集电阻焊接电能的电容器有效充电的电阻焊接电源装置。
本发明的另一个目的是提供一种电阻焊接电源装置，通过改善以电荷形式聚集电阻焊接电能的电容器的充电效率，提高了占空系数，减小了从交流电源线接收交流电源电压的变压器的尺寸。
为了实现以上目的，根据本发明的一个方面，提供一种电阻焊接电源装置，它使焊接电流流过一对与要焊接在一起的工件形成压力接触以实现工件的电阻焊接的焊接电极，电阻焊接电源装置包括有分别与那对焊接电极电连接的第一和第二电极的电容器，电容器将电阻焊接电能以电荷形式存储在第一和第二电极之间；电连接在电容器和焊接电极对中的一个焊接电极之间的第一开关装置；第一控制装置，提供第一开关装置的开关控制，用于电阻焊接的电流供给；整流电路，将工频的交流电源电压整流成直流电压输出；电感线圈，一端与整流电路的一个输出端电连接，另一端既与整流电路的另一个输出端电连接又与电容器的第一电极电连接；第二开关装置，电连接在整流电路的两个输出端之一和电感线圈之间；第二控制装置，提供第二开关装置的开关控制，用于对电容器充电；以及整流元件，一个端子与电感线圈的一端电连接，另一个端子与电容器的第二电极电连接，电连接的方向作成允许单向传动电流流出电感线圈。
在本发明的电阻焊接电源装置中，当第二开关装置由于第二控制装置的开关控制而被接通时，直流从整流电路的输出端流出经接通的第二控制装置流入电感线圈，使电磁能通过该电流存储在电感线圈中。之后，当第二开关装置从接通状态变为断开状态时，电感线圈电流以整流元件的正向流过电感线圈、电容器和整流电路组成的闭合电路，这样用单向传动电流对电容器充电。一旦电容器充电电压到达设定值，停止对第二开关装置的开关控制。相反，当第一开关装置由于第一控制装置的开关控制而被接通时，作为电荷存储在电容器中的电能经第一开关装置向焊接电极放电，于是放电电流作为焊接电流流过夹在焊接电极对之间的工件，从而实现工件的电阻焊接。
在本发明中，第二控制装置最好包括电源电压检测装置，检测交流电源电压以产生表示交流电源电压相位的电源电压检测信号；电流检测装置，检测流过第二开关元件的电流以产生表示电流波形的电流检测信号；以及一个装置，以高于工频的预定频率提供第二开关装置的开关控制，以便在电源电压检测信号和电流检测信号的基础上使电流的相位基本与交流电源电压的相位一致。
这种结构保证了充电电流基本与电源电压同相流动，从而由于充电电路的功率因数较高，提高了充电效率。充电电流不是脉动电流，而是连续流动，使得可以将电流峰值设为较低值。这使从交流电源线接收交流电源电压的变压器尺寸减小、占空系数提高。
在本发明中，第二控制装置最好包括电源电压检测装置，检测交流电源电压以产生表示交流电源电压的全波整流波形的电源电压检测信号；电流检测装置，检测流过第二开关元件的电流以产生表示电流波形的电流检测信号；以及一个装置，以高于工频的预定频率提供第二开关装置的开关控制，以便在电源电压检测信号和电流检测信号的基础上使电流的相位和波形基本与交流电源电压的全波整流波形的相位和波形一致。
该结构保证了充电电流不仅相位与电源电压相同而且波形也与电源电压相同，从而能进一步提高功率因数和充电效率。在该结构中，由于交流电源电压的波形本身用作充电反馈控制的参考值，所以最好校正交流电源线两端的电压波动。
根据本发明的最佳实施例，电源电压检测装置包括变压器，将交流电源电压转换成信号电平；整流电路，对变压器次级侧上获得的交流电源电压进行全波整流；校正电路，对整流电路的输出信号进行极性反转、积分和电平转换；乘法电路，将整流电路的输出信号与校正电路的输出信号相乘，得到电源电压检测信号作为其输出。
本发明的以上和其他目的、方面、特征和优点将通过以下结合附图所作的详细描述中变得更加明显，图中
图1是本发明一个实施例所述的电阻焊接电源装置的电路结构的电路图2是包括在该实施例的电阻焊接电源装置中的一例电源电压检测部件结构的电路图；图3A至3E是在该实施例的电阻焊接电源装置的部件上得到的电压和信号波形的波形图；图4A和4B分别是该实施例中交流电源电压的全波整流波形和充电部件的充电电流波形的波形图；图5是传统电阻焊接电源装置的电路结构的电路图；以及图6是在传统电阻焊接电源装置中得到的充电电流波形的波形图。
下面参考图1至4描述本发明的最佳实施例。
图1描绘了根据本发明一个实施例所述的电阻焊接电源装置的电路结构。电源装置包括向焊接机10输送电阻焊接能量(电功率)的电容器12。
焊接机10包括一对焊接电极14和16。焊接电极14和16与未示出的压力部件物理连接，这样在电阻焊接时，通过压力部件的压力使它们分别从上下与工件W1和W2形成压力接触。
电容器12由单个低压大容量电容器或多个这种电容器并联连接组成。一方面，电容器12的正极12a经焊接电流开关元件18与焊接电极14电连接，另一方面，负极12b与焊接电极16电连接。
开关元件18由晶体管例如FET(场效应晶体管)形成，在提供焊接电流期间通过焊接电流控制部件20经驱动电路22对它进行开关控制。
该实施例的焊接电流控制部件20能通过PWM(脉宽调制)恒流控制将焊接电流Iw控制为任何设定值或波形。为了在该恒流控制中返回焊接电流Iw，在电容器12和焊接电流14、16之间的电路(导线)上放置例如环形线圈形式的电流传感器24，这样在电流传感器24的输出信号(电流检测信号)的基础上，电流测量电路26得到测量值，例如焊接电流Iw的有效值，并将由此得到的电流测量值SIw送入焊接电流控制部件20。焊接电流控制部件20进一步从时钟电路28接受用于PWM的预定频率(例如10kHz)的时钟信号CK0和接受来自未示出的输入部件的焊接电流Iw的设定值或波形。
在该电源装置中，对电容器12充电的充电电路30包括变压器32、整流电路34、开关电路36、电感线圈38和单向传动二极管40。
变压器32的初级线圈与交流电源线42连接，在电源线上施加工频的单相交流电源电压E0，次级线圈与整流电路34的输入端连接。整流电路34由单相全波整流器形成，单相全波整流器例如由彼此桥接的未示出的四个二极管组成。整流电路34用于对变压器32次级侧上得到的交流电源电压E1进行全波整流，从而提供直流电压作为其输出。
整流电路34有一对输出端子，即正极输出端子34a和负极输出端子34b，正极输出端子34a经开关元件36与电感线圈38的一端连接，负极输出端子34b一方面与地电位连接，另一方面与电感线圈38的另一端和电容器12的正极12a连接。当开关元件36接通或导通时，直流电流Ic流过从整流电路34的正极输出端子34a延伸通过开关元件36、电感线圈38到达整流电路34负极输出端子34b的电路43。平滑电容器44插在整流电路34的输出端子34a和34b之间。
单向传动二极管40的阳极端子与电容器12的负极12b连接，阴极端子与电感线圈38的一端连接。当开关元件36从ON状态变成OFF时，来自电感线圈38的电流Id以二极管40的正向流过由电感线圈38、电容器12和二极管40形成的闭合电路46，使得用单相传动电流Id为电容器12充电。
换言之，当开关元件36为ON时，电磁能通过流过整流电路34的输出电路43的电流Ic存储在电感线圈38中，而一旦开关元件36从ON变成OFF，电感线圈38中的电磁能就通过在单向传动电路46中流动的电流Id的动作转换成电容器12内的静电能量(电荷)。
开关元件36可以是晶体管，例如FET，在电荷电流供电期间通过充电控制部件48经驱动电路50对该开关元件进行开关控制。
用作交流电源线42两端交流电源电压E0的相位和波形的参考，充电控制部件48提供流过整流输出电路43的电流Ic的基于PWM的恒流直接控制和流过单向传动电路46的电流Id的间接控制。
为了在该恒流控制中反馈电流Ic，整流电路43配有例如CT线圈形式的电流传感器52。当电流Ic流过那里时，波形与电流Ic波形相似的电流流过由电流传感器52(CT线圈)、二极管53和电阻器54(在用hall CT作为电流传感器的情况下不包括二极管53)组成的闭合电路，以便使电压信号即电流检测信号Vc的波形与在节点N上得到的电流Ic的波形类似。电流检测信号Vc作为反馈信号SIc通过电阻器56和电容器58形成的低通滤波器送入充电控制部件48中。充电控制部件48从电源电压检测部件60以电源电压检测信号形式接受参考信号Sref，电源电压检测信号表示交流电源电压E0的全波整流波形。
电源电压检测部件60从交流电源线42两端的交流电源电压E0接受经变压器59变换的信号电平的交流电压e0。在交流电压e0与交流电源电压E0相似的情况下，电源电压检测部件60产生表示交流电源电压E0的全波整流波形的电源电压检测信号Sref。但是，在配有这种电阻焊接装置的典型工厂中，由于多个电器装置或电机连接到配电线或交流电源线上，所以容易在交流电源线两端产生电压波动，该实施例使电源电压检测部件60具有校正这种电压波动的功能。
图2描绘了电源电压检测部件60的一例结构。图3A至3E示出了在电源电压检测部件60的部分上获得的电压或信号波形。
该电源电压检测部件60包括整流电路62，整流电路提供固有电源电压检测电路以产生表示交流电源电压E0的全波整流波形的电源电压检测信号，剩下的部分组成校正电源电压波动的校正电路64。
整流电路62由单相全波整流器形成，单相全波整流器包括例如彼此桥接的未示出的四个二极管。该整流电路62用于对变压器59输出的交流电源电压e0进行全波整流，从而输出图3A所示的全波整流波形的直流电压Va。整流电路62输出的输出电压Va是准确表示交流电源线42两端的交流电源电压E0的全波整流波形的电源电压检测信号。但是，由于最后可靠反映了交流电源线42两端的电压波动，用检测信号作为参考信号可能会在控制系统(充电控制部件48)中引起干扰。
整流电路62的负极输出端子接地电位(或接地)，而在整流电路62的正极输出端子上得到的电源电压检测信号Va送入模拟乘法器66的一个输入端子、经电阻器68送入运算放大器70的反相输入端(-)。
运算放大器70的非反相输入端(+)连接到地电位，电阻器72插在反相输入端(-)和运算放大器70的输出端之间。这种结构使运算放大器70能充当反相放大器。
电容器74也插在反相输入端(-)和运算放大器70的输出端之间。这种结构使运算放大器70也能充当积分器。
从直流电源76输出的负直流电压(-Vs)经电阻器78加到运算放大器70的反相输入端(-)。利用该结构，运算放大器70也能用作模拟加法器。
来自整流电路62的全波整流波形信号Va同时经过三种信号处理，即通过运算放大器70反相放大、积分和加法。首先，反相放大将使正全波整流波形信号Va极性反转成负全波整流波形信号Vb，如图3B所示。积分使负全波整流波形信号Vb平滑成具有轻微振幅的负电压Vc，如图3C所示。之后，加法使负电压Vc的电压电平升高直流电压Vs，以便将极性反转成正直流电压Vd，如图3D所示。在运算放大器70的输出端出现正直流电压Vd。
从运算放大器输出的电压Vd作为校正信号送入乘法器66的另一个输入端。乘法器66使两个输入信号Va和Vd模拟相乘，将相乘后的输出信号作为参考信号Sref送入充电控制部件48(图1)中。
当在交流电源线42两端出现电压波动时，来自整流电路62的输出电压Va也经历类似的电压波动，例如图3A所示的DR0。通过以上三个信号处理，即通过运算放大器反相放大、积分和加法，电压波动将分别从DR0经过DR1和DR2变成DR3，如图3B、3C和3D所示。最后的电压波动DR3在波动程度上与原始电压波动DR0成正比但与其波动方向相反。因此，来自包含原始电压波动DR0的整流电路62的输出电压Va与来自包含以上信号处理后的电压波动DR3的运算放大器70的输出信号Vd相乘，结果DR0被DR3抵消(校正)，使得相乘后的输出信号Sref能稳定地保持无电压波动的全波整流波形。
以这种方式，不管在交流电源线42两端是否出现任何电压波动，该实施例的电源电压检测部件60能借助于校正电路64有效地抵消电源电压波动，产生准确表示交流电源电压E0的原始全波整流波形的参考信号Sref。
再次参考图1，充电控制部件48从时钟电路80接受为PWM控制定义基本周期的预定频率(例如10kHz)的时钟信号CK1。比较器82有两个输入端，一个接受负充电电压-Vg，它是电容器12的负极12b上的电压，另一个从直流电源84接受可变可调整的负电容器充电设定电压-Vref。来自比较器82的输出信号CO送入充电控制部件48。当电容器12的充电电压Vg(绝对值)高于充电设定电压Vref时，比较器82使输出信号CO变低，而当前者低于后者时(Vg＜Vref)时变高。
充电控制部件48从比较器82接受输出信号CO作为充电电压监视信号，如果输出信号CO变高(当Vg＜Vref)时，使充电部件30导通，即提供开关元件36的开关控制，从而向电容器12充电。具体地说，对于时钟信号CK1的每个周期来说，充电控制部件48将来自充电电流检测部件(52-58)的电流检测信号SIc与来自电源电压检测部件60的参考信号Sref相比较，找出误差，以便在下一个周期内，开关元件36在这种ON时间(脉冲宽度)内保持ON以允许上述周期误差接近零。
如上所述，当开关元件36接通时，电流Ic能在整流电路34的输出侧流动，从而将电磁能存储在电感线圈38中。这里，电容器12不包括在电流Ic流过的电路43中，这样电容器12的充电电压在整流电路34的输出端子34a和34b上不充当反电动势。由于这种免除了来自电容器12的充电电压的动作，因此能提供电流Ic的稳定的恒流控制，由此通过电感线圈38内存储的电磁能为送入电容器12的电流Id提供稳定的恒流控制。
图4A和4B分别示出了在该实施例中交流电源电压E0的全波整流波形(参考信号Sref)和通过充电部件30的充电电流Id(Ic)的波形。由于送入电容器12的充电电流Id不仅相位而且波形也与交流电源电压E0的全波整流波形(它对应于来自整流电路34的输出电压)一致，因此该实施例能实现极高的功率因数。
在工频的每半个周期中，充电电流Id不是脉动电流，而是在恒流控制下连续流动，这样可以将电流峰值设置为远低于现有技术的一个值。为此，充电变压器32工作效率高，甚至是小型变压器也能实现充分理想的任何充电电压或任何充电率。
尽管在上述实施例中，充电部件30的充电电流Id(Ic)的相位和波形与交流电源电压E0的全波整流波形的相位和波形一致，仍可以加控制，使得仅相位彼此一致而波形全然不同(例如，矩形或梯形波形)。在这种情况下，电源电压检测部件60可以包括检测交流电源电压E0相位的电路，并进一步使用波形发生电路以便单独形成充电控制部件48的参考信号Sref的波形。
尽管在上述实施例中，以高频对提供焊接电流的开关元件18进行开关控制，也可以提供另一个开关控制以便使开关元件18象一种可变电阻器一样保持连续导通。
上述实施例采用了单相交流电源电压，但也可以用三相交流电源电压代替。在这种情况下，变压器32和整流电路34应当是三相型。
焊接部件10可以进行各种修改。例如，系列焊也是可行的，并不限于上述实施例中的饿点焊。
根据本发明的电阻焊接电源装置，能保证以电荷形式存储电阻焊接电能的电容器有效充电，并且进一步提高了从交流电源线接受交流电源电压的变压器占空系数，减小了变压器的尺寸。
权利要求
1．一种电阻焊接电源装置，它使焊接电流流过一对与要焊接在一起的工件形成压力接触以实现工件的电阻焊接的焊接电极，所述电阻焊接电源装置包括有分别与所述焊接电极对电连接的第一和第二电极的电容器，所述电容器将用于电阻焊接的电能以电荷形式存储在所述第一和第二电极之间；电连接在所述电容器和所述焊接电极之间的第一开关装置；第一控制装置，提供所述第一开关装置的开关控制，用于电阻焊接的电流供给；整流电路，将工频的交流电源电压整流成直流电压输出；电感线圈，一端与所述整流电路的一个输出端电连接，另一端既与所述整流电路的另一个输出端电连接又与所述电容器的所述第一电极电连接；第二开关装置，电连接在所述整流电路的输出端和所述电感线圈之间；第二控制装置，提供所述第二开关装置的开关控制，用于对所述电容器充电；以及整流元件，一个端子与所述电感线圈的所述一端电连接，另一个端子与所述电容器的所述第二电极电连接，所述电连接的方向作成允许单向传动电流流出所述电感线圈。
2．根据权利要求1所述的电阻焊接电源装置，还包括变压器，初级线圈与分配所述交流电压的交流电源线电连接，次级线圈与所述整流电路的输入端电连接。
3．根据权利要求1或2所述的电阻焊接电源装置，其中所述第二控制装置包括电源电压检测装置，检测所述交流电源电压以产生表示所述交流电源电压相位的电源电压检测信号；电流检测装置，检测流过所述第二开关元件的电流以产生表示所述电流波形的电流检测信号；以及装置，以高于工频的预定频率提供所述第二开关装置的开关控制，以便在所述电源电压检测信号和所述电流检测信号的基础上使所述电流的相位基本与所述交流电源电压的相位一致。
4．根据权利要求1或2所述的电阻焊接电源装置，其中所述第二控制装置包括电源电压检测装置，检测所述交流电源电压以产生表示所述交流电源电压的全波整流波形的电源电压检测信号；电流检测装置，检测流过所述第二开关元件的电流以产生表示所述电流波形的电流检测信号；以及装置，以高于工频的预定频率提供所述第二开关装置的开关控制，以便在所述电源电压检测信号和所述电流检测信号的基础上使所述电流的相位和波形基本与所述交流电源电压的全波整流波形的相位和波形一致。
5．根据权利要求3或4所述的电阻焊接电源装置，其中所述电源电压检测装置包括变压器，将所述交流电源电压转换成信号电平；整流电路，对所述变压器次级侧上获得的交流电源电压进行全波整流；校正电路，对所述整流电路的输出信号进行极性反转、积分和电平转换；以及乘法电路，将所述整流电路的输出信号与所述校正电路的输出信号相乘，输出所述电源电压检测信号。
全文摘要
该电源装置包括对电容器12充电的充电电路30。该充电电路30包括变压器32、整流电路34、开关元件36、电感线圈38和单向传动二极管40。整流电路34对变压器32次级侧上得到的交流电源电压E1进行全波整流,提供直流电压作为其输出。当开关元件36接通变成导通时,允许直流电流Ic流过从整流电路34的正输出端子34a延伸通过开关电路36和电感线圈38到达整流电路34的负输出端子34b的电路43。一旦开关元件36从ON状态变为OFF状态,基于电感线圈38的电流Id以二极管40的正向流过由电感线圈38、电容器12、二极管40组成的闭合电路46,从而用单向传动电流I
文档编号B23K11/24GK1314227SQ0111174
公开日2001年9月26日 申请日期2001年3月22日 优先权日2000年3月23日
发明者渡边千男 申请人:宫地技术株式会社