高頻感應加熱焊機的製作方法
2023-06-27 00:18:51 2
專利名稱：高頻感應加熱焊機的製作方法
技術領域：
本實用新型與感應釺焊高頻焊機有關，尤其與石材切割機園盤鋸刀頭復焊用的高頻感應加熱焊機有關。
傳統的石材切割機園盤鋸刀頭復焊用的焊接設備，均為電子管式高頻感應加熱裝置，存在效率低，功耗大，體積大，成本高的缺點。由於該裝置設計為通用設備，沒有考慮園盤鋸刀頭復焊的特點，必須三相交流工頻供電，不適應石材加工業分散，供電困難的實際情況，使用十分不便並且受到限制。
本實用新型的目的是提供一種體積小，重量輕，成本低廉，效率高，節能，使用壽命長適應石材加工業分散特點，使用方便的高頻感應加熱焊機。
本實用新型是這樣實現的互感器H，電容C0，電感L0串聯組成的諧振電路1的一端接於電容C1，C2連接組成的或一對功率MOS管12漏極連接在一起組成的橋臂2的中點。電路I的另一端接於一對功率MOS管12的漏極連接在一起組成的橋臂3的中點。橋臂2、3的端點相連，接於整流濾波電路4的輸出端。互感器H的輸出接於鎖相環5的一個輸入端。鎖相環5輸出的方波送入鎖相環5的另一個輸入端，兩個輸入信號在鎖相環路內進行相位比較，比較後的相位誤差經濾波送入鎖相環的第三個輸入端。鎖相環5根據相位誤差的大小，自動調整振蕩輸出頻率，輸出接D觸發器6和或門7組成的控制電路8。控制電路8輸出的兩路相位相差 的對稱方波脈衝，經隔離耦合送到兩路或四路脈衝放大器10進行脈衝功率放大，經放大的方波脈衝分別送到橋臂3或橋臂2和3中的功率MOS管12的柵極，使兩隻或兩組功率MOS管一隻開通，一隻關斷，交替工作，而使串聯諧振電路1中的電容C0，電感L0中有交流電流流過在感應圈9中產生焊接需要的熱量。
本實用新型的鎖相環5可為集成電路IC1CD4046，互感器H的輸出通過電容C3接於鎖相環5的14腳，CD4046的6，7腳接電容C4，11腳通過R5接地，12腳通過R6接地，13腳輸出相位誤差，接於R7上，R7，C5組成濾波器，信號濾波後接入9腳，9腳是鎖相環壓控振蕩器的輸入，14腳，3腳是鎖相環的兩輸入端，振蕩頻率經4腳輸出，外控開關K經二極體D2接入D觸發器IC3的復位端R上，IC3與R8，C7組成單穩態電路，其D端接高電位+Vcc，同步控制端CP接CD4046的4腳，輸出端Q接門1、門2輸入和R8，D觸發器IC4的輸出Q端連接到D端，構成分頻器，同步控制IC1的4腳，輸出Q，Q端連接門1，門2輸入，分頻器將IC1的輸出頻率分頻，形成兩路完全對稱，相位相差 的驅動脈衝，門3的輸出接R9，R9與C8連接，C8另一端接地，門3的輸入與D觸發器IC5的復位端R相連，接到IC4的Q端，IC5的同步端CP連到R9，C8之間，D端接高電平+Vcc，輸出端Q接IC1的3腳，門1，門2的輸出各接一路由二晶體三極體組成的射極放大器，電晶體的發射極相連，接脈衝變壓器T初級，二極體D3～D6反並在對應的晶體三極體的C，e極上，用於吸收脈衝變壓器T關斷時的尖峰電壓，T的次極分兩路或四路連在脈衝放大器10的輸入端，脈衝放大器的輸出各接一對互補型中功率MOS管11的連在一起的柵極，MOS管11的漏極連在一起，接限流電阻R2，R2的另一端接MOS管12的柵極，R1為分流電阻，接於柵極和—Vcc之間。
本實用新型可有R10、C6，運算放大器IC2組成的積分器，IC2的正輸入端接地，負輸入端一路經R10接K，一路接電容C6，C6一路與IC2輸出連接，接可控矽移相觸發器、13的控制端，觸發器13的隔離輸出端連接在雙向可控矽SG的觸發極上，SG接入整流濾波電路4的交流輸入端，C6另一路接二極體D1，D1連接IC1的9腳。
本實用新型的感應圈9，有內圈14，外圈15，兩圈盤旋組成單圈結構。
本實用新型的工作原理如下當電路接通電源後，由於雙向可控矽隔離、整個電路不工作。由人工輸入控制信號後，控制電路發出兩路控制信號。一路送到雙向可控矽，接通主電源，工頻電源經整流濾波後將平滑直流送到高頻功率變換器。另一路開啟控制門，允許鎖相環5的振諧信號送出。該信號是兩路相位相差 的對稱方波脈衝，經隔離耦合送到兩路脈衝放大器進行脈衝功率放大。經放大後的方波脈衝分別送到高頻功率變換器兩隻或兩組功率MOS管的柵極，使兩隻或兩組功率MOS管一隻開通，一隻關斷，交替工作。(
圖1，2所示為半橋式，如將兩隻半橋電容更換為功率MOS管，則為橋式，脈衝放大器必須再增加兩路)。此時串聯諧振電路中電容C0、電感L0中有交變電流流過，交變電流經高頻電流互感器H感應耦合的電流信號送入鎖相環路的一個輸入端；鎖相環路輸出的方波信號送入鎖相環路的另一個輸入端。這兩個信號在鎖相環路內進行相位比較，比較後產生的相位誤差經過濾波。鎖相環路將根據相位誤差的大小、自動調整振蕩輸出頻率。此過程多次反覆，直到兩個信號的相位誤差等於一個合理的較小值時，鎖相環路處於鎖定狀態。
鎖相環鎖定的頻率正好是由L0、C0所確定的串聯諧振頻率，即fo=12L0C0]]>。其中L0由高頻變壓器次級感應圈所形成的電感量等效到初級端而成，滿足L0≈n2L1。因此LP、C0發生的串聯諧振發生在高頻變壓器次級感應圈中，被加熱負載將從感應圈中高效率地獲得最大功率的高頻能量。
本實用新型具有較高的高頻功率轉換效率，因而被加熱負載能獲得最大的高頻能量。L0實質上是由一個耦合係數近似為1的高頻變壓器將次級感應圈電感等效形成的。串聯諧振發生在次級感應圈中。它可以用下述等效電路說
圖1中，L1為初級電感，L1＞＞n2L2，L1支路可視為開路，L1′為初級漏感L1′＜＜n2L2，可忽略不計n為變壓器匝比XL＝Wn2L2＋n2RLL0≈n2L2當電路發生串聯諧振時，WL0=1WC0]]>，高頻電功率全部加在n2RL上，從而獲得最大功率。
在高頻感應加熱焊接中，被加熱負載要影響L0，L0是一個隨工件大小，材料以及加熱溫度變化的變量，電路中引入鎖相環IC1，正是為了滿足驅動頻率對實際諧振頻率的跟蹤，保證高頻加熱焊接始終工作在最佳狀態。
本實用新型具有較高的工作頻率。高頻功率MOS管BG1、BG2要進行高速開關、要求脈衝放大器必須能輸出和吸入較大的電流，保證高頻功率MOS管柵極電容的快速充放電。脈衝放大器的輸出級引入中功率MOS管獲得了很好的效果。
高頻功率MOS管進行高速開關的另一個必要條件是電路中必須克服高頻功率MOS管的漏源極電容CDS的影響。本實用新型引入IC5作移相器，將IC4的輸出驅動方波移相後與電流互感器H送入的電流波形進行相位比較，保證了電路在任意頻率下，電壓波形超前於電流波形一個小的相差。因此在BG1、BG2換相時，殘留在L0中的部份能量，完成對漏源極電容CDS的快速充放電，實現高頻功率MOS管的高速開關。
本實用新型通過雙向可控矽SG實現了輸入電壓的軟啟動。防止了頻繁開關帶來的衝擊浪湧電流。對提高器件的可靠性極為有利。
本實用新型還包含一個特殊形狀的感應圈。如圖4所示。採用這種形狀的感應圈對提高焊接工效將產生積極的作用。
本實用新型體積小重量輕、重量小於20Kg。可輸入單相交流電(50HZ，220V)。與已有技術相比，體積僅為1/40，重量僅為1/20，耗電量僅為1/5，成本大大降低。使用十分方便，節能效果非常顯著，焊接時間≤10秒，效率≥90％。十分適合環境條件差，分散的石材加工業的需要。
如下是本實用新型的實施例
圖1為本實用新型的框圖。
圖2為本實用新型的電路原理圖。
圖3為本實用新型的主視圖。
圖4為本實用新型的感應線圈主視圖。
圖5為圖4的俯視圖。
圖6為圖4的左視圖。
如下是本實用新型的實施例石材切機園鋸片直徑在350～550mm範圍內可使用小刀盤掛軸16裝夾；1000—2100mm範要內可使用大刀盤掛軸17裝夾。焊接前，將園鋸片裝夾在刀盤掛軸上，並適當壓緊。調節刀盤曲拐21，使園鋸片鋸齒置於感應圈9中；再調節主機微調19，使感應圈9正對鋸齒。此時可在鋸齒上放上銀焊劑，銀銅片與被焊刀頭，放下刀頭杆18壓住刀頭。
啟動微型高頻感應加熱電源，冷卻電水泵開始工作。工作方始，可選擇點動(手動)也可選擇自動定時。如選擇自動定時方式，按下焊接開關，可在5—30秒內自動完成焊接工作。
本實用新型的電路由四個主要部分組成1、整流濾波電路該部分為常規全波整流濾波電路，目的為高頻功率變換提供穩定的直流能量，在輸出端接入直流電壓表V上，直流電流表A分別顯示高頻焊機工作時的直流電壓和直流電流。
不同之處是在整流濾波電路的交流輸入端接入一雙向可控矽SG，目的是為高頻焊機頻繁開關時提供開啟時的電壓緩升、減小啟動的浪湧衝擊電流。
2、高頻功率變換電路該部分可以是全橋式，也可以是半橋式。在功率較大時一般採用全橋式，功率較小時採用半橋式。全橋式功率MOS管將增加一倍，同時高速驅動器也增加一倍。由於工作原理相同，本例僅介紹半橋式。
圖中C1、C2組成一橋臂、目的是為諧振迴路提供雙向高頻電流通路，BG1、BG2組成另一橋臂。諧振電容C0與等效電感L0串後接入兩組橋臂中。當BG1、BG2交替導通、關斷時，在C0、L0中將有一交變電流通過。而BG1、BG2的開關頻率滿足fo=12L0C0]]>時，C0、L0將產生串聯諧振。在框圖原理中分析過，L0實際上是高頻變壓器次級感應圈電感在初級的等效值、串聯諧振發生在次級感應圈中，被加熱負載將獲得最大的高頻能量。
3、鎖相環路與控制電路該部分由常規穩壓電源20供電。
K為外控開關，當開關K接地時，焊機停止工作；K接+VCC時，焊機工作，開關K分別接到R10和D2上，外控信息分為兩路。一路經R10，C6，運放IC2組成的積分器，其輸出接入常規可控矽移相觸發器13的控制端和二極體D1上。在外控開關K開和關時，運放IC2輸出產生下降和上升的斜坡電壓，此斜坡電壓使可控矽移相觸發器13的觸發導角線性的減小或增加。可控矽移相觸發器的隔離輸出端連接在雙向可控矽SG觸發極上，從而達到整流濾波器輸出直流電壓的緩升，緩降。通過D1連接到鎖相環CD4046的9腳上，此斜坡電壓使鎖相的振蕩頻率線性地上升或下降，完成電源開啟時的頻率掃描。
另一路經D2接入D觸發器IC3的復位端R上。D觸器IC3與R8、C7組成單穩態電路，穩態時間由R8、C7確定。D端接高電位，同步控制端CP接鎖相環輸出4腳，輸出Q端接門1、門2和R8。此單穩態電路的作用是產生死區時間。每當鎖相環IC1，輸出4腳的方波上跳變時，D觸發器IC3的Q端輸出高電平。此高電平一方面封鎖門1、門2的輸出，同時經R8向C7充電，在工作狀態，D2反偏隔離，C7的電壓上升，到達復位端R的域值電壓時，觸發器復位，Q輸出低電平，對門1、門2允許輸出。
D輸發器IC4的輸出Q端連接到D端，構成分頻器。同頻控制端CP連接鎖相環IC1的4腳，輸出Q、Q端連接門1、門2。分頻器的作用是將鎖相環IC1的輸出頻率2分頻，形成兩路完全對稱，相位相差 的驅動脈衝。
門3、R9、C8與D觸發器IC5構成脈衝移相電路。移相時間由R9、C8確定。門3的輸入與D觸發器IC5的復位端R相連，接到IC4的Q端，同步端CP連到R9、C8之間，R9的一端連接門3的輸出，D端接高電平，輸出Q端連接鎖相環的輸入端3腳。當IC4輸出端Q為高電平時，IC5復位，Q端輸出低電平，門3輸出低電平，C8通過R9放電。當IC4輸出低電平時，門3輸出高電平，通過R9向C8充電。C8的電壓上升到同步端CP的域值電壓時，觸發器IC5輸出端Q變為高電平，完成IC4輸出方波的移相。
門1、門2的作用是將IC4輸出的相差為 的對稱驅動方波，與IC3輸出的死區控制脈衝合成，並輸送給BG7、BG8、BG9、BG10組成的兩路射極輸出放大電路，進行功率放大。二極體D3、D4、D5、D6均反並在對應的三極體C、e極上，用於吸收脈衝變壓器T關斷時的尖峰電壓。
脈衝變壓器T的初級兩端分別連接在兩對射極輸出放大器的發射極上、次級分別連在兩路高速驅動器的輸入端。脈衝變壓器的作用是實現驅動方波脈衝的隔離傳送。
集成電路CD4046是單片鎖相環。它的6、7腳接電容C4、C4是基本的時基電容，R5接11腳，確定振蕩頻率的上限，R6接12腳確定振蕩頻率的下限。13腳輸出相位誤差，接到R7上。T7、C5組成濾波器，濾波後接入9腳。9腳是鎖相環壓控振蕩器的輸入。電流互感器H經過隔離電容C3接到14腳。14腳、3腳是鎖相環的兩個輸入端。振蕩頻率經4腳輸出。鎖相環的作用是保證輸入的驅動方波頻率穩定地跟蹤由L0、C0確定的串聯諧振頻率上。從而獲得最佳工作狀態。
4、高速驅動電路在高速驅動電路中包含有一個脈衝電壓放大器10，在小功率情況下用常規方法很容易獲得較高的開關速度。在輸出段需要較大的輸出和吸入電源，因此增加了一對互補型功率MOS11管，保證了較高的開關速度。BG3、BG4為互補型中功率MOS管，它們的柵極連接在一起，接在脈衝放大器的輸出端。它們的漏極連在一起，接R2。R2為限流電阻，R2的另一端接R1和功率MOS管的柵極，R1為分流電阻，防止高速驅動器失電時，功率MOS管的柵極浮地而引起損壞。兩路高速驅動電路原理相同。
IC2為cm324，IC3、IC4、IC5為CD4013。
工作原理如下當外控開關K接地，整個電路停止工作，處於準備狀態。此時運放IC2輸高電平，限制雙向可控矽的導通，高頻功率部分無直流電壓而停止工作。另外、D2將IC3復位端鉗位，Q端輸出高電平、封鎖門1、門2。門1、門2無驅動脈衝輸出。高速驅動器輸出維持在—Vcc，功率MOS管BG1、BG2關閉。
當外控開關接高電平，D2反偏隔離，IC3恢復單穩態功能，門1、門2允許鎖相環IC1的振蕩方波經IC4分頻後輸出。輸出方波驅動信號經功率放大，由脈衝變壓器隔離傳輸至脈衝放大器1、2。此信號經放大後經R2、R4送至功率MOS管BG1、BG2的柵極，使BG1、BG2交替導通與關斷。
外控開關K接高電平後，經R10、C6和IC2積分，輸出將線性下降，經可控矽移相觸器變換後驅動雙向可控矽SG逐步導通，整流濾波器輸出直流電壓逐步升高，直至滿電壓輸出。
隨著IC2積分器輸出線性下降，經D1輸至IC1的9腳，鎖相環振蕩頻率也逐漸低。
在電源整流濾波器有直流輸出後，隨BG1、BG2的交替導通關斷，L0、C0中將有一交變電流通過，此交變電流經電流互感器H耦合，再經C3送入鎖相環IC1的輸入端14腳。另外，鎖相環的振蕩信號輸出經IC4分頻後由IC5移動一個小的相位，再將移相後的振蕩信號送入鎖相環的另一個輸入端3腳。這兩個信號在鎖相環IC1中進行相位比較，相位誤差由13腳輸出經RC濾波，反回到9腳，根據相位誤差的大小，改變振蕩頻率後由4腳輸出。多次重複上述過程，在14腳，3腳上的兩信號的相位誤差將穩定在一個較小的數值上，整個電路完成鎖定。
鎖定後的頻率輸出能夠自動跟蹤由L0、C0決定的串聯諧振頻率的變化。
由於L0、C0始終穩定在串聯諧振頻率上，所以被加熱負載將獲得最大的高頻功率。
權利要求1.高頻感應加熱焊機，其特徵在於由互感器H，電容C0，電感L0串連組成的諧振電路(1)一端接於電容C1，C2連接組成的或一對功率MOS管(12)漏極連接在一起組成的橋臂(2)中點，電路(1)的另一端接於一對功率MOS管(12)漏極連接在一起組成的橋臂(3)的中點，兩橋臂(2)，(3)的端點相連，接於整流濾波電路(4)的輸出端，互感器H的輸出接於鎖相環(5)的一個輸入端，鎖相環(5)輸出的方波送入鎖相環的另一個輸入端，這兩個信號在鎖相環路內進行相位比較，比較後的的相位誤差經濾波送入鎖相環的第三個輸入端，鎖相環(5)根據相位誤差的大小，自動調整振蕩輸出頻率，鎖相環(5)的輸出接D觸發器(6)和或門(7)組成的控制電路(8)，控制電路(8)輸出的多路相位相差 的對稱方波脈衝，經隔離耦合送到兩路或四路脈衝放大器(10)進行脈衝功率放大，經放大後的方波脈衝分別送到橋臂(3)或橋臂(3)和(2)中的功率MOS管的柵極，使兩隻或兩組功率MOS管一隻開通，一隻關斷交替工作，而使串聯諧振電路(1)中的電容C0，電感L0中有交流電流流過，在感應圈(9)產生焊接需要的熱量，有穩壓電源(20)。
2.根據權利要求1所述的高頻感應加熱焊機，其特徵在於鎖相環(5)為集成電路IC1CD4046，互感器H的輸出通過電容C3接於鎖相環(5)的14腳，CD4046的6，7腳接電容C4，11腳通過R5接地，12腳通過R6接地，13腳輸出相位誤差，接於R7上，R7，C5組成濾波器，濾波後接入9腳，9腳是鎖相環壓控振蕩器的輸入，14腳，3腳是鎖相環的兩輸入端，振蕩頻率經4腳輸出，外控開關K經二極體D2接入D觸發IC3的復位端R上，IC3與R8，C7組成單穩態電路，其D端接高電位+VCC，同步控制端CP接CD4046的4腳，輸出端Q接門1、門2輸入和R8，D觸發器IC4的輸出Q端連接到D端，構成分頻器，同步控制IC1的4腳，輸出Q、Q端連接門1、門2輸入，分頻器將IC1的輸出頻率2分頻，形成兩路完全對稱，相位相差 的驅動脈衝，門3的輸出接R9，R9與C8連接，C8另一端接地，門3的輸入與D觸發器IC5的復位端R相連，接到IC4的Q端，IC5的同步端CP連到R9，C8之間，D端接高電平+Vcc，輸出端Q接IC1的3腳，門1，門2的輸出各接一路由二晶體三極體組成的射極放大器，電晶體的發射極相連，接脈衝變壓器T初級，二極體D3～D6反並在對應的晶體三極體的C，e極上，用於吸收脈衝變壓器T關斷時的尖峰電壓，T的次極分兩路或四路連在脈衝放大器(10)的輸入端，脈衝放大器的輸出各接一對互補型中功率MOS管(11)的連在一起的柵極，MOS管(11)的漏極連在一起，接限流電阻R2，R2的另一端接MOS管(12)的柵極，R1為分流電阻，接於柵極和—Vcc之間。
3.根據權利要求1或2所述的高頻感應加熱焊機，其特徵在於有R10、C6，運算放大器IC2組成的積分器，IC2的正輸入端接地，負輸入端一路經R10接K，一路接電容C6，C6一路與IC2輸出連接，接可控矽移相觸發器(13)的控制端，觸發器(13)的隔離輸出端連接在雙向可控矽SG的觸發極上，SG接入整流濾波電路(4)的交流輸入端，C6另一路接二極體D1，D1連接IC1的9腳。
4.根據權利要求1或2所述的高頻感應加熱焊機，其特徵在於感應圈(9)有內圈(14)，外圈(15)，兩圈盤旋組合成單圈結構。
5.根據權利要求3所述的高頻感應加熱焊機，其特徵在於感應圈(9)有內圈(14)，外圈(15)，兩圈盤旋組合成單圈結構。
專利摘要本實用新型為高頻感應加熱焊機。由互感器H，電容CO，電感LO串連組成諧振電路1，其一端接於C1，C2組成的橋臂2的中點，另一端接於一對功率MOS管12組成的橋臂3的中點。兩橋臂端點相連，接於整流濾波電路4的輸出端。互感器H的輸出接於鎖相環5的一個輸入端。鎖相環5的輸出接D觸發器6和或門7組成的控制電路8。電路8輸出的相位兩兩相差π/2的對稱方波脈衝到脈衝放大器放大後送到MOS管12的柵極，MOS管一隻開通，一隻關斷交替工作，使電路1中有交流電流，在感應圈9產生焊接所需要的熱量。
文檔編號B23K13/00GK2234328SQ9620108
公開日1996年9月4日 申請日期1996年1月17日 優先權日1996年1月17日
發明者陳信敏 申請人:新都縣科智微機應用研究所