华巨电子PTC热敏电阻在逆变直流点焊机和电容储能焊机中的应用-华巨电子


逆变直流点焊机和电容储能焊机优劣势对比

逆变直流点焊机 电容储能点焊机

电流控制 焊接电流为脉动直流,无交流过零不加热工件的缺点。

每一个焊接周波为0.25毫秒(4kHz逆变频率),每0.25毫秒自动检测输出电流,保证了输出电流的一致性,避免了受电网波动影响,避免了虚焊的情况。

控制精度高,焊接时间可控制在N个周波。 电容贮能焊机将电容中储存的能量一次性释放给焊接回路,输出能量调节靠控制电容的充电能量完成,通常有调节充电电压和电容容量两种方法,输出电流为脉冲电流,时间不能通过电子控制来调节。电流控制相对差些。

长期稳定性 不需更换核心零部件,能保证长期电流输出的稳定和一致。保证了焊接的一致性。核心部件电容器是消耗品,需要定期检测电容器的能量,就像充电电池、笔记本电池一样,用了一段时间后,同样充满电,但能量已经不一样了。需要更换电容器。

焊接速度 焊接速度快,实际每分钟输出焊点可达500个,最高可输出焊点每分钟可达1200个焊点。

完全可配套自动化焊接设备。 电容贮能焊机需要合理的电容充电过程(否则电容容易损坏),降低了生产速度。

节能效果 逆变焊机变压器工作在较高的频率(1-4kHz),损耗很小,直流输出改善功率因素,节能效果明显。

可节能50%以上。电容贮能焊机的变压器实际工作在更低的频率,变压器铁心更大,损耗加大;电容充电回路也增加损耗。

设备体积与重量 逆变直流电阻点焊机变压器小、没有庞大的电容器组,设备较轻巧。电容贮能焊机的变压器铁心大,储能电容也占据相当空间,设备笨重。

电极寿命 电极损耗小,可恒压 电极损耗较大

价格 价格稍贵(一次性投资) 价格稍便宜。但定期需要更换电容器,功率大的电容器价格也较贵。

逆变直流点焊机和电容储能焊机优劣势对比

逆变直流点焊机 电容储能点焊机

电流控制 焊接电流为脉动直流,无交流过零不加热工件的缺点。

每一个焊接周波为0.25毫秒(4kHz逆变频率),每0.25毫秒自动检测输出电流,保证了输出电流的一致性,避免了受电网波动影响,避免了虚焊的情况。

控制精度高,焊接时间可控制在N个周波。 电容贮能焊机将电容中储存的能量一次性释放给焊接回路,输出能量调节靠控制电容的充电能量完成,通常有调节充电电压和电容容量两种方法,输出电流为脉冲电流,时间不能通过电子控制来调节。电流控制相对差些。

长期稳定性 不需更换核心零部件,能保证长期电流输出的稳定和一致。保证了焊接的一致性。核心部件电容器是消耗品,需要定期检测电容器的能量,就像充电电池、笔记本电池一样,用了一段时间后,同样充满电,但能量已经不一样了。需要更换电容器。

焊接速度 焊接速度快,实际每分钟输出焊点可达500个,最高可输出焊点每分钟可达1200个焊点。

完全可配套自动化焊接设备。 电容贮能焊机需要合理的电容充电过程(否则电容容易损坏),降低了生产速度。

节能效果 逆变焊机变压器工作在较高的频率(1-4kHz),损耗很小,直流输出改善功率因素,节能效果明显。

可节能50%以上。电容贮能焊机的变压器实际工作在更低的频率,变压器铁心更大,损耗加大;电容充电回路也增加损耗。

设备体积与重量 逆变直流电阻点焊机变压器小、没有庞大的电容器组,设备较轻巧。电容贮能焊机的变压器铁心大,储能电容也占据相当空间,设备笨重。

电极寿命 电极损耗小,可恒压 电极损耗较大

价格 价格稍贵(一次性投资) 价格稍便宜。但定期需要更换电容器,功率大的电容器价格也较贵。

一、什么叫主回路

主回路指焊机中提供功率电源的电路部分。

二、主回路原理图(以ARC160例)

三、组成器件说明

   1、K——电源开关

用以接通(或切断)与市电(220V、50赫兹)的联系

2、 RT——起动电阻

因焊机启动时要给后面的滤波电解电容充电。为避免过大的开机浪涌电流损坏开关及触发空开跳闸,在开机时接入启动电阻,用以限制浪涌电流。正常工作后,启动电阻被继电器短路。实际电路中,为避免因开机浪涌电流冲击肇成启动电阻损坏,起动电阻采用了华巨电子的热敏电阻(PTC和NTC),它们具有良好的耐冲击性。

下图为使用启动电阻和未使用启动电阻浪涌电流对比:

参考:http://www.sinochip.net/ptcremin/wmz12ahanji.htm



图3:主动浪涌电流限制

 

何时适宜采用PTC热敏电阻作为ICL

在某些应用中,使用PTC热敏电阻作为ICL可提供优异的性能。NTC ICL在电源打开时的阻值取决于环境温度。在较低的 环境温度下NTC热敏电阻的阻值会比较高,导致充电电流较低、充电时间较长。而另一方面,较高的环境温度会限制 NTC ICL抑制浪涌电流的能力,因为NTC热敏电阻已经处于低阻状态。这种温度依赖性会对部分应用,特别是工作温度 范围较宽的应用造成问题。比如,在北方冬季使用的户外电源,可能永远难以升得足够热以使电阻值降得足够低。

相反,热水循环泵在启动时可能已经很热了,这会使得NTC热敏电阻无法限制浪涌电流。在系统关闭后,NTC热敏电阻 的冷却时间通常在30S至120S间变动,具体时间取决于特定的设备、安装方式以及环境温度。仅当NTC ICL完全冷却后 才能够再次限制充电电流。在很多情况下,该冷却时间已经足够快;但是有时在NTC充分冷却之前便需要对浪涌电流进 行有效的限制。这可能出现在直流母线电容器的快速放电中,在逆变器驱动的家用电气如新型洗衣机和烘干机中便会出 现这种情况。在短暂的断电之后必要的冷却时间是非常关键的。因此,主动浪涌电流限制设计必须总是考虑到所有可能 的NTC ICL仍在低阻状态时浪涌电流峰值出现的情况。在这两种情况下,华巨科技(SINOCHIP) PTC热敏电阻都可以提供有 效的浪涌电流限制方案。

内置自我保护功能

在正常的工作条件下,PTC ICL作为一个普通电阻使用。当电源打开,元件温度与环境温度相同时,PTC ICL依型号不同 阻值在20 欧至500 欧之间变动。这已足够限制浪涌电流峰值。一旦直流母线电容器完全充电,PTC ICL便被旁路掉。如果充电电路出现故障,PTC热敏电阻的特殊功能便可发挥作用保护电路。当电流通过该元件,PTC热敏电阻温度会升 高,阻值也会显著增加。因此,得益于其自保护功能,PTC热敏电阻在以下失效模式下有着先天的优势:

– 电容器短路

– 当直流母线电容器充电后电流限制元件未被旁路(开关元件失效)。

所有这些失效模式都有一个共同点:电流限制元件受到热应力。有两种方式可以保证ICL元件不会在类似情况下损坏:使 用一个具有足够额定功率的功率电阻或者使用PTC热敏电阻。华巨科技(SINOCHIP) PTC ICL的设计使得其在直接连接至最 大额定电压的供电电压时也能工作,且无需额外的电流限制措施,因为PTC ICL具有自保护功能。在出现过大电流如短 路的情况下,PTC温度会升高,从而导致其阻值显著上升,这样PTC热敏电阻自己便可以将电流限制至非临界水平(图4)。

图4:电容器短路时的电流曲线

 


华巨科技(SINOCHIP) PTC热敏电阻在一些应用中作为主动浪涌电流限制的ICL元件有着一些关键优势:

– 其ICL功能不会受到极端工作温度的影响。

– 一旦负载关闭便可以实现有效的浪涌电流限制,冷却已经在正常工作时进行。

对由电路故障引发的电流过载有着自保护功能。

得益于华巨科技(SINOCHIP) ICL广泛的产品组合,您可在苛刻的温度条件下,实现对电源高浪涌电流和短路的可靠保护。

  

储能电容的充电控制电路

自我防护式充电电阻器以PTC(正温度系数)陶瓷为基础,用于平滑电源中的电容器。当发生短路时,它们会将电流限定在安全水平。普通电阻在电容充电时常用来限制电流。不过,这常有技术风险。举例来说,当短接电容器时,如果电容器短路或者继电器失灵,电阻器将持续暴露在大功率电平下。这可能导致电阻器或者整个系统遭到破坏。华巨电子用基于PTC陶瓷的新式WMZ12A-XXDXXXTXXXR系列充电电阻器,现已研发出一种专业解决方案:在自我防护的同时,还实现了相对紧凑的尺寸。

WMZ12AICL系列的典型应用范围为500 W至50 kW功率范围内的工业电源、变频器以及UPS(不间断电源)系统。在这些应用中,链路电容器用于平整生成的直流电压或者在链路中用作储能装置。当电容器充电时,通常需要串联一个电阻器来限制充电电流,以免产生超过允许范围的强电流峰值。一般是采用固定式普通电阻或负温度系数(NTC)电阻实现这一功能。在大多数情况下,会在充电之后使用一个由时间或电压控制的继电器来短接限流元件。充电电流的制约对整流器和转换器系统来说非常重要,因为产生的冲击电流峰值如果未得到限制,可能会触发熔丝或使整流器遭受超过允许范围的强电流。图1所示为传统整流器或转换器系统的方块图。

  

 如果运行时没有干扰,那么上述普通电阻器和继电器的组合足以限制充电电流。不过,在充电期间或充电后发生的干扰可能会导致这些电阻器彻底失灵,并因此导致系统其它元件的全面故障。

为处理典型故障,比如电容器短路或短路开关失灵,建议使用ICL系列PTC自我防护式充电电阻器。在无故障充电中,这些元件的作用就像固定式普通电阻器,可制约充电电流的峰值。当发生故障时,PTC陶瓷的温度和内阻将随加大的欧姆损耗一同增加(见图2),并将电流限定在安全级别。

  

 相比之下,如果将固定电阻器用作充电电流限制器,上述故障将导致电阻器产生相当高的功率耗损,这会要求元件要有一定大的尺寸,这很不经济。以下特殊实例(见图3)可清楚说明这一功能原理。

 

 上述电路采用三相桥式整流器,并将其接至相导线电压为400 VRMS的电源中。其中平滑电容器的电容为940 μF。并联电路含有两个WMZ12A-14D130T100R型充电电阻器,用于限定冲击电流。亦称为零电位电阻器,其额定电阻在25℃的环境温度下为100 Ω。在这种情况下,需要并联两元件:因为电能必须在充电期间内传到电容器,这会使单个WMZ12A-14D130T100R电阻器开始发热,直至温度高出允许范围,结果便导致电阻大大加强。这一情况应当避免,否则将无法对链路电容器进行彻底充电。

可以使用下面的公式计算出所需WMZ12A-14D130T100R系列元件的数量:

  

 

如果说元件WMZ12A-14D130T100R大约有2 J/K的热容,参考温度为130℃,那么既可串联也可并联两元件。满足上述等式可确保PTC陶瓷在充电完毕之前不会超出参考温度,并且维持在低电阻范围内。

当达到电容器95%的极限充电电压时,并联的WMZ12A-14D130T100R元件将被短路,同时将接入负荷(以260 Ω固定电阻器为代表)。因此两个J204元件构成的并联电路的性能与一个50 Ω的固定电阻相当。有关无故障充电的情况,请参见图4所示电流时间图。

 

 

 

在这两种情况下,充电电流的时间曲线几乎相同。PTC陶瓷与固定电阻在电流特性方面的细微差别的产生原因是:

* PTC热敏电阻的电阻温度特性形状特殊;另外,

* PTC陶瓷在开启时的对电压的依赖性非常强。在计算峰值冲击电流时,一定要考虑电压依赖性。

约过190 ms之后,充电完毕,充电电阻器便会短路。能量吸收曲线以及加热程度同样相差无几(见图5)。二者的最高点均与电容器在短路时的能量相对应。

 

 

当发生故障时,PTC热敏电阻用作限流元件的优势就会十分明显。如果继电器接通失败,负荷电流将流经充电电阻器,并产生强大的热应力,这要求电阻器有相应的尺寸。若采用基于PTC陶瓷的充电电阻器,其电阻会由于强大的起始功率损耗而升至数10 k,从而能够在故障发生期间限定电流(参见图6)。在约三秒之后,先流经两电阻器然后流经总体电路的电流已跌至数10 mA。有关吸取能量的比较,请参见图7。

  

 

在进入高阻状态后,PTC陶瓷将能量吸收限定为非关键值,而固定欧姆电阻器的吸收能量则呈直线上升。在该实例中,考虑到温度降额,固定电阻器必须具有200 W以上的额定功率,才能防止过热以及随后的损坏。

故障——电容器在充电开始时发生短路

强大的冲击电流在约150 ms之后使两个自我防护式充电电阻器产生高电阻性,进而限制电流。而流经固定电阻器的电流则仅由极低的电源线电阻进行限定,因此固定电阻器中会产生非常高功率的能量转换。

  

在短时间内,并联的两个自我防护式充电电阻器与外界达到热平衡,同时由于PTC陶瓷的高电阻值,吸收的能量仅有略微上升。最终产生的能量吸收与图7所示类似。


上述故障——电容器在充电开始时发生短路——表示:充电电阻器上存在极高的负荷。因此,J201充电电阻器需要额外使用一个固定电阻器限定短路电流。不过充电电阻器J202和J204的应用则无需使用固定电阻器作任何额外保护。


3、 J1——继电器

开关接通之后,电流通过启动电阻给滤波电解电容充电,当电容电压达到一定值时,辅助电源开始工作提供24V电,使继电器吸合,将启动电阻短路。

4、 DB——硅桥

此硅桥用于一次整流,将市电220V、50赫兹交流电整流后输出308V的直流电。

5、 C1——电解滤波电容

整流后输出的308V的直流电为脉动直流,此电容起滤平作用

6、 R——放电电阻

    在关机以后,滤波电容中存有很高电压,为了安全,用此电阻将存电放掉。

7、 C2——高频滤波电容

在高频逆变中,需要给开关管提供高频电流,而电解滤波电容因本身电感及引线电感的原因,不能提供高频电流,因此需要高频电容提供。

8、 Q——开关管

开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成全桥逆变器,在驱动信号作用下,将308V直流转变成100KHz(10万赫兹)交流电的。

9、 C3——隔直电容

    为避免直流电流流过变压器肇成变压器饱而接入此电容。

10、T1——主变压器

变压器的作用是将308V的高压变换成适合电弧焊接所需要的几十伏的低压。

11、D——快速恢复二极管

  D5、D6的作用是二次整流,即将100KHz的高频交流电流再次转变成直流电流。

12、L1——电抗器

    电抗器具有平波续流作用,可使输出电流变得连续稳定,保证焊接质量。

13、RF——分流器 

    分流器是用锰铜制成的大功率小阻值的电阻,用于检测输出电流的大小,提供反馈信号。

四、全桥逆变器工作原理

1、全桥逆变器的电路图

  


   2、全桥逆变器工作原理

全桥逆变器每个工作周期分四个时段,分别为t1、t2、t3、t4,其工作原理如下:

t1时段     K1、K4导通, K2、K3关断

电流方向: 正极    K1    T   C1    K4     地

t2时段     K1、K4、K2、K3关断

无电流

t3时段     K1、K4关断, K2、K3导通

电流方向: 正极    K2   C1    T    K3     地

t4时段     K1、K4、K2、K3关断

无电流

      从上述分析看,在t1与t3时段里,流过变压器T的电流方向正好相反,也就是将直流电变成了交流电。

主回路中点波形图

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