CN2234328Y - 高频感应加热焊机 - Google Patents

Abstract

本实用新型为高频感应加热焊机。由互感器H，电容CO，电感LO串连组成谐振电路1，其一端接于C1，C2组成的桥臂2的中点，另一端接于一对功率MOS管12组成的桥臂3的中点。两桥臂端点相连，接于整流滤波电路4的输出端。互感器H的输出接于锁相环5的一个输入端。锁相环5的输出接D触发器6和或门7组成的控制电路8。电路8输出的相位两两相差π/2的对称方波脉冲到脉冲放大器放大后送到MOS管12的栅极，MOS管一只开通，一只关断交替工作，使电路1中有交流电流，在感应圈9产生焊接所需要的热量。

Description

高频感应加热焊机

本实用新型与感应钎焊高频焊机有关，尤其与石材切割机园盘锯刀头复焊用的高频感应加热焊机有关。

传统的石材切割机园盘锯刀头复焊用的焊接设备，均为电子管式高频感应加热装置，存在效率低，功耗大，体积大，成本高的缺点。由于该装置设计为通用设备，没有考虑园盘锯刀头复焊的特点，必须三相交流工频供电，不适应石材加工业分散，供电困难的实际情况，使用十分不便并且受到限制。

本实用新型的目的是提供一种体积小，重量轻，成本低廉，效率高，节能，使用寿命长适应石材加工业分散特点，使用方便的高频感应加热焊机。

本实用新型是这样实现的：

互感器H，电容C0，电感L0串联组成的谐振电路1的一端接于电容C1，C2连接组成的或一对功率MOS管12漏极连接在一起组成的桥臂2的中点。电路I的另一端接于一对功率MOS管12的漏极连接在一起组成的桥臂3的中点。桥臂2、3的端点相连，接于整流滤波电路4的输出端。互感器H的输出接于锁相环5的一个输入端。锁相环5输出的方波送入锁相环5的另一个输入端，两个输入信号在锁相环路内进行相位比较，比较后的相位误差经滤波送入锁相环的第三个输入端。锁相环5根据相位误差的大小，自动调整振荡输出频率，输出接D触发器6和或门7组成的控制电路8。控制电路8输出的两路相位相差

的对称方波 脉冲，经隔离耦合送到两路或四路脉冲放大器10进行脉冲功率放大，经放大的方波脉冲分别送到桥臂3或桥臂2和3中的功率MOS管12的栅极，使两只或两组功率MOS管一只开通，一只关断，交替工作，而使串联谐振电路1中的电容C0，电感L0中有交流电流流过在感应圈9中产生焊接需要的热量。

本实用新型的锁相环5可为集成电路IC1CD4046，互感器H的输出通过电容C3接于锁相环5的14脚，CD4046的6，7脚接电容C4，11脚通过R5接地，12脚通过R6接地，13脚输出相位误差，接于R7上，R7，C5组成滤波器，信号滤波后接入9脚，9脚是锁相环压控振荡器的输入，14脚，3脚是锁相环的两输入端，振荡频率经4脚输出，外控开关K经二极管D2接入D触发器IC3的复位端R上，IC3与R8，C7组成单稳态电路，其D端接高电位+Vcc，同步控制端CP接CD4046的4脚，输出端Q接门1、门2输入和R8，D触发器IC4的输出Q端连接到D端，构成分频器，同步控制IC1的4脚，输出Q，Q端连接门1，门2输入，分频器将IC1的输出频率分频，形成两路完全对称，相位相差

的驱动脉冲，门3的输出接R9，R9与C8连接，C8另一端接地，门3的输入与D触发器IC5的复位端R相连，接到IC4的Q端，IC5的同步端CP连到R9，C8之间，D端接高电平+Vcc，输出端Q接IC1的3脚，门1，门2的输出各接一路由二晶体三极管组成的射极放大器，晶体管的发射极相连，接脉冲变压器T初级，二极管D3～D6反并在对应的晶体三极管的C，e极上，用于吸收脉冲变压器T关断时的尖峰电压，T的次极分两路或四路连在脉冲放大器10的输入端，脉冲放大器的输出各接一对互补型中功率MOS管11的连在一起的栅极，MOS管11的漏极连在一起，接限流电阻R2，R2的另一端接MOS管12的栅极，R1为分流电阻，接于栅极和—Vcc之间。

本实用新型可有R10、C6，运算放大器IC2组成的积分器，IC2的正输入端接地，负输入端一路经R10接K，一路接电容C6，C6一路与IC2输出连接，接可控硅移相触发器、13的控制端，触发器13的隔离输出端连接在双向可控硅SG的触发极上，SG接入整流滤波电路4的交流输入端，C6另一路接二极管D1，D1连接IC1的9脚。

本实用新型的感应圈9，有内圈14，外圈15，两圈盘旋组成单圈结构。

本实用新型的工作原理如下：

当电路接通电源后，由于双向可控硅隔离、整个电路不工作。由人工输入控制信号后，控制电路发出两路控制信号。一路送到双向可控硅，接通主电源，工频电源经整流滤波后将平滑直流送到高频功率变换器。另一路开启控制门，允许锁相环5的振谐信号送出。该信号是两路相位相差 的对称方波脉冲，经隔离耦合送到两路脉冲放大器进行脉冲功率放大。经放大后的方波脉冲分别送到高频功率变换器两只或两组功率MOS管的栅极，使两只或两组功率MOS管一只开通，一只关断，交替工作。(图1，2所示为半桥式，如将两只半桥电容更换为功率MOS管，则为桥式，脉冲放大器必须再增加两路)。此时串联谐振电路中电容C0、电感L0中有交变电流流过，交变电流经高频电流互感器H感应耦合的电流信号送入锁相环路的一个输入端；锁相环路输出的方波信号送入锁相环路的另一个输入端。这两个信号在锁相环路内进行相位比较，比较后产生的相位误差经过滤波。锁相环路将根据相位误差的大小、自动调整振荡输出频率。此过程多次反复，直到两个信号的相位误差等于一个合理的较小值时，锁相环路处于锁定状态。

锁相环锁定的频率正好是由L0、C0所确定的串联谐振频率，即 $\mathrm{fo}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L0\·C0}}$ 。其中L0由高频变压器次级感应圈所形成的电感量等效到初级端而成，满足L0≈n²L1。因此LP、C0发生的串联谐振发生在高频变压器次级感应圈中，被加热负载将从感应圈中高效率地获得最大功率的高频能量。

本实用新型具有较高的高频功率转换效率，因而被加热负载能获得最大的高频能量。L0实质上是由一个耦合系数近似为1的高频变压器将次级感应圈电感等效形成的。串联谐振发生在次级感应圈中。它可以用下述等效电路说

图1中，L1为初级电感，L1＞＞n²L₂，L1支路可视为开路，L1′为初级漏感：L1′＜＜n²L₂，可忽略不计n为变压器匝比XL＝Wn²L₂＋n²RL    L0≈n²L₂当电路发生串联谐振时， $\mathrm{WL}0=\frac{1}{\mathrm{WC}0}$ ，高频电功率全部加在n²RL上，从而获得最大功率。

在高频感应加热焊接中，被加热负载要影响L0，L0是一个随工件大小，材料以及加热温度变化的变量，电路中引入锁相环IC1，正是为了满足驱动频率对实际谐振频率的跟踪，保证高频加热焊接始终工作在最佳状态。

本实用新型具有较高的工作频率。高频功率MOS管BG1、BG2要进行高速开关、要求脉冲放大器必须能输出和吸入较大的电流，保证高频功率MOS管栅极电容的快速充放电。脉冲放大器的输出级引入中功率MOS管获得了很好的效果。

高频功率MOS管进行高速开关的另一个必要条件是电路中必须克服高频功率MOS管的漏源极电容CDS的影响。本实用新型引入IC5作移相器，将IC4的输出驱动方波移相后与电流互感器H送入的电流波形进行相位比较，保证了电路在任意频率下，电压波形超前于电流波形一个小的相差。因此在BG1、BG2换相时，残留在L0中的部份能量，完成对漏源极电容CDS的快速充放电，实现高频功率MOS管的高速开关。

本实用新型通过双向可控硅SG实现了输入电压的软启动。防止了频繁开关带来的冲击浪涌电流。对提高器件的可靠性极为有利。

本实用新型还包含一个特殊形状的感应圈。如图4所示。采用这种形状的感应圈对提高焊接工效将产生积极的作用。

本实用新型体积小重量轻、重量小于20Kg。可输入单相交流电(50HZ，220V)。与已有技术相比，体积仅为1/40，重量仅为1/20，耗电量仅为1/5，成本大大降低。使用十分方便，节能效果非常显著，焊接时间≤10秒，效率≥90％。十分适合环境条件差，分散的石材加工业的需要。

如下是本实用新型的实施例：

图1为本实用新型的框图。

图2为本实用新型的电路原理图。

图3为本实用新型的主视图。

图4为本实用新型的感应线圈主视图。

图5为图4的俯视图。

图6为图4的左视图。

如下是本实用新型的实施例：

石材切机园锯片直径在350～550mm范围内可使用小刀盘挂轴16装夹；1000—2100mm范要内可使用大刀盘挂轴17装夹。焊接前，将园锯片装夹在刀盘挂轴上，并适当压紧。调节刀盘曲拐21，使园锯片锯齿置于感应圈9中；再调节主机微调19，使感应圈9正对锯齿。此时可在锯齿上放上银焊剂，银铜片与被焊刀头，放下刀头杆18压住刀头。

启动微型高频感应加热电源，冷却电水泵开始工作。工作方始，可选择点动(手动)也可选择自动定时。如选择自动定时方式，按下焊接开关，可在5—30秒内自动完成焊接工作。

本实用新型的电路由四个主要部分组成：

1、整流滤波电路：

该部分为常规全波整流滤波电路，目的为高频功率变换提供稳定的直流能量，在输出端接入直流电压表V上，直流电流表A分别显示高频焊机工作时的直流电压和直流电流。

不同之处是在整流滤波电路的交流输入端接入一双向可控硅SG，目的是为高频焊机频繁开关时提供开启时的电压缓升、减小启动的浪涌冲击电流。

2、高频功率变换电路：

该部分可以是全桥式，也可以是半桥式。在功率较大时一般采用全桥式，功率较小时采用半桥式。全桥式功率MOS管将增加一倍，同时高速驱动器也增加一倍。由于工作原理相同，本例仅介绍半桥式。

图中C1、C2组成一桥臂、目的是为谐振回路提供双向高频电流通路，BG1、BG2组成另一桥臂。谐振电容C0与等效电感L0串后接入两组桥臂中。当BG1、BG2交替导通、关断时，在C0、L0中将有一交变电流通过。而BG1、BG2的开关频率满足 $\mathrm{fo}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L0\·C0}}$ 时，C0、L0将产生串联谐振。在框图原理中分析过，L0实际上是高频变压器次级感应圈电感在初级的等效值、串联谐振发生在次级感应圈中，被加热负载将获得最大的高频能量。

3、锁相环路与控制电路：

该部分由常规稳压电源20供电。

K为外控开关，当开关K接地时，焊机停止工作；K接+VCC时，焊机工作，开关K分别接到R10和D2上，外控信息分为两路。一路经R10，C6，运放IC2组成的积分器，其输出接入常规可控硅移相触发器13的控制端和二极管D1上。在外控开关K开和关时，运放IC2输出产生下降和上升的斜坡电压，此斜坡电压使可控硅移相触发器13的触发导角线性的减小或增加。可控硅移相触发器的隔离输出端连接在双向可控硅SG触发极上，从而达到整流滤波器输出直流电压的缓升，缓降。通过D1连接到锁相环CD4046的9脚上，此斜坡电压使锁相的振荡频率线性地上升或下降，完成电源开启时的频率扫描。

另一路经D2接入D触发器IC3的复位端R上。D触器IC3与R8、C7组成单稳态电路，稳态时间由R8、C7确定。D端接高电位，同步控制端CP接锁相环输出4脚，输出Q端接门1、门2和R8。此单稳态电路的作用是产生死区时间。每当锁相环IC1，输出4脚的方波上跳变时，D触发器IC3的Q端输出高电平。此高电平一方面封锁门1、门2的输出，同时经R8向C7充电，在工作状态，D2反偏隔离，C7的电压上升，到达复位端R的域值电压时，触发器复位，Q输出低电平，对门1、门2允许输出。

D输发器IC4的输出Q端连接到D端，构成分频器。同频控制端CP连接锁相环IC1的4脚，输出Q、Q端连接门1、门2。分频器的作用是将锁相环IC1的输出频率2分频，形成两路完全对称，相位相差 的驱动脉冲。

门3、R9、C8与D触发器IC5构成脉冲移相电路。移相时间由R9、C8确定。门3的输入与D触发器IC5的复位端R相连，接到IC4的Q端，同步端CP连到R9、C8之间，R9的一端连接门3的输出，D端接高电平，输出Q端连接锁相环的输入端3脚。当IC4输出端Q为高电平时，IC5复位，Q端输出低电平，门3输出低电平，C8通过R9放电。当IC4输出低电平时，门3输出高电平，通过R9向C8充电。C8的电压上升到同步端CP的域值电压时，触发器IC5输出端Q变为高电平，完成IC4输出方波的移相。

门1、门2的作用是将IC4输出的相差为

的对称驱动方波，与IC3输出的死区控制脉冲合成，并输送给BG7、BG8、BG9、BG10组成的两路射极输出放大电路，进行功率放大。二极管D3、D4、D5、D6均反并在对应的三极管C、e极上，用于吸收脉冲变压器T关断时的尖峰电压。

脉冲变压器T的初级两端分别连接在两对射极输出放大器的发射极上、次级分别连在两路高速驱动器的输入端。脉冲变压器的作用是实现驱动方波脉冲的隔离传送。

集成电路CD4046是单片锁相环。它的6、7脚接电容C4、C4是基本的时基电容，R5接11脚，确定振荡频率的上限，R6接12脚确定振荡频率的下限。13脚输出相位误差，接到R7上。T7、C5组成滤波器，滤波后接入9脚。9脚是锁相环压控振荡器的输入。电流互感器H经过隔离电容C3接到14脚。14脚、3脚是锁相环的两个输入端。振荡频率经4脚输出。锁相环的作用是保证输入的驱动方波频率稳定地跟踪由L0、C0确定的串联谐振频率上。从而获得最佳工作状态。

4、高速驱动电路：

在高速驱动电路中包含有一个脉冲电压放大器10，在小功率情况下用常规方法很容易获得较高的开关速度。在输出段需要较大的输出和吸入电源，因此增加了一对互补型功率MOS11管，保证了较高的开关速度。BG3、BG4为互补型中功率MOS管，它们的栅极连接在一起，接在脉冲放大器的输出端。它们的漏极连在一起，接R2。R2为限流电阻，R2的另一端接R1和功率MOS管的栅极，R1为分流电阻，防止高速驱动器失电时，功率MOS管的栅极浮地而引起损坏。两路高速驱动电路原理相同。

IC2为cm324，IC3、IC4、IC5为CD4013。

工作原理如下：

当外控开关K接地，整个电路停止工作，处于准备状态。此时运放IC2输高电平，限制双向可控硅的导通，高频功率部分无直流电压而停止工作。另外、D2将IC3复位端钳位，Q端输出高电平、封锁门1、门2。门1、门2无驱动脉冲输出。高速驱动器输出维持在—Vcc，功率MOS管BG1、BG2关闭。

当外控开关接高电平，D2反偏隔离，IC3恢复单稳态功能，门1、门2允许锁相环IC1的振荡方波经IC4分频后输出。输出方波驱动信号经功率放大，由脉冲变压器隔离传输至脉冲放大器1、2。此信号经放大后经R2、R4送至功率MOS管BG1、BG2的栅极，使BG1、BG2交替导通与关断。

外控开关K接高电平后，经R10、C6和IC2积分，输出将线性下降，经可控硅移相触器变换后驱动双向可控硅SG逐步导通，整流滤波器输出直流电压逐步升高，直至满电压输出。

随着IC2积分器输出线性下降，经D1输至IC1的9脚，锁相环振荡频率也逐渐低。

在电源整流滤波器有直流输出后，随BG1、BG2的交替导通关断，L0、C0中将有一交变电流通过，此交变电流经电流互感器H耦合，再经C3送入锁相环IC1的输入端14脚。另外，锁相环的振荡信号输出经IC4分频后由IC5移动一个小的相位，再将移相后的振荡信号送入锁相环的另一个输入端3脚。这两个信号在锁相环IC1中进行相位比较，相位误差由13脚输出经RC滤波，反回到9脚，根据相位误差的大小，改变振荡频率后由4脚输出。多次重复上述过程，在14脚，3脚上的两信号的相位误差将稳定在一个较小的数值上，整个电路完成锁定。

锁定后的频率输出能够自动跟踪由L0、C0决定的串联谐振频率的变化。

由于L0、C0始终稳定在串联谐振频率上，所以被加热负载将获得最大的高频功率。

Claims (5)

1、高频感应加热焊机，其特征在于由互感器H，电容C0，电感L0串连组成的谐振电路(1)一端接于电容C1，C2连接组成的或一对功率MOS管(12)漏极连接在一起组成的桥臂(2)中点，电路(1)的另一端接于一对功率MOS管(12)漏极连接在一起组成的桥臂(3)的中点，两桥臂(2)，(3)的端点相连，接于整流滤波电路(4)的输出端，互感器H的输出接于锁相环(5)的一个输入端，锁相环(5)输出的方波送入锁相环的另一个输入端，这两个信号在锁相环路内进行相位比较，比较后的的相位误差经滤波送入锁相环的第三个输入端，锁相环(5)根据相位误差的大小，自动调整振荡输出频率，锁相环(5)的输出接D触发器(6)和或门(7)组成的控制电路(8)，控制电路(8)输出的多路相位相差

的对称方波脉冲，经隔离耦合送到两路或四路脉冲放大器(10)进行脉冲功率放大，经放大后的方波脉冲分别送到桥臂(3)或桥臂(3)和(2)中的功率MOS管的栅极，使两只或两组功率MOS管一只开通，一只关断交替工作，而使串联谐振电路(1)中的电容C0，电感L0中有交流电流流过，在感应圈(9)产生焊接需要的热量，有稳压电源(20)。

2、根据权利要求1所述的高频感应加热焊机，其特征在于锁相环(5)为集成电路IC1CD4046，互感器H的输出通过电容C3接于锁相环(5)的14脚，CD4046的6，7脚接电容C4，11脚通过R5接地，12脚通过R6接地，13脚输出相位误差，接于R7上，R7，C5组成滤波器，滤波后接入9脚，9脚是锁相环压控振荡器的输入，14脚，3脚是锁相环的两输入端，振荡频率经4脚输出，外控开关K经二极管D2接入D触发IC3的复位端R上，IC3与R8，C7组成单稳态电路，其D端接高电位+VCC，同步控制端CP接CD4046的4脚，输出端Q接门1、门2输入和R8，D触发器IC4的输出Q端连接到D端，构成分频器，同步控制IC1的4脚，输出Q、Q端连接门1、门2输入，分频器将IC1的输出频率2分频，形成两路完全对称，相位相差

的驱动脉冲，门3的输出接R9，R9与C8连接，C8另一端接地，门3的输入与D触发器IC5的复位端R相连，接到IC4的Q端，IC5的同步端CP连到R9，C8之间，D端接高电平+Vcc，输出端Q接IC1的3脚，门1，门2的输出各接一路由二晶体三极管组成的射极放大器，晶体管的发射极相连，接脉冲变压器T初级，二极管D3～D6反并在对应的晶体三极管的C，e极上，用于吸收脉冲变压器T关断时的尖峰电压，T的次极分两路或四路连在脉冲放大器(10)的输入端，脉冲放大器的输出各接一对互补型中功率MOS管(11)的连在一起的栅极，MOS管(11)的漏极连在一起，接限流电阻R2，R2的另一端接MOS管(12)的栅极，R1为分流电阻，接于栅极和—Vcc之间。

3、根据权利要求1或2所述的高频感应加热焊机，其特征在于有R10、C6，运算放大器IC2组成的积分器，IC2的正输入端接地，负输入端一路经R10接K，一路接电容C6，C6一路与IC2输出连接，接可控硅移相触发器(13)的控制端，触发器(13)的隔离输出端连接在双向可控硅SG的触发极上，SG接入整流滤波电路(4)的交流输入端，C6另一路接二极管D1，D1连接IC1的9脚。

4、根据权利要求1或2所述的高频感应加热焊机，其特征在于感应圈(9)有内圈(14)，外圈(15)，两圈盘旋组合成单圈结构。

5、根据权利要求3所述的高频感应加热焊机，其特征在于感应圈(9)有内圈(14)，外圈(15)，两圈盘旋组合成单圈结构。

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