电阻焊设备及控制(2)-电阻焊机主电源（单相工频交流焊机）

文/赵升吨

1、电阻焊机主电源

根据电阻焊的基本原理及工艺要求，电阻焊机主电源一般具有以下特点：

①输出大电流、低电压。

② 电源功率大，且可调节。

③一般无空载运行，负载持续率低。

④可采取多种供电方式。

电阻焊机主电源可以采用单相工频交流、三相低频、二次整流、电容储能和逆变等方式供电，由于这几种供电方法的电阻焊机主电源的工作原理、特点及用途各不相同，通常根据被焊材料的性质和厚度、被焊工件的焊接工艺要求、设备投资费用以及用户的电网情况等因素选择其中一种供电方式的焊机。

1.1 单相工频交流焊机

1.1.1 工作原理、特点及用途 ——原理

电阻焊设备中，单相工频交流焊机是应用最为广泛的一种。

一般由单相交流380V电网供电，流经主电力开关及功率调节器输入到焊接变压器的一次绕组，再经过焊接变压器降压从其二次绕组输出一个与电网相同频率的交流大电流用于焊接工件。

单相工频交流电阻焊机电气框图及焊机电流波形

单相工频交流电阻焊机通用性强，控制简单，调整方便，设备投资及维修费用较低。

但这种电源有两个主要缺点：

一是由于使用单相380V电网，且焊接通过时间短，瞬时功率大，特别是在供电电网功率不足的情况下，单相工频交流电阻焊机的使用会对电网产生很大的冲击，同时使电网品质发生恶化以至影响其它用电设备的正常工作。
二是由于工频交流焊机焊接回路的电抗较大，功率因数低（通常约为0.4～0.5），能耗大。

单相工频交流电源既可用于点焊机、凸焊机及缝焊机，也可用于对焊机。

单相工频交流点、缝焊机功率一般不超过300～400kV·A，凸、对焊机功率不超过1000kV·A。

单相工频交流焊机一般用于焊接电阻率较大的材料，如：碳钢、不锈钢、耐热钢等，但不能要求焊机有很大的焊接回路，且焊接回路内应尽量避免伸入磁性物质，因为这些都会使焊接回路阻抗增加，焊接电流减小。

对于某一工厂，在同一电力变压器下如果同时使用多台单相工频交流焊机，可以将它们错开分别接到供电电网的三相上，这样既可降低焊机对电网功率的需求量，又可使供电电网三相尽可能均衡。

1.1.2.1 阻焊变压器——特点

阻焊变压器是电阻焊电源的核心，其工作原理与普通电力变压器基本相同，但其结构和性能指标上有其特点。

阻焊变压器的性能指标通常有：额定容量（Sn）、额定焊接电流（I2n）、额定负载持续率（×%）、一次电压（U1n）、二次空载电压（U20）等。

前面提及的电阻焊机主电源的几个特点也集中地反映在阻焊变压器上。

阻焊变压器的输出电流大（通常为1～100kA），输出电压低（固定式交流电阻焊机变压器的空载电压通常在12V以内，移动式焊机因焊接回路长，范围宽，空载电压可达24V左右），二次绕组匝数很少，通常只有一匝。

阻焊变压器的功率一般很大，通常为几十至几百kV·A，特殊要求的可达几千kV·A。

为满足焊接工艺的上述要求，可以通过改变阻焊变压器一次绕组匝数的方法来分级调节输出空载电压和焊接功率。阻焊变压器是一种周期工作的变压器，工作周期是指焊接通电时间（负载持续时间）与断电时间（空载时间）之和，焊接通电时间与全周期时间的比值称为焊机的负载持续率。虽然阻焊变压器的负载持续率比弧焊变压器低，按现行的国标规定，通用电阻焊机主电源的额定值都是按负载持续率为50%设计的。

1.1.2.2 阻焊变压器——结构

阻焊变压器可以采用芯型、壳型和环型等结构形式：

左：芯型变压器；中：壳型变压器；右：环型变压器
1—铁心 2—一次绕组 3—二次绕组 4—焊件

（1）芯型变压器构造简单、制造方便，但漏抗大，电气性能差，目前仅用于5kV·A以下的小功率电阻焊机上。

（2）环型变压器漏抗最小，电气性能优良，但制造复杂，维修困难，目前很少使用。

在电阻焊机上用得最多的是壳型变压器，这种变压器的突出优点是：电气性能良好，冷却效果好，便于维修，且这种变压器结构紧凑，比相同功率的芯型变压器体积小。尤其是环氧树脂真空浇铸的壳型变压器近年来发展很快，具有体积小、机械强度高和使用寿命长等优点，广泛用于新型电阻焊机和点焊机器人上。

（3）壳型阻焊变压器三个主要部件为：变压器铁心、一次绕组和二次绕组。

变压器铁心为双口型，用条料、П形料叠制，也可用四个卷制的c形铁心叠块组成。

一次绕组采用扁铜线绕成盘形。

二次绕组一般为一或两匝，以降低变压器漏抗，并采用多块边缘焊有冷却水管的铜板或铜管组件并联，铜管本身兼作冷却水管道。

一次、二次绕组的布置为：每一块二次绕组的两侧各紧贴一盘一次绕组，绕组的数量根据变压器功率及结构要求设计，这种绕组布置方案既有利于一次绕组的冷却，又可减小变压器的漏抗。

1.1.2.3 阻焊变压器——输出功率调节

根据变压器理论可列出关系式

式中：K， 变压比；U1， 一次电压（V）；U20 ， 二次空载电压（V）；n1 ， 一次绕组匝数；n2 ， 二次绕组匝数。

通常 n2=1，

焊接电流 （Z是焊接回路阻抗）

上式表明：当电网电压U1及焊接回路阻抗Z不变时，改变阻焊变压器一次绕组的匝数，即可改变二次空载电压，从而改变焊接电流大小，达到功率调节的目的。变压器一次绕组匝数越少，其输出功率越大。

阻焊变压器输出功率的调节方法有两种：

①自耦变压器调压法（抽头式），缺点是绕组利用率低、安全性差，一般只能用于小功率焊机上；

②采用分段串、并联法（串并联式）改变一次绕组匝数，这种方法的绕组利用率高，目前广泛用于中、大功率的阻焊变压器上，根据功率大小，可分别采用4级、8级或16级。

（a）

（b）
阻焊变压器输出功率调节原理图 (a)抽头式 (b)串并联式

1.1.3.1 焊接回路

在电阻焊机中，从变压器二次开始经过导电回路、焊件等回到变压器二次绕组所形成的环路，亦即焊接电流流经的回路称作为焊接回路。

下图是点（凸）焊机焊接回路的组成和等值电路图，缝焊机、对焊机的焊接回路与点（凸）焊机类似，只是具体构件组成有所不同，其等值电路图相同。

1—变压器二次绕组 2—硬连接铜排 3—软连接铜皮（或电缆） 4—电极平板 5—电极臂 6—电极握杆 7—电极 8—焊件
RT、XT——折算至变压器二次侧的等值电阻、等值感抗
RL、XL——回路构件的等值电阻、等值感抗（包括各构件连接处的接触电阻）
RW、XW——焊件等值电阻和等值感抗

1.1.3.2 焊接回路——结构特征

以点（凸）焊机焊接回路为例，它一般是由阻焊变压器的二次绕组、硬导体、软导体（由多层薄纯铜皮叠成或多组多芯铜电缆组成）、电极平板（凸焊机）、电极臂、电极握杆、电极及焊件等组成。

从机械结构上考虑，由于焊接回路要传递焊接大电流及较大的机械力，应满足强度、刚度和发热要求，焊接回路各部分构件要有足够大的截面尺寸、良好的导电、导热性，各构件之间的接触电阻应尽可能小，并采用通水冷却方式。

1.1.3.3 焊接回路——电气特点

根据点（凸）焊机焊接回路的等值电路图，焊接回路的总阻抗包括电阻和感抗两部分，可由下式表示

Z——折算至焊接回路的总阻抗

R——折算至焊接回路电阻，R=RT+RL+RW

X——折算至焊接回路感抗，X=XT+XL+XW

焊接回路短路时，短路电阻RCC=RT+RL，短路电感XCC=XT+XL，其短路阻抗为：

通常，工频交流电阻焊机焊接回路的短路阻抗约为150～400μΩ，其中短路电阻RCC约为60～150μΩ，短路感抗XCC约为120～400μΩ。

焊接回路短路电阻RCC除了与变压器一次或二次绕组参数及焊接回路各构件的材料、尺寸等因数有关外，还受回路各构件连接处的接触电阻大小的影响，每一连接处的接触电阻数值一般约为2～20μΩ。焊接回路的短路感抗XCC由阻焊变压器的漏抗及回路构件的感抗组成。

回路感抗与焊接回路所包围的面积之间的关系如左图所示，并随磁性物质的伸入而增加。

电阻焊机的功率因数cosф反映了电流和电压的相位关系，对选配控制设备、调整控制角、稳定焊接电流、避免电网承受冲击载荷以及使网路负担合理、充分利用电网能量等都有关系。电阻焊机的功率因数可以用下式表示：

短路时的功率因数为

上式看出：电阻焊机短路时的功率因数随着焊接回路短路感抗的增加而减小。对于某一特定的焊机，cosфCC不随焊机输出功率变化而变化。单相工频交流电阻焊机的功率因数很低，通常只有0.3～0.5。在焊接负载条件下，随着被焊材料不同，材料厚度不同，即焊件有效电阻不同，cosф也不同。当焊件电阻RW减小时，cosф也减小，短路时cosф=cosфCC 为最小。

衡量电阻焊机焊接回路性能有两个关键的指标，即焊接回路的短路阻抗和焊机的功率因数。

为了尽可能地减小能量损耗以及减小对电网品质的影响，在设计制造焊机时，可通过采取降低变压器漏抗，减小焊接回路所包围的面积、降低各构件连接处的接触电阻等措施来减小焊接回路的短路阻抗，并采取上述前两条措施来提高焊机的功率因数。

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