廣州電焊機(jī)廠 凌小莎

晶閘管控制4000A電解電源設(shè)計(jì)

廣州電焊機(jī)廠 凌小莎

某工程需要4000A電解電源，作者參與項(xiàng)目的主要設(shè)計(jì)。本文介紹該設(shè)計(jì)運(yùn)用大功率晶閘管控制，整體結(jié)構(gòu)采用組合式工藝，對(duì)于細(xì)部設(shè)計(jì)也作了介紹。

弧焊整流變壓器 晶閘管整流波形脈動(dòng)問(wèn)題 制圖軟件ACAD應(yīng)用 電路設(shè)計(jì)軟PTL應(yīng)用

一、概述

ZX5-4000晶閘管整流電源是按用戶的特殊要求而設(shè)計(jì)，應(yīng)用于大電流的裂解性場(chǎng)合。它具有動(dòng)特性好，電弧穩(wěn)定，效率高，噪音少的特點(diǎn)?？蛻粢蟊緳C(jī)操作方便，可遠(yuǎn)距離控制，對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能保持輸出電流的穩(wěn)定。

1.電源方案選定

由于我企業(yè)具備多年設(shè)計(jì)、生產(chǎn)晶閘管整流弧焊機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)小組認(rèn)為可以運(yùn)用晶閘管整流弧焊電源的基本原理設(shè)計(jì)ZX5-4000晶閘管整流電源，但是作為大功率的電源變壓器，其體積、重量都不是常用的批量生產(chǎn)產(chǎn)品，在總體設(shè)計(jì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)排布、控制線路幾個(gè)方面都存在困難。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)小組的詳細(xì)分析研究決定，具體是采用并聯(lián)式的方案，將5臺(tái)單獨(dú)的整流的電源（5個(gè)單獨(dú)模塊）組合成大電流輸出，由原來(lái)輸出直流焊接電流變?yōu)檩敵鲋绷麟娊怆娏?；為了提高設(shè)計(jì)水平和降低主要原材料的成本、加快工程進(jìn)度，全部圖紙?jiān)O(shè)計(jì)都采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件，調(diào)試輸出波形，以達(dá)到最佳設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。本人在設(shè)計(jì)小組中負(fù)責(zé)應(yīng)用繪圖軟件ACAD和電路設(shè)計(jì)軟件PTL在工程的第一階段繪出全套圖紙，使整個(gè)工程加快了材料采購(gòu)、加工的進(jìn)度，提前進(jìn)入總裝階段，是仿真測(cè)試的時(shí)間充裕，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電路上的問(wèn)題時(shí)有足夠時(shí)間調(diào)整。

2.電源工作原理

單獨(dú)模塊電源電壓經(jīng)三相主變壓器降壓后，由晶閘管組進(jìn)行整流，并利用晶閘管移相觸發(fā)控制電流的大小。從輸出端分流器上取出電流負(fù)反饋信號(hào)，使本機(jī)獲得下降的外特性。由于電流負(fù)反饋電路及控制電路的時(shí)間常數(shù)都較小，因此本機(jī)的動(dòng)特性好。具有較深的電流負(fù)反饋，使電流穩(wěn)定，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)±10%時(shí)，補(bǔ)償電路可使本機(jī)電流保持穩(wěn)定。單獨(dú)模塊電路原理方框圖見(jiàn)圖1。4000A電解電源整體原理圖見(jiàn)圖2。

圖1 單獨(dú)模塊電路原理方框圖

3.設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

GB 15579-2004 弧焊設(shè)備 第1部分：焊接電源

JB 6324-1992 KE型50A至500A電焊機(jī)用晶閘管

二、設(shè)計(jì)

1.弧焊整流變壓器

設(shè)計(jì)5臺(tái)輸出1250A的弧焊整流變壓器（即5個(gè)單獨(dú)模塊），將其并聯(lián)接線，安裝總開(kāi)關(guān)、輸入端、控制部分等。

圖2 4000A電解電源整體原理圖

2.整流波形脈動(dòng)問(wèn)題

弧焊整流變壓器是通過(guò)改變晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電流和輸出電壓的，因而電流電壓波形的脈動(dòng)比普通硅二極管整流器大。特別是在具有下降外特性的情況下，空載電壓比工作電壓要高得多，要求的電壓變化范圍很大?？蛰d時(shí)，晶閘管需要全導(dǎo)通以達(dá)到輸出高電壓，二在工作時(shí)，則要求其導(dǎo)通角變得很小以輸出低電壓。當(dāng)導(dǎo)通角較小時(shí)，整流波形脈動(dòng)加劇，甚至出現(xiàn)波形不連續(xù)，這樣將出現(xiàn)波形不穩(wěn)。項(xiàng)目中設(shè)計(jì)晶閘管整流變壓器時(shí)很重視這個(gè)問(wèn)題，運(yùn)用原來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，首先在每個(gè)單獨(dú)模塊輸出電路中串聯(lián)輸出電抗器，經(jīng)其濾波后給總輸出提供的電壓、電流波形保證是連續(xù)的，高次諧波成分受到了抑制。再有，仍然選擇原來(lái)已經(jīng)很成熟的整流電路，每個(gè)單獨(dú)模塊避免了波形不連續(xù)和減少脈動(dòng)，總輸出的電壓、電流也就很理想。

3.整體結(jié)構(gòu)

內(nèi)部為5臺(tái)60%暫載率的ZX5-1250電源并聯(lián)輸出結(jié)構(gòu)；輸出電流1000～4000A/44V；功率因數(shù)>0.25；輸入：3～380V±10%（305kAV.A ，220kW）；頻率：50Hz；輸入電流460A；總重量：4000kg。整體外觀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 整體外觀結(jié)構(gòu)

三、控制操作

（1）為了客戶操作與維護(hù)方便，本機(jī)單獨(dú)安裝自動(dòng)開(kāi)關(guān)或負(fù)荷開(kāi)關(guān)。自動(dòng)開(kāi)關(guān)容量為630A，電源輸入電纜截面積為70mm2（客戶自備），輸出端正負(fù)極各采用兩條截面為200×8mm2的銅排并接到負(fù)荷端。

（2）本機(jī)外殼必須接地，接地線用截面為10mm2銅芯線。

（3）本機(jī)控制線部分是用14芯航空插座引出，只要將其插入程序控制箱AUTO ARC，即以把電源通至程序控制部分。

（4）接通后，合上供電開(kāi)關(guān)，電網(wǎng)向本機(jī)供電，電源指示燈亮。檢查本機(jī)電壓是否正常，將面板上的“遠(yuǎn)控-近控”開(kāi)關(guān)置于“近控”位置，按“開(kāi)”按鈕，此時(shí)工作指示燈亮，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，電壓表有輸出電壓指示。未接負(fù)載時(shí)，調(diào)節(jié)面板上的電位器，空載電壓在40～80V之間變化；接上負(fù)載后，調(diào)整面板上的電位器，使其電流調(diào)至滿意的效果。

（5）當(dāng)要自動(dòng)工作時(shí)，將面板上的“遠(yuǎn)控-近控”開(kāi)關(guān)置于“遠(yuǎn)控”位置，然后按程序控制箱AUTO ARC使用說(shuō)明書進(jìn)行操作。

四、制造工藝

單獨(dú)模塊嚴(yán)格按照Z(yǔ)X5晶閘管整流弧焊機(jī)的制造工藝進(jìn)行生產(chǎn)和檢驗(yàn)，其控制線路是獨(dú)立的，電路板可以沿用原來(lái)批量生產(chǎn)的ZX5系列的控制板和保護(hù)板，而總的控制板創(chuàng)新設(shè)計(jì)，由于采用了電路設(shè)計(jì)軟件PTL，能在整機(jī)安裝的同時(shí)同步完成零件焊和調(diào)試。整機(jī)合成后，我和設(shè)計(jì)小組在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，及時(shí)處理出現(xiàn)的問(wèn)題。由于是首次進(jìn)行大功率電源設(shè)計(jì)安裝，我和設(shè)計(jì)小組一直督促生產(chǎn)車間：機(jī)構(gòu)并接時(shí)要注意安全，尤其是電氣連接時(shí)必須有總指揮在現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)一指揮。出廠檢驗(yàn)完成后，將其結(jié)構(gòu)分解為5個(gè)模塊，方便運(yùn)輸和客戶現(xiàn)場(chǎng)安裝。

五、小結(jié)

ZX5-4000晶閘管整流電源是為客戶特殊設(shè)計(jì)的裂解性場(chǎng)合使用的產(chǎn)品，功率大，體積大，對(duì)于常規(guī)機(jī)電產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的檢驗(yàn)設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備都存在生產(chǎn)、檢驗(yàn)的困難，加上產(chǎn)量不多，不適合短期內(nèi)重新配置運(yùn)輸設(shè)備（大轎箱工業(yè)電梯、大型車輛）和檢驗(yàn)設(shè)備（大功率檢驗(yàn)臺(tái)）。本人所在企業(yè)運(yùn)用原有的資源（技術(shù)能力、生產(chǎn)流程、工藝水平、檢驗(yàn)規(guī)程），克服了困難，技術(shù)團(tuán)隊(duì)同心協(xié)力，全部圖紙?jiān)O(shè)計(jì)使用ACAD軟件，全部控制電路圖紙?jiān)O(shè)計(jì)使用PTL，調(diào)試輸出性能是運(yùn)用了計(jì)算機(jī)仿真軟件，總機(jī)安裝采用組合的方式，成功設(shè)計(jì)制造了出來(lái)，本人也在其中鞏固了知識(shí)、提高了創(chuàng)新能力和協(xié)調(diào)精神，為以后運(yùn)用ACAD、PTL等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品積累了經(jīng)驗(yàn)。

［1］鄭宜庭，黃石生合編.弧焊電源.機(jī)械工業(yè)出版社，1988

［2］曾樂(lè)主編.現(xiàn)代焊接技術(shù)手冊(cè).上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1993