王志偉，易 瓊

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，湖南 株洲 412001；2.南車集團(tuán) 株洲電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心，湖南 株洲 412001)

移動(dòng)式鋼軌交流閃光焊專用晶閘管方波逆變器主電路分析

王志偉1，易 瓊2

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，湖南 株洲 412001；2.南車集團(tuán) 株洲電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心，湖南 株洲 412001)

針對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)式鋼軌交流閃光焊機(jī)系統(tǒng)三相負(fù)載不平衡和焊接波形不良的現(xiàn)狀，研制一種新型的交流閃光焊專用晶閘管方波逆變器。通過(guò)主電路分析和樣機(jī)試驗(yàn)證明，這種晶閘管方波逆變器能有效改善焊接波形，相比現(xiàn)有的鋼軌交流閃光焊機(jī)晶閘管調(diào)壓系統(tǒng)，可以節(jié)能30%以上。

鋼軌；閃光焊機(jī)；晶閘管；方波逆變器；主電路

0 前言

目前，移動(dòng)式鋼軌交流閃光焊系統(tǒng)基本采用兩個(gè)單相晶閘管反并聯(lián)構(gòu)成雙向晶閘管接在三相電源的兩相線上調(diào)壓，以此來(lái)調(diào)節(jié)閃光焊的功率，這種功率調(diào)節(jié)方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、成本低廉，調(diào)節(jié)方便。但在理論上和現(xiàn)場(chǎng)使用中都證實(shí)，這種功率調(diào)節(jié)方式在每個(gè)電源周期有兩次短暫的閃光中斷，閃光中斷時(shí)長(zhǎng)為晶閘管移相延遲時(shí)間，造成閃光加熱過(guò)程不穩(wěn)定，影響閃光焊接頭質(zhì)量。加之焊接電源使用的是三相電源中的兩相，在焊接時(shí)這種功率調(diào)節(jié)方法會(huì)引起三相電源嚴(yán)重偏相，增加柴油發(fā)電機(jī)組工作負(fù)荷，使得焊接過(guò)程不穩(wěn)定，焊接能量不足，在焊接鋼軌時(shí)柴電機(jī)組長(zhǎng)期處于短時(shí)超負(fù)荷的工作狀態(tài)，柴油機(jī)壽命較短，油耗偏大，柴電機(jī)組在焊接鋼軌時(shí)排放污染加??；另外，單相供電功率不足，不易提高移動(dòng)式鋼軌閃光焊野外在線焊接質(zhì)量，增加施工開(kāi)天窗時(shí)間，延誤施工工期，增加施工成本；而改造為逆變直流焊機(jī)，系統(tǒng)又需要重新設(shè)計(jì)，且可靠性不高，逆變器能耗較大。采用方波電源進(jìn)行焊接，閃光火花細(xì)密，閃光均勻，火口淺，焊接質(zhì)量比晶閘管單相交流調(diào)壓好[1]，且節(jié)能效果良好。因此，有必要研制一種新型大功率鋼軌交流閃光焊專用逆變電源來(lái)解決這些問(wèn)題。

1 移動(dòng)式交流鋼軌閃光焊機(jī)專用晶閘管方波逆變器主電路原理分析

目前交流閃光焊用方波逆變器逆變主電路采用開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成全橋H橋逆變電路，根據(jù)開(kāi)關(guān)元件的不同，將方波逆變器主電路分為晶閘管逆變器、GTO逆變器、IGBT逆變器、IGCT逆變器和IGET逆變器五類。依據(jù)鋼軌交流閃光焊短時(shí)電流大、負(fù)載功率因數(shù)低、冷卻條件差、短時(shí)過(guò)載嚴(yán)重，野外工作時(shí)設(shè)備維修不便、備件短缺等特點(diǎn)，考慮到我國(guó)鐵路焊接施工和維修條件，選擇晶閘管方波逆變器作為鋼軌交流閃光焊機(jī)的逆變主電路[2]，并采用模塊化結(jié)構(gòu)。該焊機(jī)逆變主電路結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，為方便分析，該圖省略了并聯(lián)在各半導(dǎo)體元件上的阻容吸收電路和串聯(lián)在主電路中的快速熔斷器。

圖1 晶閘管方波逆變器主電路原理

該電路實(shí)際上為反振式逆導(dǎo)晶閘管斬波器的一種變形。圖1中，Cd為逆變器輸入直流支撐電容，VT1～VT4為H橋逆變晶閘管，VD1～VD4為逆變橋續(xù)流二極管，VT5為逆變橋輔助關(guān)斷晶閘管，VD5為輔助關(guān)斷電路充電二極管，C1為反振電容，L1為反振電感，T1為閃光焊變壓器負(fù)載。當(dāng)逆變電路上電且Cd充滿電后，逆變電路兩端電壓達(dá)到Cd等電勢(shì)，此時(shí)VD5正偏導(dǎo)通而VT5反偏截止，電源正通過(guò)VD5向C1充電，并經(jīng)L1流回電源負(fù)，且其充電電流受L1限制不能很快增大，C1此時(shí)極性為上負(fù)下正，充電結(jié)束，由于VT5尚未導(dǎo)通且VD5反偏截止，故C1保持過(guò)充電，其過(guò)充電壓高于電源電壓，為可靠關(guān)斷逆變H橋做好準(zhǔn)備。

當(dāng)需要閃光焊接鋼軌時(shí)，VT1、VT2導(dǎo)通，T1得電，其電流方向?yàn)閺纳现料拢珜?duì)于VT5、VD5、C1、L1回路而言，由于VD5反偏截止，VT5未導(dǎo)通，故C1無(wú)法放電，仍保持過(guò)充電狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)一定時(shí)間(這段時(shí)間即為T1得電時(shí)間)后，觸發(fā)VT5使之導(dǎo)通，此時(shí)C1經(jīng)VT5、VT1、VT2、L1放電到L1形成LC振蕩回路，此時(shí)通過(guò)VT1、VT2的電流為振蕩電流和負(fù)載電流，通過(guò)VT5的電流即為振蕩電流，C1反向充電直至上正下負(fù)。

已處于上正下負(fù)過(guò)充電狀態(tài)的C1再次經(jīng)L1放電，由于VD1～VD4都是正偏導(dǎo)通，VD5也正偏導(dǎo)通，而VT1～VT4皆反偏截止，因此在這次C1放電時(shí)，VT1～VT4電流逐漸下降直至關(guān)斷，同時(shí)VT5也因?yàn)榉雌P(guān)斷，電路又恢復(fù)到阻斷狀態(tài)，為下一次逆變器工作做好準(zhǔn)備。

VT3、VT4工作時(shí)，逆變器同樣按上述原理工作。

此電路的最大特點(diǎn)是主電路元器件成本較低，已完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，且工作于低頻狀態(tài)，故可采用國(guó)產(chǎn)快速晶閘管實(shí)現(xiàn)本逆變電路；同時(shí)，快速晶閘管耐電流的能力大，因此這種逆變器比IGBT逆變器更適合在短路工況下工作，且過(guò)電流保護(hù)可采用快速熔斷器實(shí)現(xiàn)，保護(hù)電路相對(duì)簡(jiǎn)單。但晶閘管屬于半控器件，必須使用輔助關(guān)斷電路，因此該逆變器主電路結(jié)構(gòu)比IGBT逆變器復(fù)雜。而晶閘管關(guān)斷速度較慢，故本逆變器的開(kāi)關(guān)損耗比IGBT逆變器要大一些；但晶閘管通態(tài)壓降比IGBT小，晶閘管通態(tài)壓降損耗比IGBT稍小。綜合來(lái)看，在低頻開(kāi)關(guān)電路中，晶閘管逆變器總損耗比IGBT逆變器稍小，能較好地處理主回路元件的散熱問(wèn)題，維護(hù)成本低。

2 晶閘管方波逆變器參數(shù)計(jì)算和設(shè)計(jì)

根據(jù)上述晶閘管方波逆變器原理和文獻(xiàn)，試制的微型閃光焊模擬樣機(jī)參數(shù)如下：系統(tǒng)供電電壓DC 300 V～DC 500 V；額定負(fù)載功率500W，最大功率1 000 W；逆變器最大不失控電流2 A；晶閘管(型號(hào)TYN1225)典型關(guān)斷時(shí)間tq＝75 μ s；C1＝7.3 nF，耐壓1 600 V DC，L1＝73 μ H，額定電流2 A，VT1～VT5型號(hào)TYN1225，該型晶閘管額定電流IT(AV)＝16 A，UDRM＝1 200 V DC，VD1～VD5選型為FR607快恢復(fù)二極管。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

模擬樣機(jī)試驗(yàn)負(fù)載為碳棒電弧負(fù)載，采用微型計(jì)算機(jī)對(duì)該逆變器進(jìn)行全數(shù)字化控制，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：電路逆變效果穩(wěn)定，電弧穩(wěn)定燃燒，電弧負(fù)載調(diào)節(jié)特性好，主晶閘管可靠關(guān)斷，焊接波形較好，且由于焊機(jī)電源三相負(fù)荷平衡，焊接節(jié)能效果比通常雙向晶閘管調(diào)壓的交流閃光焊機(jī)節(jié)能約30%，配合三相四線可控整流電路，本機(jī)總功率因數(shù)達(dá)0.95，諧波分量少，對(duì)電網(wǎng)干擾小。

4 結(jié)論

現(xiàn)有的移動(dòng)式交流鋼軌閃光焊機(jī)因采用雙向晶閘管調(diào)壓而普遍存在三相負(fù)荷不均衡現(xiàn)象，加之過(guò)零點(diǎn)存在延遲使得焊接電流中斷而造成焊接質(zhì)量不高。采用晶閘管逆變方波電源，可縮短過(guò)零點(diǎn)延遲時(shí)間，穩(wěn)定閃光電壓，有效提高焊接質(zhì)量，降低焊接能耗，消除三相負(fù)荷不均衡現(xiàn)象。

[1]楊來(lái)順.鋼軌焊接工[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2000：218.

[2]蔡君時(shí).無(wú)軌電車的斬波控制[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2000.

Analysis of SCR square wave inverter main circuit in flash-butt-welding system for mobile railway

WANG Zhi-wei1，YI Qiong2
(1.Electrical Engineering Department，Hu'nan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China；2.Technical Center，CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001，China)

Aim to current unbalanced three-phase loads and poor welding quality of flash-butt-welding system for mobile railway，this paper developed a new type square wave inverter dedicated to AC flash butt welding，the analysis and practice can prove that the SCR square wave inverter can improve welding waveform，and may save energy 30%or more compare traditional AC flash butt welding.

rail；flash-butt-welding machine；SCR；square-wave-inverter；main-circuit

TG438

A

1001-2303(2012)04-0047-02

2011-09-28

王志偉(1973—)，男，湖南湘潭人，講師，碩士，主要從事鋼軌閃光焊系統(tǒng)供電電源及特種電力電子裝置的研發(fā)和教學(xué)工作。