弧焊變壓器節(jié)能策略及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

1 引言

電焊機(jī)是一種常用的低壓電氣設(shè)備，在建筑、冶金、機(jī)械制造等行業(yè)應(yīng)用廣泛，被列為中國(guó)十二大耗能設(shè)備之一，它每年要消耗全國(guó)發(fā)電量的0.5%左右。

電焊機(jī)產(chǎn)品中耗能最多的是應(yīng)用量大的弧焊變壓器。弧焊變壓器的產(chǎn)量一直位居各類電焊機(jī)之冠。進(jìn)入90 年代后,我國(guó)定點(diǎn)廠生產(chǎn)的弧焊變壓器的產(chǎn)量占電弧焊機(jī)的三分之二左右lbbrk；2 ,3 ,4rbbrk；若考慮定點(diǎn)廠以外廠生產(chǎn)的絕大多數(shù)焊機(jī)是交流弧焊機(jī)的實(shí)際情況,約占焊機(jī)總產(chǎn)量的80 %以上。目前全國(guó)弧焊變壓器的擁有量近百萬(wàn)臺(tái)。

弧焊變壓器采用斷續(xù)工作方式，一般負(fù)載持續(xù)率為60%，空載時(shí)間較長(zhǎng),因弧焊變壓器功率較大,電弧焊機(jī)為了保證焊接引弧的要求，電弧焊機(jī)空載時(shí)需要具有較高的引弧電壓，約70～80V。存在著較大的空載損耗，解決好弧焊變壓器的空載節(jié)能問題對(duì)整個(gè)電焊機(jī)行業(yè)的節(jié)能有重要意義。

弧焊變壓器存在以下問題: ①副邊空載電壓一般都在70～80 V之間,副邊空載電壓易造成人員傷亡; ②損耗大。第一,弧焊變壓器無(wú)論是BXl 型(動(dòng)鐵式) 、BX3 型(動(dòng)因式) 、BX6 型(抽頭式)，本身都是高漏抗變壓器,感抗很大，功率因數(shù)一般只有0. 3～0. 4 ,空載時(shí)為0. 1～0. 2 ，無(wú)功損耗很大;第二,弧焊變壓器采用斷續(xù)工作方式， 一般負(fù)載持續(xù)率為60% ，空載時(shí)間長(zhǎng)，因弧焊變壓器功率較大,存在著較大的空載損耗。

弧焊變壓器的正?？蛰d電壓為70～80 V。如果空載電流以10 %的額定焊接電流,對(duì)于1 臺(tái)300 A的弧焊變壓器，負(fù)載持續(xù)率取60 %,每天工作一班8 h ,每月工作24 天,則1 臺(tái)300 A弧焊變壓器年空載耗能約為: (70 - 80) ×(300 ×0. 1) ×8 ×(1 - 0. 6) ×24 ×12約為2000 kWh?？紤]到全國(guó)共近百萬(wàn)臺(tái)弧焊變壓器，按50 %的電焊機(jī)利用率約50 萬(wàn)臺(tái),則全國(guó)弧焊變壓器年空載耗能約數(shù)億kWh(沒考慮無(wú)功損耗) 。本文針對(duì)以上問題,設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔具有良好技術(shù)和工程性能的弧焊變壓器智能節(jié)能防觸電裝置。

2 現(xiàn)有節(jié)能策略及其裝置性能分析

為了解決空載能耗問題，國(guó)標(biāo)規(guī)定弧焊變壓器的空載電流小于額定焊接電流的10 %，由于這一規(guī)定，使得許多低檔的弧焊機(jī)不得不采用高級(jí)硅鋼片來滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，使用成本增加很多，需要幾十年節(jié)能才能補(bǔ)償成本的一次投入的增加部分，故這一規(guī)定顯然對(duì)材料和能源的節(jié)約是不利的，在許多情況下造成人為的能源和材料浪費(fèi)。為了解決這些問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別進(jìn)行了研究，提出了多種解決辦法并研制了各種設(shè)備或裝置，但在技術(shù)或工程上都存在問題，在以下幾個(gè)方面存在不足:

現(xiàn)有降低空載電壓的方式及其不足:

國(guó)內(nèi)外主要是采用下述三種方法來降低電弧焊機(jī)的空載電壓: (1) 主回路中串接或旁路雙向可控硅，通過調(diào)節(jié)雙向可控硅的導(dǎo)通角來改變電弧焊機(jī)初級(jí)電壓，從而達(dá)到降低電弧焊機(jī)次級(jí)電壓。這種方法的缺點(diǎn)是：由于供電電壓波 動(dòng),電弧焊機(jī)二次側(cè)輸出的空載電壓會(huì)高于36 V 的安全電壓或系統(tǒng)不能正常工作；由于電壓波動(dòng)和沖擊的影響，經(jīng)常損壞雙向可控硅，使得裝置失去作用；可控硅功耗大，需要另加散熱風(fēng)扇。(2) 增加小降壓變壓器為弧焊變壓器二次側(cè)直接供電。該方法的缺點(diǎn)是：同時(shí)在電焊機(jī)雙側(cè)接線，設(shè)備接線更復(fù)雜。(3) 主回路中串接電容降壓。這種方法的缺點(diǎn)是電容極其容易損壞，而且降壓效果不理想，且同時(shí)在電焊機(jī)雙側(cè)接線，設(shè)備接線更復(fù)雜。

現(xiàn)有獲取啟動(dòng)信號(hào)的方式及其不足:

以上三種方法主要是采用下述的三種方法來得到啟動(dòng)信號(hào): (1) 在電弧焊機(jī)一次回路中加一個(gè)環(huán)形電磁傳感器。這種方法的缺點(diǎn)是要求短路電流和空載電流之間有很明顯的差異，電弧焊機(jī)二次側(cè)輸出空載電壓就必須很高(一般都 在24V 以上)，這樣才能使焊條和工件接觸瞬間產(chǎn)生一個(gè)較大的短路電流，但是降低了保護(hù)器的安全性。(2) 從電焊機(jī)的二次側(cè)取得啟動(dòng)信號(hào)，主要是在二次側(cè)回路中加一個(gè)環(huán)形電磁傳感器來取樣放大電流信號(hào)，或者是在二次側(cè)回路中并聯(lián)不同線圈電壓值的靈敏變流電磁繼電器來采樣電壓信號(hào)。這種方法的缺點(diǎn)是需要從電焊機(jī)的輸出端引出反饋線。如果采集信號(hào)的靈敏度過高的話,受到外界的干擾非常的明顯，有時(shí)會(huì)因?yàn)楦蓴_信號(hào)而誤啟動(dòng)。如果采集信號(hào)的靈敏度過低的話，會(huì)影響焊接的質(zhì)量。(3) 在電弧焊機(jī)次級(jí)的焊鉗上安裝上一個(gè)開關(guān)，這種方法的缺點(diǎn)是需要特制的焊鉗，且操作不便。3 節(jié)能策略及其測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于微處理器單元，當(dāng)電焊機(jī)處于空載狀態(tài)時(shí)，斷開電焊機(jī)一次側(cè)的主供電回路，采用微處理器控制的微功率輔助電源為電焊機(jī)供電，當(dāng)電焊機(jī)工作時(shí)再恢復(fù)主供電回路，以減少電焊機(jī)空載能耗。

(1) 微處理器控制的微功率輔助供電電源設(shè)計(jì):

如圖1 所示，在