弧焊變壓器節(jié)能策略及其控制系統(tǒng)設計與研究

1 引言

電焊機是一種常用的低壓電氣設備，在建筑、冶金、機械制造等行業(yè)應用廣泛，被列為中國十二大耗能設備之一，它每年要消耗全國發(fā)電量的0.5%左右。

電焊機產(chǎn)品中耗能最多的是應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之冠。進入90 年代后,我國定點廠生產(chǎn)的弧焊變壓器的產(chǎn)量占電弧焊機的三分之二左右lbbrk；2 ,3 ,4rbbrk；若考慮定點廠以外廠生產(chǎn)的絕大多數(shù)焊機是交流弧焊機的實際情況,約占焊機總產(chǎn)量的80 %以上。目前全國弧焊變壓器的擁有量近百萬臺。

弧焊變壓器采用斷續(xù)工作方式，一般負載持續(xù)率為60%，空載時間較長,因弧焊變壓器功率較大,電弧焊機為了保證焊接引弧的要求，電弧焊機空載時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)能問題對整個電焊機行業(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,弧焊變壓器無論是BXl 型(動鐵式) 、BX3 型(動因式) 、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 ,空載時為0. 1～0. 2 ，無功損耗很大;第二,弧焊變壓器采用斷續(xù)工作方式， 一般負載持續(xù)率為60% ，空載時間長，因弧焊變壓器功率較大,存在著較大的空載損耗。

弧焊變壓器的正常空載電壓為70～80 V。如果空載電流以10 %的額定焊接電流,對于1 臺300 A的弧焊變壓器，負載持續(xù)率取60 %,每天工作一班8 h ,每月工作24 天,則1 臺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]到全國共近百萬臺弧焊變壓器，按50 %的電焊機利用率約50 萬臺,則全國弧焊變壓器年空載耗能約數(shù)億kWh(沒考慮無功損耗) 。本文針對以上問題,設計了結(jié)構(gòu)簡潔具有良好技術(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，國標規(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不得不采用高級硅鋼片來滿足標準要求，使用成本增加很多，需要幾十年節(jié)能才能補償成本的一次投入的增加部分，故這一規(guī)定顯然對材料和能源的節(jié)約是不利的，在許多情況下造成人為的能源和材料浪費。為了解決這些問題，國內(nèi)外學者分別進行了研究，提出了多種解決辦法并研制了各種設備或裝置，但在技術(shù)或工程上都存在問題，在以下幾個方面存在不足:

現(xiàn)有降低空載電壓的方式及其不足:

國內(nèi)外主要是采用下述三種方法來降低電弧焊機的空載電壓: (1) 主回路中串接或旁路雙向可控硅，通過調(diào)節(jié)雙向可控硅的導通角來改變電弧焊機初級電壓，從而達到降低電弧焊機次級電壓。這種方法的缺點是：由于供電電壓波 動,電弧焊機二次側(cè)輸出的空載電壓會高于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。該方法的缺點是：同時在電焊機雙側(cè)接線，設備接線更復雜。(3) 主回路中串接電容降壓。這種方法的缺點是電容極其容易損壞，而且降壓效果不理想，且同時在電焊機雙側(cè)接線，設備接線更復雜。

現(xiàn)有獲取啟動信號的方式及其不足:

以上三種方法主要是采用下述的三種方法來得到啟動信號: (1) 在電弧焊機一次回路中加一個環(huán)形電磁傳感器。這種方法的缺點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)生一個較大的短路電流，但是降低了保護器的安全性。(2) 從電焊機的二次側(cè)取得啟動信號，主要是在二次側(cè)回路中加一個環(huán)形電磁傳感器來取樣放大電流信號，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。這種方法的缺點是需要從電焊機的輸出端引出反饋線。如果采集信號的靈敏度過高的話,受到外界的干擾非常的明顯，有時會因為干擾信號而誤啟動。如果采集信號的靈敏度過低的話，會影響焊接的質(zhì)量。(3) 在電弧焊機次級的焊鉗上安裝上一個開關(guān)，這種方法的缺點是需要特制的焊鉗，且操作不便。3 節(jié)能策略及其測控系統(tǒng)設計

基于微處理器單元，當電焊機處于空載狀態(tài)時，斷開電焊機一次側(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供電，當電焊機工作時再恢復主供電回路，以減少電焊機空載能耗。

(1) 微處理器控制的微功率輔助供電電源設計:

如圖1 所示，在