晶閘管控制4000A電解電源設計

廣州電焊機廠 凌小莎

晶閘管控制4000A電解電源設計

廣州電焊機廠 凌小莎

某工程需要4000A電解電源，作者參與項目的主要設計。本文介紹該設計運用大功率晶閘管控制，整體結(jié)構采用組合式工藝，對于細部設計也作了介紹。

弧焊整流變壓器 晶閘管整流波形脈動問題 制圖軟件ACAD應用 電路設計軟PTL應用

一、概述

ZX5-4000晶閘管整流電源是按用戶的特殊要求而設計，應用于大電流的裂解性場合。它具有動特性好，電弧穩(wěn)定，效率高，噪音少的特點?？蛻粢蟊緳C操作方便，可遠距離控制，對電網(wǎng)電壓波動能保持輸出電流的穩(wěn)定。

1.電源方案選定

由于我企業(yè)具備多年設計、生產(chǎn)晶閘管整流弧焊機的經(jīng)驗，設計小組認為可以運用晶閘管整流弧焊電源的基本原理設計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，在總體設計、內(nèi)部結(jié)構排布、控制線路幾個方面都存在困難。經(jīng)過設計小組的詳細分析研究決定，具體是采用并聯(lián)式的方案，將5臺單獨的整流的電源（5個單獨模塊）組合成大電流輸出，由原來輸出直流焊接電流變?yōu)檩敵鲋绷麟娊怆娏?；為了提高設計水平和降低主要原材料的成本、加快工程進度，全部圖紙設計都采用計算機輔助設計，并運用計算機仿真軟件，調(diào)試輸出波形，以達到最佳設計數(shù)據(jù)。本人在設計小組中負責應用繪圖軟件ACAD和電路設計軟件PTL在工程的第一階段繪出全套圖紙，使整個工程加快了材料采購、加工的進度，提前進入總裝階段，是仿真測試的時間充裕，當發(fā)現(xiàn)電路上的問題時有足夠時間調(diào)整。

2.電源工作原理

單獨模塊電源電壓經(jīng)三相主變壓器降壓后，由晶閘管組進行整流，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反饋信號，使本機獲得下降的外特性。由于電流負反饋電路及控制電路的時間常數(shù)都較小，因此本機的動特性好。具有較深的電流負反饋，使電流穩(wěn)定，當電網(wǎng)電壓波動±10%時，補償電路可使本機電流保持穩(wěn)定。單獨模塊電路原理方框圖見圖1。4000A電解電源整體原理圖見圖2。

圖1 單獨模塊電路原理方框圖

3.設計標準

GB 15579-2004 弧焊設備 第1部分：焊接電源

JB 6324-1992 KE型50A至500A電焊機用晶閘管

二、設計

1.弧焊整流變壓器

設計5臺輸出1250A的弧焊整流變壓器（即5個單獨模塊），將其并聯(lián)接線，安裝總開關、輸入端、控制部分等。

圖2 4000A電解電源整體原理圖

2.整流波形脈動問題

弧焊整流變壓器是通過改變晶閘管的導通角來實現(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，晶閘管需要全導通以達到輸出高電壓，二在工作時，則要求其導通角變得很小以輸出低電壓。當導通角較小時，整流波形脈動加劇，甚至出現(xiàn)波形不連續(xù)，這樣將出現(xiàn)波形不穩(wěn)。項目中設計晶閘管整流變壓器時很重視這個問題，運用原來的經(jīng)驗，首先在每個單獨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，仍然選擇原來已經(jīng)很成熟的整流電路，每個單獨模塊避免了波形不連續(xù)和減少脈動，總輸出的電壓、電流也就很理想。

3.整體結(jié)構

內(nèi)部為5臺60%暫載率的ZX5-1250電源并聯(lián)輸出結(jié)構；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)構見圖3。

圖3 整體外觀結(jié)構

三、控制操作

（1）為了客戶操作與維護方便，本機單獨安裝自動開關或負荷開關。自動開關容量為630A，電源輸入電纜截面積為70mm2（客戶自備），輸出端正負極各采用兩條截面為200×8mm2的銅排并接到負荷端。

（2）本機外殼必須接地，接地線用截面為10mm2銅芯線。

（3）本機控制線部分是用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，合上供電開關，電網(wǎng)向本機供電，電源指示燈亮。檢查本機電壓是否正常，將面板上的“遠控-近控”開關置于“近控”位置，按“開”按鈕，此時工作指示燈亮，風扇轉(zhuǎn)動，電壓表有輸出電壓指示。未接負載時，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）當要自動工作時，將面板上的“遠控-近控”開關置于“遠控”位置，然后按程序控制箱AUTO ARC使用說明書進行操作。

四、制造工藝

單獨模塊嚴格按照ZX5晶閘管整流弧焊機的制造工藝進行生產(chǎn)和檢驗，其控制線路是獨立的，電路板可以沿用原來批量生產(chǎn)的ZX5系列的控制板和保護板，而總的控制板創(chuàng)新設計，由于采用了電路設計軟件PTL，能在整機安裝的同時同步完成零件焊和調(diào)試。整機合成后，我和設計小組在現(xiàn)場監(jiān)控，及時處理出現(xiàn)的問題。由于是首次進行大功率電源設計安裝，我和設計小組一直督促生產(chǎn)車間：機構并接時要注意安全，尤其是電氣連接時必須有總指揮在現(xiàn)場統(tǒng)一指揮。出廠檢驗完成后，將其結(jié)構分解為5個模塊，方便運輸和客戶現(xiàn)場安裝。

五、小結(jié)

ZX5-4000晶閘管整流電源是為客戶特殊設計的裂解性場合使用的產(chǎn)品，功率大，體積大，對于常規(guī)機電產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的檢驗設備和運輸設備都存在生產(chǎn)、檢驗的困難，加上產(chǎn)量不多，不適合短期內(nèi)重新配置運輸設備（大轎箱工業(yè)電梯、大型車輛）和檢驗設備（大功率檢驗臺）。本人所在企業(yè)運用原有的資源（技術能力、生產(chǎn)流程、工藝水平、檢驗規(guī)程），克服了困難，技術團隊同心協(xié)力，全部圖紙設計使用ACAD軟件，全部控制電路圖紙設計使用PTL，調(diào)試輸出性能是運用了計算機仿真軟件，總機安裝采用組合的方式，成功設計制造了出來，本人也在其中鞏固了知識、提高了創(chuàng)新能力和協(xié)調(diào)精神，為以后運用ACAD、PTL等計算機輔助設計軟件開發(fā)新產(chǎn)品積累了經(jīng)驗。

［1］鄭宜庭，黃石生合編.弧焊電源.機械工業(yè)出版社，1988

［2］曾樂主編.現(xiàn)代焊接技術手冊.上海科學技術出版社，1993