移動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，易 瓊

(1.湖南鐵道職業技術學院 電氣工程系，湖南 株洲 412001；2.南車集團 株洲電力機車有限公司 技術中心，湖南 株洲 412001)

移動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.湖南鐵道職業技術學院 電氣工程系，湖南 株洲 412001；2.南車集團 株洲電力機車有限公司 技術中心，湖南 株洲 412001)

針對現有移動式鋼軌交流閃光焊機系統三相負載不平衡和焊接波形不良的現狀，研制一種新型的交流閃光焊專用晶閘管方波逆變器。通過主電路分析和樣機試驗證明，這種晶閘管方波逆變器能有效改善焊接波形，相比現有的鋼軌交流閃光焊機晶閘管調壓系統，可以節能30%以上。

鋼軌；閃光焊機；晶閘管；方波逆變器；主電路

0 前言

目前，移動式鋼軌交流閃光焊系統基本采用兩個單相晶閘管反并聯構成雙向晶閘管接在三相電源的兩相線上調壓，以此來調節閃光焊的功率，這種功率調節方法結構簡單可靠、成本低廉，調節方便。但在理論上和現場使用中都證實，這種功率調節方式在每個電源周期有兩次短暫的閃光中斷，閃光中斷時長為晶閘管移相延遲時間，造成閃光加熱過程不穩定，影響閃光焊接頭質量。加之焊接電源使用的是三相電源中的兩相，在焊接時這種功率調節方法會引起三相電源嚴重偏相，增加柴油發電機組工作負荷，使得焊接過程不穩定，焊接能量不足，在焊接鋼軌時柴電機組長期處于短時超負荷的工作狀態，柴油機壽命較短，油耗偏大，柴電機組在焊接鋼軌時排放污染加劇；另外，單相供電功率不足，不易提高移動式鋼軌閃光焊野外在線焊接質量，增加施工開天窗時間，延誤施工工期，增加施工成本；而改造為逆變直流焊機，系統又需要重新設計，且可靠性不高，逆變器能耗較大。采用方波電源進行焊接，閃光火花細密，閃光均勻，火口淺，焊接質量比晶閘管單相交流調壓好[1]，且節能效果良好。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解決這些問題。

1 移動式交流鋼軌閃光焊機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關元件構成全橋H橋逆變電路，根據開關元件的不同，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。依據鋼軌交流閃光焊短時電流大、負載功率因數低、冷卻條件差、短時過載嚴重，野外工作時設備維修不便、備件短缺等特點，考慮到我國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的逆變主電路[2]，并采用模塊化結構。該焊機逆變主電路結構示意如圖1所示，為方便分析，該圖省略了并聯在各半導體元件上的阻容吸收電路和串聯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

該電路實際上為反振式逆導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為逆變橋續流二極管，VT5為逆變橋輔助關斷晶閘管，VD5為輔助關斷電路充電二極管，C1為反振電容，L1為反振電感，T1為閃光焊變壓器負載。當逆變電路上電且Cd充滿電后，逆變電路兩端電壓達到Cd等電勢，此時VD5正偏導通而VT5反偏截止，電源正通過VD5向C1充電，并經L1流回電源負，且其充電電流受L1限制不能很快增大，C1此時極性為上負下正，充電結束，由于VT5尚未導通且VD5反偏截止，故C1保持過充電，其過充電壓高于電源電壓，為可靠關斷逆變H橋做好準備。

當需要閃光焊接鋼軌時，VT1、VT2導通，T1得電，其電流方向為從上至下，但對于VT5、VD5、C1、L1回路而言，由于VD5反偏截止，VT5未導通，故C1無法放電，仍保持過充電狀態。

經過一定時間(這段時間即為T1得電時間)后，觸發VT5使之導通，此時C1經VT5、VT1、VT2、L1放電到L1形成LC振蕩回路，此時通過VT1、VT2的電流為振蕩電流和負載電流，通過VT5的電流即為振蕩電流，C1反向充電直至上正下負。

已處于上正下負過充電狀態的C1再次經L1放電，由于VD1～VD4都是正偏導通，VD5也正偏導通，而VT1～VT4皆反偏截止，因此在這次C1放電時，VT1～VT4電流逐漸下降直至關斷，同時VT5也因為反偏而關斷，電路又恢復到阻斷狀態，為下一次逆變器工作做好準備。

VT3、VT4工作時，逆變器同樣按上述原理工作。

此電路的最大特點是主電路元器件成本較低，已完全實現國產化，且工作于低頻狀態，故可采用國產快速晶閘管實現本逆變電路；同時，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，且過電流保護可采用快速熔斷器實現，保護電路相對簡單。但晶閘管屬于半控器件，必須使用輔助關斷電路，因此該逆變器主電路結構比IGBT逆變器復雜。而晶閘管關斷速度較慢，故本逆變器的開關損耗比IGBT逆變器要大一些；但晶閘管通態壓降比IGBT小，晶閘管通態壓降損耗比IGBT稍小。綜合來看，在低頻開關電路中，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題，維護成本低。

2 晶閘管方波逆變器參數計算和設計

根據上述晶閘管方波逆變器原理和文獻，試制的微型閃光焊模擬樣機參數如下：系統供電電壓DC 300 V～DC 500 V；額定負載功率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TYN1225)典型關斷時間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快恢復二極管。

3 實驗結果

模擬樣機試驗負載為碳棒電弧負載，采用微型計算機對該逆變器進行全數字化控制，實驗發現：電路逆變效果穩定，電弧穩定燃燒，電弧負載調節特性好，主晶閘管可靠關斷，焊接波形較好，且由于焊機電源三相負荷平衡，焊接節能效果比通常雙向晶閘管調壓的交流閃光焊機節能約30%，配合三相四線可控整流電路，本機總功率因數達0.95，諧波分量少，對電網干擾小。

4 結論

現有的移動式交流鋼軌閃光焊機因采用雙向晶閘管調壓而普遍存在三相負荷不均衡現象，加之過零點存在延遲使得焊接電流中斷而造成焊接質量不高。采用晶閘管逆變方波電源，可縮短過零點延遲時間，穩定閃光電壓，有效提高焊接質量，降低焊接能耗，消除三相負荷不均衡現象。

[1]楊來順.鋼軌焊接工[M].北京：中國鐵道出版社，2000：218.

[2]蔡君時.無軌電車的斬波控制[M].北京：中國鐵道出版社，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供電電源及特種電力電子裝置的研發和教學工作。