交流電焊機新型保護裝置產(chǎn)品設(shè)計研究

路金星

（北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042）

0 引言

隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，電焊機的應(yīng)用越來越廣泛。目前在有些企業(yè)中，交流電焊機已安裝了保護裝置，起到了安全和節(jié)能的作用。但是，在現(xiàn)有技術(shù)中，沒有充分考慮電焊機使用環(huán)境的復(fù)雜性，如電焊機工作電流大、溫升高、雜散磁場大，元器件溫升高等因素。另外，要求焊接回路電阻值較低，而現(xiàn)場實際焊接件因銹蝕等原因造成回路阻值又較高。因此，在實際應(yīng)用中就反映出引弧打火困難、保護裝置使用壽命短、返修率高、群機應(yīng)用誤動作多等現(xiàn)象，很難推廣使用。針對以上問題，對交流電焊機二次側(cè)保護裝置設(shè)計研究出了一種新型保護裝置，能很好地解決引弧難等存在的問題。

1 交流電焊機二次側(cè)安裝保護裝置的意義

電焊機安裝保護裝置后，焊接時，焊機電源通電，停焊時，焊機電源斷電，從而保護了焊工的人身安全。另一方面，焊機斷電后，焊機沒有空載損耗，也可節(jié)約大量電能。

國際電工委員會（IEC）在《電擊保護》中規(guī)定：“人體直接接觸交流電壓不超過25 伏，直流不超過60 伏”。交流電焊機在焊接時二次工作電壓22～24 伏，對人身是比較安全的。當(dāng)焊接中斷，焊機呈空載狀態(tài)時，二次空載電壓立即上升為70～90 伏，大大超過人體安全電壓。

電焊工人經(jīng)常站立在接地極板上，身體可能隨時接觸到二次電壓的一端，其結(jié)果輕則產(chǎn)生麻電現(xiàn)象，重則會造成觸電死亡。國家勞動部監(jiān)察局組織編寫的《安全工程手冊》 中明確指出：“電焊機一般都應(yīng)裝設(shè)空載自動斷電保護裝置，以便在安全電壓條件下更換焊條和降低空載損耗。凡是在船艙，鍋爐，金屬容器或管道內(nèi)，金屬結(jié)構(gòu)上登高焊接作業(yè)等，則必須裝設(shè)焊機空載自動斷電保護裝置。”

交流電焊機二次線圈與一次380 伏線圈屬于電磁耦合的隔離電路形式。二次回路發(fā)生人體觸電時，在一次回路中不能反應(yīng)出不平衡電流，所以，對于二次線圈空載電壓觸電危險使用漏電保護器是保護不了的。因此，交流電焊機二次電路空載電壓存在的觸電危險問題，在低壓回路中就成了人身觸電保安方面的空白點。被電焊機二次電壓電擊死亡的事故屢屢發(fā)生。

另一方面，交流電焊機耗電量大，功率因數(shù)低，空載耗電量白白浪費，已被列入十大耗能機電產(chǎn)品之一。因為電焊機是電感性負載，空載時要和電源進行能量交換，產(chǎn)生無功功率，占用電源容量。除正常工作耗電外，據(jù)現(xiàn)場實測，交流電焊機空載損耗約為總?cè)萘康?%～10%，在焊接工作中時常會出現(xiàn)焊接間斷時間，在此間斷時間內(nèi)焊機是空載運行狀態(tài)。一般累計間斷時間比較長，造成一定的空載損耗，這部分電力損耗也不可忽視。經(jīng)北京市節(jié)能中心測試，一臺焊機采用安全節(jié)能技術(shù)后，約能節(jié)約無功功率3.3Kvar，對于交流電焊機多的用戶，經(jīng)濟效益和社會效益就更加顯著。

交流電焊機采用電力電子技術(shù)，既能保證人身安全，又能創(chuàng)造很高的經(jīng)濟效益。所以，將二次側(cè)保護裝置應(yīng)用在交流電焊機上具有非常重要的意義。

2 新型保護裝置的設(shè)計研究方案

電焊機裝配防觸電保護裝置，可起到防觸電作用。一般采用焊機一次側(cè)串入關(guān)斷元件，產(chǎn)生單一的開機信號，驅(qū)動觸頭短接該元件，使焊機正常供電；當(dāng)焊工停止焊接時，電焊機自動關(guān)斷，達到防觸電目的。其研究方案如下：

電源電路由交流降壓變壓器（B1）、二極管（D1-D4）、電容（C1）、電阻（R1）、電容（C2）、三端集成穩(wěn)壓器（W7812）組成。得到12V 輸出直流電壓，供整機使用。

取樣電路由壓電晶體（YD）、電焊機變壓器（B），諧振電容（C3）和（C4）、磁芯變壓器（B2）、電阻（R3）、電容（C5）組成，得到開機信號。

比較電路由電壓比較器（IC1）、二極管（D5-D6）、電壓并聯(lián)正反饋電阻（R5）、電容（C6）、穩(wěn)壓管（W1）、限流電阻（R6）組成，以防止有串?dāng)_信號引起誤動作。

放大電路由集成運算放大器（IC2）、比例電阻（R8-R9）、三極管兩級直接耦合放大電路（BG1-BG2）、基極偏流電阻（R10）、集電極電阻（R11-R12）組成，把開機信號放大。

開機電路由單向可控硅 （TCR）、功放電路（BG3-BG4）、電壓自舉電路（D11-D12）、繼電器（J）、充電電容（C8）、交流接觸器（QC）組成，使電焊機變壓器（B）導(dǎo)通。

關(guān)機電路由電抗器（B3）、二極管（D13）、電容（C9）、電阻（R20）、穩(wěn)壓管（W2）、比例運算放大器（IC3）、充電電容（C10）、繼電器（J）、交流接觸器（QC）組成，當(dāng)焊工停止焊接操作時，電焊機變壓器（B）斷開電源。

本研究方案的目的是提供一種適應(yīng)性強、工作可靠、安全耐用、引弧性能好的防觸電保護裝置。

本研究方案的目的是這樣實現(xiàn)的: 焊工輕敲焊鉗，壓電晶體產(chǎn)生的電壓經(jīng)電焊機的變壓器升壓后，送到磁芯變壓器兩端再次升壓，經(jīng)過濾波，得到開機信號。此信號與電壓比較器的定值信號進行比較，符合開機信號電壓便輸出電壓，經(jīng)同相比例運算放大器放大輸出，再經(jīng)三極管直接耦合放大，觸發(fā)單相可控硅導(dǎo)通。再經(jīng)三極管功放電路進行電流放大，使繼電器導(dǎo)通，常開接點閉合，交流接觸器導(dǎo)通，電焊機通電，此時引弧電壓較高，焊工可以焊接操作。焊接操作后，電抗器感應(yīng)出交流電壓，經(jīng)半波整流、濾波、穩(wěn)壓、集成放大、三極管放大后，輸出電壓到繼電器。當(dāng)焊工停止焊接操作后，電抗器不能感應(yīng)出交流電壓，沒有放大信號，繼電器被關(guān)斷，常開接點斷開，交流接觸器斷電，電焊機斷電。

采用上述方案后，焊機誤動作少，安全可靠性高；便于引弧，解決了多年來由于引弧難而不能推廣使用保護裝置的難題，提高了焊機二次側(cè)防觸電保護裝置的實用性。

3 新型保護裝置主電路工作原理

下面結(jié)合圖1 對保護裝置部分電路的工作原理作詳細的描述。

380V 交流電經(jīng)（B1）降壓后，進入由4 只二極管組成的全波橋式整流電路，再經(jīng)由（C1）、（R1）、（C2）組成的濾波電路濾波，送到三端集成穩(wěn)壓器進行穩(wěn)壓后得到12V 直流電供電路使用。

圖1 交流電焊機二次側(cè)保護裝置主電路工作原理圖Fig.1 Attached diagram: The main circuit operation principle diagram of alternating current welding machine's two-side protection device

（B）是電焊機的變壓器，（H）是電焊機的焊鉗，（D）是電焊機的地線。（YD）是壓電晶體，作為振蕩器使用，是基于它的壓電效應(yīng)。在晶體的兩個極上加一外力時，會使晶體產(chǎn)生機械變形和產(chǎn)生機械振動，同時機械變形振動又會產(chǎn)生交變電場，這種交變電場的電壓其振動頻率是十分穩(wěn)定的。焊工在作好焊接準(zhǔn)備后，輕敲焊鉗，產(chǎn)生的電壓被電焊機的變壓器升壓后，送到磁芯變壓器（B2）兩端。選擇合適的電容（C3-C4），便于和壓電晶體（YD）產(chǎn)生的頻率諧振，以獲得諧振電壓。電壓信號經(jīng)磁芯變壓器（B2）升壓后，再經(jīng)（R3）、（C5）濾波，得到開機信號。

（D5-D6）組成過電壓保護電路，（R5-R4）構(gòu)成分壓電路，決定（IC1）電壓比較器的門限電壓。只有輸入信號大于電壓比較器的門限電壓時，（IC1）才能有輸出信號。（C6）用來濾掉（IC1）輸出端中的雜波信號。輸入信號經(jīng)（R7）從同相端輸入，經(jīng)（IC2）集成運算放大器放大后，直接供給（BG1）作進一步的放大。

開機信號放大后，直接加到單向可控硅（TCR）的觸發(fā)極上，（TCR） 導(dǎo)通。電流經(jīng)R13、TCR、D7、R15 加到（BG3）的基極上，同時給電容（C8）充電，（BG3-BG4）功率放大電路開始工作。（LD1）黃燈亮，繼電器（J）導(dǎo)通，常開觸點（J2-J3）閉合，紅燈（L）亮，交流接觸器（QC）導(dǎo)通，電焊機變壓器（B）導(dǎo)通，此時焊機兩端電壓（HD）為工作電壓。此電壓較高，引弧時對銹蝕金屬產(chǎn)生擊穿作用，便于引弧，從而解決了引弧難的問題。

4 結(jié)束語

電焊機安裝二次保護裝置，既節(jié)電又安全，一直得到政府有關(guān)部門的大力支持。但目前使用的電焊機二次側(cè)保護裝置產(chǎn)品，還存在著一些技術(shù)上的難題，致使這些產(chǎn)品不能很好地推廣使用。而本研究的新型保護裝置采用壓電晶體等新技術(shù)，已很好地解決了引弧難等技術(shù)問題。此項焊機二次側(cè)新型保護裝置體積小、成本低、接線簡便，實用性強。

此樣機經(jīng)多家單位現(xiàn)場使用后，效果良好，已具備了推廣使用的條件。

[1] 路金星.安全節(jié)能技術(shù)在交流電焊機上的應(yīng)用[J]. 電氣時代，2004，8.

[2] 鄭國偉.電焊機維修問答[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003

[3] 李雅軒.電力電子技術(shù)[M]. 北京：中國電力出版社，2007.

[4] 路金星，陳國功.電焊機二次側(cè)防觸電保裝置[P].中國：ZL2004 20058773.7,2006.3.8.