新型ZX7-500系列直流逆變弧焊機在煤礦企業中的應用

王 濤 孫紅海 張 浩

(山東能源棗礦集團供電工程處，山東省棗莊市，277011)

★ 煤炭科技·機電與信息化 ★

新型ZX7-500系列直流逆變弧焊機在煤礦企業中的應用

王 濤 孫紅海 張 浩

(山東能源棗礦集團供電工程處，山東省棗莊市，277011)

隨著煤礦電壓的升級，針對原來的380/660 V電焊機使用不便的問題，設計了新型ZX7系列直流逆變弧焊機。與老式煤礦企業使用的電焊機相比具有實用性高、安全、節省投資、設備輕便靈活、焊接質量穩定性高、飛濺小、焊機能耗低等優點，目前已在多家煤礦使用，大大提高了使用單位的勞動效率、降低設備投入，獲得使用單位的認可。

直流逆變弧焊機 1140 V電壓 實用性 安全 質量 能耗

電焊機是煤礦企業日常生產中必不可少的電氣設備，在煤礦企業中使用比較頻繁，近年來隨著煤礦電壓的升級，煤礦企業常用電壓系統由原來的660 V升級到1140 V，原來的380/660 V電焊機在煤礦上使用就帶來了不便(需額外增加變壓器作為電壓過渡)。作為新一代ZX7-500系列直流逆變弧焊機能很好地滿足煤礦企業在高電壓下的需求，更好地適應煤礦企業生產維修，并節省了設備的投入，降低能耗損失。

1 原電焊機在煤礦系統的缺陷

隨著礦區電壓升級改造，原煤礦系統的直流電焊機在使用中存在以下缺陷：電焊機的電壓等級一般為交流380/660 V,不能滿足目前礦區交流1140 V系統電壓的要求，需額外給電焊機配備一臺變壓器，將電壓變成滿足電焊機使用要求的電壓，額外增加了設備的投入；額外增加變壓器將造成設備重量增加，設備移動不便，且極不安全；原電焊機不具備電壓自動區別功能，不能很好地對礦區電壓進行自適應；原電焊機的線路板元器件沒有進行處理，使用防護性能差，對使用環境要求較高。

2 新型ZX7系列直流逆變弧焊機的改進

2.1 組成及優點

新型ZX7系列直流逆變弧焊機是在原直流逆變弧焊機的基礎上進行優化改進。新型焊機由控制回路和一次回路組成，而一次回路由電源輸入、整流回路、逆變回路、中頻變壓、二次整流、輸出回路五部分組成。新型焊機采用專用電子集成模塊，對外特性和動特性進行閉環控制，在20 kHz動態頻率下快速響應，特有的恒流/恒壓控制方式使裝置輸出電流/電壓在電網電壓波動±10%時維持在±3%范圍內變化，電流可在10%～100%范圍內連續調節，且以10%額定電流就能引弧、維弧；能耐受最大電流下短路，引弧容易、燃弧穩定、飛濺?。恍矢哌_90%，負載持續率達60%，節電30%以上；體積、重量僅為傳統同容量電焊機的1/10左右?？沙蔀槿〈吆哪堋⒑牟?、工藝性能差的傳統工頻變流產品的更新換代產品。由于電焊機采用中頻變壓器，因此，大大降低了電焊機的產品重量，最重的焊機重量不超過32 kg，由于體積小、重量輕、便于攜帶，尤其適用于流動作業場合。ZX7系列直流逆變弧焊機原理如圖1所示。

圖1 ZX7系列直流逆變弧焊機原理框圖

2.2 性能特點

(1)焊機整體布局合理，采用模塊式分布，區域明顯，便于焊機的使用維護。對線路板、線頭接插件、電位器及相關電子元件等受灰塵、濕度等環境影響較大的元器件進行軟膠覆蓋的防護措施，增加電焊機的內部防護，降低電焊機對環境的要求。焊機配備了380 V軸流風機作為電焊機的冷卻系統風量來源，結構化設計風道確保電焊機冷卻性能良好。

(2)輸入輸出系統設計簡單，便于操作。輸入系統由電焊機本身預裝的橡套軟電纜構成，確保電源線安全，使用時直接將電纜接上開關電源即可；輸出側電壓為AC70 V左右，輸出端由快速耦合裝置組成，操作簡單易行且安全可靠。

(3)電源系統增加了電壓自動判斷裝置，根據電壓互感器感應的二次電壓通過比較放大電路進行判別電源電壓是AC1140 V或660 V，然后將信號送至主控回路，主控回路將電壓信息發送給主控核心單元，以驅動不同的IGBT來實現不同電壓的轉換，同時將電壓信號發送至前面板指示回路，起到電源安全提醒與電源核對作用。實現電壓自動判別，滿足礦區不同電壓的需要。

(4)整流系統采用不可控整流加電容濾波，是由9個整流橋堆組成的全波橋式整流組合。該整流回路的接法使整流橋堆(BR5016)分擔了由交流1140 V三相電源產生的直流1650 V高壓，同時延長了整流橋堆的使用壽命。后面由兩組串聯后并聯的無極性電容DMJ-PC 20Μf 1400DC，進行濾波，提高輸出電壓平穩性。

(5)逆變回路由兩組串聯的IGBT構成，分擔高壓增加IGBT壽命。通過阻容吸收裝置，吸收IGBT工作所產生的諧波，改善控制脈沖的前后沿陡度和防止震蕩，減少IGBT集電極大的電壓尖脈沖，提高IGBT的工作能力，有效地保證了裝置的安全性。其中IGBT模塊作為本逆變焊機單元的主功率器件，可以輸出頻率為20 kHz電壓， IGBT的RC阻容吸收組件由2組100 K/3 W的水泥電阻和電容CBB81 322 K/3300 V組成，用于保護IGBT模塊。4組IGBT分成2個單元模塊，2個單元模塊串接在回路中，平分回路電壓。

選用耐壓等級為1700 V的IGBT模塊降低直流高壓對IGBT的反向擊穿電壓的影響，從而確保IGBT的安全工作。

(6)中頻變壓及整流回路采用中頻變壓器和快恢復二極管組成。其中高頻(20 kHz)變壓器采用高頻電磁線及非晶鐵芯磁環組成。非晶態合金是近30年來發展的新材料，具有易磁化、磁感應強度高、電阻率大、溫度系數小、矯頑力小、對渦流阻力大、能耗低的優點。20 kHz時鐵芯損耗僅為鐵氧體鐵芯損耗的一半，飽和磁通密度在100℃時為1.36T，比鐵氧體高3倍，很適合逆變電源高頻變壓器使用。與普通矽鋼片變壓器的電焊機相比，能有效降低本單元產品的整機重量、輸出效率及空載損耗。由于工作在高頻狀態，需要采用快恢復二極管，且要求快恢復二極管的正向恢復特性良好，即正向導通壓降小、恢復時間短，反向恢復特性也良好，即反向恢復時間短、反向恢復電荷少；并且有軟恢復特性，因此選用MPJ C2CA100U40 FL3005 101型快恢復二極管。

(7)控制方式采用PWM負反饋控制方式，IGBT驅動方式采用負電壓電路驅動，使設備輸出更加平穩、高效、控制精度高。在控制電路中均增加了過壓、欠壓、過載等保護措施，使得設備在應用中更加安全、穩定。焊機本身內部由熱敏電阻同主控回路構成溫度保護系統，避免設備過熱工作。電源同步信號采用光電耦合器與信號發生電路進行隔離，輸出驅動信號與IGBT采樣隔離變壓器進行隔離。為防止強電和控制電路的互相干擾，以及強電故障連鎖造成控制電路故障，強弱電不能共地；電流檢測需要隔離，過流時為了使過流信號盡快的反饋至主控回路及時切斷IGBT門極驅動信號，以保證IGBT不受損壞，必須采用快速型電流檢測元件。LEM霍爾電流傳感器具有使反饋控制系統與主電路完全隔離、動態響應快、采樣信號與變壓器原邊電流的比例線性度好的優點，因此本機采用霍爾電流傳感器HDC400B作為電流檢測元件。

3 應用情況

目前在山東能源棗礦集團下屬的幾家煤礦企業已試用了該型號的直流逆變弧焊機，通過使用發現每套設備投入節省5600元，以ZX7-500/1140V電焊機為例，按每班4 h的焊接工作，每班節省電量28 kWh，通過對電網質量檢測，發現該型電焊機工作時大大降低對電網的危害，諧波沖擊電流是原交流弧焊機諧波沖擊的1/3，電壓波動平滑，焊機短時沖擊功率(焊接瞬間打火)穩定，電壓波動是原交流弧焊機的1/4，提高了廠礦區域的電網質量。工人操作簡便、搭接電源清晰、焊機焊接性能穩定，焊接質量良好。

4 結語

新型ZX7系列直流逆變弧焊機與老式煤礦企業使用的電焊機相比較具有實用性高、安全、節省投資、設備輕便靈活、焊接質量穩定性高、飛濺小及能耗低等優點。目前新型直流逆變弧焊機已在礦區多家煤礦使用，大大提高了使用單位的勞動效率、降低設備投入，獲得使用單位的認可。

[1]楊軍，張玉桂.IGBT器件在礦用逆變式直流弧焊機的應用.中國科技博覽，2012(1)

[2]尹國云，馬良增.IGBT逆變式直流手弧焊機在黃金企業的應用.礦山機械，2012(2)

[3]李愛文，張承慧.現代逆變技術及其應用.北京：科學出版社，2000

[4]張光先等.逆變焊機原理與設計.北京：機械工業出版社，2008

[5]張恩鋒. 基于RBF神經網絡的絕緣子污穢智能診斷.中國煤炭，2015(7)

(責任編輯 張艷華)

Application of new ZX7-500 series DC arc welding machine in coal mines

Wang Tao, Sun Honghai, Zhang Hao

(Power Supply Branch, Shandong Energy Zaozhuang Mining Group Co., Ltd., Zaozhuang, Shandong 277011, China)

With the voltage upgrading of coal mine, aiming at the inconvenience of 380/660V electric welding machine, new ZX7-500 series DC arc welding machine was designed, which had advantages such as high practicability, smaller investment, more flexibilities, stable welding quality, less splashing and low power consumption. The new type machine, approved by the use entities, had been used in several mines and improved labor efficiency of use entities dramatically and reduced equipment investment.

DC arc welding machine, 1140V voltage, practicability, safety, quality, power consumption

TD68

A

王濤(1975-)，男，本科學歷，高級工程師，從事供電技術及管理的研究工作。