新型ZX7-500系列直流逆變弧焊機(jī)在煤礦企業(yè)中的應(yīng)用

王 濤 孫紅海 張 浩

(山東能源棗礦集團(tuán)供電工程處，山東省棗莊市，277011)

★ 煤炭科技·機(jī)電與信息化 ★

新型ZX7-500系列直流逆變弧焊機(jī)在煤礦企業(yè)中的應(yīng)用

王 濤 孫紅海 張 浩

(山東能源棗礦集團(tuán)供電工程處，山東省棗莊市，277011)

隨著煤礦電壓的升級(jí)，針對(duì)原來的380/660 V電焊機(jī)使用不便的問題，設(shè)計(jì)了新型ZX7系列直流逆變弧焊機(jī)。與老式煤礦企業(yè)使用的電焊機(jī)相比具有實(shí)用性高、安全、節(jié)省投資、設(shè)備輕便靈活、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性高、飛濺小、焊機(jī)能耗低等優(yōu)點(diǎn)，目前已在多家煤礦使用，大大提高了使用單位的勞動(dòng)效率、降低設(shè)備投入，獲得使用單位的認(rèn)可。

直流逆變弧焊機(jī) 1140 V電壓 實(shí)用性 安全 質(zhì)量 能耗

電焊機(jī)是煤礦企業(yè)日常生產(chǎn)中必不可少的電氣設(shè)備，在煤礦企業(yè)中使用比較頻繁，近年來隨著煤礦電壓的升級(jí)，煤礦企業(yè)常用電壓系統(tǒng)由原來的660 V升級(jí)到1140 V，原來的380/660 V電焊機(jī)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(jī)能很好地滿足煤礦企業(yè)在高電壓下的需求，更好地適應(yīng)煤礦企業(yè)生產(chǎn)維修，并節(jié)省了設(shè)備的投入，降低能耗損失。

1 原電焊機(jī)在煤礦系統(tǒng)的缺陷

隨著礦區(qū)電壓升級(jí)改造，原煤礦系統(tǒng)的直流電焊機(jī)在使用中存在以下缺陷：電焊機(jī)的電壓等級(jí)一般為交流380/660 V,不能滿足目前礦區(qū)交流1140 V系統(tǒng)電壓的要求，需額外給電焊機(jī)配備一臺(tái)變壓器，將電壓變成滿足電焊機(jī)使用要求的電壓，額外增加了設(shè)備的投入；額外增加變壓器將造成設(shè)備重量增加，設(shè)備移動(dòng)不便，且極不安全；原電焊機(jī)不具備電壓自動(dòng)區(qū)別功能，不能很好地對(duì)礦區(qū)電壓進(jìn)行自適應(yīng)；原電焊機(jī)的線路板元器件沒有進(jìn)行處理，使用防護(hù)性能差，對(duì)使用環(huán)境要求較高。

2 新型ZX7系列直流逆變弧焊機(jī)的改進(jìn)

2.1 組成及優(yōu)點(diǎn)

新型ZX7系列直流逆變弧焊機(jī)是在原直流逆變弧焊機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。新型焊機(jī)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(jī)采用專用電子集成模塊，對(duì)外特性和動(dòng)特性進(jìn)行閉環(huán)控制，在20 kHz動(dòng)態(tài)頻率下快速響應(yīng)，特有的恒流/恒壓控制方式使裝置輸出電流/電壓在電網(wǎng)電壓波動(dòng)±10%時(shí)維持在±3%范圍內(nèi)變化，電流可在10%～100%范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，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(wěn)定、飛濺小；效率高達(dá)90%，負(fù)載持續(xù)率達(dá)60%，節(jié)電30%以上；體積、重量僅為傳統(tǒng)同容量電焊機(jī)的1/10左右。可成為取代高耗能、耗材、工藝性能差的傳統(tǒng)工頻變流產(chǎn)品的更新?lián)Q代產(chǎn)品。由于電焊機(jī)采用中頻變壓器，因此，大大降低了電焊機(jī)的產(chǎn)品重量，最重的焊機(jī)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(dòng)作業(yè)場(chǎng)合。ZX7系列直流逆變弧焊機(jī)原理如圖1所示。

圖1 ZX7系列直流逆變弧焊機(jī)原理框圖

2.2 性能特點(diǎn)

(1)焊機(jī)整體布局合理，采用模塊式分布，區(qū)域明顯，便于焊機(jī)的使用維護(hù)。對(duì)線路板、線頭接插件、電位器及相關(guān)電子元件等受灰塵、濕度等環(huán)境影響較大的元器件進(jìn)行軟膠覆蓋的防護(hù)措施，增加電焊機(jī)的內(nèi)部防護(hù)，降低電焊機(jī)對(duì)環(huán)境的要求。焊機(jī)配備了380 V軸流風(fēng)機(jī)作為電焊機(jī)的冷卻系統(tǒng)風(fēng)量來源，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)風(fēng)道確保電焊機(jī)冷卻性能良好。

(2)輸入輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，便于操作。輸入系統(tǒng)由電焊機(jī)本身預(yù)裝的橡套軟電纜構(gòu)成，確保電源線安全，使用時(shí)直接將電纜接上開關(guān)電源即可；輸出側(cè)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(tǒng)增加了電壓自動(dòng)判斷裝置，根據(jù)電壓互感器感應(yīng)的二次電壓通過比較放大電路進(jìn)行判別電源電壓是AC1140 V或660 V，然后將信號(hào)送至主控回路，主控回路將電壓信息發(fā)送給主控核心單元，以驅(qū)動(dòng)不同的IGBT來實(shí)現(xiàn)不同電壓的轉(zhuǎn)換，同時(shí)將電壓信號(hào)發(fā)送至前面板指示回路，起到電源安全提醒與電源核對(duì)作用。實(shí)現(xiàn)電壓自動(dòng)判別，滿足礦區(qū)不同電壓的需要。

(4)整流系統(tǒng)采用不可控整流加電容濾波，是由9個(gè)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(dān)了由交流1140 V三相電源產(chǎn)生的直流1650 V高壓，同時(shí)延長了整流橋堆的使用壽命。后面由兩組串聯(lián)后并聯(lián)的無極性電容DMJ-PC 20Μf 1400DC，進(jìn)行濾波，提高輸出電壓平穩(wěn)性。

(5)逆變回路由兩組串聯(lián)的IGBT構(gòu)成，分擔(dān)高壓增加IGBT壽命。通過阻容吸收裝置，吸收IGBT工作所產(chǎn)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(jī)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(hù)IGBT模塊。4組IGBT分成2個(gè)單元模塊，2個(gè)單元模塊串接在回路中，平分回路電壓。

選用耐壓等級(jí)為1700 V的IGBT模塊降低直流高壓對(duì)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(fù)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(huán)組成。非晶態(tài)合金是近30年來發(fā)展的新材料，具有易磁化、磁感應(yīng)強(qiáng)度高、電阻率大、溫度系數(shù)小、矯頑力小、對(duì)渦流阻力大、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。20 kHz時(shí)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(shí)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(jī)相比，能有效降低本單元產(chǎn)品的整機(jī)重量、輸出效率及空載損耗。由于工作在高頻狀態(tài)，需要采用快恢復(fù)二極管，且要求快恢復(fù)二極管的正向恢復(fù)特性良好，即正向?qū)▔航敌　⒒謴?fù)時(shí)間短，反向恢復(fù)特性也良好，即反向恢復(fù)時(shí)間短、反向恢復(fù)電荷少；并且有軟恢復(fù)特性，因此選用MPJ C2CA100U40 FL3005 101型快恢復(fù)二極管。

(7)控制方式采用PWM負(fù)反饋控制方式，IGBT驅(qū)動(dòng)方式采用負(fù)電壓電路驅(qū)動(dòng)，使設(shè)備輸出更加平穩(wěn)、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(hù)措施，使得設(shè)備在應(yīng)用中更加安全、穩(wěn)定。焊機(jī)本身內(nèi)部由熱敏電阻同主控回路構(gòu)成溫度保護(hù)系統(tǒng)，避免設(shè)備過熱工作。電源同步信號(hào)采用光電耦合器與信號(hào)發(fā)生電路進(jìn)行隔離，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)與IGBT采樣隔離變壓器進(jìn)行隔離。為防止強(qiáng)電和控制電路的互相干擾，以及強(qiáng)電故障連鎖造成控制電路故障，強(qiáng)弱電不能共地；電流檢測(cè)需要隔離，過流時(shí)為了使過流信號(hào)盡快的反饋至主控回路及時(shí)切斷IGBT門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以保證IGBT不受損壞，必須采用快速型電流檢測(cè)元件。LEM霍爾電流傳感器具有使反饋控制系統(tǒng)與主電路完全隔離、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、采樣信號(hào)與變壓器原邊電流的比例線性度好的優(yōu)點(diǎn)，因此本機(jī)采用霍爾電流傳感器HDC400B作為電流檢測(cè)元件。

3 應(yīng)用情況

目前在山東能源棗礦集團(tuán)下屬的幾家煤礦企業(yè)已試用了該型號(hào)的直流逆變弧焊機(jī)，通過使用發(fā)現(xiàn)每套設(shè)備投入節(jié)省5600元，以ZX7-500/1140V電焊機(jī)為例，按每班4 h的焊接工作，每班節(jié)省電量28 kWh，通過對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該型電焊機(jī)工作時(shí)大大降低對(duì)電網(wǎng)的危害，諧波沖擊電流是原交流弧焊機(jī)諧波沖擊的1/3，電壓波動(dòng)平滑，焊機(jī)短時(shí)沖擊功率(焊接瞬間打火)穩(wěn)定，電壓波動(dòng)是原交流弧焊機(jī)的1/4，提高了廠礦區(qū)域的電網(wǎng)質(zhì)量。工人操作簡便、搭接電源清晰、焊機(jī)焊接性能穩(wěn)定，焊接質(zhì)量良好。

4 結(jié)語

新型ZX7系列直流逆變弧焊機(jī)與老式煤礦企業(yè)使用的電焊機(jī)相比較具有實(shí)用性高、安全、節(jié)省投資、設(shè)備輕便靈活、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性高、飛濺小及能耗低等優(yōu)點(diǎn)。目前新型直流逆變弧焊機(jī)已在礦區(qū)多家煤礦使用，大大提高了使用單位的勞動(dòng)效率、降低設(shè)備投入，獲得使用單位的認(rèn)可。

[1]楊軍，張玉桂.IGBT器件在礦用逆變式直流弧焊機(jī)的應(yīng)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(jī)在黃金企業(yè)的應(yīng)用.礦山機(jī)械，2012(2)

[3]李愛文，張承慧.現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，2000

[4]張光先等.逆變焊機(jī)原理與設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008

[5]張恩鋒. 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的絕緣子污穢智能診斷.中國煤炭，2015(7)

(責(zé)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(xué)歷，高級(jí)工程師，從事供電技術(shù)及管理的研究工作。