弧焊變壓器節能策略及其控制系統研究
摘 要:本文針對弧焊變壓器空載能耗大、功率因數低等問題,提出了一種節能策略,并基于微處理器控制的微功率輔助供電電源,研制了智能型弧焊變壓器空載降壓裝置,該裝置使弧焊變壓器二次側空載輸出電壓小于3V ,裝置本身的功耗極小,且針對不同型號的電焊機,該裝置無需調節,具有普適性,實驗結果表明本文提出的節能策略及其裝置具有顯著的節能效果。
1 引言
電焊機是一種常用的低壓電氣設備,在建筑、冶金、機械制造等行業應用廣泛,被列為中國十二大耗能設備之一,它每年要消耗全國發電量的0. 5%左右。電焊機產品中耗能最多的是應用量大的弧焊變壓器。弧焊變壓器的產量一直位居各類電焊機之冠。進入90年代后,我國定點廠生產的弧焊變壓器的產量占電弧焊機的三分之二左右〔2 ,3,4〕,若考慮定點廠以外廠生產的絕大多數焊機是交流弧焊機的實際情況,約占焊機總產量的80 %以上。目前全國弧焊變壓器的擁有量近百萬臺。弧焊變壓器采用斷續工作方式,一般負載持續率為60 %,空載時間較長,因弧焊變壓器功率較大,電弧焊機為了保證焊接引弧的要求,電弧焊機空載時需要具有較高的引弧電壓,約70～80V。存在著較大的空載損耗,解決好弧焊變壓器的空載節能問題對整個電焊機行業的節能有重要意義。
??? 弧焊變壓器存在以下問題: ①副邊空載電壓一般都在70～80 V之間,副邊空載電壓易造成人員傷亡;
②損耗大。第一,弧焊變壓器無論是BXl 型(動鐵式) 、BX3 型(動因式) 、BX6 型(抽頭式),本身都是高漏抗變壓器,感抗很大,功率因數一般只有0. 3～0. 4 ,空載時為0. 1～0. 2,無功損耗很大;第二,弧焊變壓器采用斷續工作方式, 一般負載持續率為60 % ,空載時間長,因弧焊變壓器功率較大,存在著較大的空載損耗。
??? 弧焊變壓器的正?？蛰d電壓為70～80 V。如果空載電流以10 %的額定焊接電流,對于1 臺300 A的弧焊變壓器,負載持續率取60%,每天工作一班8 h ,每月工作24 天,則1 臺300 A弧焊變壓器年空載耗能約為: (70 - 80) ×(300 ×0. 1)×8 ×(1 - 0. 6) ×24 ×12約為2000 kWh?？紤]到全國共近百萬臺弧焊變壓器,按50 %的電焊機利用率約50萬臺,則全國弧焊變壓器年空載耗能約數億kWh(沒考慮無功損耗)。本文針對以上問題,設計了結構簡潔具有良好技術和工程性能的弧焊變壓器智能節能防觸電裝置。
???? 2 現有節能策略及其裝置性能分析
??? 為了解決空載能耗問題,國標規定弧焊變壓器的空載電流小于額定焊接電流的10%,由于這一規定,使得許多低檔的弧焊機不得不采用高級硅鋼片來滿足標準要求,使用成本增加很多,需要幾十年節能才能補償成本的一次投入的增加部分,故這一規定顯然對材料和能源的節約是不利的,在許多情況下造成人為的能源和材料浪費。為了解決這些問題,國內外學者分別進行了研究,提出了多種解決辦法并研制了各種設備或裝置,但在技術或工程上都存在問題,在以下幾個方面存在不足:
現有降低空載電壓的方式及其不足:
國內外主要是采用下述三種方法來降低電弧焊機的空載電壓:
?? (1)主回路中串接或旁路雙向可控硅,通過調節雙向可控硅的導通角來改變電弧焊機初級電壓,從而達到降低電弧焊機次級電壓。這種方法的缺點是:由于供電電壓波動,電弧焊機二次側輸出的空載電壓會高于36
V 的安全電壓或系統不能正常工作;由于電壓波動和沖擊的影響,經常損壞雙向可控硅,使得裝置失去作用;可控硅功耗大,需要另加散熱風扇。
?? (2)增加小降壓變壓器為弧焊變壓器二次側直接供電。該方法的缺點是:同時在電焊機雙側接線,設備接線更復雜。
3)主回路中串接電容降壓。這種方法的缺點是電容極其容易損壞,而且降壓效果不理想,且同時在電焊機雙側接線,設備接線更復雜。
現有獲取啟動信號的方式及其不足:
以上三種方法主要是采用下述的三種方法來得到啟動信號:
?? (1)在電弧焊機一次回路中加一個環形電磁傳感器。這種方法的缺點是要求短路電流和空載電流之間有很明顯的差異,電弧焊機二次側輸出空載電壓就必須很高(一般都在24V 以上) ,這樣才能使焊條和工件接觸瞬間產生一個較大的短路電流,但是降低了保護器的安全性。
?? (2)從電焊機的二次側取得啟動信號,主要是在二次側回路中加一個環形電磁傳感器來取樣放大電流信號,或者是在二次側回路中并聯不同線圈電壓值的靈敏變流電磁繼電器來采樣電壓信號。這種方法的缺點是需要從電焊機的輸出端引出反饋線。如果采集信號的靈敏度過高的話,受到外界的干擾非常的明顯,有時會因為干擾信號而誤啟動。如果采集信號的靈敏度過低的話,會影響焊接的質量。
?? (3)在電弧焊機次級的焊鉗上安裝上一個開關,這種方法的缺點是需要特制的焊鉗,且操作不便。
??? 3 節能策略及其測控系統設計
??? 基于微處理器單元,當電焊機處于空載狀態時,斷開電焊機一次側的主供電回路,采用微處理器控制的微功率輔助電源為電焊機供電,當電焊機工作時再恢復主供電回路,以減少電焊機空載能耗。
??? (1) 微處理器控制的微功率輔助供電電源設計:
??? 如圖1所示,在電焊機一次側供電回路中電子繼電器兩端并聯微處理器控制的微功率輔助供電電源。當電焊機處于空載狀態時,電子繼電器關閉,電焊機由微處理器控制的微功率輔助電源供電。電焊機空載狀態時二次側的輸出電壓穩定在3V 左右。
??? (2)啟動信號檢測電路設計:電焊機一次側電壓經過隔離后輸入到微處理器?？蛰d狀態時,微處理器檢測并分析電焊機一次側電壓波形,判斷出是否需要焊接。當焊條接觸工件后,該電壓值降低,驅動能力明顯降低,輸入到微處理器的信號急劇變化,微處理器通過邏輯判斷,決定是否啟動焊接信號,從而能夠安全、可靠地驅動電子繼電器工作。
??? (3)驅動電路設計:微處理器控制電子繼電器的通斷,當漏電檢測電路檢測到漏電信號或者是微處理器控制端輸出關斷信號時,電子繼電器被關斷。
??? (4)工作信號檢測電路設計:當電焊機工作時,微處理器對工作電流信號進行實時檢測,來判斷是否焊接,以決定是否斷開電子繼電器。當焊條離開工件后,微處理器檢測不到工作電流信號,如果延時一定時間(如1s),微處理器仍然檢測不到工作電流信號,微處理器才控制電子繼電器斷開,以保證焊接質量。工作電流信號是從環形傳感器輸入的脈沖信號,當電焊機工作時,從環形傳感器來的脈沖信號驅動光耦導通,從光耦輸出端輸出信號。當電焊機停止工作時,這個脈沖信號很小,未能驅動光耦導通,光耦輸出端無信號輸出。
??? (5) 漏電檢測電路:M54123為專用的漏電檢測電路,當漏電檢測傳感器檢測到漏電信號時,光耦輸出端輸出漏電信號,微處理器檢測到這個信號后,關斷電子繼電器。
??? (6)弧焊變壓器智能節能防觸電裝置測控系統軟件流程如圖2 所示。
4 結論
?? 本文針對弧焊變壓器空載能耗大、功率因數低等問題,提出了一種節能策略,并研制了相應的智能型弧焊變壓器空載降壓裝置,理論及實踐結果表明本文提出的方法具有如下特點:
??? (1)實現了裝置的智能化、電子化、小型化,操作簡單,使用更方便;
??? (2)針對不同型號的電焊機,該裝置無需調節,對不同型號、不同規格的電焊機,具有普適性;
??? (3)該裝置使弧焊變壓器二次側空載輸出電壓小于3 V,遠遠低于國標GB10235 —2000 規定的24 V ;
??? (4)該裝置本身的功耗極小,無需另加散熱風扇,并舍棄了機械接觸器,系統的可靠性更高;
??? (5)以數字信號的方式處理,便于邏輯判斷和處理,檢測靈敏度高,抗干擾性好,電焊機不會因為意外的干擾誤觸發;
??? (6)采用專用的漏電檢測及控制電路,提高了焊工的人身安全度;
??? (7)啟動時間短,小于0. 02 s。低于國標GB10235—2000中規定的0. 06 s ,提高了工作效率?；『缸儔浩骷友b本文研制的節能裝置后,弧焊變壓器二次側空載電壓降為3V 以下,對于1 臺300A 的弧焊變壓器,實測空載電流約為0.1 A ,負載持續率取60 % ,每天工作一班8 h ,每月工作24 天,則1 臺300 A 弧焊變壓器1 年空載耗能不到1 kWh(3×0. 1 ×8 ×(1 - 0. 6) ×24 ×12 ) ?？紤]到全國共近百萬臺弧焊變壓器,按電焊機利用率約50 %,則與弧焊變壓器不加裝節能裝置相比全國年節能約10億kWh ,若考慮無功損耗則效果會更明顯。