弧焊变压器节能策略及其控制系统研究
摘 要:本文针对弧焊变压器空载能耗大、功率因数低等问题,提出了一种节能策略,并基于微处理器控制的微功率辅助供电电源,研制了智能型弧焊变压器空载降压装置,该装置使弧焊变压器二次侧空载输出电压小于3V ,装置本身的功耗极小,且针对不同型号的电焊机,该装置无需调节,具有普适性,实验结果表明本文提出的节能策略及其装置具有显著的节能效果。
1 引言
电焊机是一种常用的低压电气设备,在建筑、冶金、机械制造等行业应用广泛,被列为中国十二大耗能设备之一,它每年要消耗全国发电量的0. 5%左右。电焊机产品中耗能最多的是应用量大的弧焊变压器。弧焊变压器的产量一直位居各类电焊机之冠。进入90年代后,我国定点厂生产的弧焊变压器的产量占电弧焊机的三分之二左右〔2 ,3,4〕,若考虑定点厂以外厂生产的绝大多数焊机是交流弧焊机的实际情况,约占焊机总产量的80 %以上。目前全国弧焊变压器的拥有量近百万台。弧焊变压器采用断续工作方式,一般负载持续率为60 %,空载时间较长,因弧焊变压器功率较大,电弧焊机为了保证焊接引弧的要求,电弧焊机空载时需要具有较高的引弧电压,约70～80V。存在着较大的空载损耗,解决好弧焊变压器的空载节能问题对整个电焊机行业的节能有重要意义。
弧焊变压器存在以下问题: ①副边空载电压一般都在70～80 V之间,副边空载电压易造成人员伤亡;
②损耗大。第一,弧焊变压器无论是BXl 型(动铁式) 、BX3 型(动因式) 、BX6 型(抽头式),本身都是高漏抗变压器,感抗很大,功率因数一般只有0. 3～0. 4 ,空载时为0. 1～0. 2,无功损耗很大;第二,弧焊变压器采用断续工作方式, 一般负载持续率为60 % ,空载时间长,因弧焊变压器功率较大,存在着较大的空载损耗。
弧焊变压器的正常空载电压为70～80 V。如果空载电流以10 %的额定焊接电流,对于1 台300 A的弧焊变压器,负载持续率取60%,每天工作一班8 h ,每月工作24 天,则1 台300 A弧焊变压器年空载耗能约为: (70 - 80) ×(300 ×0. 1)×8 ×(1 - 0. 6) ×24 ×12约为2000 kWh。考虑到全国共近百万台弧焊变压器,按50 %的电焊机利用率约50万台,则全国弧焊变压器年空载耗能约数亿kWh(没考虑无功损耗)。本文针对以上问题,设计了结构简洁具有良好技术和工程性能的弧焊变压器智能节能防触电装置。
2 现有节能策略及其装置性能分析
为了解决空载能耗问题,国标规定弧焊变压器的空载电流小于额定焊接电流的10%,由于这一规定,使得许多低档的弧焊机不得不采用高级硅钢片来满足标准要求,使用成本增加很多,需要几十年节能才能补偿成本的一次投入的增加部分,故这一规定显然对材料和能源的节约是不利的,在许多情况下造成人为的能源和材料浪费。为了解决这些问题,国内外学者分别进行了研究,提出了多种解决办法并研制了各种设备或装置,但在技术或工程上都存在问题,在以下几个方面存在不足:
现有降低空载电压的方式及其不足:
国内外主要是采用下述三种方法来降低电弧焊机的空载电压:
(1)主回路中串接或旁路双向可控硅,通过调节双向可控硅的导通角来改变电弧焊机初级电压,从而达到降低电弧焊机次级电压。这种方法的缺点是:由于供电电压波动,电弧焊机二次侧输出的空载电压会高于36
V 的安全电压或系统不能正常工作;由于电压波动和冲击的影响,经常损坏双向可控硅,使得装置失去作用;可控硅功耗大,需要另加散热风扇。
(2)增加小降压变压器为弧焊变压器二次侧直接供电。该方法的缺点是:同时在电焊机双侧接线,设备接线更复杂。
3)主回路中串接电容降压。这种方法的缺点是电容极其容易损坏,而且降压效果不理想,且同时在电焊机双侧接线,设备接线更复杂。
现有获取启动信号的方式及其不足:
以上三种方法主要是采用下述的三种方法来得到启动信号:
(1)在电弧焊机一次回路中加一个环形电磁传感器。这种方法的缺点是要求短路电流和空载电流之间有很明显的差异,电弧焊机二次侧输出空载电压就必须很高(一般都在24V 以上) ,这样才能使焊条和工件接触瞬间产生一个较大的短路电流,但是降低了保护器的安全性。
(2)从电焊机的二次侧取得启动信号,主要是在二次侧回路中加一个环形电磁传感器来取样放大电流信号,或者是在二次侧回路中并联不同线圈电压值的灵敏变流电磁继电器来采样电压信号。这种方法的缺点是需要从电焊机的输出端引出反馈线。如果采集信号的灵敏度过高的话,受到外界的干扰非常的明显,有时会因为干扰信号而误启动。如果采集信号的灵敏度过低的话,会影响焊接的质量。
(3)在电弧焊机次级的焊钳上安装上一个开关,这种方法的缺点是需要特制的焊钳,且操作不便。
3 节能策略及其测控系统设计
基于微处理器单元,当电焊机处于空载状态时,断开电焊机一次侧的主供电回路,采用微处理器控制的微功率辅助电源为电焊机供电,当电焊机工作时再恢复主供电回路,以减少电焊机空载能耗。
(1) 微处理器控制的微功率辅助供电电源设计:
如图1所示,在电焊机一次侧供电回路中电子继电器两端并联微处理器控制的微功率辅助供电电源。当电焊机处于空载状态时,电子继电器关闭,电焊机由微处理器控制的微功率辅助电源供电。电焊机空载状态时二次侧的输出电压稳定在3V 左右。
(2)启动信号检测电路设计:电焊机一次侧电压经过隔离后输入到微处理器。空载状态时,微处理器检测并分析电焊机一次侧电压波形,判断出是否需要焊接。当焊条接触工件后,该电压值降低,驱动能力明显降低,输入到微处理器的信号急剧变化,微处理器通过逻辑判断,决定是否启动焊接信号,从而能够安全、可靠地驱动电子继电器工作。
(3)驱动电路设计:微处理器控制电子继电器的通断,当漏电检测电路检测到漏电信号或者是微处理器控制端输出关断信号时,电子继电器被关断。
(4)工作信号检测电路设计:当电焊机工作时,微处理器对工作电流信号进行实时检测,来判断是否焊接,以决定是否断开电子继电器。当焊条离开工件后,微处理器检测不到工作电流信号,如果延时一定时间(如1s),微处理器仍然检测不到工作电流信号,微处理器才控制电子继电器断开,以保证焊接质量。工作电流信号是从环形传感器输入的脉冲信号,当电焊机工作时,从环形传感器来的脉冲信号驱动光耦导通,从光耦输出端输出信号。当电焊机停止工作时,这个脉冲信号很小,未能驱动光耦导通,光耦输出端无信号输出。
(5) 漏电检测电路:M54123为专用的漏电检测电路,当漏电检测传感器检测到漏电信号时,光耦输出端输出漏电信号,微处理器检测到这个信号后,关断电子继电器。
(6)弧焊变压器智能节能防触电装置测控系统软件流程如图2 所示。
4 结论
本文针对弧焊变压器空载能耗大、功率因数低等问题,提出了一种节能策略,并研制了相应的智能型弧焊变压器空载降压装置,理论及实践结果表明本文提出的方法具有如下特点:
(1)实现了装置的智能化、电子化、小型化,操作简单,使用更方便;
(2)针对不同型号的电焊机,该装置无需调节,对不同型号、不同规格的电焊机,具有普适性;
(3)该装置使弧焊变压器二次侧空载输出电压小于3 V,远远低于国标GB10235 —2000 规定的24 V ;
(4)该装置本身的功耗极小,无需另加散热风扇,并舍弃了机械接触器,系统的可靠性更高;
(5)以数字信号的方式处理,便于逻辑判断和处理,检测灵敏度高,抗干扰性好,电焊机不会因为意外的干扰误触发;
(6)采用专用的漏电检测及控制电路,提高了焊工的人身安全度;
(7)启动时间短,小于0. 02 s。低于国标GB10235—2000中规定的0. 06 s ,提高了工作效率。弧焊变压器加装本文研制的节能装置后,弧焊变压器二次侧空载电压降为3V 以下,对于1 台300A 的弧焊变压器,实测空载电流约为0.1 A ,负载持续率取60 % ,每天工作一班8 h ,每月工作24 天,则1 台300 A 弧焊变压器1 年空载耗能不到1 kWh(3×0. 1 ×8 ×(1 - 0. 6) ×24 ×12 ) 。考虑到全国共近百万台弧焊变压器,按电焊机利用率约50 %,则与弧焊变压器不加装节能装置相比全国年节能约10亿kWh ,若考虑无功损耗则效果会更明显。