弧焊變壓器節(jié)能策略及其控制系統(tǒng)研究
摘 要:本文針對(duì)弧焊變壓器空載能耗大、功率因數(shù)低等問(wèn)題,提出了一種節(jié)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(cè)空載輸出電壓小于3V ,裝置本身的功耗極小,且針對(duì)不同型號(hào)的電焊機(jī),該裝置無(wú)需調(diào)節(jié),具有普適性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的節(jié)能策略及其裝置具有顯著的節(jié)能效果。
1 引言
電焊機(jī)是一種常用的低壓電氣設(shè)備,在建筑、冶金、機(jī)械制造等行業(yè)應(yīng)用廣泛,被列為中國(guó)十二大耗能設(shè)備之一,它每年要消耗全國(guó)發(fā)電量的0. 5%左右。電焊機(jī)產(chǎn)品中耗能最多的是應(yīng)用量大的弧焊變壓器。弧焊變壓器的產(chǎn)量一直位居各類(lèi)電焊機(jī)之冠。進(jìn)入90年代后,我國(guó)定點(diǎn)廠生產(chǎn)的弧焊變壓器的產(chǎn)量占電弧焊機(jī)的三分之二左右〔2 ,3,4〕,若考慮定點(diǎn)廠以外廠生產(chǎn)的絕大多數(shù)焊機(jī)是交流弧焊機(jī)的實(shí)際情況,約占焊機(jī)總產(chǎn)量的80 %以上。目前全國(guó)弧焊變壓器的擁有量近百萬(wàn)臺(tái)。弧焊變壓器采用斷續(xù)工作方式,一般負(fù)載持續(xù)率為60 %,空載時(shí)間較長(zhǎng),因弧焊變壓器功率較大,電弧焊機(jī)為了保證焊接引弧的要求,電弧焊機(jī)空載時(shí)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(jié)能問(wèn)題對(duì)整個(gè)電焊機(jī)行業(yè)的節(jié)能有重要意義。
??? 弧焊變壓器存在以下問(wèn)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(wú)論是BXl 型(動(dòng)鐵式) 、BX3 型(動(dòng)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(shù)一般只有0. 3～0. 4 ,空載時(shí)為0. 1～0. 2,無(wú)功損耗很大;第二,弧焊變壓器采用斷續(xù)工作方式, 一般負(fù)載持續(xù)率為60 % ,空載時(shí)間長(zhǎng),因弧焊變壓器功率較大,存在著較大的空載損耗。
??? 弧焊變壓器的正常空載電壓為70～80 V。如果空載電流以10 %的額定焊接電流,對(duì)于1 臺(tái)300 A的弧焊變壓器,負(fù)載持續(xù)率取60%,每天工作一班8 h ,每月工作24 天,則1 臺(tái)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。考慮到全國(guó)共近百萬(wàn)臺(tái)弧焊變壓器,按50 %的電焊機(jī)利用率約50萬(wàn)臺(tái),則全國(guó)弧焊變壓器年空載耗能約數(shù)億kWh(沒(méi)考慮無(wú)功損耗)。本文針對(duì)以上問(wèn)題,設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔具有良好技術(shù)和工程性能的弧焊變壓器智能節(jié)能防觸電裝置。
???? 2 現(xiàn)有節(jié)能策略及其裝置性能分析
??? 為了解決空載能耗問(wèn)題,國(guó)標(biāo)規(guī)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(guī)定,使得許多低檔的弧焊機(jī)不得不采用高級(jí)硅鋼片來(lái)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,使用成本增加很多,需要幾十年節(jié)能才能補(bǔ)償成本的一次投入的增加部分,故這一規(guī)定顯然對(duì)材料和能源的節(jié)約是不利的,在許多情況下造成人為的能源和材料浪費(fèi)。為了解決這些問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別進(jìn)行了研究,提出了多種解決辦法并研制了各種設(shè)備或裝置,但在技術(shù)或工程上都存在問(wèn)題,在以下幾個(gè)方面存在不足:
現(xiàn)有降低空載電壓的方式及其不足:
國(guó)內(nèi)外主要是采用下述三種方法來(lái)降低電弧焊機(jī)的空載電壓:
?? (1)主回路中串接或旁路雙向可控硅,通過(guò)調(diào)節(jié)雙向可控硅的導(dǎo)通角來(lái)改變電弧焊機(jī)初級(jí)電壓,從而達(dá)到降低電弧焊機(jī)次級(jí)電壓。這種方法的缺點(diǎn)是:由于供電電壓波動(dòng),電弧焊機(jī)二次側(cè)輸出的空載電壓會(huì)高于36
V 的安全電壓或系統(tǒng)不能正常工作;由于電壓波動(dòng)和沖擊的影響,經(jīng)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(fēng)扇。
?? (2)增加小降壓變壓器為弧焊變壓器二次側(cè)直接供電。該方法的缺點(diǎn)是:同時(shí)在電焊機(jī)雙側(cè)接線,設(shè)備接線更復(fù)雜。
3)主回路中串接電容降壓。這種方法的缺點(diǎn)是電容極其容易損壞,而且降壓效果不理想,且同時(shí)在電焊機(jī)雙側(cè)接線,設(shè)備接線更復(fù)雜。
現(xiàn)有獲取啟動(dòng)信號(hào)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(lái)得到啟動(dòng)信號(hào):
?? (1)在電弧焊機(jī)一次回路中加一個(gè)環(huán)形電磁傳感器。這種方法的缺點(diǎn)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(jī)二次側(cè)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(chǎn)生一個(gè)較大的短路電流,但是降低了保護(hù)器的安全性。
?? (2)從電焊機(jī)的二次側(cè)取得啟動(dòng)信號(hào),主要是在二次側(cè)回路中加一個(gè)環(huán)形電磁傳感器來(lái)取樣放大電流信號(hào),或者是在二次側(cè)回路中并聯(lián)不同線圈電壓值的靈敏變流電磁繼電器來(lái)采樣電壓信號(hào)。這種方法的缺點(diǎn)是需要從電焊機(jī)的輸出端引出反饋線。如果采集信號(hào)的靈敏度過(guò)高的話,受到外界的干擾非常的明顯,有時(shí)會(huì)因?yàn)楦蓴_信號(hào)而誤啟動(dòng)。如果采集信號(hào)的靈敏度過(guò)低的話,會(huì)影響焊接的質(zhì)量。
?? (3)在電弧焊機(jī)次級(jí)的焊鉗上安裝上一個(gè)開(kāi)關(guān),這種方法的缺點(diǎn)是需要特制的焊鉗,且操作不便。
??? 3 節(jié)能策略及其測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
??? 基于微處理器單元,當(dāng)電焊機(jī)處于空載狀態(tài)時(shí),斷開(kāi)電焊機(jī)一次側(cè)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(jī)供電,當(dāng)電焊機(jī)工作時(shí)再恢復(fù)主供電回路,以減少電焊機(jī)空載能耗。
??? (1) 微處理器控制的微功率輔助供電電源設(shè)計(jì):
??? 如圖1所示,在電焊機(jī)一次側(cè)供電回路中電子繼電器兩端并聯(lián)微處理器控制的微功率輔助供電電源。當(dāng)電焊機(jī)處于空載狀態(tài)時(shí),電子繼電器關(guān)閉,電焊機(jī)由微處理器控制的微功率輔助電源供電。電焊機(jī)空載狀態(tài)時(shí)二次側(cè)的輸出電壓穩(wěn)定在3V 左右。
??? (2)啟動(dòng)信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì):電焊機(jī)一次側(cè)電壓經(jīng)過(guò)隔離后輸入到微處理器。空載狀態(tài)時(shí),微處理器檢測(cè)并分析電焊機(jī)一次側(cè)電壓波形,判斷出是否需要焊接。當(dāng)焊條接觸工件后,該電壓值降低,驅(qū)動(dòng)能力明顯降低,輸入到微處理器的信號(hào)急劇變化,微處理器通過(guò)邏輯判斷,決定是否啟動(dòng)焊接信號(hào),從而能夠安全、可靠地驅(qū)動(dòng)電子繼電器工作。
??? (3)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì):微處理器控制電子繼電器的通斷,當(dāng)漏電檢測(cè)電路檢測(cè)到漏電信號(hào)或者是微處理器控制端輸出關(guān)斷信號(hào)時(shí),電子繼電器被關(guān)斷。
??? (4)工作信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì):當(dāng)電焊機(jī)工作時(shí),微處理器對(duì)工作電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),來(lái)判斷是否焊接,以決定是否斷開(kāi)電子繼電器。當(dāng)焊條離開(kāi)工件后,微處理器檢測(cè)不到工作電流信號(hào),如果延時(shí)一定時(shí)間(如1s),微處理器仍然檢測(cè)不到工作電流信號(hào),微處理器才控制電子繼電器斷開(kāi),以保證焊接質(zhì)量。工作電流信號(hào)是從環(huán)形傳感器輸入的脈沖信號(hào),當(dāng)電焊機(jī)工作時(shí),從環(huán)形傳感器來(lái)的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)光耦導(dǎo)通,從光耦輸出端輸出信號(hào)。當(dāng)電焊機(jī)停止工作時(shí),這個(gè)脈沖信號(hào)很小,未能驅(qū)動(dòng)光耦導(dǎo)通,光耦輸出端無(wú)信號(hào)輸出。
??? (5) 漏電檢測(cè)電路:M54123為專用的漏電檢測(cè)電路,當(dāng)漏電檢測(cè)傳感器檢測(cè)到漏電信號(hào)時(shí),光耦輸出端輸出漏電信號(hào),微處理器檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)后,關(guān)斷電子繼電器。
??? (6)弧焊變壓器智能節(jié)能防觸電裝置測(cè)控系統(tǒng)軟件流程如圖2 所示。
4 結(jié)論
?? 本文針對(duì)弧焊變壓器空載能耗大、功率因數(shù)低等問(wèn)題,提出了一種節(jié)能策略,并研制了相應(yīng)的智能型弧焊變壓器空載降壓裝置,理論及實(shí)踐結(jié)果表明本文提出的方法具有如下特點(diǎn):
??? (1)實(shí)現(xiàn)了裝置的智能化、電子化、小型化,操作簡(jiǎn)單,使用更方便;
??? (2)針對(duì)不同型號(hào)的電焊機(jī),該裝置無(wú)需調(diào)節(jié),對(duì)不同型號(hào)、不同規(guī)格的電焊機(jī),具有普適性;
??? (3)該裝置使弧焊變壓器二次側(cè)空載輸出電壓小于3 V,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)GB10235 —2000 規(guī)定的24 V ;
??? (4)該裝置本身的功耗極小,無(wú)需另加散熱風(fēng)扇,并舍棄了機(jī)械接觸器,系統(tǒng)的可靠性更高;
??? (5)以數(shù)字信號(hào)的方式處理,便于邏輯判斷和處理,檢測(cè)靈敏度高,抗干擾性好,電焊機(jī)不會(huì)因?yàn)橐馔獾母蓴_誤觸發(fā);
??? (6)采用專用的漏電檢測(cè)及控制電路,提高了焊工的人身安全度;
??? (7)啟動(dòng)時(shí)間短,小于0. 02 s。低于國(guó)標(biāo)GB10235—2000中規(guī)定的0. 06 s ,提高了工作效率。弧焊變壓器加裝本文研制的節(jié)能裝置后,弧焊變壓器二次側(cè)空載電壓降為3V 以下,對(duì)于1 臺(tái)300A 的弧焊變壓器,實(shí)測(cè)空載電流約為0.1 A ,負(fù)載持續(xù)率取60 % ,每天工作一班8 h ,每月工作24 天,則1 臺(tái)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 ) 。考慮到全國(guó)共近百萬(wàn)臺(tái)弧焊變壓器,按電焊機(jī)利用率約50 %,則與弧焊變壓器不加裝節(jié)能裝置相比全國(guó)年節(jié)能約10億kWh ,若考慮無(wú)功損耗則效果會(huì)更明顯。