晶閘管控制4000A電解電源設計

廣州電焊機廠 凌小莎

晶閘管控制4000A電解電源設計

廣州電焊機廠 凌小莎

某工程需要4000A電解電源，作者參與項目的主要設計。本文介紹該設計運用大功率晶閘管控制，整體結構采用組合式工藝，對于細部設計也作了介紹。

弧焊整流變壓器 晶閘管整流波形脈動問題 制圖軟件ACAD應用 電路設計軟PTL應用

一、概述

ZX5-4000晶閘管整流電源是按用戶的特殊要求而設計，應用于大電流的裂解性場合。它具有動特性好，電弧穩定，效率高，噪音少的特點。客戶要求本機操作方便，可遠距離控制，對電網電壓波動能保持輸出電流的穩定。

1.電源方案選定

由于我企業具備多年設計、生產晶閘管整流弧焊機的經驗，設計小組認為可以運用晶閘管整流弧焊電源的基本原理設計ZX5-4000晶閘管整流電源，但是作為大功率的電源變壓器，其體積、重量都不是常用的批量生產產品，在總體設計、內部結構排布、控制線路幾個方面都存在困難。經過設計小組的詳細分析研究決定，具體是采用并聯式的方案，將5臺單獨的整流的電源（5個單獨模塊）組合成大電流輸出，由原來輸出直流焊接電流變為輸出直流電解電流；為了提高設計水平和降低主要原材料的成本、加快工程進度，全部圖紙設計都采用計算機輔助設計，并運用計算機仿真軟件，調試輸出波形，以達到最佳設計數據。本人在設計小組中負責應用繪圖軟件ACAD和電路設計軟件PTL在工程的第一階段繪出全套圖紙，使整個工程加快了材料采購、加工的進度，提前進入總裝階段，是仿真測試的時間充裕，當發現電路上的問題時有足夠時間調整。

2.電源工作原理

單獨模塊電源電壓經三相主變壓器降壓后，由晶閘管組進行整流，并利用晶閘管移相觸發控制電流的大小。從輸出端分流器上取出電流負反饋信號，使本機獲得下降的外特性。由于電流負反饋電路及控制電路的時間常數都較小，因此本機的動特性好。具有較深的電流負反饋，使電流穩定，當電網電壓波動±10%時，補償電路可使本機電流保持穩定。單獨模塊電路原理方框圖見圖1。4000A電解電源整體原理圖見圖2。

圖1 單獨模塊電路原理方框圖

3.設計標準

GB 15579-2004 弧焊設備 第1部分：焊接電源

JB 6324-1992 KE型50A至500A電焊機用晶閘管

二、設計

1.弧焊整流變壓器

設計5臺輸出1250A的弧焊整流變壓器（即5個單獨模塊），將其并聯接線，安裝總開關、輸入端、控制部分等。

圖2 4000A電解電源整體原理圖

2.整流波形脈動問題

弧焊整流變壓器是通過改變晶閘管的導通角來實現調節輸出電流和輸出電壓的，因而電流電壓波形的脈動比普通硅二極管整流器大。特別是在具有下降外特性的情況下，空載電壓比工作電壓要高得多，要求的電壓變化范圍很大。空載時，晶閘管需要全導通以達到輸出高電壓，二在工作時，則要求其導通角變得很小以輸出低電壓。當導通角較小時，整流波形脈動加劇，甚至出現波形不連續，這樣將出現波形不穩。項目中設計晶閘管整流變壓器時很重視這個問題，運用原來的經驗，首先在每個單獨模塊輸出電路中串聯輸出電抗器，經其濾波后給總輸出提供的電壓、電流波形保證是連續的，高次諧波成分受到了抑制。再有，仍然選擇原來已經很成熟的整流電路，每個單獨模塊避免了波形不連續和減少脈動，總輸出的電壓、電流也就很理想。

3.整體結構

內部為5臺60%暫載率的ZX5-1250電源并聯輸出結構；輸出電流1000～4000A/44V；功率因數>0.25；輸入：3～380V±10%（305kAV.A ，220kW）；頻率：50Hz；輸入電流460A；總重量：4000kg。整體外觀結構見圖3。

圖3 整體外觀結構

三、控制操作

（1）為了客戶操作與維護方便，本機單獨安裝自動開關或負荷開關。自動開關容量為630A，電源輸入電纜截面積為70mm2（客戶自備），輸出端正負極各采用兩條截面為200×8mm2的銅排并接到負荷端。

（2）本機外殼必須接地，接地線用截面為10mm2銅芯線。

（3）本機控制線部分是用14芯航空插座引出，只要將其插入程序控制箱AUTO ARC，即以把電源通至程序控制部分。

（4）接通后，合上供電開關，電網向本機供電，電源指示燈亮。檢查本機電壓是否正常，將面板上的“遠控-近控”開關置于“近控”位置，按“開”按鈕，此時工作指示燈亮，風扇轉動，電壓表有輸出電壓指示。未接負載時，調節面板上的電位器，空載電壓在40～80V之間變化；接上負載后，調整面板上的電位器，使其電流調至滿意的效果。

（5）當要自動工作時，將面板上的“遠控-近控”開關置于“遠控”位置，然后按程序控制箱AUTO ARC使用說明書進行操作。

四、制造工藝

單獨模塊嚴格按照ZX5晶閘管整流弧焊機的制造工藝進行生產和檢驗，其控制線路是獨立的，電路板可以沿用原來批量生產的ZX5系列的控制板和保護板，而總的控制板創新設計，由于采用了電路設計軟件PTL，能在整機安裝的同時同步完成零件焊和調試。整機合成后，我和設計小組在現場監控，及時處理出現的問題。由于是首次進行大功率電源設計安裝，我和設計小組一直督促生產車間：機構并接時要注意安全，尤其是電氣連接時必須有總指揮在現場統一指揮。出廠檢驗完成后，將其結構分解為5個模塊，方便運輸和客戶現場安裝。

五、小結

ZX5-4000晶閘管整流電源是為客戶特殊設計的裂解性場合使用的產品，功率大，體積大，對于常規機電產品生產廠家的檢驗設備和運輸設備都存在生產、檢驗的困難，加上產量不多，不適合短期內重新配置運輸設備（大轎箱工業電梯、大型車輛）和檢驗設備（大功率檢驗臺）。本人所在企業運用原有的資源（技術能力、生產流程、工藝水平、檢驗規程），克服了困難，技術團隊同心協力，全部圖紙設計使用ACAD軟件，全部控制電路圖紙設計使用PTL，調試輸出性能是運用了計算機仿真軟件，總機安裝采用組合的方式，成功設計制造了出來，本人也在其中鞏固了知識、提高了創新能力和協調精神，為以后運用ACAD、PTL等計算機輔助設計軟件開發新產品積累了經驗。

［1］鄭宜庭，黃石生合編.弧焊電源.機械工業出版社，1988

［2］曾樂主編.現代焊接技術手冊.上海科學技術出版社，1993