节能节材、绿色低碳、清洁环保的直流焊接电源

吴月涛 副总经理深圳华意隆电气股份有限公司

摘要:回顾直流电焊机的发展历程,总结出:高效、节能节材、绿色低碳、清洁环保是直流焊接电源今后发展的必然方向,并归纳出实现之的具体技术方案。

关键词逆变式直流电焊机功率因数校正软开关

[ Abstract ] Reviewing the development of DC welders, summed up: high efficiency, energy-saving material saving, green low carbon, clean environmental protection is DC welding power source of future development inevitable direction, and sums up the specific technical scheme realized.

[ Key words ]Inverter DC welder; Power factor correction; Soft switch

前言:在全球推崇低碳经济的今天,为了突破能源、环境因素对经济可持续发展的制约,各国工业的各行业都在寻求低能源消耗和低材料消耗的制造途径和方法。为了突破能源、环境因素对经济可持续发展的制约,近年来,我国提出了节能与减排的目标,建设资源节约型、环境友好型社会。节能减排蕴含着发展理念、发展道路、发展模式的创新和提升,是应对资源紧缺和环境承载能力有限的必然选择,是遵循人类社会发展规律和顺应时代发展潮流的战略举措。因此电焊机设备制造业如何提供消耗能源低的产品就变得尤为重要。

作为钢铁“裁缝”的电焊机直流焊接电源,普及运用于各种工业行业之中,虽然直流焊接电源的制造属于装备制造业中制造过程耗能耗材较小的行业,但直流焊接电源产品本身却是一高耗能产品,所以对直流焊接电源的节能节材、绿色低碳、清洁环保方面的技术改进势在必行。

一.直流电焊机的发展历程---节能、节材的技术革新历程

直流电焊机经历了早期的直流旋转焊机,硅整流直流焊接电源,晶闸管(可控硅)直流焊接电源到逆变式直流焊接电源四个阶段的发展历程。在这个历程中经历了两次技术革命:从旋转直流焊机到硅整流直流焊接电源和晶闸管直流焊接电源是一次技术革命,这次技术革命大幅度的提高了直流焊接电源的效率,同时大幅度的降低了制造直流焊接电源的铜材、钢材使用量;从硅整流直流焊接电源和晶闸管直流焊接电源到逆变式直流焊接电源又一次技术革命,这次技术革命进一步提高了直流焊接电源的效率,进一步降低了直流焊接电源的铜材、钢材使用量。

1.旋转式直流焊机

旋转式直流焊机是第一代直流焊接电源,它由一台电动机和一台与电动机同轴的直流发电机组成。其工作原理如下(见图一),交流电动机从电网获取电能,高速旋转,通过传动轴把机械能传给直流发电机,直流发电机发出直流电能供焊接使用。

 

 

 

 

 

 

 


 

图二是旋转式直流电焊机的直流发电机部分,其直流发电原理如下:

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

当电枢绕组的线圈在磁极NS之间匀速转动时,线圈绕组因切割磁力线而产生以正弦规律变化的感应电动势。为了得到直流电势,必须对它进行整流。直流弧焊发电机是通过换向器(整流器)来实现的,图中电刷AB之间输出的电势始终保持一定的方向。由图一和二可见,旋转式直流电焊机,其结构基本由铜(线圈)和铁(磁极等)组成,设备很重,且功能单一,性能也有限。来自电网的能量通过电动机转换成机械能,再通过直流发电机转换成直流电能,两次转换造成了大量的能量损失,这类产品的效率一般在55%以下,光空载损耗就接近3KW

2.硅整流直流焊接电源

硅整流直流焊接电源是通过工频变压器将电网电压隔离降低后,通过外特性调节机构后由半导体整流二极管整流成焊接需要的直流电压电流(见图三)。

硅整流直流焊接电源的工频变压器和外特性调节器均是采用铜线和矽钢片制作的铁磁性的器件(如磁放大器),均属固定器件。因此硅整流直流焊接电源和旋转式直流焊机相比,硅整流直流焊接电源的优点是:制造简单、节省材料,没有高速旋转部件,所以使用寿命长、噪音小、维修方便、电能效率较高。因此,在一定程度上替代了旋转直流焊机。这种焊机的整流器是由整流二极管组成,因此,它是一种不可控的整流器。硅整流直流焊接电源的整机效率在70%左右,空载损耗约为250W

 

 

 

 

 

 

 


 

3.晶闸管(可控硅)直流焊接电源

晶闸管直流焊接电源原理框图如图四所示。由图可知,与硅整流直流焊接电源相比,晶闸管(可控硅)直流焊接电源减少了笨重的外特性调节机构,采用电子元器件组成的控制电路对晶闸管导通状态进行控制,使焊机的输出达到焊接电弧所需要的直流电压、电流值。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

由于硅整流直流焊接电源中的外特性调节机构一般都是磁放大器,磁放大器是采用铜线和矽钢片制作的铁磁性的器件。因此,晶闸管(可控硅)直流焊接电源一方面减少了材料的使用量(即意味着能耗的减少);另一方面,由于整流器的可控,使得焊机的功能和性能更上一个台阶。晶闸管直流焊接电源的整机效率在75%左右,空载损耗约为250W。可见硅整流直流焊接电源和晶闸管(可控硅)直流焊接电源的能耗情况较为接近,在这方面,他们基本属于同一类直流焊接电源。只是在焊接电流电压控制方面,控制精度有所提高。

4.逆变式直流焊接电源

逆变式直流焊接电源完全摒弃了采用传统工频变压器降压的方式,是直接将电网的工频交流电压、电流整流成高压直流电,再利用先进的PWM(脉冲宽宽调制)或者PFM(脉冲频率调制)方式进行频率在十几KHZ到上百KHZ的中频逆变,逆变成中频方波交流电能,再通过中频变压器降压和二极管中频整流后经输出电抗器平滑滤波,最后输出焊接需要的直流电压、电流。

图五是逆变式直流焊机的电气原理图。

 

 

 

 

 

 

 

 


 

可以看出,逆变式直流焊接电源比传统的硅整流直流电焊机和晶闸管整流直流焊接电源多了中频逆变环节、中频整流环节等两个电力变流环节。通过下面的分析可以看出,两个电力变流环节的增加就达到了节能、节材、提高焊接电源的动态响应速度和提高焊接电源的控制精度的目的

1)逆变式直流电焊机节约钢材和铜材

根据电工学原理,变压器的基本公式UKfNSBm,式中U为工作电压有效值;f为工作频率;N为绕组的匝数;S为铁芯截面积;Bm为磁感应强度的最大值K为一常数(正弦波K=4.44,方波K=4)。

显然,变压器的体积和重量直接取决于绕组匝数N和铁芯截面积S的乘积NS。而根据上式可推导出:NSUKfBm。在UBm一定时,若使工作频率从工频的50Hz提高到20KHz,则绕组匝数与铁芯截面积的乘积NS就降低到原来的1400,这就意味着,主变压器的工作频率从工频的50Hz提高到20KHz,其体积和重量将变为原来的1400,而主变压器的重量在常规的弧焊整流器中通常能占到1312,这样一来,通过提高主变压器的工作频率,就可以大大减少直流电焊机的体积和重量,大大减少铜材和钢材的用量。这对输出容量较大的主变压器意义就更加突出。

例如:一台2030KVA 焊机的常规工频变压器质量达160200 Kg,按上面的方法提高频率后使整机质量减少为30Kg,体积也只有原来的13左右。同时,由于减少了铜材和钢材的用量,主变压器和电抗器的铜损和铁损也因此大为减少。

逆变式直流焊机逆变部分的电力开关半导体器件都工作在开关状态,即导通时为饱和导通,虽然电流大,但管压降很小;截止关断时只有漏电流,尽管管压降很高,损耗也极小。整机效率可达85%~90%,空载损耗极小(小于100W)

2逆变式直流电焊机动态响应速度快,控制精度高。

采用电力半导体器件逆变电路,逆变频率远远高于工频,使得主电路的时间常数很小,因而响应速度快(可达到微秒级),快的响应速度同时也提高了控制的精度,为数字化和智能化控制奠定了电源基础。

3)电网适应范围宽,工作稳定,噪音小。

由于采用了中频PWMPFM控制方式,当输入电压在额定电压的±20%范围内波动时,负载作大幅度变化,焊机仍能稳定地工作。逆变频率已经高过人的正常听觉范围,所以感觉噪音很小。特别的,当逆变频率大于16.5KHz时,进入超声波频段,此时基本无噪声。

综上所述,逆变式直流焊接电源具有效率高(能量损耗小)、体积小、质量轻、动态响应速度快、控制精度高、稳定工作范围大、噪音小以及易于实现数字化等特点,已成为弧焊电源的发展方向。表一,列出了焊接电流等级为250A的不同变流方式的电焊机的重量、效率等对比参数。


     焊机类型

 

技术数据

ZX7-250 IGBT逆变式直流焊机

ZX5-250 晶闸管整流直流焊机

ZX-250  磁放大硅整流直流焊机

ZXG1-250动圈式硅整流直流焊机

AX-250  旋转式直流焊机

空载电压(V

70

55

70

71.5

6582

焊接电流调节范围(A

25250

50250

50250

62250

45250

额定输入容量(KVA

9

14

19

17.5

23.3

空载损耗(W

45

200

350

320

552

效率(%

89

70

66.7

67.5

54.9

功率因素

0.89

0.7

0.59

0.63

0.78

重量

20

160

240

182

270


表一,同等容量直流焊机数据对比

二.节能节材、绿色低碳、清洁环保逆变式直流焊接电源的技术路线和发展方向

1目前的逆变式直流电焊机有待进一步技术改进。

逆变变流技术在直流电焊机上的运用,已经取得了非常可观的社会、经济效益,节能、节材已是共识。但是,随着全球低碳经济的概念不断强化,要求直流电焊机必须具有更低的能源消耗、更低的材料消耗和更低的环境影响,目前的逆变式直流电焊机尚有许多不足,研发生产节能、节材、绿色低碳、清洁环保的逆变式直流焊接电源是直流电焊机的必由之路。华意隆电器股份有限公司投入巨额科技资金,由研发中心组织实施的《节能、节材、绿色低碳、清洁环保焊机研发》项目通过两年的调研分析,归纳和总结出目前的逆变式直流电焊机普遍存在的问题是:谐波分量重,功率因数低;高频谐波分量重,电磁骚扰严重;开关损耗大,限制了效率的进一步提高等

1)谐波分量重,功率因数低

目前普通逆变式直流焊机一次侧的工频整流和工频滤波部分都毫无例外的采用了图六所示的二极管桥式整流和电容滤波电路。

 

 

 

 

 

 

 


 

整个整流电路由二极管整流桥和滤波电容组成,由于二极管整流桥的整流二极管的非线性单向导电特性和滤波电容的储能特性,使得输入电流波形是非正弦的脉冲状的波形,已经发生了严重的畸变。输入电流波形的畸变通过电网内阻抗又引起输入电压的严重的畸变。见图七

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

用傅氏级数展开就会发现,其35791113。。。。等高次谐波分量很大,而且,负载越重,要求滤波电容量越大;要求整流纹波电压值越低,所需要的滤波电容量也越大。滤波电容量越大,导致脉冲电流峰值IP越高,宽度角θ越小,输入电流、电压畸变就更加严重。这就使得工频的谐波分量过大,严重污染电网,同时,功率因素大大被降低(降到0.5-0.7左右)。

2)高频谐波分量重,电磁骚扰严重

因普通逆变式直流焊机多采用强迫开通和强迫关断的硬开关PWM方式,电力半导体开关器件的在开通和关断时都会有很高的dv/dtdi/dt。开关过渡过程会产生的大量中频开关频率上的高次谐波(如20KHz逆变频率的3579.。。。等高次谐波),通过电源线传导窜至电网,造成对电网的污染。同时有些高次谐波的频率已经高到射频段,它们将以空间电磁波的形式通过“天线”发射形式造成空间电磁干扰。可见高次谐波污染的危害十分严重。

3)开关损耗大,限制了效率的进一步提高

普通逆变式直流焊机采用硬开关PWM方式,电力半导体开关器件的在开通和关断时都会有电流和电压的重叠区,参见图八,可见在开通和关断这一时间区域会产生很大的开通和关断功率损耗,特别的,IGBT固有的拖尾电流造成的关断损耗功率损耗会更大。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

普通的逆变式直流电焊机电源的开关元件虽然在导通期间的损耗较小,在关断期间的损耗也较小,但在导通和关断的瞬间,电压与电流同时交叠(见图八),造成较大的开关峰值损耗和较大开关应力。硬开关PWM方式的电力半导体器件的开关峰值损耗严重限制了逆变式直流焊机逆变开关频率的提高,严重限制了电能效率的进一步提高。一般硬开关PWM逆变式焊接电源的效率都很难达到90%

2目前的逆变式直流电焊机进一步技改提升的方法与思路

针对普通逆变式焊接电源存在的以上问题,我们通过以下几个方面的技术革新加以解决。

1)功率因数校正的运用

改善逆变式直流电焊机工频整流滤波级的谐波分量,提高其功率因素。改善谐波分量,提高功率因数的方法主要有两种:

(a) 无源功率因素校正(PPFC)

在一次侧输入电路的工频整流器和滤波电容器之前加串联电感器,这种方法称为无源功率因素校正(PPFC),见图九。

串联电感器可抑制峰值电流,使电流脉冲平缓,实践证明,可以将功率因数提高到0809。但是电感笨重,要消耗一定量的铜材和钢材,一般三相供电的逆变式直流电焊机较为适合采用这样的功率因素校正装置。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

(b)有源功率因数校正器(APFC)

在逆变器和供电线路之间插入电子式功率因素校正电路,称为有源功率因数校正器(APFC)。有源功率因数校正器(APFC)可以使供电线路的电流波形接近正弦波,还能起到预稳压的作用,使逆变器负载(包括逆变焊机)的功率因数提高到099。在单相电源系统中,这种方法已经成为各种电源设备的节能、绿色设计的主要方法。有源功率因数校正器是一个升压型Boost斩波器,斩波器的输出直流电压必须高于整流输入电压峰值。在220V交流系统中,这个升压器的输出电压应选择为380400V,其基本电路如图十所示:

从主电路看,它与一般的DCDC 升压斩波器(Boost)是一样的,有源功率因数校正器主要由电压反馈环路、乘法器、电流反馈环路和PWM驱动级构成。

APFC控制的基本原理是电压环和电流环的双环控制,通过调整PWM的脉宽变化,使脉宽变化规律符合IS跟踪Imo的反馈控制要求。在连续电流控制模型(CCM)中,UC3854采用平均电流控制法。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

图十:有源功率因数校正器(APFC)

在平均电流控制法中,由于反馈回路中电压、电流放大器的调整作用,使得输入电感电流能很好地跟踪电流编程信号,这个电流编程信号即取自于整流电压,当然与整流电压波形同形同相,如图十一所示。可以看出电路向电网汲取的电流波形是和电网电压波形一致的正弦波。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

2)采用软开关变流技术,提高逆变频率降低开关损耗

逆变式直流电焊机逆变电路的电力半导体器件都工作在中频开关状态,电力半导体器件毕竟不是理想的开关,都会有开通损耗和关断损耗,这一点在前面已经讨论了,若我们通过选择合适的电路拓扑结构,使得逆变回路中的电感电容以及漏电感和分布电容构成一定的谐振网络,通过LC谐振,为电力半导体器件的开关准备零电压或零电流的开关条件,势必消除其开关损耗,极大地提高器间的可靠性,提高电功率的效率,降低di/dtdv/dt以减少电磁骚扰能量幅度。图十二为软开关电流电压波形,从图总可以看出,电力半导体器件的开通和关断时,电流电压波形没有重叠区,因此就没有开通损耗和关断损耗,工作中只有通态损耗。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

下面简要介绍两种常用的全桥软开关逆变电路。

a)有限双极性全桥ZVS ZCS PWM 软开关逆变器电路

图十三是一种有限双极性全桥ZVS ZCS PWM 软开关逆变器电路,由IGBT1IGBT2IGBT3IGBT4构成全桥,在IGBT2IGBT4组成的超前桥臂上并有桥臂电容,在逆变主回路中串有饱和电抗器和环流衰减电容。超前桥臂为PWM控制而滞后桥臂为恒宽180互补导通(不进行PWM调制)。这样就可使得由IGBT2IGBT4组成的超前桥臂工作在ZVS状态;由IGBT1IGBT3组成的滞后桥工作在ZCS状态。

该方案基本上可实现空载、短路、燃孤和全负载范内的软开关状态。实践表明:该方案大大降低了两组开关器件的电压、电流应力,大大降低了开关损耗耗,降低了电磁骚扰信号幅度,提高了整机可靠性。

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

图十三:有限双极性全桥ZVS ZCS PWM 软开关逆变器电路

b)广义全桥软开关

图十四是一种广义全桥软开关逆变电路拓扑结构,它是由四只主开关器件IGBT1IGBT2IGBT3IGBT4和四只辅助开关器件MOS1MOS2MOS3MOS4以及四只桥臂缓冲电容Cs组成。在逆变主回路中串有饱和电抗器和隔直电容。

辅助开关MOS1MOS2MOS3MOS4是背靠背串联的(可以是IGBT也可以是MOSFET)。主开关和辅助开关的通断时序类似于有限双极性全桥ZVS ZCS PWM 软开关逆变器电路,即四只主开关器件IGBT1IGBT2IGBT3IGBT4PWM控制开关;而四只辅助开关器件MOS1MOS2MOS3MOS4是固定宽度相位相差1800的交替导通方式。其中IGBT1IGBT4MOS1MOS4同时导通,MOS1MOS4IGBT1IGBT4滞后关断;IGBT2IGBT3MOS2MOS3同时导通,MOS2MOS3IGBT2IGBT3滞后关断。

为满足软开关的条件,考虑主开关IGBT1IGBT4IGBT2IGBT3的导通时间和关断时间及辅助开关MOS1MOS4MOS2MOS3的导通和关断时间,使辅助开关滞后关断的延迟时间为一个IGBT开关的关断时间(IGBT关断时间与IGBT电流拖尾时间之和)。

 

 

 

 

 

 

 

图十四:广义全桥软开关

可以看出,合理的选择饱和电感和桥臂缓冲电容可以使主开关管GBT1IGBT2IGBT3IGBT4工作于零电流导通,零电压关断的软开关状态;辅助开关管MOS1MOS2MOS3MOS4工作于零电流开通和零电流关断的软开关状态。

该方案完全实现了空载、短路、燃孤和全负载范内的软开关状态。实践表明:该方案大大降低了两组开关器件的电压电流应力,大大降低了开关损耗耗,降低了电磁骚扰信号幅度,提高了整机可靠性。

C)其他ZVSZCS软开关电路拓扑结构的运用

 根据不同的功率等级可以先用其他形式的ZVSZCS软开关电路拓扑结构,如图十五所示的单端正激ZVS软开关电路,图十六所示的非对称半桥软开关电路,图十七所示的广义半桥软开关电路等

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

图十五:单端正激ZVS软开关电路               图十六;非对称半桥软开关电路

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

图十七:广义半桥软开关电路

事实证明采用软开关技术以后,逆变式直流电焊机在效率,材料消耗,功率因素,谐波分量和电磁骚扰等方面的指标都有很大的改善。

3)加装EMI进一步降低电磁骚扰信号幅度

由于逆变式直流电焊机是一复杂的变流装置,电网电压电流进入焊机后首先是工频整流滤波,然后是中频逆变,再后又是中频整流滤波,每一个变流环节都有非线性因素存在,都会因非线性而产生相应的高次谐波。高次谐波会通过电源线以传导的方式馈送到电网,污染电网电磁环境,高到射频段的高次谐波还会以空间电磁波的形式通过“天线”辐射出来,污染周边电磁环境,所以有:逆变式直流电焊机是一种“很脏的的用电器”的说法。

为了改善这种污染,我们需要加装电磁信号滤波器EMI,如图十八所示:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

图十八:两种电磁骚扰滤波器

图中:L为共模电感,CX为差摸电容,Cy为共模电容,共模电容都接到同一接地点。EMI可以是一级,也可以使两级甚至多级,使用时需根据电磁环境的复杂程度酌情选一级或两级甚至多级EMI滤波器,以之来降低电磁骚扰信号幅度,使之达到国标GB-15579[1].10-2008 弧焊设备第10部分:电磁兼容性(EMC)要求或者国际标准中同类标准。

图十六为不达标的测试结果,图十七为加装EMI以后达标的测试结果

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

图十九:不达标的EMC                         图二十:达标的EMC

3逆变式直流电焊机技改提升实践和结果

 根据以上分析,我们设计了一款华意隆逆变式直流手工弧焊机ZX7-250  其主回路图见图二十一,整机控制原理图见图二十二。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

图二十:新型逆变式直流手工弧焊机ZX7-250主回路电路原理框图

华意隆逆变式直流手工弧焊机ZX7-250主电路按电能流向顺序可分为输入EMC电路、APPFC电路、非对称半桥软开关逆变电路、中频降压电路、中频整流滤波电路、主控制板电路和辅助供电电源电路。

EMC电路负责滤除电网方面传来的电磁骚扰信号和滤除本机产生的电磁骚扰信号,同时为本机提供电能;APPFC电路将电网交流电压整流、功率因素校正和滤波稳压后送出400V的直流稳定电压;非对称半桥软开关逆变电路负责高效的软开关逆变,将400V稳定直流电压逆变成20KHz的中频交流方波电压;中频降压电路将这个高压中频交流方波电压降为焊接所需的低电压;中频整流滤波电路将这个电压整流滤波成直流电压。主控制板电路担负着电流、电压反馈,外特性控制,过流/过压保护,超温保护,PWM产生和IGBT驱动等工作,是整个焊机的大脑。

整机采用了有源功率因素校正电路,非对称半桥软开关逆变电路使得本机有非常高的功率因素和非常高的电能效率,采用了单级EMI电路使得该机对电网环境以及周围空间电磁环境干扰很小,是一台非常洁净的用电器。

表二给出了我们实际测试的技术参数。

华意隆新型逆变式直流手工弧焊机ZX7-250主要参数


空载

电压(V

焊接电流调节范围(A

额定输入容量(KVA

空载损耗(W

效率(%

功率因素

重量

70

25250

9

25

93

0.98

22


电磁兼容性(EMC)要求已经达到和超过了GB-15579[1].10-2008 弧焊设备第10部分标准以及国际相应标准。

图二十一为华意隆新型逆变式直流手工弧焊机ZX7-250的整机控制原理图

控制原理中涉及公司两项专利:

ZL201020607839.9    一种具有功率因数校正功能的逆变式焊割电源

ZL201020601214.1      一种非对称半桥零电压软开关逆变式焊割机

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

图二十一:整机控制原理图

 

参考文摘:

1,张光先  逆变焊机功率因素的研究《电焊机》19966

2,韩永全杜茂华姚青虎吴永军 逆变焊接电源的特征《内蒙古工业大学学报》第29卷第2

3,赵清林,郑颖楠 次级采用辅助网络的ZVZCS PWM全桥变换器《电力电子技术》第36卷第4

4,张光先,邹增大,尹海,李思海  软开关逆变式弧焊电源的设计《电焊机》32卷第4

5,黄华芳,黄念慈  新颖不对称半桥零电流逆变式《电焊机》第33卷第11

6,刘生建,邱晓芬  一种新型Boost PFC软开关电路研究《韶关学院学报》第28卷第

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