弧焊变压器节能策略及其控制系统设计与研究

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lbbrk；2 ,3 ,4rbbrk；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