新型ZX7-500系列直流逆变弧焊机在煤矿企业中的应用

王 涛 孙红海 张 浩

(山东能源枣矿集团供电工程处，山东省枣庄市，277011)

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新型ZX7-500系列直流逆变弧焊机在煤矿企业中的应用

王 涛 孙红海 张 浩

(山东能源枣矿集团供电工程处，山东省枣庄市，277011)

随着煤矿电压的升级，针对原来的380/660 V电焊机使用不便的问题，设计了新型ZX7系列直流逆变弧焊机。与老式煤矿企业使用的电焊机相比具有实用性高、安全、节省投资、设备轻便灵活、焊接质量稳定性高、飞溅小、焊机能耗低等优点，目前已在多家煤矿使用，大大提高了使用单位的劳动效率、降低设备投入，获得使用单位的认可。

直流逆变弧焊机 1140 V电压 实用性 安全 质量 能耗

电焊机是煤矿企业日常生产中必不可少的电气设备，在煤矿企业中使用比较频繁，近年来随着煤矿电压的升级，煤矿企业常用电压系统由原来的660 V升级到1140 V，原来的380/660 V电焊机在煤矿上使用就带来了不便(需额外增加变压器作为电压过渡)。作为新一代ZX7-500系列直流逆变弧焊机能很好地满足煤矿企业在高电压下的需求，更好地适应煤矿企业生产维修，并节省了设备的投入，降低能耗损失。

1 原电焊机在煤矿系统的缺陷

随着矿区电压升级改造，原煤矿系统的直流电焊机在使用中存在以下缺陷：电焊机的电压等级一般为交流380/660 V,不能满足目前矿区交流1140 V系统电压的要求，需额外给电焊机配备一台变压器，将电压变成满足电焊机使用要求的电压，额外增加了设备的投入；额外增加变压器将造成设备重量增加，设备移动不便，且极不安全；原电焊机不具备电压自动区别功能，不能很好地对矿区电压进行自适应；原电焊机的线路板元器件没有进行处理，使用防护性能差，对使用环境要求较高。

2 新型ZX7系列直流逆变弧焊机的改进

2.1 组成及优点

新型ZX7系列直流逆变弧焊机是在原直流逆变弧焊机的基础上进行优化改进。新型焊机由控制回路和一次回路组成，而一次回路由电源输入、整流回路、逆变回路、中频变压、二次整流、输出回路五部分组成。新型焊机采用专用电子集成模块，对外特性和动特性进行闭环控制，在20 kHz动态频率下快速响应，特有的恒流/恒压控制方式使装置输出电流/电压在电网电压波动±10%时维持在±3%范围内变化，电流可在10%～100%范围内连续调节，且以10%额定电流就能引弧、维弧；能耐受最大电流下短路，引弧容易、燃弧稳定、飞溅小；效率高达90%，负载持续率达60%，节电30%以上；体积、重量仅为传统同容量电焊机的1/10左右。可成为取代高耗能、耗材、工艺性能差的传统工频变流产品的更新换代产品。由于电焊机采用中频变压器，因此，大大降低了电焊机的产品重量，最重的焊机重量不超过32 kg，由于体积小、重量轻、便于携带，尤其适用于流动作业场合。ZX7系列直流逆变弧焊机原理如图1所示。

图1 ZX7系列直流逆变弧焊机原理框图

2.2 性能特点

(1)焊机整体布局合理，采用模块式分布，区域明显，便于焊机的使用维护。对线路板、线头接插件、电位器及相关电子元件等受灰尘、湿度等环境影响较大的元器件进行软胶覆盖的防护措施，增加电焊机的内部防护，降低电焊机对环境的要求。焊机配备了380 V轴流风机作为电焊机的冷却系统风量来源，结构化设计风道确保电焊机冷却性能良好。

(2)输入输出系统设计简单，便于操作。输入系统由电焊机本身预装的橡套软电缆构成，确保电源线安全，使用时直接将电缆接上开关电源即可；输出侧电压为AC70 V左右，输出端由快速耦合装置组成，操作简单易行且安全可靠。

(3)电源系统增加了电压自动判断装置，根据电压互感器感应的二次电压通过比较放大电路进行判别电源电压是AC1140 V或660 V，然后将信号送至主控回路，主控回路将电压信息发送给主控核心单元，以驱动不同的IGBT来实现不同电压的转换，同时将电压信号发送至前面板指示回路，起到电源安全提醒与电源核对作用。实现电压自动判别，满足矿区不同电压的需要。

(4)整流系统采用不可控整流加电容滤波，是由9个整流桥堆组成的全波桥式整流组合。该整流回路的接法使整流桥堆(BR5016)分担了由交流1140 V三相电源产生的直流1650 V高压，同时延长了整流桥堆的使用寿命。后面由两组串联后并联的无极性电容DMJ-PC 20Μf 1400DC，进行滤波，提高输出电压平稳性。

(5)逆变回路由两组串联的IGBT构成，分担高压增加IGBT寿命。通过阻容吸收装置，吸收IGBT工作所产生的谐波，改善控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减少IGBT集电极大的电压尖脉冲，提高IGBT的工作能力，有效地保证了装置的安全性。其中IGBT模块作为本逆变焊机单元的主功率器件，可以输出频率为20 kHz电压， IGBT的RC阻容吸收组件由2组100 K/3 W的水泥电阻和电容CBB81 322 K/3300 V组成，用于保护IGBT模块。4组IGBT分成2个单元模块，2个单元模块串接在回路中，平分回路电压。

选用耐压等级为1700 V的IGBT模块降低直流高压对IGBT的反向击穿电压的影响，从而确保IGBT的安全工作。

(6)中频变压及整流回路采用中频变压器和快恢复二极管组成。其中高频(20 kHz)变压器采用高频电磁线及非晶铁芯磁环组成。非晶态合金是近30年来发展的新材料，具有易磁化、磁感应强度高、电阻率大、温度系数小、矫顽力小、对涡流阻力大、能耗低的优点。20 kHz时铁芯损耗仅为铁氧体铁芯损耗的一半，饱和磁通密度在100℃时为1.36T，比铁氧体高3倍，很适合逆变电源高频变压器使用。与普通矽钢片变压器的电焊机相比，能有效降低本单元产品的整机重量、输出效率及空载损耗。由于工作在高频状态，需要采用快恢复二极管，且要求快恢复二极管的正向恢复特性良好，即正向导通压降小、恢复时间短，反向恢复特性也良好，即反向恢复时间短、反向恢复电荷少；并且有软恢复特性，因此选用MPJ C2CA100U40 FL3005 101型快恢复二极管。

(7)控制方式采用PWM负反馈控制方式，IGBT驱动方式采用负电压电路驱动，使设备输出更加平稳、高效、控制精度高。在控制电路中均增加了过压、欠压、过载等保护措施，使得设备在应用中更加安全、稳定。焊机本身内部由热敏电阻同主控回路构成温度保护系统，避免设备过热工作。电源同步信号采用光电耦合器与信号发生电路进行隔离，输出驱动信号与IGBT采样隔离变压器进行隔离。为防止强电和控制电路的互相干扰，以及强电故障连锁造成控制电路故障，强弱电不能共地；电流检测需要隔离，过流时为了使过流信号尽快的反馈至主控回路及时切断IGBT门极驱动信号，以保证IGBT不受损坏，必须采用快速型电流检测元件。LEM霍尔电流传感器具有使反馈控制系统与主电路完全隔离、动态响应快、采样信号与变压器原边电流的比例线性度好的优点，因此本机采用霍尔电流传感器HDC400B作为电流检测元件。

3 应用情况

目前在山东能源枣矿集团下属的几家煤矿企业已试用了该型号的直流逆变弧焊机，通过使用发现每套设备投入节省5600元，以ZX7-500/1140V电焊机为例，按每班4 h的焊接工作，每班节省电量28 kWh，通过对电网质量检测，发现该型电焊机工作时大大降低对电网的危害，谐波冲击电流是原交流弧焊机谐波冲击的1/3，电压波动平滑，焊机短时冲击功率(焊接瞬间打火)稳定，电压波动是原交流弧焊机的1/4，提高了厂矿区域的电网质量。工人操作简便、搭接电源清晰、焊机焊接性能稳定，焊接质量良好。

4 结语

新型ZX7系列直流逆变弧焊机与老式煤矿企业使用的电焊机相比较具有实用性高、安全、节省投资、设备轻便灵活、焊接质量稳定性高、飞溅小及能耗低等优点。目前新型直流逆变弧焊机已在矿区多家煤矿使用，大大提高了使用单位的劳动效率、降低设备投入，获得使用单位的认可。

[1]杨军，张玉桂.IGBT器件在矿用逆变式直流弧焊机的应用.中国科技博览，2012(1)

[2]尹国云，马良增.IGBT逆变式直流手弧焊机在黄金企业的应用.矿山机械，2012(2)

[3]李爱文，张承慧.现代逆变技术及其应用.北京：科学出版社，2000

[4]张光先等.逆变焊机原理与设计.北京：机械工业出版社，2008

[5]张恩锋. 基于RBF神经网络的绝缘子污秽智能诊断.中国煤炭，2015(7)

(责任编辑 张艳华)

Application of new ZX7-500 series DC arc welding machine in coal mines

Wang Tao, Sun Honghai, Zhang Hao

(Power Supply Branch, Shandong Energy Zaozhuang Mining Group Co., Ltd., Zaozhuang, Shandong 277011, China)

With the voltage upgrading of coal mine, aiming at the inconvenience of 380/660V electric welding machine, new ZX7-500 series DC arc welding machine was designed, which had advantages such as high practicability, smaller investment, more flexibilities, stable welding quality, less splashing and low power consumption. The new type machine, approved by the use entities, had been used in several mines and improved labor efficiency of use entities dramatically and reduced equipment investment.

DC arc welding machine, 1140V voltage, practicability, safety, quality, power consumption

TD68

A

王涛(1975-)，男，本科学历，高级工程师，从事供电技术及管理的研究工作。