1000KW固態(tài)高頻焊機(jī)技術(shù)方案

1、 直縫焊管生產(chǎn)線1000kW固態(tài)高頻焊機(jī)技術(shù)方案保定四方三伊電氣有限公司2015年4月目 錄一、固態(tài)高頻焊機(jī)技術(shù)說明11新一代串聯(lián)型固態(tài)高頻焊機(jī)特點12串聯(lián)型固態(tài)高頻焊機(jī)型號說明13串聯(lián)型固態(tài)高頻焊機(jī)工作原理13.1 串聯(lián)型固態(tài)高頻焊機(jī)主電路結(jié)構(gòu)13.2 串聯(lián)型固態(tài)高頻焊機(jī)的定角控制技術(shù)24技術(shù)參數(shù)45控制與保護(hù)核心技術(shù)介紹56固態(tài)高頻焊機(jī)主要元器件清單5二、固態(tài)高頻焊機(jī)組成及簡介61固態(tài)高頻焊機(jī)組成62固態(tài)高頻焊機(jī)簡介62.1 開關(guān)整流柜62.2 逆變輸出柜62.3 連接光纖62.4 水-水冷卻系統(tǒng)72.5 中央控制臺72.6 機(jī)械調(diào)整裝置7三、設(shè)備使用要求71使用環(huán)境要求72電網(wǎng)電壓要求7

2、3外配水池水質(zhì)要求8四、供貨清單8五、供貨范圍81供方供貨范圍82需方負(fù)責(zé)提供8一、固態(tài)高頻焊機(jī)技術(shù)說明1新一代串聯(lián)型固態(tài)高頻焊機(jī)特點固態(tài)高頻焊機(jī)選用德國IXYS公司IXFN38N100Q2 38A/1000V大功率MOSFET和DSEI 2×61-12B 60A/1200V快恢復(fù)二極管組成串聯(lián)型逆變電路。固態(tài)高頻焊機(jī)采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)更加緊湊，維護(hù)更趨簡便，更易實現(xiàn)大功率化。具有獨特的分橋過流保護(hù)技術(shù)，保證固態(tài)高頻焊機(jī)使用的安全性。融合了國際上同類產(chǎn)品先進(jìn)的控制理念，采用定角鎖相控制、上/下限頻率失鎖保護(hù)等先進(jìn)控制技術(shù)，使設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定、效率更高，對焊管生產(chǎn)中的感應(yīng)器短路及開路

3、故障的保護(hù)更加準(zhǔn)確有效。固態(tài)高頻焊機(jī)的進(jìn)線端不需要升壓/降壓整流變壓器，與電子管焊機(jī)或并聯(lián)型焊機(jī)相比，具有明顯的節(jié)能效果（與電子管焊機(jī)相比，在同等焊接條件下，節(jié)電30%）。2串聯(lián)型固態(tài)高頻焊機(jī)型號說明3串聯(lián)型固態(tài)高頻焊機(jī)工作原理3.1 串聯(lián)型固態(tài)高頻焊機(jī)主電路結(jié)構(gòu)串聯(lián)型固態(tài)高頻焊機(jī)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是一種典型的ACDCAC變頻結(jié)構(gòu)。整流器采用三相橋式晶閘管相控整流電路，直流側(cè)采用電感、電容構(gòu)成LC濾波器以滿足電壓型逆變器的工作要求。電壓型逆變器采用模塊化并聯(lián)結(jié)構(gòu)以拓展電源功率，每個逆變模塊為單相MOSFET橋式電路，各個逆變器模塊通過高頻匹配變壓器和串聯(lián)諧振槽路相連。匹配變壓器一方面實現(xiàn)

4、功率的合成和阻抗匹配，另一方面實現(xiàn)負(fù)載和電源的電氣隔離。整個高頻焊機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、維修方便、故障率低。為對電壓型逆變器過流故障進(jìn)行有效、快速保護(hù)，本公司采用了獨特的、穩(wěn)定可靠的過流保護(hù)電路，保證了逆變器的安全可靠運(yùn)行。圖1 固態(tài)高頻焊機(jī)電路結(jié)構(gòu)3.2 串聯(lián)型固態(tài)高頻焊機(jī)的定角控制技術(shù) 串聯(lián)型固態(tài)高頻焊機(jī)的工作原理電壓型諧振逆變器也稱串聯(lián)諧振型逆變器，是整個固態(tài)高頻電源的最關(guān)鍵部分，逆變器模塊的結(jié)構(gòu)及其輸出電壓、電流波形如圖2所示。通過控制MOS管1、3和2、4的交替通斷，串聯(lián)諧振型逆變器的輸出電壓uH為近似方波，由于逆變器輸出電壓的頻率處于諧振槽路的諧振頻率附近，此時諧振槽路對逆變器輸出電

5、壓基波具有最小阻抗，對其他高次諧波具有高阻抗，因此負(fù)載電流iH近似為正弦波。 圖2 電壓型諧振逆變器電路結(jié)構(gòu)及其輸出波形串聯(lián)諧振逆變器的典型工作狀態(tài)可分為感性、阻性、容性3種，圖3分別示出了這3種工作狀態(tài)的逆變器輸出電壓、電流的試驗波形。當(dāng)串聯(lián)諧振逆變器工作于小感性狀態(tài)時（圖3a），逆變器的工作頻率略高于諧振槽路的固有諧振頻率，即負(fù)載電流iH滯后于負(fù)載電壓uH一個電角度。此時逆變器的換流有以下特點：器件的開通是零電壓（ZVS）、零電流（ZCS），理論上器件的開通損耗為零；器件的關(guān)斷是零電壓、非零電流，但由于器件的關(guān)斷電流很小，并且是零電壓換流（ZVS），器件關(guān)斷損耗也很小；線路雜散電感對逆變器

6、的換流影響不大；換流對MOS的反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)特性沒有要求，換流時器件承受的浪涌沖擊電壓很小。 （a）小感性狀態(tài) （b）小容性狀態(tài) （c）阻性狀態(tài) 圖3 串聯(lián)諧振逆變器的輸出波形當(dāng)串聯(lián)諧振逆變器工作于容性狀態(tài)時（圖3b），逆變器的工作頻率略低于諧振槽路的固有諧振頻率，即負(fù)載電流iH超前于負(fù)載電壓uH一個電角度。此時逆變器的換流有以下特點：器件的關(guān)斷是零電壓（ZVS）、零電流（ZCS），理論上器件的關(guān)斷損耗為零；器件的開通是高電壓、大電流，器件的開通損耗非常大；線路的雜散電感對逆變器的換流影響很大；逆變器換流時，MOS的反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)電流會在逆變回路中產(chǎn)生強(qiáng)烈的電壓、電流振蕩，換流

7、器件承受很大的浪涌電壓沖擊，嚴(yán)重威脅到功率器件的安全運(yùn)行。當(dāng)串聯(lián)諧振逆變器工作于阻性狀態(tài)時（圖3c），逆變器的工作頻率等于諧振槽路的固有諧振頻率，即負(fù)載電流iH和負(fù)載電壓uH同相位。阻性狀態(tài)在理論上是一種最好的換流工作狀態(tài)，但實際上由于死區(qū)時間、阻容吸收電路的影響，逆變器換流器件的工作狀態(tài)并不好，并且負(fù)載的波動極容易使逆變器偏離到容性工作狀態(tài)，威脅到逆變器的穩(wěn)定安全運(yùn)行。從上述分析可知，串聯(lián)諧振型逆變器的最佳工作狀態(tài)為小感性準(zhǔn)諧振狀態(tài)。另外，和其他公司的并聯(lián)諧振型高頻電源相比，本公司的串聯(lián)諧振型高頻電源不僅器件的開關(guān)損耗小、電源效率高，而且對諧振槽路的各種故障都有更好的保護(hù)性能。4技術(shù)參數(shù) 設(shè)

8、計參數(shù)l 標(biāo)稱功率：1000kWl 額定直流功率：Pd=1200kWl 額定直流電壓：UdN=450Vl 額定直流電流：IdN=2670Al 電源效率：85%l 輸出功率：Pout1000kWl 設(shè)計頻率：f=150200kHzl MOSFET逆變器：120kW×10l 槽路輸出形式：無焊接變壓器輸出，次級諧振 配電要求l 標(biāo)稱功率：1000kWl 額定直流功率：Pd=1200kWl 額定功率因數(shù)：COS0.9l 配電容量：S1330kVAl 供電電壓：三相 380V/50Hzl 進(jìn)線電流：I=2180Al 進(jìn)線電纜：每相采用3根300mm2銅纜并聯(lián)，三相四線制 循環(huán)軟水冷卻系統(tǒng)（水

9、水冷卻系統(tǒng)）l 采用水水熱交換器l 內(nèi)循環(huán)水壓力：0.150.25MPau 內(nèi)循環(huán)水流量：100m3/hu 內(nèi)循環(huán)水出水溫度：40u 內(nèi)循環(huán)水回水溫度：45l 熱交換器面積：30m2l 外循環(huán)水流量：100m3/h（用戶提供）u 外循環(huán)水進(jìn)水溫度：35u 進(jìn)水壓力：0.200.3MPa（約為2.03kg/cm2）5控制與保護(hù)核心技術(shù)介紹固態(tài)高頻焊機(jī)采用最先進(jìn)的定角鎖相控制技術(shù)，逆變器工作狀態(tài)不隨負(fù)載槽路的變化而變化，始終保證工作在最佳的小感性準(zhǔn)諧振狀態(tài)，焊機(jī)工作穩(wěn)定、效率高。固態(tài)高頻焊機(jī)具有高/低失鎖保護(hù)、頻率上/下限保護(hù)、逆變過流、槽路過壓等先進(jìn)的保護(hù)功能，對感應(yīng)器開路、短路、打火等故障的保

10、護(hù)更加準(zhǔn)確高效，保證了焊機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。除所有常規(guī)保護(hù)外，每個逆變橋均采用直流側(cè)過流、交流側(cè)過流、交流側(cè)過壓等多重保護(hù)，實現(xiàn)了保護(hù)的冗余性，保證了逆變器的安全運(yùn)行。整流控制電路采用單片機(jī)技術(shù)成功地解決了自動認(rèn)相功能，即對三相電源輸入線的相序沒有要求；晶閘管的觸發(fā)電路采用全數(shù)字等間距觸發(fā)，最大限度地降低了非特征諧波，減少了電網(wǎng)污染。 整流控制電路具有軟啟動、軟停止功能，防止在啟動/停止過程中電流電壓上升率太大，引起焊機(jī)過壓和過流。采用匹配變壓器實現(xiàn)固態(tài)高頻焊機(jī)和負(fù)載的電氣隔離和負(fù)載匹配，整機(jī)效率高、匹配調(diào)節(jié)容易。焊機(jī)具有較大的功率余量，負(fù)載匹配良好時，設(shè)備功率至少允許在110%額定功率下長期運(yùn)

11、行。采用PLC+觸摸屏構(gòu)成人機(jī)界面控制系統(tǒng)，智能化程度高，操作方便。6固態(tài)高頻焊機(jī)主要元器件清單序號名 稱規(guī) 格 型 號制造商1線路板自制四方三伊2晶閘管KP型 3000A/1400V 錦州華晶3二極管ZP型 3000A/1400V 錦州華晶4濾波電容4700F/450V日本HITACHI5MOSFETIXFN38N100 38A/1000V德國IXYS公司6快恢復(fù)二極管DSEI2×61-12A 60A/1200V德國IXYS公司7槽路諧振電容0.65f/500V成都麥克8開關(guān)電源15V臺灣明緯9鐵氧體磁芯E型西安三聯(lián)10人機(jī)界面TPC7062KX昆侖通態(tài)11平波電抗四方三伊12保護(hù)

12、電抗四方三伊13循環(huán)軟水冷卻系統(tǒng)水水冷卻器四方三伊14PLCS7-200型德國西門子15開關(guān)、繼電器、交流接觸器LG/富士/施耐德16按鈕、指示燈上海二工二、固態(tài)高頻焊機(jī)組成及簡介1固態(tài)高頻焊機(jī)組成全套固態(tài)高頻焊機(jī)由開關(guān)整流柜、逆變輸出柜、連接光纖、水水冷卻系統(tǒng)、中央控制臺、機(jī)械調(diào)整裝置等部分組成。2固態(tài)高頻焊機(jī)簡介2.1 開關(guān)整流柜將開關(guān)柜與整流部分實現(xiàn)一體化設(shè)計，除完成開關(guān)柜功能外，還具有固態(tài)高頻焊機(jī)的整流控制功能。l 安裝進(jìn)線刀開關(guān)、進(jìn)線電流表、電壓表（可切換）和進(jìn)線電壓指示燈；l 安裝三相全控晶閘管整流橋，實現(xiàn)高頻焊機(jī)功率調(diào)節(jié)。l 安裝平波電抗、平波電容及濾波器，以提高平波系數(shù)。2.2

13、 逆變輸出柜逆變輸出柜實現(xiàn)了諧振逆變器和串聯(lián)諧振槽路的集成化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊、效率高。l 逆變部分由MOSFET單相逆變橋并聯(lián)組成，單橋功率設(shè)計為120kW，逆變橋采用積木式方式完成功率疊加，每塊橋板均設(shè)計為由滑道組成的抽屜式結(jié)構(gòu)，方便安裝與維修；l 采用匹配變壓器完成功率合成，采用次級諧振、無焊接變壓器輸出方式，由槽路諧振電容器（低壓）與感應(yīng)器直接諧振，通過輸出極板實現(xiàn)鋼管焊接所需功率的傳遞。l 采用密封機(jī)箱，安裝空調(diào)。2.3 連接光纖由開關(guān)整流柜到逆變輸出柜的通訊采用光纖連接，保證控制系統(tǒng)不受高頻信號的干擾，以提高設(shè)備的可靠性。2.4 水-水冷卻系統(tǒng)水水冷卻系統(tǒng)采用板式換熱器，完成整流開關(guān)柜

14、、逆變輸出柜、諧振槽路等發(fā)熱部件的冷卻，設(shè)計有水溫、液位指示及保護(hù)。2.5 中央控制臺實現(xiàn)固態(tài)高頻焊機(jī)的遠(yuǎn)方操作、功率調(diào)節(jié)、狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷功能。l 安裝有由PLC和液晶觸摸屏構(gòu)成的人機(jī)界面系統(tǒng)，方便用戶的現(xiàn)場操作和監(jiān)控。l 安裝有顯示高頻焊機(jī)工作狀態(tài)的各種交直流表計和操作按鈕。2.6 機(jī)械調(diào)整裝置用于逆變輸出柜的安裝及感應(yīng)器位置調(diào)整。三、設(shè)備使用要求1使用環(huán)境要求l 室內(nèi)安裝，加熱設(shè)備及加熱爐接地良好，接地線顏色必須與控制線有明顯區(qū)別，其截面積>6mm2，接地電阻不大于4。l 海拔高度不超過2000米，否則應(yīng)降低額定值使用。l 周圍環(huán)境溫度不超過+40，不低于-5。l 空氣相對濕度不

15、大于85%。l 無劇烈振動，無導(dǎo)電塵埃，無各種腐蝕性氣體及爆炸性氣體。l 安裝傾斜度不大于5度。l 安裝在通風(fēng)良好場合。2電網(wǎng)電壓要求l 電網(wǎng)電壓應(yīng)為正弦波，諧波失真不大于5%。l 三相電壓間不平衡度應(yīng)小于±5%。l 電網(wǎng)輸入電壓為線電壓交流380V，電網(wǎng)電壓持續(xù)波動范圍不超過±10%，電網(wǎng)頻率變化不超過±2%（即應(yīng)在4951Hz間）。3外配水池水質(zhì)要求外配水池水質(zhì)即一次水系統(tǒng)水質(zhì)的好壞直接水水冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行，從而影響設(shè)備的可靠性，建議需方外配水池使用自來水供水，具體要求如下：l 水質(zhì)要求：透明、不混濁、無沉淀物、不結(jié)垢。防止水水冷卻系統(tǒng)的一次水管路結(jié)垢，影響熱交換能力。l 冷卻水池最好防雜物進(jìn)入，防止水水冷卻系統(tǒng)的一次水管路堵塞，從而影響熱交換效果。l 建議對冷卻水池配置安裝冷卻塔，以保證冷卻水池即水水冷卻系統(tǒng)的一次水溫度達(dá)到設(shè)計要求。l 進(jìn)水壓力：0.200.3MPa（約為2.03kg/cm2）。四、供貨清單設(shè)備名稱設(shè)備組成/型號數(shù)量1000kW固態(tài)高頻焊機(jī)開關(guān)整流柜1臺逆變輸出柜1臺中央控制臺1臺連接光纖1套機(jī)械調(diào)整裝置1臺水水冷卻系統(tǒng)1臺五、供貨范圍1供方供貨范圍l 第四部分供