交流手弧焊機電子延時空載節(jié)能器

呂欣珂，朱 勇

(黑龍江大學，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 前言

交流手弧電焊機暫時停焊期間，雖然二次側(cè)已開路無電流，但一次側(cè)仍有電流，空載損耗可達1～2 kVA。另外，交流焊機對電網(wǎng)來說是電感性負載，無功功率在電源容量中占有很大比重，大大降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)，電能不能充分利用。

在此介紹一種交流焊機電子延時空載節(jié)能器，既能降低空載損耗，又能降低無功損耗，提高功率因數(shù)。該節(jié)能器的主要功能是:當焊條與焊件短接(起弧)，焊機一次側(cè)能自動接通電源進行正常焊接;當焊接暫停電弧熄滅時，如果經(jīng)過一段時間后仍不能焊接，節(jié)能器便自動切斷電焊機的初級電源，或?qū)⒁淮慰蛰d電流降至很小，從而減少了空載損耗。根據(jù)需要延時時間在10～50 s內(nèi)可調(diào)。由于電焊機空載運行時電感量很大，變壓器一次側(cè)自動斷電后，還能大量減少無功損耗，從而有效提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)［1］。這對于高空作業(yè)尤為重要，因為焊接時焊機在地面上，而人在高空作業(yè)，當焊工休息或其他原因暫時停焊時，不需要由人上下奔忙去斷開或閉合焊機電源，節(jié)能器即可自動完成。

1 電路組成

根據(jù)節(jié)能器實現(xiàn)的功能要求，節(jié)能器由傳感器、維護電源、延時控制電路三部分組成，其電路原理如圖1所示。

1.1 傳感器

傳感器采用電壓傳感器或電流傳感器。電壓傳感器是利用焊機焊接時二次電壓低、停焊空載時二次電壓高的特點，使延時控制電路實現(xiàn)不同的控制來接通或斷開焊接電源。這種方法的缺點是:當電網(wǎng)電壓波動時，二次電壓也波動，對控制電路干擾大，工作可靠性差。本設(shè)計采用電流傳感器，將電流互感器串入焊機二次側(cè)回路中，正常焊接時，二次側(cè)有電流，而停焊空載時，二次側(cè)開路無電流，從而使延時控制電路產(chǎn)生不同的控制，達到接通或斷開焊接電源的目的。這種方法的最大優(yōu)點是電網(wǎng)電壓波動不會影響延時控制電路，工作可靠。圖1中LH即為電流互感器。

圖1 電子延時空載節(jié)能器電路原理

1.2 維弧電源

維弧電源的功能是:當焊機停焊空載時，延時控制電路一旦切斷了焊機一次電源，由于焊機一次、二次側(cè)均斷電，延時控制電路無法工作，當再次焊接時，焊機電源不能自動接通，只能由人工接通。為此，需要在焊機電源切斷之后用另外一個小能量的電源維持控制電路的供電電壓，一旦再次焊接，焊機電源會立即自動接通，迅速起弧。它由圖1中的電源變壓器 T、整流橋 UR、C5、C6、R4組成的 π形濾波電路組成［2］。

1.3 電子延時控制電路

電子延時控制電路的功能是:當需要焊接時，電流互感器通過取樣電阻提供取樣電壓，經(jīng)整流濾波之后控制三極管V導通，使繼電器和交流接觸器動作，焊機一次側(cè)電源接通，正常進行焊接。當停焊時，電流互感器中無電流，盡管取樣電壓為零，但電路仍能延時一定時間之后使三極管V截止，使繼電器和交流接觸器動作，切斷焊機電源［3］。它由圖1中開關(guān)三極管V，整流二極管VD5，電壓取樣電阻R2、調(diào)延時電位器 RP*，電容 C2、C3、C4及電流繼電器KI和交流接觸器KM組成。

2 延時控制電路及整機工作原理

2.1 延時控制電路各元器件的作用

延時控制電路是節(jié)能器整機電路的核心。該電路中各元器件的作用如下:二極管VD5是半波整流二極管;R2既是整流的負載電阻，也是將電流互感器中的電流變?yōu)殡妷旱娜与娮?。C4為濾波電容，C2是高頻濾波電容，以防止高頻干擾信號引起三極管誤導通。C3為過電壓保護電容，防止三極管截止時，繼電器KI電感線圈兩端產(chǎn)生的反電壓擊穿三極管。Rb為基極限流電阻。RP*與C4既能構(gòu)成RC濾波電路，又能調(diào)節(jié)延時時間。電流繼電器KI作為中間繼電器來控制交流接觸器KM［4］。

2.2 整機工作原理

總電源開關(guān)QS合上，380 V的交流電壓加至電源變壓器T的一次側(cè)，通過整流濾波后的直流電壓加在了開關(guān)三極管V的集電極與發(fā)射極之間。至于三極管導通與否，取決于基極和發(fā)射極之間的控制電壓。

合閘后若不進行焊接(空載)，焊機二次側(cè)開路，電流互感器中無電流，R2兩端的取樣電壓為零，三極管V截止，繼電器KI失電，KI-1常開觸電斷開，交流接觸器KM失電，常開觸電KM-1斷開，焊機一次側(cè)由R1、C1構(gòu)成閉合回路，由于R1、C1的阻抗很大，使一次空載電流很小，減少了空載損耗。而且電容C1又可以調(diào)高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低了無功損耗，達到節(jié)能目的［5］。

合閘后進行焊接(焊條與工件短路)時，焊機二次側(cè)中電流互感器有電流，R2兩端的取樣電壓經(jīng)整流濾波后加至三極管V的發(fā)射結(jié)，使V導通，繼電器KI得電吸合，常開觸電KI-1閉合，交流接觸器KM得電吸合，其常開觸點KM-1閉合，降壓元件C1、R1被短路，焊機一次側(cè)正常供電，保證正常焊接。

當焊接過程中因某種原因臨時停焊時，雖然焊機二次側(cè)開路，電流互感器中無電流，R2兩端也無取樣電壓，但三極管并不立即截止。其原因是焊接時對大電容C4充電，儲存了電荷，這時C4要進行放電，放電回路有兩個:一個是從C4正極通過R2、RP*到負極;另一路是從C4正極通過三極管V的發(fā)射結(jié)再經(jīng)Rb到負極。只有當電容C4兩端電壓放電到小于三極管V的死區(qū)電壓時，V才截止。這時繼電器KI失電，交流接觸器失電，KM-1又斷開，焊機一次側(cè)由R1、C1降壓閉合。這就保證了停焊之后有一定的延時時間才切斷主電源，其延時時間根據(jù)需要調(diào)整RP*即可。

3 節(jié)能效果試驗

經(jīng)過對BX1-300型交流電焊機進行試驗，其實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)

由表可算出:空載時可減少的視在功率為ΔS1=380 ×(6.5-0.01)≈2446 VA。焊接時可減少的視在功率為ΔS2=380×(27-18)≈3420 VA。如果節(jié)約的視在功率完全用在純電阻性負載上，其節(jié)約的功率為 ΔP1=ΔS1=2466 W，ΔP2=ΔS2=3420 W。

若每個工作班次按空載時間t1=2 h，焊接時間按t2=3 h計算，則每班次節(jié)約的電能為ΔW=ΔP1·t1+ΔP2·t2=15.19 kW·h。

4 結(jié)論

著重分析了交流焊機延時空載節(jié)能器的組成和原理，經(jīng)試驗證明，節(jié)能效果較好。但由于電焊機的種類不同，加上制造節(jié)能器的工藝結(jié)構(gòu)和元器件質(zhì)量有差異，即使采用本研究中的原理電路做出的節(jié)能器效果也不完全相同，存在差異是正常的，并不是電路的問題。

［1］電工手冊編寫組.電工手冊［M］.上海:上?？茖W技術(shù)出版社，1981:1395-1396.

［2］楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程(第三版)［M］.北京:高等教育出版社，2006:393-397.

［3］楊 錚.電工、電子技術(shù)實習與課程設(shè)計［M］.北京:中國電力出版社，2004:70.

［4］張慶雙.實用電子電路200例［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004:110-111.

［5］柯節(jié)成.簡明電子元器件手冊［M］.北京:高等教育出版社，2001:22.