CN110957904A - 基于矩形波信号的电弧供电系统及电弧供电电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于矩形波信号的电弧供电系统及电弧供电电源，该电弧供电系统包括：控制系统和功率变换电路；其中，功率变换电路包括：变压器、整流器和逆变器；变压器的初级绕组与交流电网连接；变压器的次级绕组与整流器的交流输入端连接；整流器的直流输出端通过直流母线与逆变器的直流输入端连接；逆变器的交流输出端与电弧设备连接；控制系统，与功率变换电路和电弧设备分别连接，用于采集电弧设备的电弧电流，并根据电弧设备的电弧电流，控制功率变换电路中的逆变器输出满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号。本发明提供的电弧供电系统，无需要串入电感，即可提供满足电弧设备稳定燃烧电弧所需的交流电。

Description

基于矩形波信号的电弧供电系统及电弧供电电源
技术领域
本发明涉及电弧供电领域，尤其涉及一种基于矩形波信号的电弧供电系统及电弧供电电源。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
交流电弧加热广泛应用于交流电弧炉、电焊机等电弧设备中，由于交流电源按其频率(例如，50Hz)从零、正向最大值、零、反向最大值、零的过程周期性变化(每秒钟变化50次)。图1为现有技术中提供的一种电弧电压和电流随时间变化的波形示意图，如图1所示，由于交流电弧本身的阻抗特性具有非线性，点燃电弧需要一定的初始电压(即燃弧电压Ui)，燃烧的电弧电压Ua随着电流Ia增加而降低(负阻抗特性)，直到电弧电压衰减到到一定的电压(熄弧电压Ue)时电弧熄灭。
目前，业内普遍认为交流电弧具有非线性的电阻特性。而在纯阻性或电感值不足的电路中，由于电流和电压相位接近，在电弧燃烧的过程中，电弧以两倍的交流电源频率(例如，50Hz)的两倍周期性频繁点燃和熄灭，电弧不能连续燃烧。为了达到交流电弧稳定燃烧的目的，现有的电弧供电系统，在电弧的供电回路中串入一个电感(电感值一般不低于以回路容量为基准标幺值的30％)，在电弧熄灭的瞬间，由于电流的变化率大，将在电感两端产生较高的感应电压，该感应电压与电源电压叠加后大于电弧的燃弧电压，使得电弧电流连续不间断，以达到电弧稳定燃烧的目的，如图2所示为在电弧设备的供电回路中串入电感后电弧电压和电流随时间变化的波形。
图3示出了串入电感的电弧供电电路，如图3所示，在电弧供电回路中串入电感，会使得供电回路的电流相位滞后于系统电压，导致供电回路总体功率因数变低，有功损耗加大，用电效率变低。
针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供一种基于矩形波信号的电弧供电系统，用以解决现有电弧供电系统在供电回路中串入一个电感来提供电弧稳定燃烧的交流电，由于电感会使得供电回路中的电流存在滞后性，导致供电回路总体功率因数变低、有功损耗加大且用电效率变低的技术问题，该电弧供电系统包括：控制系统和功率变换电路；其中，功率变换电路包括：变压器、整流器和逆变器；变压器的初级绕组与交流电网连接；变压器的次级绕组与整流器的交流输入端连接；整流器的直流输出端通过直流母线与逆变器的直流输入端连接；逆变器的交流输出端与电弧设备连接；控制系统，与功率变换电路和电弧设备分别连接，用于采集电弧设备的电弧电流，并根据电弧设备的电弧电流，控制功率变换电路中的逆变器输出满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号。
本发明实施例还提供一种电弧供电电源，用以解决现有电弧供电系统在供电回路中串入一个电感来提供电弧稳定燃烧的交流电，由于电感会使得供电回路中的电流存在滞后性，导致供电回路总体功率因数变低、有功损耗加大且用电效率变低的技术问题，该电弧供电电源包括：上述的基于矩形波信号的电弧供电系统。
本发明实施例中，通过与交流电网连接的变压器，将交流电网的交流电转换为整流器所需的交流电，然后通过整流器将交流电转换为直流电，并通过逆变器将整流器输出的直流电转换为电弧设备燃烧电弧所需的交流电，由控制系统控制功率变换器中逆变器输出满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号，能够实现将交流电网的交流电转换为满足电弧设备稳定燃烧电弧所需的交流电，从而达到电弧设备持续不间断燃烧电弧目的。由于本发明实施例无需在供电回路中串入电感，因而，能够避免现有电弧供电系统因串入电感，导致供电回路总体功率因数变低、有功损耗加大且用电效率变低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为现有技术中提供的一种电弧电压和电流随时间变化的波形示意图；
图2为现有技术中提供的一种在电弧设备的供电回路中串入电感后电弧电压和电流随时间变化的波形示意图；
图3为现有技术中提供的一种电弧供电电路示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于矩形波信号的电弧供电系统示意图；
图5为本发明实施例提供的一种矩形波电压信号示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本说明书的描述中，所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
本发明实施例中提供了一种基于矩形波信号的电弧供电系统，图4为本发明实施例提供的一种基于矩形波信号的电弧供电系统示意图，如图4所示，该电弧供电系统包括：控制系统10和功率变换电路20。
其中，功率变换电路20包括：变压器201、整流器202和逆变器203；变压器201的初级绕组与交流电网连接；变压器201的次级绕组与整流器202的交流输入端连接；整流器202的直流输出端通过直流母线与逆变器203的直流输入端连接；逆变器203的交流输出端与电弧设备30连接；控制系统10与功率变换电路20和电弧设备30分别连接，用于采集电弧设备30的电弧电流，并根据电弧设备30的电弧电流，控制功率变换电路20中的逆变器203输出满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号。
需要说明的是，本发明实施例提供的电弧供电系统中，控制系统10可以用于实现但不限于如下功能：①数据采集：采集变压器的一次/二次电压、调压开关的位置，采集直流母线电压、逆变输出侧的电流和电压值。②控制功能：控制变压器调压开关的位置，得到期望的直流母线电压和电源侧功率因数；控制整流器的触发角，得到期望的直流母线电压；控制逆变器输出电压的波形、幅值、频率调整，完成电弧的稳定、电弧功率控制。
如图4所示，功率变换电路20由变压器、整流器、逆变器等环节组成。其中，变压器能够将系统的标准交流电压值按变比转化为整流器所需要的电压值，其电压值可以是固定值、也可以是在一定范围内的可调值；整流器能够将变压器的二次电压通过可控或不可控整流的形式变换为直流电压；逆变器能够将直流电压变换为电弧正常稳定燃烧所需要的电压波形、幅值、频率，控制输出电流值满足电弧功率要求。
可选地，逆变器输出电压的波形可以是但不限于矩形波、梯形波、由折线或曲线组成的拟合波等中的任意一种波形。逆变器输出电压的幅值应满足电弧稳定燃烧所需的电压值，其调制方法包括但不限于如下任意一种，或任意两种或三种的组合：①通过变压器或整流器调节直流侧的电压值，逆变侧不调节电压幅值，仅每半个周期转换一次电压方向；②直流母线的电压保持不变，通过逆变侧在半个周期内多次通断，调节输出侧的通态电压时间占宽比；③采用多电平逆变器，根据电弧的弧长要求调制电压幅值。
一种实施例中，逆变器输出电压的幅值的频率，可以在较低(如低于10Hz)和较高(如高于100Hz)的频率范围内可以变化，调节方法可以是改变逆变器输出侧的电压方向。
需要注意的是，整流器输出的直流电压，能够在一定范围内调节，调节方法包括但不限于：①通过改变变压器的变比调整变压器的二次电压；②改变整流器的触发角调节整流器的导通时间。
需要说明的是，为了使得逆变器输出满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号，可以控制逆变器直流输入端的直流电压，也可以控制逆变器交流输出端的电压。因而，本发明实施例为了提供满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号，可以通过但不限于如下任意一种方式，或如下几种方式的组合来实现：
第一种实施方式，通过控制系统控制变压器上调压开关的位置(例如，发送调压开关各个档位的控制信号)，使得逆变器输出满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号。可选地，该实施方式中，控制系统还用于采集变压器的一次电压和二次电压，并根据变压器的一次电压和二次电压，确定变压器上调压开关的位置。
第二种实施方式，通过控制系统控制整流器的触发角导通时间，使得逆变器输出满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号。可选地，该实施方式中，控制系统还用于采集整流器交流输入端的交流电压和直流输出端的直流电压，并根据整流器交流输入端的交流电压和直流输出端的直流电压，确定整流器的触发角导通时间。
第三种实施方式，通过控制系统控制逆变器输出电压信号的电压占宽比，使得逆变器输出满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号。可选地，该实施方式中，控制系统还用于采集逆变器直流输入端的直流电压和交流输出端的交流电压，并根据控制逆变器直流输入端的直流电压和交流输出端的交流电压，确定逆变器输出电压信号的电压占宽比。
需要注意的是，为了实现对逆变器输出电压信号的频率调节，可以由控制系统改变逆变器输出电压信号的方向。
图5为本发明实施例提供的一种矩形波电压信号示意图，如图5所示，本发明实施例提供的电弧供电系统，在通过控制系统10控制功率变换电路20中的逆变器203输出满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号的时候，可以通过控制系统10在每个电压调制周期内，控制功率变换电路20中的逆变器输出如下电压信号：
Figure BDA0002286827800000051
其中，U为满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号；M为电弧稳定燃烧的电弧电压；t1为上一个电压调制周期内电弧电流衰减到零的时刻；t2为电弧电流由零上升到正向最大电流值的时刻；t3为电弧电流由正向最大电流值衰减到零的时刻；t4为电弧电流由零上升到负向最大电流值的时刻；t5为电弧电流由负向最大电流值上升到零的时刻，
Figure BDA0002286827800000052
是电压调制波形的总周期，f为矩形波电压信号的变化频率。
需要注意的是，在0～t1阶段，电压输出为0，等待上一个电压调制周期电弧电流逐渐衰减到0；t1与电抗器、电弧等效电阻、电弧等效电抗等参数有关，是稳定电弧的关键参数之一；在t1～t2阶段，电压输出为稳定值M，在这个阶段是正向电弧快速建立的过程，电弧电流从零逐渐上升到正向最大值，电压输出越稳定，电弧电流的变化越连续，同时也是电能快速转换为电弧热量的过程，是稳定电弧、提升电弧传输功率的优化方法；在t2～t3阶段，电压输出为0，等待t1～t2阶段的电弧电流逐渐衰减到0；类似0～t1阶段；在t3～t4电压输出为稳定值-M，在这个阶段是负向电弧快速建立的过程，电弧电流从零逐渐上升到负向最大值，类似t1～t2阶段；在t4～t5电压输出为0，等待t1～t2阶段的电弧电流逐渐衰减到0；类似0～t1阶段。
本发明实施例还提供了一种电弧供电电源，用以解决现有电弧供电系统在供电回路中串入一个电感来提供电弧稳定燃烧的交流电，由于电感会使得供电回路中的电流存在滞后性，导致供电回路总体功率因数变低、有功损耗加大且用电效率变低的技术问题，该电弧供电电源包括：上述的基于矩形波信号的电弧供电系统。由于该电弧供电电源实施例解决问题的原理与上述基于矩形波信号的电弧供电系统相似，因此该电弧供电电源实施例的实施可以参见上述基于矩形波信号的电弧供电系统的实施，重复之处不再赘述。
需要说明的是，本发明实施例提供的电弧供电电源可以用于但不限于电弧炉、电焊机等电弧类用电设备的电源。
需要注意的是，本发明实施例提供的定制电源，能够满足电弧类设备的稳定运行，其输出电压和电流的特征如下：
①与标准电源的交流正弦波形不同，本发明实施例采用波形调制技术，将电压波形调制为矩形、梯形、其他曲线拟合的交变电压波形中的一种，与电弧燃烧所需要的波形成比例。
②与电弧电流过零点匹配，交变电压波形的过零点采用du/dt控制，其电压波形斜率(梯形、其他曲线拟合电压波形)大于电弧电流连续所需要的数值。
③输出电压的幅值满足对应弧长的电弧稳定燃烧的要求值。
④输出的交变电压波形频率可在10～100Hz范围内调节，满足回路的最小损耗和最优功率因数要求。
⑤控制设定电流值恒定，满足要求的电弧功率值。
本发明实施例在研究电弧的伏安特性的基础上，采用定制电源技术，专门为电弧类用电设备定制电源，满足该类设备的稳定运行的要求。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于矩形波信号的电弧供电系统及电弧供电电源，通过与交流电网连接的变压器，将交流电网的交流电转换为整流器所需的交流电，然后通过整流器将交流电转换为直流电，并通过逆变器将整流器输出的直流电转换为电弧设备燃烧电弧所需的交流电，由控制系统控制功率变换器中逆变器输出满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号，能够实现将交流电网的交流电转换为满足电弧设备稳定燃烧电弧所需的交流电，从而达到电弧设备持续不间断燃烧电弧目的。由于本发明实施例无需在供电回路中串入电感，因而，能够避免现有电弧供电系统因串入电感，导致供电回路总体功率因数变低、有功损耗加大且用电效率变低的问题。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于矩形波信号的电弧供电系统，其特征在于，包括：控制系统和功率变换电路；
其中，所述功率变换电路包括：变压器、整流器和逆变器；所述变压器的初级绕组与交流电网连接；所述变压器的次级绕组与所述整流器的交流输入端连接；所述整流器的直流输出端通过直流母线与所述逆变器的直流输入端连接；所述逆变器的交流输出端与电弧设备连接；
所述控制系统，与所述功率变换电路和所述电弧设备分别连接，用于采集所述电弧设备的电弧电流，并根据所述电弧设备的电弧电流，控制所述功率变换电路中的逆变器输出满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号。
2.如权利要求1所述的电弧供电系统，其特征在于，所述控制系统在每个电压调制周期内，控制所述功率变换电路中的逆变器输出如下电压信号：
Figure FDA0002286827790000011
其中，U为满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号；M为电弧稳定燃烧的电弧电压；t1为上一个电压调制周期内电弧电流衰减到零的时刻；t2为电弧电流由零上升到正向最大电流值的时刻；t3为电弧电流由正向最大电流值衰减到零的时刻；t4为电弧电流由零上升到负向最大电流值的时刻；t5为电弧电流由负向最大电流值上升到零的时刻，
Figure FDA0002286827790000012
f为矩形波电压信号的变化频率。
3.如权利要求1或2所述的电弧供电系统，其特征在于，所述控制系统用于控制所述变压器上调压开关的位置，使得所述逆变器输出满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号。
4.如权利要求3所述的电弧供电系统，其特征在于，所述控制系统还用于采集所述变压器的一次电压和二次电压，并根据所述变压器的一次电压和二次电压，以及所述电弧设备的电弧电流，确定所述变压器上调压开关的位置。
5.如权利要求1或2所述的电弧供电系统，其特征在于，所述控制系统用于控制所述整流器的触发角导通时间，使得所述逆变器输出满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号。
6.如权利要求5所述的电弧供电系统，其特征在于，所述控制系统还用于采集所述整流器交流输入端的交流电压和直流输出端的直流电压，并根据所述整流器交流输入端的交流电压和直流输出端的直流电压，以及所述电弧设备的电弧电流，确定所述整流器的触发角导通时间。
7.如权利要求1或2所述的电弧供电系统，其特征在于，所述控制系统用于控制所述逆变器输出电压信号的电压占宽比，使得所述逆变器输出满足电弧稳定燃烧条件的矩形波电压信号。
8.如权利要求7所述的电弧供电系统，其特征在于，所述控制系统还用于采集所述逆变器直流输入端的直流电压和交流输出端的交流电压，并根据控制逆变器直流输入端的直流电压和交流输出端的交流电压，以及所述电弧设备的电弧电流，确定所述逆变器输出电压信号的电压占宽比。
9.如权利要求1所述的电弧供电系统，其特征在于，所述控制系统还用于通过改变所述逆变器输出电压信号的方向，实现对所述逆变器输出电压信号的频率调节。
10.一种电弧供电电源，其特征在于，包括：权利要求1至9任一项所述的基于矩形波信号的电弧供电系统。
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