CN201862896U

CN201862896U - 节能直流电弧焊机

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Publication number: CN201862896U
Application number: CN2010201276779U
Authority: CN
Inventors: 肖远宗
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2020-02-03

Abstract

一种节能直流电弧焊机，由主变压器，引弧补偿电源，整流滤波电路，泄放电阻组成；焊机的焊接功率调小，焊接的主变压器输出电源电压变低时，会造成引弧困难，设置引弧补偿电源，在引弧补偿电源变压器上输出成反比的电压就变高，与主变压器引弧线圈输出的基础电压相加，串接电容作限流降压与储能，再整流，与焊接的主输出电源整流后并接汇合，滤波，形成二合一引弧焊接电源，引弧及焊接容易。对供电线路要求低，电磁振动噪音低，无功电流小，输出有功功率大，暂载率高，功率因数高。解决现有焊机限磁限流功率调节方式造成效率低功率损耗大的问题，达到节能的目的。

Description

节能直流电弧焊机

技术领域：

本实用新型涉及电弧焊机，特别是一种节能技术的直流电弧焊机。

背景技术：

现有变压器组成的单相交流及单、三相直流电弧焊机，在主变压器铁芯和初次级线圈的磁、电回路中，利用了磁阻抗或磁漏抗及交流电抗器原理，进行限磁、限流，调节焊接功率。存在不足：

1.交流电弧焊机，主变压器采用芯式铁芯，其窗口相对稍长稍宽，并在铁芯的上轭和下轭或左边和右边之间安装铁制可调磁分路器，对初次级线圈间耦合的磁通量进行分流调节，因其铁芯磁路长，磁阻大，交变磁场严重泄漏，特别是调整在小功率焊接时，造成效率低、功率损耗大。

2.主变压器无铁制可调磁分路器的电弧焊机，初或次级线圈通常设计为两边不均衡分段，由一部分线圈和铁芯当成电抗器，大多数机型用功率切换开关将初级线圈进行局部转移，调节初次级线圈间耦合的磁通量，调节焊接功率；或者由可控硅或硅整流器整流的单、三相直流电弧焊机，主变压器次级输出端串接可控磁饱和电抗器，或初次级线圈间调节激磁距离等形式的焊机，功率损耗更大。

从现有焊机的技术中得出：①初级输入的无功电流太大，损耗多，功率因数低。②对供电线路要求高。③暂载率低。④有较大电磁振动噪音，⑤初引弧粘死现象。

发明内容：

焊机的焊接功率调小，焊接的主变压器输出电源电压变低时，会造成引弧困难，设置引弧补偿电源，在引弧补偿电源变压器上输出成反比的电压就变高，与主变压器引弧线圈输出的基础电压相加，串接电容作限流降压与储能，再整流，与焊接的主输出电源整流后并接汇合，滤波，形成二合一引弧焊接电源。从而解决现有焊机限磁限流功率调节方式造成效率低功率损耗大的问题，达到节能的目的。

本实用新型提供一种无功电流小，输出有功功率大，暂载率高，对供电线路要求低，电磁振动噪音低，初引弧不粘死，电弧稳定，功率因数高的节能直流电弧焊机。

节能直流电弧焊机组成与连接关系：一种节能直流电弧焊机，其特征在于，由主变压器，引弧补偿电源，整流滤波电路，泄放电阻组成；主变压器B₁次级设置有两路输出电源，一路为主输出焊接电源线圈L₂，另一路作副输出的引弧电源线圈L₃；在主变压器B₁的线圈L₁两边抽头上设置有功率切换开关K；引弧补偿电源变压器B₂初级线圈L₁₁的a、b两端，接至主变压器B₁的功率最大挡7；引弧补偿电源变压器B₂的次级线圈L₂₂，串接主变压器B₁副输出的引弧电源线圈L₃，再串接电容C后，经桥式整流器Q₁整流，与主输出电源整流后并接，再经电抗器BL滤波，作直流电弧焊机的焊接电源，输出端并接有泄放电阻R。

工作原理：在主变压器B₁上，用功率切换开关K调节改变其初级线圈L₁两边的抽头匝数比，调节焊接功率，即调节主副输出电压，同时在引弧补偿电源变压器B₂形成反比电压，焊接功率调大时主变压器B₁线圈L₂输出电压高，引弧容易，适宜大件焊接，而焊接薄件小铁件时，则必需调小功率，同时也调小主变压器B₁线圈L₂的输出电压，造成焊接引弧困难，不易焊接；本实用新型针对这种现象，设置引弧补偿电源，焊机的焊接功率调小，焊接的主变压器B₁主副输出线圈L₁、L₂的电压变低，而在引弧补偿电源变压器B₂上L₁₁形成的电压就变高，引弧补偿电源变压器B₂次级L₂₂感应的电压也变高，与主变压器B₁引弧线圈L₃上的基础电压相加，串接电容器C作限流降压与储能，经桥式整流器Q₁整流后，与焊接的主变压器B₁主输出电源整流后并接汇合，一并滤波，形成二合一引弧焊接电源，不但提升与保持足够的引弧电压，而且也有足够的焊接功率，维持稳定低挡小功率电焊时的空载引弧电压，使得小功率时，引弧及焊接容易，小功率焊接时效率却不低。输入无功电流小，输出有功功率大。能消除背景技术中的限磁、限流方式造成的损耗。

在输出直流电源的两端，并接一只75KΩ/1W的泄放电阻R，泄放由补偿电路产生虚高空载直流引弧电压。引弧电源电压补偿变压器在最大挡第7挡不做功。

有益效果：

①设置了引弧补偿电源，即使得进行小功率焊接时，初引弧也不粘死，电弧稳定，引弧及焊接容易。②对供电线路要求低，暂载率高，输入无功电流小，输出有功功率大，功率实足，功率因数0.94-0.95，效率0.74-0.8；与背景技术现有焊机以同等输出功率相比，本机初级输入的视在功率P1或电流下降近43％，节能33％。③电容器限流降压与储能，其滞后90度的充放电作用，补偿了直流主输出波形的缺口。④电磁振动噪音低。⑤用途广泛，使用灵活，单相机的380V输入两端，输入220V电源，可获得减

倍的可调低压交、直流电源；本实用新型焊机输入端与自耦式无级调压器联接，还可以用于：电瓶充电，低压烘干电机，中小发电机励磁，能提供小于300A的短路电流，为高压输电线路发热除冰。

附图说明：

附图为原理图。

附图中：

①B₁是主变压器，L₁是初级线圈，有7个抽头的功率切换，L₂是B₁次级主输出电源线圈，L₃是B₁次级副输出引弧电源线圈。

②B2是引弧电源电压补偿变压器，L₁₁是初级线圈，L₂₂是次级线圈。

③C是电容器。Q₁是引弧补偿电源的桥式硅整流器。Q₂是主输出电源的桥式硅整流器。BL是电抗滤波器。R是75KΩ/1W的泄放电阻。

具体实施方式：

一种节能直流电弧焊机，如图所示，由主变压器，引弧补偿电源，整流滤波电路，泄放电阻组成。

B₁是单相主变压器：为一、二、三相效仿的案例。设计额定输入容量值时，P₁为11KVA(W₁10KW)/380V×29A或220V×50A。分别有380V与220V的电源输入端。初级线圈L₁分为两组，抽头1-7挡接功率切换开关。

次级线圈L₂、L₃均为固定匝数，按电压比380V/45V和380V/75V(最大输出值)换算获得。

L₂是次级主输出电源线圈，由功率切换开关切换输出电压，得出7个输出挡差3V的电压，分别为：27V、30V、33V、36V、39V、42V和45V，输出电流50A-300A。

L₃是副输出引弧电源线圈，输出负载电流为固定值，约为20A。由功率切换开关切换输出电压为45V-75V(挡差5V)。

它与B₂的L₂₂d、z输出电源电压23V-0V(挡差3.83V)含0V的7个，由电路串联自动相加，

a、b两端输出电压，由功率切换开关切换，切换输出成反比的电压为151.3-0V(挡差25.22V)。

B₂是单相引弧电源电压补偿变压器：设计最大输入容量值，P₁为600VA(W₁570W)/151.3V×3.97A，输出功率W₂各挡不相等，最小值为0；L₁₁是初级线圈，接功率最大挡。L₂₂是次级线圈。K置于功率最大挡第(7)挡时，B₂输入和输出的交流阻抗也是0。B₂初次级电压变化取决于K连接点向上或向下调节，向上调节电压下降，向下调节电压上升，

设计L₁₁初级线圈输入电压，由B₁初级线圈1-7挡对应两边抽头间形成的电压，即：

挡差25.22V；

或用L₃输出的高低电压差75V-45V＝30V，挡差3.83V，

实践中取6.57∶1好用，即最大值＝23V，最小值为0V。

B₂主要作用是补偿功率调小时，成反比的提升电压，解决功率切换开关k调在低挡电焊时，还能输出足够的空载引弧电压。

C是电容器，其作用是给于引弧电源的限流、降压与储能。

Q₁是引弧桥式硅整流器、Q₂是主输出桥式硅整流器。

BL是滤波电抗器。

R是取近似于75KΩ/1W的电阻，其作用是抵消B₁、B₂初次级线圈间，耦合电容的微小电流，泄放由补偿电路产生虚高空载直流引弧电压。

本机输出空载直流引弧电压是：最低(45V+23V)×0.9＝61V，最高(75V+0V)×0.9＝68V。

B₁、B₂、BL的线圈应用铜质导线绕制，最大载流量不超过6.25A/mm²。

具体制作：

1.变压器B₁、B₂采用口字型铁芯，按普通单相工频变压器一样制作，铁芯硅钢片参考值：厚0.2-0.35mm，磁密Bm大于13500高斯，芯柱载容量取值：B₁为2×110VA/cm²，B₂为2×38.3VA/cm²；

获得B₁、L₁最大挡380V的匝数和B₂L₁₁151.3V的匝数，其余匝数按电压比换算获得；B₁初次级线圈匝数比，L₁/L₂、L₃应按电压比380V或220V/27V、30V、33V、36V、39V、42V、45V和75V换算获得，L₂L₃设为固定匝数；B₂初次级线圈匝数比，L₁₁/L₂₂用151.3V/23V换算获得；绕线圈时：初次级线圈总匝数÷2，B₁初级L₁各电压比段的总匝数÷2，得单边段匝数和抽头位置，为两边线圈对称高耦合均等的平分均衡布局，B₁次级L₂与L₁和铁芯之间应设通风槽；线圈应烘干、浸漆、再烘干后，分别套装在口字型铁芯的两柱上，最后还要整体烘干、浸漆、再烘干。

2.调节输出功率由B₁初级线圈L₁两边抽头的对应两端，与功率切换开关K组合(1-7)挡切换联接，其K规格：2×8位/30-50A；a、b两端与引弧电源电压补偿变压器B₂初级L₁₁联接(应调试相位)；计算B₂初级线圈L₁₁的输入电压值，应取B₁中线圈L₁的a、b两端的最大输出电压值，即最大挡(7)至k置最小挡(1)两边的抽头段总和匝数的电压151.3V，次级线圈L₂₂输出电压值可取B₁中L₃的高低电压差，即75V-45V＝30V，本机取实践值是23V，计算匝数按上述电压比的方法换算获得。

3.B₁主变压器，铁芯窗口端外围边长尺寸：高310×宽230×芯宽70×芯厚75mm，窗口尺寸：高170×宽90mm，铁芯截面尺寸：宽70×厚75mm；绕制线圈用玻璃丝包扁铜导线，规格及匝数：初级L₁S＝2×4mm²，L₁总匝数T＝2×211匝＝422匝，单边小段匝数分别为：54、73、09、10、12、15、17、21匝，绕线机计数器上的抽头读数次序为：0、54、127、136、146、158、173、190、211，始端0是380V输入一端；次级L₂以两边各设1路，S＝3×8mm²，单边匝数T＝30匝(也可以设计1路)；次级L₃ S＝2×4mm²，总匝数T＝2×25＝50匝，单边匝数为25匝；B₁单边线圈排列的绕制次序是：次级L₂→初级L₁→次级L₃；单边层数：次级L₂₂层，初级L₁₆层，次级L₃₁层；共绕制二个线圈。

4.B₂小功率引弧电源电压补偿变压器，铁芯窗口端外围边长尺寸：高293×宽78×芯宽28×芯厚28mm，窗口尺寸：高237×宽22mm，铁芯截面尺寸：宽28×厚28mm；绕制线圈用园、扁铜导线，规格及匝数：初级L₁₁用漆包园铜导线φ＝1×1.12mm，总匝数T＝2×342匝＝684匝，单边匝数为342匝；次级L₂₂用玻璃丝包扁铜导线S＝2×4mm²，总匝数T＝2×52匝＝104匝，单边匝数为52匝；B₂单边线圈排列的绕制次序是：次级L₂₂→初级L₁₁；单边层数：次级L₂₂为1层，初级L₁₁2层；共绕制二个线圈。

5.以上B₁、B₂初次级线圈相互之间，应用耐温、耐压绝缘材料隔开，交流耐压应≥4000V/一分钟通过，B₁、B₂、BL低压线圈对壳绝缘交流耐压应≥2500V/一分钟通过。

6.BL滤波电抗器的铁芯也用口字型，铁芯窗口端外围边长尺寸：高232×宽127×芯宽42×芯厚55mm，窗口尺寸：高148×宽43mm，铁芯截面尺寸：宽42×厚55mm，迭制铁芯时应留磁饱和气隙，硅钢片质量要求与B₁、B₂一致；绕制线圈用玻璃丝包扁铜导线，规格及匝数：S＝3×7mm²或3×6mm²，匝数T＝38匝×3路(也可以设计1-2路)；线圈排列的绕制次序是：先绕19匝+19匝留头尾，后绕19匝留头尾；单边层数：3层，内两层19匝+19匝用于并联，外 1层19匝+另外一只线圈面上的1层19匝串联后再并联；共绕制二个线圈。

7.C电容器用4×300μf/420V并联或用一只1200μf/420V的电容。

8.Q₁小功率硅整流器30A/1000V一组，整流为引弧补偿的直流电源。Q₂大功率硅整流器300A/1000V一组，供主输出负载用的直流电源。两路直流电源正与正负与负并联后，串接电抗滤波器BL，输出端并接泄放电阻R后，作焊接电源。

9.R为1W/75KΩ的泄放电阻，并接于直流电源输出的任意两端，以稳定空载引弧电压。

10.380V和220V电源输入端子各设两个，连线全部为铜线。直流电源输出的两端正极连接焊钳，负极连接搭铁。

本实用新型焊机的实测：

1.用3×5A(20A)200转/KWh有功新型电度表。电源接在380V两端，将换挡分接开关K调在最大挡(第7挡)，直流输出两端用电炉丝作固定负载，待电炉丝烧红后，一分钟内，做好数据记录。

A.效率和功率因数在直流负载输出152A时的实测：

(1)交流输入：

V₁＝390V I₁＝20.5A P₁＝390×20.5＝7.995KVA(包括风扇)

(2)直流输出：V₂＝39V I₂＝152A W₂＝39×152＝5.928KW

(3)总输入有功功率：20转耗时＝47.59秒得

秒/转

(4)机耗有功W_机内＝7.565-5.928＝1.637KW(包括风扇)

(5)效率

(减风扇)≈0.8

(6)功率因数

(包括风扇)

B.效率和功率因数在直流负载输出218A时的实测：

(1)交流输入测得：

V₁＝384V I₁＝29.5A P₁＝384×29.5＝11.328KVA(包括风扇)

(2)直流输出：V₂＝36V I₂＝218A W₂＝36×218＝7.848KW

(3)总输入有功功率：20转耗时＝33.85秒得

(4)机耗有功W_机内＝10.635-7.848＝2.787KW(包括风扇)

(5)效率

(减风扇)≈0.74

(6)功率因数

(包括风扇)

C.负载短路试验：

利用最大第7挡，焊机直流输出端短接，电风扇另接电源进行试验，室温20℃测得：

～V₁＝52V，～I₁＝27A；-V₂＝0，-I₂＝230A连续1小时10分钟，B1主变压器线圈温升约40℃。

2.功耗对比：

某厂生产的一台可调磁分路器式单相交流电弧焊机，与本实用新型焊机作电耗对比，其条件是：相同的380V电源、普通焊条、焊工、焊件、焊机焊接电流均调在交、直流150A位置，各自连焊14条φ3.2mm焊条，得出：

A：可调磁分路器式单相交流电弧焊机耗电1.56度。

B：本实用新型焊机只耗电1.04度。

相比节能33％。

3.视在功率利用率对比：

用视在功率利用率

测试，P₁为输入视在功率，W₂为输出有功功率：

(1)本机在直流负载输出152A时的实测：P₁＝7.995KVA W₂＝5.928KW得：

0.742×100％＝74.2％

(2)本机在直流负载输出218A时的实测：P₁＝11.328KVA W₂＝7.848KW得：

0.693×100％＝69.3％

(3)现有焊机：

A、普通单相直流电弧焊机测试值：(输入电源空载电压是410V)

交流输入测得：V₁＝380V I₁＝48A P₁＝380×48＝18.24KVA

直流输出测得：

V₂＝41V I₂＝170A W₂＝41×170＝6.97KW设计空载直流电压68V得：

0.382×100％＝38.2％

B、上海某厂生产的三相可控硅直流电弧焊机标称值：

V_线＝380V I_线＝33A

V₂＝32V I₂＝300A W₂＝32×300＝9.6KW空载直流电压70V得：

0.442×100％＝44.2％

C、上海某厂生产的单相交流电弧焊机标称值：

V₁＝380V I₁＝49A P₁＝380×49＝18.62KVA

V₂＝30V I₂＝250A W₂＝30×250＝7.5KW空载交流电压60V得：

0.403×100％＝40.3％

(4)上述3.(3)A、B、C三项视在功率利用率与本机视在功率利用率平均值相比，换算求出背景技术机型多输入损耗的P₁视在功率百分值：

[上述3.(1)、(2)本实用新型焊机两项实测视在功率利用率，

比较A＝(1-0.382)×100％-28.25％＝33.55％

比较B＝(1-0.442)×100％-28.25％＝27.55％

比较C＝(1-0.403)×100％-28.25％＝31.45％

比较平均值＝(1-0.409)×100％-28.25％＝30.85％

注：

是A、B、C三项视在功率利用率平均值。

(5)本实用新型焊机与普通单向直流焊机(A项焊机)，用相同的铁芯制作，设计输入桥式硅整流器的空载交流电压都是75V，得出视在功率差距：

上述A、B、C三项视在功率利用率平均值0.409与本实用新型焊机视在功率利用率平均值相比，得出本实用新型焊机应用它的视在功率平均百分值：

普通单向直流焊机(A项焊机)视在功率当作100％时，

4.机端以外输入供电线路损耗对比实测：

(1)本实用新型焊机实测：

直流输出负载电压36V，负载电流218A，W₂＝36×218＝7.848KW，输入电源空载电压402.4V，负载后机端电压384V，压降差＝402.4-384＝18.4V，输入电流29.5A，线路中的电阻接近纯电阻状态，根据欧姆定律

线路损耗

占W₂的

即：0.069×100％＝6.9％。

(2)现有焊机A机型实测：

直流输出负载电压41V，负载电流170A，W₂＝41×170＝6.97KW，输入电源空载电压410V，负载后机端电压380V，压降差＝410-380＝30V，输入电流48A，同样根据欧姆定律

线损

KW，占W₂的

即：0.207×100％＝20.7％，可见给供电线路带来的电损耗也是惊人的，相比之下，少输出了功率0.878KW，则要多加线路损耗＝20.7％-6.9％＝13.8％，现有焊机A机型与本实用新型焊机的供电线路损耗比＝20.7％∶6.9％＝3∶1。

根据上述数据总结得出：

现有焊机的功率因数约0.55。

本实用新型焊机的功率因数约0.95。

性能参数；

1.额定容量11KVA/380V×29A 或11KVA/220V×50A

2.额定功率10KW 电源电压380V、220V两用频率50HZ

3.功率因数0.94-0.95视在功率利用率0.693-0.742

4.输出效率0.74-0.8

5.直流空载电压61-68V

6.直流工作电压20-40V

7.直流工作电流50-300A

8.暂载率230A内100％

9.空载损耗最大挡≤0.1KW(包括风扇)

10.空载电流最大挡≤2A(包括风扇)

11.允许线圈过载运行温度＜100℃

12.散热方式，内设强制风冷

13.初对次级线圈及初对壳绝缘交流耐压≥4000V/一分钟通过

14.B1、B2次级和BL低压线圈对壳绝缘交流耐压≥2500V/一分钟通过

15.初对次、壳及次对壳绝缘电阻≥10兆Ω

16.电弧长度最长可达20mm

17.适用普通药皮焊条2-4mm

18.本机质量100kg

Claims

1.一种节能直流电弧焊机，其特征在于，由主变压器，引弧补偿电源，整流滤波电路，泄放电阻组成；主变压器B₁次级设置有两路输出电源，一路为主输出焊接电源线圈L₂，另一路作副输出的引弧电源线圈L₃；在主变压器B₁的线圈L₁两边抽头上设置有功率切换开关K；引弧补偿电源变压器B₂的初级线圈L₁₁的a、b两端，接至主变压器B₁的功率最大挡(7)；引弧补偿电源变压器B₂的次级线圈L₂₂，串接主变压器B₁副输出的引弧电源线圈L₃，再串接电容C后，经桥式整流器Q₁整流，与主输出电源整流后并接，再经电抗器BL滤波，作直流电弧焊机的焊接电源，输出端并接有泄放电阻R。