（材料加工工程专业论文）交流闪光焊机稳压调压系统研制及主回路研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 钢轨焊接是无缝线路铺设的关键环节之一，钢轨的焊接质量影响着无缝线路 的安全性。目前，在国内无缝线路铺设中，国产移动式焊机的地位相当重要，但 由于其进入市场较晚，因此进口焊机在国内钢轨焊接中仍占有相当的市场份额。 而进口焊机维修费用高，售后服务周期长，因此，针对国内使用最多的k 系列进 口焊机的主要部件稳压调压系统进行国产化研究，研制国产稳压调压控制板 替代进口控制板，该研究具有很好的工程应用价值。同时，针对几种主流焊机的 主回路进行分析，并提出一套新型主回路方案，为新型焊机研制打下基础。 论文在阅读大量文献的基础上，做了以下两个方面的工作： 1 、针对稳压调压系统控制板前期国产化研究中出现的问题进行研究，问题 主要包括三个方面：( 1 ) 同步触发脉冲控制系统工作不稳定；( 2 ) 焊接电压反馈 系统参数设计不合理，与原进口控制板不兼容；( 3 ) 保护系统没有正常工作。在 分析这些问题的基础上，制作、调试控制板，并替代进口控制板在焊机上进行了 钢轨焊接。 2 、分析常用几种交流闪光焊机主回路的优缺点，在此基础上提出了一套性 能更为优越的新型主回路。 稳压调压系统控制板的应用结果表明：国产稳压调压控制系统能够正常工 作，该控制系统能够产生稳定的且具有足够功率的移相触发脉冲信号。在脉冲信 号驱动下的焊机主回路能够输出稳定可靠的焊接电压。同时，理论分析表明，新 型焊机主回路在工艺上及功率损耗方面较目前主流焊机的主回路更为优越。 关键词：闪光焊；稳压调压；移相脉冲；主回路 西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h er a i l w e l d i n gi s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr o l e si nt h ec o n s t r u c t i o no f s e a m l e s sr a i l w a y , t h eq u a l i t yo ft h ew e l d i n gj o i n t sa f f e c t st h es e c u d t yo fs e a m l e s s r a i l w a y a tp r e s e n t , t h ed o m e s t i cm o b i l ef l a s h - b u t tw e l d i n gm a c h i n eo c c u p i e sav e r y i m p o r t a n tp o s i t i o ni nc o n s t r u c t i o no fs e a m l e s sr a i l w a y , b u t i ti sl a t e rt h a nt h ei m p o r t e d m a c h i n e ，t h ei m p o r t e df l a s h - b u t tw e l d i n gm a c h i n eh a v eac o n s i d e r a b l em a r k e ts h a r e i nt h ef i e l do fr a i l w a yw e l d i n g t h ei m p o r t e df l a s h - b u t tw e l d i n gm a c h i n en e e d sh i g h m a i n t e n a n c ec h a r g e sa n dl o n gm a i n t e n a n c ec y c l e ，s ot h es t u d yo ft h er e g u l a t i n ga n d s t a b i l i z i n gv o l t a g es y s t e mw h i c hi st h em a i nc o m p o n e n to ft h ekr a n g eo fi m p o r t e d f l a s h b u t tw e l d i n gm a c h i n eh a sag o o dv a l u ei ne n g i n e e r i n g a tt h es a m et i m e ，o nt h e b a s i co ft h ea n a l y s i so f t h es e v e r a lm a i n s t r e a mc i r c u i t s ，an e wp r o g r a mo f t h ec i r c u i ti s p r o p o s e di nt h ep a p e r , w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o nf o ran e wf l a s h - b u t tw e l d i n g m a c h i n e o nt h eb a s i so fr e a d i n ge x t e n s i v el i t e r a t u r e ，t h ep a p e rc o n t e n t st w oa s p e c t s ： f i r s t , a n a l y z i n gp r o b l e m so ft h e d o m e s t i cr e g u l a t i n ga n ds t a b i l i z i n gv o l t a g e s y s t e ma n ds o l v i n gt h e m ，w h i c hi n c l u d e st h r e ep a r t s ：( 1 ) t h es y n c h r o n o u st r i g g e r p u l s es y s t e mc , a nn o tw o r ks t e a d i l y ( 2 ) t h ew e l d i n gv o l t a g ef e e d b a c ks y s t e mw h i c hh a s u n r e a s o n a b l ep a r a m e t e r sc a nn o tc o m p a t i b l e 埘t l lt h ei m p o r t e dp a n e l ( 3 ) t h e p r o t e c t e ds y s t e m c a nn o tw o r kn o r m a l l y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e s ei s s u e s ，ap a n e l i sd e s i g n e da n dd e b u g g e d ，a f t e rr e p l a c i n gt h ei m p o r t e dp a n e l ，t h ef l a s h - b u t tw e l d i n g m a c h i n ec a nw o r kn o r m a l l y s e c o n d , o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so f t h em a i n s t r e a mw e l d i n gc i r c u i t s ，am o r e a d v a n c e dw e l d i n gc i r c u i ti sp r o p o s e d t h ed e b u g g i n gr e s u l t so ft h er e g u l a t i n ga n ds t a b i l i z i n gv o l t a g es y s t e ms h o wt h a t ： t h ed o m e s t i cr e g u l a t i n ga n ds t a b i l i z i n gv o l t a g es y s t e mc a nw o r kp r o p e r l y , a n di tc a n g e n e r a t e ap h a s e - s h i f tt r i g g e rp u l s ew h i c hi ss t a b l ea n dp o w e r - s u f f i c i e n t t h e s i m u l a t i v ew e l d i n gc i r c u i tw h i c hi sd r i v e nb yt h ep u l s es i g n a lc a no u t p u tas t a b l ea n d 西南交通大学硕士学位论文第1 i i 页 r e l i a b l ew e l d i n gv o l t a g e a tt h es a m et i m e ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sd e m o n s t r a t e st h a t t h en e ww e l d i n gc i r c u i ti ss u p e r i o rt ot h em a i n s t r e a mw e l d i n gc i r c u i ti nt e r m so fc r a f t k e y w o r d ：f l a s h - b u t tw e l d i n g ；t h er e g u l a t i n ga n ds t a b i l i z i n gv o l t a g e ；ap h a s e - s h i f t p u l s e ；t h em a i nc i r c u i t 西南交通大学硕士学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 无缝线路可提高列车的速度，减少列车的震动，使旅客更加舒适，同时也降 低了列车的磨损，减少了维护的费用；此外，它还能降低列车的事故发生率，提 高铁路运输的安全性】。目前，国内大力发展的高铁和客运专线无一不是无缝 线路，而钢轨焊接是无缝线路建设的关键环节之一，钢轨的焊接质量影响着无缝 线路建设的质量。无缝线路实际上就是长轨条铺设的轨道，因长轨条没有轨缝故 得名无缝线路。从理论上讲，无缝线路可以无限长，这样可以彻底的消灭轨缝， 这种方法既可以减少接头的磨损和冲击，又可以减轻铺轨的劳动强度t 4 。目前， 我国的钢轨标准长度有三种：2 5 m 、5 0 m 和1 0 0 m ，而国内正在大力推广的是1 0 0 m 定尺轨。无缝线路铺设时通常采用三次焊接完成，第一次是把标准长度的钢轨在 焊轨基地焊接成2 0 0 m 到5 0 0 m 的长钢轨；第二次是在现场将长钢轨焊成l k r n 到 2 1 a n 的长轨条；第三次是在轨道上实现长轨条的焊接，最终形成无缝线路【5 - - 9 。 目前，我国铁路的主要干道上都是无缝线路。 目前，钢轨焊接主要有闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊四种方法 i o - l l 】。 闪光焊：将焊件装配成对接接头，接通电源并使焊件端面逐渐移近达到局部 接触，加热接触点使端面金属熔化直至端部在达到预定温度，此时迅速施加项锻 力，从而完成焊接【1 2 1 。该种焊接方法焊接生产效率高，焊接接头质量优越且稳定， 是目前应用最广泛的钢轨焊接方法。目前，钢轨闪光焊机主要有悬挂式和固定式 两种类型。固定式焊机主要用于焊轨基地或焊轨厂；悬挂式焊机既能用于基地或 焊轨厂，又能安装在焊轨车上进行现场焊接，其应用范围很广【1 3 】。几年前，在我 国无缝线路铺设施工中主要依靠引进国外的闪光焊机【1 4 1 ，如a m s 6 0 闪光焊机和 k 系列的闪光焊机。a m s 6 0 是瑞士生产的移动式闪光焊机；k 系列焊机结构精 巧、功率大，其焊接工艺以连续闪光焊工艺和脉动焊工艺为代表，其中脉动焊工 艺是k 系列闪光焊机独有的焊轨工艺i i 5 】。 气压焊：它利用氧一乙炔火焰所产生的热量来进行加热，它与闪光焊一样都 属于高温塑性状态下的焊接。气压焊分为塑性气压焊和熔化气压焊。塑性气压焊 西南交通大学硕士学位论文第2 页 量量曼量量量量置量ii 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼量舅曼暑曼曼曼量量量鼍曼罾量皇量量曼量量量皇量 是将焊件的两个端面紧密接触，再利用火焰加热接触面直至塑性状态，此时，再 施加一定的顶锻力就可形成牢固的焊接接头；熔化气压焊工艺复杂，在加热熔化 时有大量合金元素烧损，因此使用很少。在日本，铁路长轨条焊接常常使用移动 气压焊。我国铁路也在使用气压焊，西南交大研制的y h g q 1 2 0 0 型焊轨车是世 界上第一台移动式数控气压焊轨车。气压焊的焊接接头力学性能优良，材质接近 母材，但对焊接技术要求较高，接头质量的稳定性与焊工的技能水平和焊接现场 工况紧密相关。“光斑和“未焊合 是气压焊接头上最易出现的缺陷，大面积 搿光斑 易造成接头断裂0 6 - - 1 9 1 。 铝热焊：它是利用化学反应热作热源的焊接方法。焊接时，把待焊两 工件的端头预先固定在铸模内，然后把铝热剂和铝粉放在坩埚里加热，使 其发生放热反应，成为液态金属和熔渣，注入铸模。液态金属注入接头空 隙形成焊缝，而熔渣则浮在表面上【2 0 一2 2 】。铝热焊设备简单、操作方便，但由 于其性能较差，因此，在我国铝热焊主要用于钢轨的焊补。 电弧焊：利用电弧燃烧热来作为的热源的焊接方法。国外的钢轨电弧焊已有 很长的历史，而我国却处于起步阶段。目前，世界各国中只有日本铁路采用了电 弧焊，称其之为强迫成型电弧焊1 2 3 1 。这种方法对焊接工艺和焊接操作技术要求很 高，焊接时间长且接头质量稳定性差，因此，我国基本上不使用。 闪光焊是各国无缝线路焊接中使用最广泛的焊接方法，其接头质量优良、力 学性能接近母材。国内自上世纪9 0 年代开始研究钢轨闪光焊机，并于近几年成 功研制出移动式钢轨焊机和固定式钢轨焊机。目前，在国内无缝线路铺设中国产 的移动式焊机占据了非常重要的位置，而固定式焊机仍以进口焊机为主，而进口 焊机维修费用高，售后服务周期长，为此，对进口焊机的主要部件稳压调压 系统进行国产化研究，研制稳压调压控制板替代进口控制板具有很好的工程应用 价值；同时针对几种主流焊机的主回路进行分析，为设计新型焊机主回路打下基 础。 该研究工作的成功将带来以下优点：( 1 ) 造价低，每年为国家节约大量资金 和外汇。( 2 ) 售后服务周期短，解决了制约工程单位施工进度的瓶颈问题。( 3 ) 有利于国产交流闪光焊机的进一步研究。 随着钢轨闪光焊设备国产化进程的开展，开发全国产化、高性价比的钢轨闪 西南交通大学硕士学位论文第3 页 i 量曼皇曼曼曼量量量量皇薯曩量量曼曼量皇量量曼曼蔓曼量曼曼曼曼皇曼量曼置皇舅量量曼皇曼皇置量量| 量量量曼曼皇曼曼量量皇曼曼曼量量曹 光焊机，不仅能为我国铁路建设作出巨大贡献，同时也必将带动相关产业的进步 和发展，对国家经济建设的发展也具有十分积极意义。 1 2 钢轨闪光焊机的简介 闪光焊至今已有上千年的历史，它几乎是和电阻焊技术同时出现【2 4 】。在各国 的无缝线路铺设中，钢轨闪光焊是使用最广泛的焊接方法，几乎所有的厂焊都采 用闪光焊。伴随着移动式闪光焊机的发展，在钢轨的现场焊接中，闪光焊逐渐代 替气压焊，成为无缝钢轨焊接的主要方法。 目前，闪光焊机主要包括固定式钢轨焊机和移动式钢轨焊机，典型的闪光焊 机的性能如表1 1 所示- 2 6 1 。 表i - i 典型闪光焊机性能 使用功率焊接截生产率项锻力焊机重量 类型 年代( k w a )面( r a m 2 )( 接头时)( t ) ( 1 ( g ) 5 0 年代u n 6 5 0 0 5 0 08 0 0 0 6 2 0 5 0 0 0 7 0 年代 g a a s 8 0 5 8 05 4 01 0 0 0 02 05 03 5 0 0 0 7 0 年代移动式k 3 5 5 1 5 01 0 0 0 01 24 52 4 3 0 8 0 年代g e m s 8 0 7 0 0 6 9 0 1 2 0 0 02 5 6 0 4 0 0 0 0 固定式 8 0 年代1 5 01 2 0 0 01 24 58 0 0 0 k1 9 0r lk 固定式 9 0 年代3 0 02 0 0 0 02 0 3 0 9 0 8 5 0 0 k1 0 0 0 9 0 年代 移动式k 9 0 01 5 01 2 0 0 01 0 1 55 02 5 0 0 移动式钢轨闪光焊机以交流闪光焊机为主，固定式钢轨焊机既有直流闪光焊 机又有交流闪光焊机，两种焊机的特点及性能简介如下： 交流闪光焊机：交流焊机是直接从电网中取两相交流电( a b 、b c 、a c ) ， 经焊接变压器调压后，直接从焊机的导电钳口输出焊接电压。交流闪光焊机可分 为移动式交流闪光焊机和固定式闪光焊机。常见k 系列交流闪光焊机的型号和特 征如表1 2 所示【2 m 6 】。 西南交通大学硕士学位论文第4 页 表1 2 常见k 系列交流闪光焊机的型号和特征 型号 移动式固定式 主要参数 k 1 9 0 k 3 5 5 a 1k 9 0 0k 9 0 0 tk 1 0 0 0 j i k 1 功率( 1 ( w a ) 1 5 01 5 02 5 01 5 03 0 0 重量( 1 吨) 2 0 0 02 5 0 02 6 0 0 8 0 0 0 8 5 0 0 最大可焊面( m m 2 ) 1 0 0 0 01 2 0 0 02 0 0 0 01 0 0 0 02 0 0 0 0 最大顶锻力( t ) 4 55 09 06 09 0 最大夹紧力( t ) 1 2 51 3 52 7 01 7 02 0 0 烧化速度( m m s ) o 2 2 1 0 o 2 2 1 00 2 3 o o 2 1 o 0 2 2 2 0 顶锻速度( r a m s ) 3 0 3 0 3 0 2 0 3 0 可动机架最大行程 7 07 07 06 59 0 典型交流闪光焊机有乌克兰巴顿研究所研制的k1 9 0 a k 、k3 5 5 a 、k9 0 0 、 k1 0 0 0 和美国霍兰德公司研制的k3 5 5 h 型焊机，它们的主要特点为：焊机 输入功率小，焊接端面面积大，焊机体积小且重量轻：在设计上，它采用两台 并联的变压器供电，可极大地降低焊机的总阻抗。焊接过程由程序自动控制， 在液压系统、电气系统和程序共同作用下，焊接过程自动进行 2 7 2 。1 1 3 0 - - 3 2 。 直流闪光焊机：它是直接从电网中取出三相交流电，先经焊接变压器降压， 变压器二次侧的电压再经整流器整流得到直流电，直流电从焊机的导电钳口输 出。 典型直流闪光焊机有e a s b 公司的z f 刚g c 5 t 、瑞士的g a 髂8 0 7 0 0 型和 g a 弱8 0 5 8 0 型焊机。g a a s 8 0 7 0 0 型焊机的特点为：采用三相交流电源供电， 这样就保证了电网电压三相平衡；由于采用直流电焊接，因此无电流过零现象， 焊接过程闪光平稳，焊缝晶粒均匀，焊接接头质量优越。焊接过程实时监控， 焊机附有电流、压力、位移的数据测试仪和曲线记录仪，可对每个焊头进行实时 监控，可减少不良焊接接头 2 9 - 3 5 1 。 西南交通大学硕士学位论文第5 页 1 3 闪光焊机主回路触发方式 随着国际社会对电阻焊设备的需求，电阻焊中的调压稳压技术取得了巨大的 进步。由于，国外电网电压波动基本不超过5 ，所以进口电阻焊焊接设备只 包含小范围稳压系到3 6 - 3 7 。但是，国内电网电压波动比较大而且焊机工作环境恶 劣、电磁干扰严重，所以某些进口设备不能满足稳压调压的要求。因此，国内对 进口电阻焊设备通常采用二级稳压方式，将补偿式自动交流稳压器加于电网电压 与焊接变压器之间，这样可使网压的波动在3 范围内，同时再利用稳压系统 进行二次稳压，可大大改善焊机的稳压性能【3 8 】。 在焊接过程中，电网电压波动往往比较大，而且干扰厉害，严重影响到焊机 的正常工作，因此，焊机研发的关键是严格控制焊接电压的稳定输出。常用的交 流稳压方式主要有晶闸管式、铁磁谐振式、磁放大器式、感应调压式等【5 1 。晶闸 管式交流稳压器利用改变晶闸管的导通角来调节输出电压，达到稳压调压目的。 晶闸管式稳压器的特点是：反应灵敏，输出功率大，稳压精度高【3 们。 触发电路类型的选择 现有的晶闸管移相触发电路很多，按同步信号分有正弦波触发电路、锯齿波 触发电路、梯形波触发电路等；按元件组成分有阻容移相触发电路、单结晶体管 移相触发电路、可控单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、采用双向触发二极 管的触发电路、集成式触发电路、模拟式触发电路、数字式触发电路、微机式触 发电路等；按输出脉冲分有单个窄脉冲触发电路、单个宽脉冲触发电路、双窄脉 冲触发电路、强触发脉冲触发电路和高频脉冲列触发电路等 4 0 3 。 常用触发电路性能比较，如表1 3 所示【4 。 表1 3 常用触发电路性能 类型 优点缺点应用 阻容移相触结构简单，抗干扰能力强，调门极触发电流大，电压小功率晶闸管整 发电路 节方便。较低，触发强度不商， 流、控制精度要求 门极损耗大。不高的场合。 西南交通大学硕士学位论文第6 页 晶体管发电触发功率大，工作较稳定，控电路结构复杂，故障率要求较高，功率较 路制线性度较好。高，参数分布大。大的变流器、整流 器中。 集成式触发体积小，功耗低，调试方便，价格较高，对电网波形各种场合。 电路性能稳定可靠，移相线性度畸变和网压波动较敏 好，外围元件少。感。 同步信号为电路简单，易调试。易受网压波动和电网波网压波动和电网波 正弦波的触形畸变的影响，移相非形畸变较小的场 发电路线性。 合。 同步信号为受网压波动与电网波形畸变对锯齿波线性度的好坏广泛应用于整流和 锯齿波的触影响很小，抗干扰能力强，移十分敏感。逆变电路中。 发电路相线性度好，移相范围宽。 窄脉冲触发电路简单，易于调试。可靠性较差，不能用于仅适用于单相阻容 电路感性负载电路中。 负载。 强触发脉冲晶闸管开通时间短，提高了晶电路较复杂。广泛用于大容量的 触发电路闸管承受d i d t 的能力，有利变流装置，特别是 于改善串并联元件的动态均多个晶闸管串并联 压和均流。 工作系统。 脉冲列 触发功率大，可靠性好，精度电路较复杂。大功率交流装置， 触发电路较高，采用较高频率，缩小了尤其是带感性负载 ( 1 0 k 一3 0 k h z )脉冲变压器的体积，降低了脉 的晶闸管系统。 冲变压器和门极的损耗。 数字式触发 技术较先进，精度较高，触发技术不成熟，不普及，高精度交流器。 电路脉冲对称性好，易保证三相平电路较复杂，成本高， 衡，抗干扰能力较强。故障率也较高，与外部 模拟信号的接口较困 难。 西南交通大学硕士学位论文第7 页 i i 闪光焊机多采用集成式触发电路和数字式触发电路，西南交大研制u n 5 1 5 0 闪光焊机采用基于t c 7 8 5 a 的集成式触发电路，k 系列闪光焊机采用数字式触发 电路，两种触发电路性能各有优缺点。 集成式触发电路 晶闸管的集成触发芯片很多，常见的有k c 系列的k c 0 4 、k j 系列的k j 0 4 1 和t c a 7 8 5 。t c a 7 8 5 是西门子公司研发的第三代晶闸管移相触发集成电路，相 比原有的i c t 系列或k c 系列触发电路，t c 系列集成电路对零点的识别可靠性更 高，输出脉冲整齐度更好，同时移相范围更宽，此外，由于其输出脉冲的宽度可 自由调节，所以适用范围更广 4 2 1 。 图1 - 1 触发电路框图 图1 1 是基于t c a 7 8 5 的触发电路框图。从电网取得同步正弦波电压信号后， 送入t c a 7 8 5 形成同步锯齿波信号；封锁控制电路用于控制t c a 7 8 5 的脉冲输出； 由p l c 输入给定电压，给定电压送入t c a 7 8 5 与同步锯齿波信号比较放大，最 终输出触发脉冲，该触发脉冲控制主回路晶闸管的导通时间，焊机输出稳定焊接 电压【s t 4 3 1 。 集成式触发电路由于具有可靠性高，功耗低，体积小，调试方便等优点，因 此得到了广泛应用。由西南交大艾格机电设备有限公司研制的u n 5 1 5 0 移动式 闪光焊机采用t c a 7 8 5 集成芯片作为触发芯片。它由p l c 输入不同的控制电压， 最终得到相位角不同的触发脉冲，在此种移相触发电路中，由p l c 检测同步信 号，以此来确焊接电压正负半波的对称性。 西南交通大学硕士学位论文第8 页 数字式触发电路 数字式触发电路的优点有：精度较高，触发脉冲对称性好，脉冲抗干扰能力 较强；缺点有：电路较复杂，成本高，故障率也较高。因此数字式触发电路适用 于高精度的变流器。 图1 2 是数字式触发电路框图，从电网取得同步正弦波信号，经同步变压器 降压后，输入到同步信号输入电路，并产生同步锯齿波信号。网压变送器采样焊 接电压得到反馈电压信号，反馈电压信号与p l c 输出的控制信号( 给定电压) 比较产生移相控制信号，移相控制信号和锯齿波信号比较产生脉冲，脉冲再经输 出驱动电路形成触发脉冲，该触发脉冲可控制晶闸管的导通角，最终焊机输出稳 定焊接电压【4 3 1 。 广。_ 1 l 皇坠i 上上 图l 2 数孚式触发电路框图 数字式触发电路以c d 4 0 4 6 的数字锁相环( 以k 系列为例) 为核心，该触 发电路实现了触发脉冲与电源信号的完全同步，提高了晶闸管控制的精确性，保 证主电路输出焊接电压正负半波的对称性，从而保证焊机可靠稳定工作。 1 4 钢轨闪光焊主回路系统的发展 随着科学技术的进步，国际社会对闪光对焊设备的要求也越来越高，闪光焊 机的种类更新也越来越快。目前，国际市场上存在着多种不同类型的钢轨闪光焊 机。闪光焊机主要采用次级整流电源和交流电源两大种类【“4 5 1 ，下面介绍几种常 用钢轨闪光焊机的主回路特点。 ( 1 ) 乌克兰巴顿所的k1 9 0 r ik 、h o l l a n d 公司k 3 5 5 h 移动式交流焊机它 们主要用于厂焊和工地焊，焊机主回路由自耦变压器、高低压切换接触器及焊接 西南交通大学硕士学位论文 第9 页 变压器构成，如图1 3 所示。电网电压经自耦变压器粗调，再经高低压转换接触 器作用后给焊接变压器供电。这种方案中，高低压转换接触器切换是采用凸轮顺 序控制。这种电源输出为纯正弦波，电流过零时间短，对焊接过渡过程有利，但 控制模式落后，焊接工艺调整不方便6 】f 4 】。 图l - 3 大型接触器高低电压切换方案 ( 2 ) 乌克兰巴顿所的k 系列及戚墅堰车辆工艺研究所仿k 9 0 0 机型等为两用 交流闪光焊机，可同时用于厂焊和移动焊。其焊机的主回路由自耦变压器、晶闸 管及焊接变压器构成，如图1 - 4 所示。自耦变压器通过两个反并联的晶闸管向焊 接变压器供电，通过控制晶闸管的导通时间可控制焊接电压。此方案的优点是： 可对负荷变化实现快速跟踪，且能在较大范围内调整焊接规范。缺点：在高低压 转换过程中，晶闸管的移相控制角变化很大，因此产生高次谐波也很大；同时， 移相角大会导致焊接电压过零时间长，焊接接头不连续加热时间也变长，从而导 致焊接过程不稳定，接头出现灰斑的可能性大大增加【6 】【4 1 】。 s c r t 图1 - 4 自耦变压器调压稳压方案 ( 3 ) s c h l a t t e r 公司的a m s 5 0 6 0 为悬挂式交流闪光焊机，这类焊机即可用 于厂焊也可用于移动焊。焊机的主回路由焊接变压器与晶闸管构成，如图1 5 所 示。电网电压经两个反并联的晶闸管作用后，直接给焊接变压器供电。与方式2 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 相比，这种主回路优点：结构相对更为简单，也可负荷变化实现快速跟踪。缺点： 在高低压转换过程中，晶闸管移相角的变化更大，焊接电流过零时间相对更长， 液相桥加热不连续更严重，焊接过程更加不稳定；同时，由于没有自耦变压器作 为平衡感抗，使得其出现高次谐波更加严重【6 】【4 1 】。 图1 - 5 焊接变压器调压稳压方案1 ( 4 ) 成都艾格机电有限公司自行研制的u n 5 1 5 0 移动闪光焊机以及其改造 的k 1 9 0 焊机，焊机主回路如图1 6 所示。焊机主回路由自耦变压器、晶闸管及 焊接变压器构成。电网电压经一对反并联的晶闸管作用后，给焊接变压器供电。 在此种方案中，高压阶段时，晶闸管组l 开通，通过控制晶闸管组l 的开通时间 对高压阶段的焊接电压进行微调；低压阶段时，晶闸管组2 开通，通过控制晶闸 管组2 的开通时间对低压阶段的焊接电压进行微调。这种控制方式的优点是：在 高压、低压阶段，晶闸管的移相角都比较小，因此焊接电流过零时间较短，焊接 过程稳定性增强；同时，高次谐波的量也减少。缺点是：结构稍复杂，多采用了 一对大功率的晶闸管组1 6 1 。 图1 - 6焊接变压器调压稳压方案2 西南交通大学硕士学位论文第1 1 页 第2 章稳压调压系统的设计 在人们的生产、生活中，由于供电系统中大量冲击性负荷、间歇性负荷的存 在以及各种短路故障的发生，常常导致系统电压短时快速地变化，即电压波动。 电网电压的波动通常是因电网负载出现了较大的增加或减少而引起的，它会给工 业生产、科学研究和日常生活增添不少麻烦【4 7 1 。 在闪光焊焊接过程中，由于现场大功率设备较多，如正火设备、起重设备等， 造成电网电压波动大，致使焊接电压波动严重，严重影响钢轨的焊接质量。因此， 一个可靠的稳压调压控制系统是闪光焊机研制的关键。 在目前常用的钢轨交流闪光焊机中，稳压调压控制主要有两种类型：一种采 、 用t c a 7 8 5 集成移相触发；另一种采用数字集成电路进行同步和移相触发。而国 内使用的大量进口焊机的稳压调压采用的是后一种方式，因此，本论文针对数字 集成电路稳压调压控制系统进行研究。 本课题研究的闪光焊机稳压调压控制系统可大致分为四个部分： 一、供电电源，该部分主要负责产生具备一定功率的稳定可靠的直流电压， 以供整个稳压调压控制系统使用。 二、同步触发脉冲控制系统，该部分可产生一个相位可调且与电网电压同步 的触发脉冲，此触发脉冲可控制主回路中晶闸管的开通时间，从而控制焊接电压。 三、焊接电压反馈系统，该部分是一个闭环负反馈电路，电压变送器采样焊 接电压得到反馈电压信号，将此反馈电压与给定电压比较，可得到移相控制脉冲， 最终达到稳压调压的目的。 四、保护系统，该部分监控同步触发脉冲系统、焊接电压反馈系统以及焊接 主回路，保证焊接过程正常。 对于该种稳压调压控制系统，文献新型移动式钢轨闪光焊机稳压调压系统 。 已做了大量工作，基本实现了调压功能，但是仍存在如下i 口- j 题： 一、同步触发脉冲控制系统工作不正常，导致同步触发脉冲与电网电压不同 步，使得输出焊接电压不稳定； 二、对焊接电压反馈控制系统理解不彻底，反馈系统的参数设计不合理，国 产控制板不能替代进口控制板： 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 三、对稳压调压电路的保护系统未进行分析与调试，而该部分是系统正常工 作的关键。 针对上述问题，论文进行了深入的理论分析与反复调试，最终完成对稳压调 压控制板的调试，并成功实现钢轨的焊接。下面将对稳压调压系统及其存在的问 题与解决方案进行详细的分析与探讨。 2 1 供电电源 对于任何一个控制系统，要使其正常工作，稳定的供电电源是必不可少的一 部分。钢轨闪光焊机的工作环境是大电流、强电磁场干扰，因此，供电电源必须 有足够的抗干扰能力。根据设计的需求，系统供电电源采用l m 3 1 7 和l m 3 3 7 以及m c 7 8 2 4 ，分别产生+ 1 5 v 、1 5 v 和+ 2 4 v 的电压。 l m 3 1 7 是可调节3 端正电压集成稳压器，其输出电压范围是1 2 v 至 3 7 v ，负载电流最大为5 a ，此外，它具有稳压精度高、工作可靠等优点。l m 3 3 7 稳压器是与l m 3 1 7 对应的可调3 端负电压集成稳压器，它的工作原理和电路结 构与l m 3 1 7 相似。m c 7 8 2 4 是一个三端稳压电源，可稳定输出+ 2 4 v 的电压。供 电电源的原理图如图2 1 所示。 i “nr 。l ，l_ l ， 1 争，祷： 日 一 o l1 1 z h ， l l i r i l 一“r lr 嚣 | | t m v - ，7 - f 6 埘p 牛c ，； l i ； r 上一 ： t 7、 c 舟二= c i 口 ； 邕9 ”盱牛。乙： ：； f卜 i , l q i 一n 廿 1 1 】【专 口 i l -l 一l ， o - n ， 一 2 iu 。 图2 1 供电电源原理图 供电电源由一个正负2 0 v 的中间抽头变压器供电。x 1 接变压器的中间抽头， x 5 与x 9 分别接变压器的两个输出端子。交流电压通过c 5 4 、c 5 5 与d 4 4 、d 4 4 、 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 d 4 7 、d 4 8 全波整流后，再经c 5 3 、c 6 2 、c 5 6 、c 6 4 滤波，最后在1 、2 端得到正 负3 0 v 的电压。， 3 0 v 直流电压输入到l m 3 1 7 后输出+ 1 5 v 的直流电，输入到m c 7 8 2 4 后输出 + 2 4 v 的直流电；3 0 v 的直流电压输入到l m 3 3 7 后输出1 5 v 的直流电。由于l m 3 1 7 与l m 3 3 7 为可调稳压电源，通过调节可调电阻器r 9 3 、r 9 5 ，可以控制l m 3 1 7 与 l m 3 3 7 的输出电压。 2 2 同步触发脉冲控制系统 闪光焊机主回路采用晶闸管作为稳压调压元件，它需要触发脉冲作为触发控 制信号，为保证焊接电压的稳定性，必须保证电网电压与触发脉冲同相位，因此， 需要一个同步触发脉冲控制系统。同步触发脉冲控制系统的作用就是保证触发脉 冲与电网电压同步，防止网压波动导致焊接电压不稳定。同步触发脉冲控制系统 的结构图，如图2 2 所示。 图2 - 2 同步触发脉冲控制系统的结构图 同步电压输入电路采样电网电压，分频锁相电路可保证其输出的脉冲与电网 电压同相位；锯齿波电路产生与电网电压同相位的锯齿波信号，控制电压与锯齿 波比较放大后得到脉冲信号，该脉冲信号与网压同相位；脉冲信号经脉冲驱动电 路作用后，由脉冲变压器输出触发脉冲列信号。由于分频锁相电路的锁相作用， 使得触发脉冲列与电网电压同相位。 对于此同步触发脉冲控制系统，已有相关人士对其进行了理论分析，故本论 文只对其进行简单的叙述。同时，由于此前的设计者对同步触发脉冲控制系统工 作不稳定的问题没有解决，故在论文中会详细的分析解决此问题的方法。 西南交通大学硕士学位论文 。 第1 4 页 2 2 1 同步电压输入电路 同步电压输入电路如图2 3 所示，电网电压通过同步变压器降压后得到正弦 波信号，此信号通过r 7 9 、c 6 0 0 滤波，再通过n p n 管( q 4 ) 及施密特触发器( u 1 5 d ) ， 整形后，得到一个占空比5 0 的方波信号，该方波信号与电网电压同频率、同相 位。 p 1 5 j i 2 2 2 分频锁相电路 图2 3 同步信号输入电路 a 分频锁相电路的目的有两个：一、锁相，保证其输出的所有信号与电网电压 同相位，即同步；二、将同步电压信号分解为不同频率的信号，以满足电路其他 设计要求。分频锁相电路的原理图如图2 _ 4 所示。 图2 _ 4 分频锁相电路原理图 分频锁相电路的工作原理大致如下：u 2 0 、u 18 、u 1 9 、u 1 4 b 及u 2 1 a 构成 ， ， 西南交通大学硕士学位论文第1 5 页 锁相环。u 2 0 输出2 0 0 k h z 的方波信号；u 1 8 为1 4 倍分频器，输出1 4 3 0 0 h z 方 波信号；u 1 9 为7 2 倍分频器，输出2 0 0 h z 的方波信号；u 1 4 b 与u 2 1 a 均为二 分频器，u 2 1 a 输出5 0 h z 的方波信号；该方波信号反馈到u 2 0 的引脚3 形成闭 环控制，保证锁相环系统内的所有方波信号与网压同相位。u 2 0 输出的2 0 0 k h z 的方波信号经u 2 2 d 后输出4 0 0 k h z 的方波信号。u 1 8 输出的1 4 3 0 0 h z 的方波信 号，经u 2 3 、u 2 1 b 后，输出一个频率为1 0 0 h z ，占空比为5 的窄脉冲信号。 2 2 3 锯齿波的电路 锯齿波电路由倒梯形网络d a c 与差动积分电路构成，其电路原理图如图2 5 所示。 - 图2 - 5 锯齿波电路 u 2 6 的引脚l o 输入4 0 0 k h z 的方波信号，此信号经倒梯形网络d a c 作用后 输出锯齿波信号l ，锯齿波信号1 的频率由u 2 6 引脚1 l ( 图2 - 5 中的c 点) 输入的 脉冲信号决定。锯齿波信号l 经差动积分电路作用后输出锯齿波信号。锯齿波信 号1 与锯齿波信号如图2 6 所示。 2 2 4 移相脉冲电路 图2 - 6锯齿波信号 移相脉冲电路的目的是产生移相脉冲，移相脉冲电路原理图如图2 7 所示： 。 西南交通大学硕士学位论文第1 6 页 d k e 图2 7 脉冲电路原理图 移相脉冲电路由u 6 a 、u 5 b 、u 5 c 构成。锯齿波信号( 图2 7 中d 点) 与 控制电压( 图2 7 中k 点) 经u 6 a 比较放大后，得到脉冲信号，二极管d 6 及 u 5 b 、u 5 c 的作用是脉冲信号的整形，移相脉冲波形如图2 8 所示。 u i 耵 1 漉控锚信号 i 酣 1 0 咂z 1-r 入卜i n。 t il ii il 2 2 5 脉冲驱动电路 图2 - 8 移相脉冲波形 脉冲驱动电路采用推挽式直流变换器电路。在推挽式电路中，由于采用了较 高的电压且没有电阻的限流作用，固可获得较大的功率脉冲信号，脉冲驱动电路 如图2 9 所示。 脉冲驱动电路的工作过程大致如下：e 点输入的移相触发脉冲先经u l l + ( c d 4 5 5 7 ) 缓冲，再由u 7 ( u l n 2 0 0 4 a ) 功率放大，最后输入到脉冲变压器的中 间抽头，即2 、3 脚。变压器的1 脚、4 脚输入两路互补的高频载波，这样可以 有效地避免变压器铁芯偏磁，提高铁芯的利用率。当移相触发脉冲为高电平时， 脉冲变压器截止，脉冲变压器的次级输出低电平；当移相脉冲为低电平时，脉冲 变压器工作，次级输出移相脉冲列，脉冲驱动电路各点工作波形如图2 1 0 所示。 西南交通大学硕士学位论文第1 7 页 图2 - 9脉冲驱动电路 图2 1 0 移相脉冲输出原理图 2 2 6 同步触发脉冲控制系统存在问题 同步触发脉冲控制系统的目的是产生与电网电压同相位的同步触发脉冲，该 触发脉冲可控制晶闸管的通断得到可控制的焊接电压，且输出的焊接电压是一个 稳定值。理论上，当同步触发脉冲控制系统正常工作时，电网电压与触发脉冲列 以及输出焊接电压的频率与相位完全相同。但是，当调试文献新型移动式钢轨 闪光焊机稳压调压系统设计的同步触发脉冲控制系统时，发现输出电压值不稳 定，如图2 1 1 、2 1 2 所示，由此可推断出该同步触发脉冲控制系统存在问题。 由于焊机主回路采用晶闸管作为可控元件，而晶闸管的通断由触发脉冲列控制， 故焊接电压不稳定可能是由于触发脉冲列与电网电压频率不同造成的。 西南交通大学硕士学位论文第1 8 页 图2 1 1 输出电压不稳定图( a = 6 0 0 ) 图2 - 1 2 输出电压不稳定图( 口：1 5 0 0 ) 2 2 7 同步触发脉冲问题分析 如图2 2 所示，同步触发脉冲控制系统是由同步电压输入电路，分频锁相电 路、锯齿波电路、移相脉冲电路及脉冲驱动电路组成。同步电压输入电路采样电 网电压，分频锁相电路可保证输出的脉冲信号与电网电压同相位；锯齿波电路产 生锯齿波信号，该信号的频率由分频锁相电路输出的脉冲( 图2 - 4 中c 端信号) 控制；脉冲电路产生移相控制脉冲，该脉冲的频率与锯齿波信号相同；脉冲驱动 电路的作用是将移相控制脉冲转化为脉冲列信号，脉冲列信号的频率与移相控制 脉冲相同，脉冲列信号即同步触发脉冲信号。由此可知，同步触发脉冲的频率实 际上是由分频锁相电路决定的，故同步触发脉冲( 脉冲列信号) 与电网电压不同 步可能是由于分频锁相电路的异常造成的。因此，可以得出结论：同步触发脉冲 控制系统的不稳定很有可能是分频锁相电路出现故障。 如图2 4 所示，分频锁相电路是以c d 4 0 4 6 为核心的环路构成，当锁相环路 入锁时，c d 4 0 4 6 引脚l 为高电平；当锁相环路失锁时，c d 4 0 4 6 引脚1 为低电 平。c d 4 0 4 6 引脚1 4 为信号输入端，引脚3 为反馈信号输入端，引脚4 为压控 振荡器输出端，引脚1 1 、引脚1 2 外接振荡电阻，通过控制其外接电阻的阻值 使引脚4 输出不同频率的脉冲信号。u 1 8 构成1 4 倍分频器，u 1 9 构成7 2 倍分 频器；u 1 4 b 与u 2 1 a 均为二分频器【4 引。 为了验证是否因为分频锁相电路异常导致同步触发脉冲控制系统不稳定，需 要测试一些信号，测试过程及结果如下： 1 、测试c d 4 0 4 6 引脚1 4 的信号，引脚1 4 输出频率为5 0 h z 的方波信号； 2 、测试c d 4 0 4 6 引脚3 的信号，引脚3 输出频率为5 5 h z 的方波信号； 3 、测试c d 4 0 4 6 引脚l 的信号，引脚1 输出具有一定脉宽的脉冲信号，如 图2 1 3 所示； jj 西南交通大学硕士学位论文第1 9 页 鼎嘲嘲懒蜊# 画自秘鞫_ 脚删学哪龇蝴_ 删 图2