（材料加工工程专业论文）大功率移动式钢轨闪光焊单相电源控制系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 钢轨闪光焊具有自动化程度高、焊接效率高、接头质量好等优点而被 铁路工程建设大量采用。现有移动式钢轨闪光焊机都采用单相工频交流供 电方式工作，在焊接过程中，单相工频交流电经焊接变压器变换，实现钢 轨端面快速加热，但也带来供电三相负荷极不对称、功率因素低、能耗大 等问题需要研究和解决。 本文以降低焊接能耗为主要实现目标，针对钢轨闪光焊交流电源存在 的问题，分析了现代典型的交流和直流闪光焊机的硬件回路、供电电源状 况，计算说明了钢轨交流闪光焊中的无功功率和三相负荷平衡对焊接质量 的影响，以及对节能效果的作用，提出了采用a v r 单片机数字化控制技术、 l c d l 6 0 2 人机界面，通过调整发电机励磁电流控制单相发电机，改变发电 机输出特性，直接对焊接变压器供电的新思路和技术方案。 通过模拟试验和现场验证，本文设计完成的单相发电机控制系统，可 在电磁干扰极为严重的闪光焊接工况下正常工作，操作界面良好，能满足 大功率钢轨交流闪光焊机的使用要求，符合闪光焊接供电设备高可靠性、 节能化、小型化、全数字化的发展方向。 关键词：钢轨；闪光焊；单相发电机供电；单片机控制技术；节能 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i nr a i l - w e l d i n gf i e l d t h eh a s h b u t tw e l d i n gi sam a i nm e a n s t h ec l a s s i f y o fh a s h b u t tw e l d i n gp o w e ra r ca cp o w e rw e l d i n ga n dd c p o w e rw e l d i n g i n f i xw e l d i n ga n dm o b i l ew e l d i n g ，5 0 h za cp o w e rw e l d i n gi sm o s tc o m m o n t o d a y , a l la ch a s h - b u t tw e l d i n gm a c h i n ea r cp o w e r e db ys i n g i c p h a s ea c p o w e r , t h ed e f e c t ss u c ha sw e l d i n gq u a l i t yi n s t a b i l i t y , 3 - p hu n s y m m e t r ye n e r g y c o n s u m p t i o ni su n a c c e p t a b l ei sg e n e r a le x i s t i nt h i st h e s i s o u rt a r g e ti sr e d u c ep o w e r c o n s u m p t i o ni nw e l d i n g , w ec a n g e tt h ep o i n to fa ch a s h - b u t tw e l d i n gw o r k i n gc o n d i t i o n st h r o u g he n u m e r a t e s o m et y p i c a la ch a s h - b u t tw e l d i n gm a c h i n ea n dd cw e l d i n gm a c h i n e ， a n a l y z ea n dc o m p a r et h e i rb a s i cs t r u c t u r e so fm a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i ta n d p o w e rs u p p l ym o d e ，a n du s ef o r m u l a , d a t at op r e s e n tt h ei m p o r t a n ti m p a c tt o h a s h b u t tw e l d i n gq u a l i t ya n dt oa ce n e m y - s a v ei nr e a c t i v ep o w e r , f r o m a n a l y z ew ec a ns e ew h e nr e a c t i v ep o w e ri sd o w n , i t c a ns a v ee n e r g y , a l s oi tc a n b eg o o dt oh a s ht r a n s i t i o n b a s e do nt h i s t h e o r y , t h r o u g ht e c h n o l o g i c a l - - e c o n o m i c a la n a l y z e a n d c o n s i d e rp r e s e n tt e c h n o l o g yl e v e l ，r a i s es o l u t i o n so fh a s h b u t tw e l d i n gp o w e r s u p p l ym o d e ：l o wv o l t a g es i n g l e p h a s eg e n e r a t o rs u p p l y t h ec o n t r o ls y s t e mo fs i r i g l e p h a s eg e n e r a t o ri sa v r - c o n t r o l e dd i g i t a l c o n t r o lm o d e ，i th a sab a s i cm a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n db a s ef u n c t i o n s , t h r o u g h h a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g na n di n t e r f e r e n c ep r o t e c t i o nd e s i g n ，i t 啪 w o r k i n gu n d e rh i g h - - e l e c t r i c a l i n t e r f e r e n c ec i r c u m s t a n c ei nh a s h b u t tw e l d i n g w o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n dp r o v e db yw o r kf i e l de x p e r i m e n t s t h ed e v i c ec a n s a t i s f yt h eb a s i cn e e d so fm o b i l er a i la c h a s h - b u t tw e l d i n gd e v i c e l o o kf o r w a r dt ot h ef u t u r eo ff l a s h - b u t tw e l d i n gd e v e l o p m e n t s ，p o i n to u t t h eh j g hf r e q u e n c y , l o wd i m e n s i o n ，e n e r g ys a v e ，d i g i t a lc o n t r o la n dh i g l l r e l i a b i l i t ya r em a i nd e v e l o pd i r e c t i o n so fr a i l w a yh a s h b u t tw e l d i n g k e yw o r d s ：r a i l h a s hb u t tw e l d i n gp o w e r , s i n g l e p h 觞eg e n e r a t o r , m c u c o n t r o lt e c h n o l o g y , e n e r g y s a v e 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 第1 章绪论 无缝线路就是把标准长度的钢轨焊按成长钢轨和无缝钢轨，以减少接 头。使线路更加平顺n 现有无缝线路铺设施工工艺是采用三次焊接完成， 首次焊接通常在基地工厂用固定式闪光焊的办法，把2 5 m 长的钢轨焊成 2 0 0 m 到5 0 0 m 的长轨；第二次焊接是在工地将长钢轨焊成1 0 0 0 m 到2 0 0 0 m 的长轨条：第三次是在轨道上以移动焊接的方式完成长轨条的焊接，最终 成为跨区间无缝线路。建设长距离无缝线路的关键在于钢轨焊接【1 11 2 。无 缝线路的连接是否能承受长期运行的考验，关键在于钢轨焊接质量1 1 11 1 3 l 。 现代钢轨焊接主要有闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊四种方法【1 j 【2 l 【蛳。钢轨焊接的几种方法中，闪光焊设备自动化程度高，机构却比较庞大， 目前紧凑的小型闪光焊机都采用单相交流供电方式，电加热控制和高质量 过程控制技术比较复杂。钢轨闪光焊需要大功率的专用焊轨设备，可在工 厂、基地或者现场进行钢轨焊接，其原理是利用电阻热使钢轨焊接端面形 成一层液态金属膜及液态金属过梁，同时利用电阻热加热金属，然后快速 顶锻，将液态金属及其氧化物从钢轨焊接端面挤出，并使已经加热的钢轨 塑性变形而使端面锻合，其焊接质量较高，对钢轨断面状况要求比较低， 容易满足固定式焊接、基地焊接和移动式焊接的要求【1 1 【2 】i l l 】【1 2 1 【1 3 1 1 1 4 。 闪光焊接设备工作状况恶劣，普遍工作于高温、多尘、振动较大，c o s 剧烈变化( c o s 在0 3 0 - _ 0 9 8 之间快速变化) ，电压和电流剧烈变化( 一 次侧电压变化范围为3 0 0 _ - 4 5 0 v ，一次侧电流变化范围为i ( x y - - 1 2 0 0 a ) ， 瞬时短路( 短路时间一般为0 7 1 2 秒，有时可长达2 3 秒) ，谐波分量 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 较大( 3 次谐波和5 次谐波分量最大) 的应用场合，故对闪光焊机系统可 靠性和稳定性要求很高，而由于闪光焊接过程的不稳定性，要求闪光焊供 电与控制系统具有良好的响应特性，要求在满足焊接工艺动态调整要求的 前提下，其电磁兼容性要比一般的设备高，从而加大了系统设计的难度f l l 1 1 0 - 1 5 1 3 9 1 刚l 船】。现有钢轨交流闪光焊电源均采用三相交流电源供电，而焊 接工作时，焊接变压器只需要三相中取两相作为单相交流电源供电，故在 焊接过程中会出现三相电源不平衡的现象，影响主供电电源的供电效率提 高，并且对其他三相用电负荷造成不良影响，增大系统能耗。虽然国际各 大钢轨焊接设备制造厂商和研究机构对电源问题展开了研究，但至今为止 仍未见成熟产品在现场使用。 我国在建的高速铁路和拟建的高速铁路施工中，一般推荐使用闪光焊 接，特别是t z 2 1 卜2 0 0 5 客运专线轨道施工指南明确规定工地钢轨焊接 宜优先采用闪光焊【1 7 1 。我国现阶段闪光焊接头数量约占整个无缝线路焊接 接头数量的8 7 0 5 ，移动式气压焊接头数量约占总焊接接头数量的10 9 6 ，铝热 焊接头数量约占总数的3 ，闪光焊接头质量决定了无缝线路的整体质量水 平，而焊接接头质量的提高，与机械系统的动态性能、牢固程度、机械结 构以及焊接控制模式、电气控制系统稳定性和供电电源的特性直接相关， 其供电电源的特性决定了焊接电流波形的好坏、是否节能、焊接稳定性以 及焊接缺陷多少等彤l 。因此，研究钢轨闪光焊机的供电电源及其控制系统， 使之从供电电源方面提高焊接质量和节能效果，具有十分重要的意义m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章文献综述 2 1 钢轨闪光焊机主电路及控制电路模式 闪光焊焊机目前主要有次级整流直流闪光焊机和交流闪光焊机两种机 型。现代钢轨闪光焊机中，具有代表性的交流闪光焊机为美国h o l l a n d 公 司k 3 5 5 h ，瑞士s c h l a t t e r 公司a i v i s - - 5 0 6 0 、乌克兰p a t o n w e l d i n g i n s t i t u t e 的k 1 9 0 hk ( 固定式) 、k 9 0 0 、k 9 2 1 、k 9 2 2 、k 1 0 0 0 ，中国南车集团上 海铁路局戚墅堰机车车辆工艺研究所仿k9 0 0 机型，中国南车集团襄樊内 燃机车厂生产的x p h - 6 0 - 2 1 0 集装箱式移动钢轨焊接机，西南交通大学焊接 研究所改进a m s 5 0 6 0 型、自行设计生产的u n 5 1 5 0 等，典型的直流焊机 有瑞士s c h l a t t e r 公司g a a s 8 0 巧8 0 、g a a s s 0 7 0 0 固定式钢轨闪光焊机 【1 - 2 】【3 1 - 3 4 1 p 6 1 1 3 8 1 1 4 5 1 1 拈 1 5 0 - 5 8 1 1 6 2 1 。固定式焊机体积较大，主要用于厂焊场合，而 移动式焊机可用于厂焊、基地焊和现场移动焊接。交流焊机特别是移动式 交流焊机体积较小，重量较轻，现场焊接采用交流焊机。 现有的直流焊机，如删8 0 临8 0 ，其特征是采用了比较先进的焊接 控制器s w e p 0 6 和p l c 作为控制核心，s w e p 0 6 由美国摩托罗拉公司产 m c 6 8 h c 0 9 八位m c u 、数据存储器6 1 1 6 、程序存储器2 7 c 6 4 、a d 采样 芯片a d c 0 8 0 4 以及其他外围电路构成三路数字化移相器，并采用由l m 3 2 4 构成的模拟调节器调节系统动态参数，以模拟调节器输出控制数字化移相 器的移相角，从而控制三路主调压双向可控硅的移相角，进而控制焊接变 压器次级不控整流桥的输出功率，达到控制焊接过程和焊接质量的目的， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 也就是说，s w e p 0 6 是模拟调节、m c u 数字移相触发的控制器，并可以对 焊接参数进行记录存储和传输【档l 。 而现有的交流焊机，其控制线路有多种，乌克兰巴顿所的k1 9 0 r lk ( 固 定式) 以及美国前期生产的k 3 5 5 h ，采用的是凸轮式控制器控制大型交流 接触器组，切换自耦变压器绕组实现焊接电压的高、低转换，以满足焊接 工艺电压调整要求。巴顿所的k9 0 0 、k 9 2 1 、k 9 2 2 、k1 0 0 0 和中国南车 集团上海铁路局戚墅堰机车车辆工艺研究所仿k9 0 0 等机型采用的方式基 本相同，即均为由l m 3 2 4 构成的模拟p l 调节器对焊接参数进行调节，其 模拟调节输出信号输出到由c d 4 0 0 0 系列c m o s 中规模集成电路构成的数 字化锯齿波移相电路，变成双向可控硅的移相角，经过脉冲变压器输出脉 冲列触发双向主可控硅，从而调节焊接工艺参数，达到控制焊接过程的目 的，而焊接参数的记录和存储，采用a _ b 公司或西门子公司的p l c 以及工 控p c 机实现。美国后期生产的k 3 5 5 h 采用p l c 控制大型接触器组切换自 耦变压器高低压绕组，实现焊接工艺自动调整。西南交通大学焊接研究所 改进a m s 5 0 6 0 型、自行设计生产的u n 5 1 5 0 、u n 5 2 0 0 等控制模式为 l m 3 2 4 构成的模拟比例调节器，输出模拟调节量至t c a 7 8 5 构成的模拟移 相触发电路，并通过脉冲变压器输出移相触发脉冲，控制双向主可控硅移 相角，实现对焊接工艺的调整，属于模拟式调节装置。瑞士s c h l a t t e r 公司 a m s - - 5 0 6 0 闪光焊机采用的控胄4 核心为s w e p 0 6 ，工作模式与g a a s s 0 5 8 0 基本相同，唯一不同的是此时s w e p 0 6 控制的双向主可控硅数量为1 组，且次级输出为交流【1 - z l 3 1 钏【蚓脚】f 4 5 一蜉】【5 8 l 【6 2 1 。由于闪光焊机主回路的结 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 构和供电模式决定了闪光焊接头的质量是否良好，以及系统是否节能，故 有必要对此进行详细分析。 乌克兰巴顿所的k1 9 0 1 7k 固定式交流焊机，以及h o l l a n d 公司 k 3 5 5 h 移动式交流焊机用于厂焊和工地焊场合，电压调整采用大型交流接 触器切换自耦变压器高低压绕组，如图2 1 所示，并采用凸轮顺序控制， 其输出为纯正弦波，过零时间短，反映到闪光焊接的过程中，可以发现闪 光火花细腻柔和，飞溅较小，对焊接过渡过程有利，但控制模式落后，焊 接工艺调整很不方便，且由于其焊接变压器为两个单相变压器并联，重载 和轻载时c o s 只有0 3 o 3 5 ，而闪平和脉动加热阶段，其c o s 可达 0 9 8 ，负荷变化跟踪特性不好，影响焊接质量。 c 3 l 闪光焊 图2 1 大型接触器高低压切换方案 巴顿所的k9 0 0 全系列、南车集团上海铁路局戚墅堰机车车辆工艺研 究所仿k9 0 0 机型等交流闪光焊机为悬挂式两用交流焊机，可用于厂焊、 基地焊或工地焊接，而k1 0 0 0 系列为固定式焊机，可用于厂焊，其焊机电 源均采用自耦变压器与双向可控硅组合调压的方式，向两个并联的焊接变 压器供电，如图2 2 所示。此种方案可实现快速跟踪负荷变化，并且可在 较大范围内调整焊接规范，但这种方式在高低压转换的低压阶段，双向可 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 控硅的移相角很大，产生的高次谐波分量也很大，同时由于移相角很大， 焊接电流过零时间变长，焊接接头生成的液相桥加热不连续时间变长并且 变得不稳定，使得产生接头灰斑的可能性大大增加了。 冈先，卑 图2 2 双向可控硅交流调压方案1 s e h l a t t e r 公司a m s 一5 0 6 0 焊机为悬挂式交流焊机，主要用于移动式 焊接，亦可用于厂焊、基地焊，其焊机电源均采用双向可控硅直接调压向 两个并联的焊接变压器供电，如图2 - _ 3 所示。此种方案结构比较简单，亦 可快速跟踪负荷变化，但低压调整范围比图2 _ _ 2 要大一些，而这种方式在 高低压转换的低压阶段，双向可控硅的移相角比图2 2 更大，由于双向可 控硅输出没有自耦变压器的部分绕组作为平波电抗，故产生的高次谐波分 量比图 t 更大，同时由于移相角很大，焊接电流过零时间交长，焊接接 头生成的液相桥加热不连续时问变长并且变得不稳定，使得产生接头灰斑 的可能性大大增加，由于其焊接变压器为两个单相变压器并联，重载和轻 载时c o s 也只有0 3 - - o 3 5 ，而闪平和脉动加热阶段，其c o s 可达0 9 8 ， 也对闪光焊接稳定性不利。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 c 3 8 焊接麦压器 闪光岸 图2 3 双向可控硅交流调压方案2 西南交通大学焊接研究所改进的k1 9 0 型焊机、改进的a m s 5 0 6 0 焊机 以及白行设计生产的u n 5 1 5 0 悬挂式移动焊机，均采用了图2 4 的调节 方式，此方案调整范围比以上三种方案都大，而且由于高低压双向可控硅 分别设置，分别控制各自的绕组，故无论高压调压还是低压调压，其移相 角都可相对较小，因此高次谐波分量无论在高压阶段还是低压阶段都相对 较小，焊接电流波形也相对较好，但付出的代价是多使用了一组大功率双 向主可控硅组，控制系统也相对复杂，重载和轻载时c o s 仍然只有0 3 - - - 0 3 5 ，而闪平和脉动加热阶段，其c o s * 可达0 9 8 ，也不利于闪光焊接 的稳定性提高。 髑竞并 图2 4 双向可控硅交流调压方案3 上述四种主回路方案中，除了图1 的谐波分量比较小( 大约5 左右) ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 其余三种谐波分量可达7 9 分一2 5 ，并且谐波分量在焊接过程中快速变化， 波形畸变严重。上图2 2 、2 3 、2 - _ 4 方案在使用脉动闪光焊工艺、系统 稳定、参数调整得当的前提下，焊接接头合格率为9 5 左右【1 - 2 1 1 3 2 - 3 s 。 在我国铁路建设工程局或钢轨焊接工厂中，厂焊主要采用的是乌克兰 巴顿所生产的k1 9 0 1 7k 、k1 0 0 0 交流焊机、瑞士s c h l a t t e r 公司生产的 g a a s 8 0 系列直流焊机，也有一些工程局将乌克兰巴顿所生产的k9 0 0 、k 9 2 2 或瑞士s c h l a t t e r 公司生产的a m s 5 0 6 0 系列移动式交流焊机用于厂焊 场合，以期获得设备运行的最佳利用率。而对于现场焊场合，则普遍采用 乌克兰巴顿所生产的k9 0 0 、k9 2 2 、美国h o l l a n d 公司生产的k 3 5 5 h 、瑞 士s c h l a t t e r 公司生产的a m s 5 0 6 0 、南车集团襄樊内燃机车厂x p h 6 0 2 1 0 集装箱式移动钢轨焊接机或南车集团上海戚墅堰机车车辆工艺研究所仿制 的k9 0 0 系列悬挂式交流焊机，以达到机动灵活作业、焊接质量稳定可靠 的目的。 2 2 焊接电压、电流稳定性和无功功率对接头质量的影响 现有交流闪光焊机，使用时根据生产环境不同，其系统各具特色。由 于所有交流钢轨闪光焊机均采用单相电供给焊机主回路，为了减轻三相负 荷不均衡现象，故用于厂焊的交流焊机，一般每套焊机都配有一台单相变 压器，专门向闪光焊机单独供电，如图2 5 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 c3 p 1 l y 5o z 高压单| i ，、 7 j 上 气 气 - t 5 t 体1 4 1 。 l e v 焊机短路阻抗对闪光烧化的稳定性有重大影响，当焊机短路阻抗降低 时，烧化的稳定性会有很大提高，这个结论可以从公式2 6 得出，当j 或 者斤变小的时候，此时譬是增大的，而且允许电流波动范围也相应变大了， 讲 提高焊接电压也具有同样的效果，但是在高压激发闪光以后如果维持焊接 西南交通大学硕士研究生学位论文第顽 电压不变，则会减弱零件往深处的加热。此外，过分提高焊接电压，可能 造成闪光中断，这就是程控降压闪光焊接工艺的基本思路，采用高压激发 闪光，低压维持烧化，可以将激发闪光需要的高压和烧化深入需要的低压 有效地结合起来，达到提高工效和焊接质量、节约能源的目的。 从公式2 6 也可看出，当焊机短路阻抗z 变小，若电阻r 不变而短路 感抗x 变小时，烧化和闪光的稳定性也会变得更好，这里的短路阻抗z 是 焊接变压器一次侧及高压侧供电回路折合到二次侧的短路阻抗，因此，如 果能够降低焊接变压器一次侧和高压侧供电回路的短路感抗，也可以有效 地提高焊接过程的稳定性。 稳定的供电电压，有利于降低系统对液压系统动态特性和可控硅调压 动态特性的要求。这是因为当供电电压变化时，焊机输入功率随之变化， 由于钢轨闪光焊机是一个电流和功率闭环自动调节系统，故系统会根据电 压变化调节双向可控硅组的移相角来稳定焊接电压，根据电流的变化调整 脉冲闪光焊钢轨的送进速度，使得钢轨焊接端面的输入功率基本保持设定 值不变，这个调节过程是需要一定时间的，一般电压调节为2 3 个电源周 期，约4 0 m s - - - 6 0 m s ，而液压系统调节电流的周期最快为2 0 0 m s 左右，这就 要求系统具有良好的调节跟随性，而由于焊机控制模式和机械结构的限制， 很难在现有基础上再提高闪光焊机系统的调节动态特性，此时如果闪光焊 参数还发生变化，将在一定程度上影响闪光焊的稳定性。因而供电电压变 化时，闪光焊过渡过程会延长，使得闪光焊稳定性变差，影响钢轨焊接质 量。若能保持供电电源的输出电压与输出功率不发生大的波动，则系统只 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 需要补偿闪光焊接本身参数变化而引起的焊接输入功率变化，闪光稳定性 将大大提高，对系统动态特性的要求也可相应降低，这将可以在现有钢轨 闪光焊机的结构基础上有效地提高闪光焊接接头质量1 7 1 。 ( 2 ) 供电系统无功功率对焊接质量的影响 电力系统的无功功率来自于系统内部的电场和磁场，用来在电气设备 中建立和维持磁场，完成电磁能量的相互转换，不对外做功，为系统提供 电压支撑，在供电电源和负荷之间提供电压降落所需的电势能，无功功率 既不直接作为实际消耗之功，也不直接影响钢轨闪光焊接头质量，但无功 功率的交换和流动将引起钢轨闪光焊供电、输电以及电能一热能转换装置 上的电压降落和电能损耗。 无功功率是交流电力设计和运行的一个重要参数，钢轨闪光焊系统不 仅从供电系统吸收有功功率，同时也要吸收无功功率，以产生维持焊接变 压器、交流鼠笼式异步电动机等电感性负载所必需的交变磁场。无功功率 不是无用功率，它能为能量的交换、输送、转换创造必要的条件，但是大 量无功功率流入设备时，会引起有功损耗，造成电压降落，影响供电电能 质量，并对发电、供电和配电三方都产生不良影响。 钢轨闪光焊接变压器的主要作用是将单相3 8 0 v 交流电变为闪光焊接 所需的5 3 v _ 7 2 v a c 焊接电压，并将供电电源提供的有功功率尽可能多地 传送到钢轨焊接端面上，以达到闪光焊最大焊接功率输出的目的。而为了 实现有功功率的传输和系统无功功率的平衡，一般也需要输送一定量的无 功功率。输送无功功率是需要消耗有功功率的。当闪光焊接消耗有功功率 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 一定时，传输有功功率需要的无功功率越大，则供电电源输电线路一 一变压器变压器二次侧输电线路构成的网络中有功功率损耗也越大， 当该系统传输能力为定值即系统阻抗为常量时，传输的无功功率越小，则 传输有功功率的能力就越大，根据公式2 6 及图2 1 1 可知，当系统传输 的有功功率p 增大时，特别是系统传输的瞬时有功功率p 增大时，石d i p 是 增大的，而且为正值，这将大大有利于闪光稳定性提高和焊接质量的提高。 另外，无功功率对系统供电电压有较大影响。如果供电系统有足够的 备用无功功率，系统的无功电源比较充足，就能满足较高电压质量下无功 功率平衡的需要，系统就会具有较高的运行电压水平，即系统供电的电压 稳定性较好。反之，如果系统供给无功功率不足，则系统只能运行于较低 质量的电压水平，即系统供电的电压稳定性较差，而且，电能在闪光焊机 系统中传输和变换时，需要消耗部分有功功率和无功功率，当无功功率损 耗较大时，将引起系统电压大幅度下降，影响系统运行的稳定性和经济性， 即无功功率增加引起系统供电电压质量变差，有功功率传递减少，高次谐 波分量增加。要保证闪光焊电力系统的供电电压质量，必须首先保证其无 功功率的平衡与合理流动。 2 3 计算机控制技术在钢轨闪光焊接中的作用 数字化控制可以有效地提高系统抗干扰性，简化调试工序，缩短调试 时间，并具有自我诊断、故障自修复和自动记录焊接过程的功能，便于记 录使用情况和追溯焊接历史记录。当代焊接设备以供电高频化、焊接高效 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 化、轻量化、智能化和环保节能为特征快速发展，在现阶段钢轨闪光焊接 设备中，已经普遍采用p l c 和工业控制p c 机，实现了焊接过程的实时测 量、实时控制和实时记录，并可对生产质量进行追溯评估，采用以a t m e g a 系列或者s s t 8 9 c s x 系列单片机构成的交流钢轨闪光焊控制系统，并采用 数字化设定和l c d 人机界面以及数字化信号传感输入与输出，强化抗干扰 性能，并通过串口与上位机通讯和数据传输，取代模拟电路控制，可减少 或消除由于模拟电路参数变化造成的系统参数不稳定而影响焊接质量的因 素，并可以简化系统调试的工作量，实现用中小规模数字集成电路和模拟 电路难以实现的智能控制要求，数字化焊接设备是今后钢轨闪光焊的发展 趋判1 1 1 3 3 - 3 4 1 3 6 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第3 章交流闪光焊机单相电源硬件总体设计 3 1 交流闪光焊机单相电源方案设计与对比 为了降低和消除上述因素给钢轨闪光焊接带来的影响，有必要根据不 同使用场合，选择合适的闪光焊供电模式。对于工厂焊接这种固定式钢轨 交流闪光焊机而言，其负荷性质对于三相系统来说是不对称负荷，由不对 称负荷引起的电网三相电压不平衡和需要的无功功率增大可以采用下列方 式解决： 3 1 1 将不对称负荷分散接到低压三相供电电网的不同相序上，使不对 称负荷合理分配到各相，尽量使其平衡化，以减小集中连接造成的三相不 平衡度超标问题。这种情况在多台点焊机的车间里最为常见，其次在铁路 或公路护栏电阻焊车间也较为常见，其方法是利用时序分配器，使任意一 个电阻焊接过程不同时进行，从而使三相中每一相平均负荷在较长时间段 内是均衡的，而平均无功功率也是均衡的，这样利用车间3 8 0 v 三相低压 无功就地固定补偿或者1 0 k v 三相高压固定无功补偿，可以使车间无功潮 流得到均衡补偿，变压器容量可以得到基本有效的利用，并且三相平均负 荷也满足电力部门提出的要求。但是，这种办法只适合于单相单机负荷较 小而机器数量较多的场合。对于大功率闪光焊机而言，由于一个工厂不可 能拥有上百台大功率交流闪光焊机，所以采用此方法无法适应钢轨焊接工 厂实际情况1 4 】。 3 1 2 将不对称负荷接到更高电压等级的供电系统上供电，使得连接点 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 短路容量足够大【2 “，根据g b 厂r 1 1 5 4 3 1 9 9 5 三相电压允许不平衡度中 附录b 3 2 ，有公式3 一l 表示三相电压不平衡度： 勺- 妻灯0 0 式。一t 式中品为单相负荷容量( k v a ) & 为用电设备公共连接点的三相短路容量，一般取高压进线变压器 标称容量的4 5 倍1 4 】 对于单相负荷，当高压侧短路容量大于5 0 倍低压侧负荷容量，即高压 进线供电容量为单相低压侧用电容量的4 _ - 5 倍时，就能保证高压1 氐压连 接点，即单相高压变压器高压输入点的三相正常电压不平衡度小于2 ，短 时不超过4 ，满足电力系统对电网质量的要求【4 1 1 2 l l ，电力负荷计算都是 以三相对称负荷为基础的，当有单相不对称负荷但容量较小( 不超过三相 对称负荷总容量的1 5 ) 时，可以忽略其不对称性；而当不对称负荷较大 时，则要换算为等效三相负荷 4 1 。对于固定式工厂交流焊接场合，现有的 供电模式采用的就是单相高压变压器供电方式，但是此法也有不少问题。 一般焊轨工厂负荷情况如下：三相负荷及折算为三相负荷的小功率单相负 荷为锯轨机和打磨机3 5 k v a 、暖通空调2 5 k v a 、钢轨矫直机和吊车及灯具 1 1 5 k v a 、液压机械和探伤设备5 5 k v a 、中频正火设备2 5 0 k v a ，共计 4 8 0 k v a ；钢轨闪光焊变压器为大功率单相负荷，功率1 5 0 - - 1 8 0 k v a 。如 果焊轨工厂在使用k1 9 0 hk 或者k1 0 0 0 交流钢轨闪光焊机的情况下，考 虑到三相不对称负荷的存在和三相电压不平衡度 2 的限制，按照上述使 用条件，实际应选用1 5 0 k v a 0 1 5 = 1 0 0 0 k v a 的高压三相供电容量，而考 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 虑到负荷不同时工作的情况且采用三相对称装置时，高压三相用电容量选 用6 3 0 k v a ，可以做到高压供电进线变压器容量充分利用。实际上拥有交 流钢轨焊接设备的焊轨工厂基本上都申请了1 0 0 0 k v a 高压三相供电容量 级别，并没有采用三相对称装置，这种情况造成焊轨工厂三相供电容量浪 费1 0 0 0 k 、a 一6 3 0 i a ，a = 3 7 0 k 、，a ，电力主管部门也不允许，因此焊轨工厂 普遍存在由于三相用电质量不合格而被罚款的问题，并且三相高压变压器 容量大大增加，而且还增加了一台高压单相变压器，供电设备固定投资增 加约2 5 ，且供电损耗增大。另外，焊轨工厂由于使用交流钢轨闪光焊机， 其无功功率损耗很大，焊机主回路低压侧c o s 最低时仅为o 3 0 3 5 ，最 高时可达0 9 8 ，此时高压侧这一相的c o s 中也是随之波动的，这给高压侧 无功功率集中补偿带来了不少麻烦，一般焊轨工厂采用高压侧固定式集中 补偿的方式解决无功功率偏低的问题，但由于高压侧其它两相无功功率变 化幅度没有这么大，无功负荷比较均衡，同时电力主管部门不允许无功功 率倒送回电网，故为闪光焊机供电的这两相高压侧补偿的无功功率只能取 得比较低的水平，这又造成了高压侧三相c o s 不均衡和低下，电力部门 不允许这种情况发生。因此，在无法解决这些问题的情况下，电力主管部 门采取了按照三相电压、功率因数不平衡度和功率因数分级收费的办法， 这不仅不利于工厂经济效益的提高，而且也不利于高压电网供电质量的提 高。采用低压单相快速动态补偿装置对交流闪光焊机进行补偿，虽然可以 解决高压侧c o s 不均衡的问题，但无法平衡三相负荷。由于现在的焊轨 工厂要求所采用的交流闪光焊机除了可以作为固定式闪光焊接以外，还可 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 用于基地焊接和现场焊接场合，以达到设备利用率最高的目的。现有的焊 轨单位正在逐步减少固定式交流钢轨闪光焊机，增加移动式交流钢轨闪光 焊机，而采用单相高压变压器和单相动态补偿装置，并不能很好地满足这 类设备使用灵活性要求【2 1 - 2 4 1 1 2 6 - 3 0 。 3 1 3 采用三相对称装置，解决低压供电回路三相负荷不平衡和功率因 数低下且剧烈变化的问题。乌克兰巴顿所2 0 0 5 年钢轨焊接设备中简要介绍 了一种三相对称装置，能够同时很好解决这两个问题，其系统简图如图3 一l 所示： b c 楞料圈一 拿7 丙。忑寻蒂l 一 l i 曲 l；嗍j 。 做l l p c1 i p c2 一 p l 图3 1 焊接变压器通过平衡装置与三相电源连接的电路图 焊机通过无功单元模块与三相电源连接。无功单元通过可控硅接触器 连接到相应相位，接触器受专用模块控制，选择无功单元参数及其开关的 自动调节，得到电源三相均衡的电流负荷。由于每相电流减小3 倍，功率 因数提高到0 9 5 ，保护电源不受高次谐波的损害。其原理是利用主电路的 特殊结构和连接方式，通过控制可控硅接触器单元，使主回路工作于l c 准谐振校正模式嗍，改变三相电源中的功率流向，使原三相中负荷最重的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 那一相功率与c o s 均衡地分配至负荷较轻的其余两相，同时动态修正三 相c o s m ，使三相c o s 均上升至0 9 5 以上，三相不平衡度降低至2 以 下，满足焊接工况及国标要求。 从样本上的主要焊接参数和电源各相电流图可以看到，这种低压三相 对称装置确实可以很好平衡低压各相电流，而且焊接电流波形比较平稳， 并且可以减少焊接时高次谐波的产生，在焊接需要短时输出大电流和高功 率时，回路中的储能元件可以在控制单元的控制下向闪光焊接变压器提供 其存储的能量，等效于焊接回路动态短路阻抗减小，筹在供电系统总视在 功率不变、总短路电阻不变的情况下是可以增大的。但是这种三相对称装 置工作于准谐振校正模式，故其控制系统及控制模式都极其复杂，主回路 也比一般的补偿装置复杂得多，而且该装置无法消除由于主双向可控硅调 压组移相切波造成的交流焊接电流过零时间变长而引起的闪光稳定性降 低，同时由于交流闪光焊机系统c o s 中很低，无功功率相当大，故此装置 内部回路无论无功功率还是无功电流都十分巨大，电磁场干扰冲击很大， 对元器件选择和系统设计均提出了很高的要求，导致此类装置价格昂贵。 对于厂焊场合，选择此种方案，可不用高压单相变压器对闪光焊机单 独供电，使工厂固定式焊接具有更好的适应性，而对采用移动式钢轨交流 闪光焊设备，选用此方案，既可用于厂焊场合，也可用于基地焊场合，还 可用于现场焊接场合，避免了系统重复投资。在固定式焊接场合，可在三 相低压供电线路不平衡负荷产生处消除三相负荷不均衡及c o s 不平衡的 现象，使高压进线端三相无功功率补偿得以简化，三相负荷及功率因数也 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 得到平衡，并可使高压供电端三相不平衡度降低至2 以下，从根本上消除 因用户用电质量不佳而产生的电力罚款原因。同时也满足了焊轨工厂对设 备提出的多用途要求。由于此装置不仅可以提供钢轨交流闪光焊所需要的 无功功率以及平衡三相无功潮流，而且还具有一定的消除低压供电高次谐 波的作用和良好的交流稳压作用，因此除了有效节能以外，还会在一定程 度上提高钢轨焊接质量。 对于基地钢轨交流闪光焊而言，由于钢轨闪光焊接设备的轻便性和适 用性处于首要位置，因此情况与固定式工厂钢轨交流闪光焊接有所不同， 现有施工条件下临时挂低压三相农网供电不能得到很好的用电效率，而且 无法使用高压供电，故推荐采用上述三相对称装置，以一年中工作时间2 9 2 0 小时、系统耗电功率为2 8 0 k w 计算，全年可节电( 6 3 0 k w - - 2 8 0 k w ) 2 9 2 0 h = 1 0 2 2 0 0 0 k w h ，以工业用电价格0 5 4 元傲w h 计，全年可节约电 费1 0 2 2 0 0 0 k w h x 0 5 4 元= 5 5 1 8 8 万元，同时可选挂2 8 0 k v a 低压三相 变压器，可大大降低对农网供电容量的要求，减轻对农网供电系统的冲击， 并使变压器中性线电流下降较多，降低变压器发热，使变压器绝缘寿命和 使用寿命延长，同时从根本上消除由于用户用电质量不佳而产生的电力罚 款原因，由于此装置不仅可以提供钢轨交流闪光焊所需要的无功功率以及 平衡三相无功潮流，还能在一定程度上减轻低压供电高次谐波对闪光焊接 质量的影响，并且具有良好的交流稳压作用，因此，除了能够有效节能外， 还可以在相当程度上提高钢轨焊接质量，并且可以有效减少设备投资。 对于现场工地钢轨交流闪光焊而言，因为现有供电电源是柴油发电机 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 组，其动力来源是柴油机，所以有两种方案可以选择，其一为使用三相无 刷交流同步发电机供电，同时采用三相对称装置；其二为直接采用单相无 刷交流同步发电机供电，两种方式各有特色。 采用三相发电机+ 三相对称装置时，可以不改动现有柴油发电机组的供 电方式，直接加装一套三相对称装置即可完成设备的改造，改造快捷方便， 改造工期短，设备使用灵活，工地焊场合下，原来使用的4 0 0 k w 三相柴油 发电机组不变，直接在原来供电系统上外加三相对称装置，可将闪光焊机 用电需求功率由4 0 0 k w 降低至2 8 0 k w 左右，此时还可将柴油发电机组所 用的7 6 0 k v a 三相同步发电机更改为2 8 0 k v a 三相同步发电机，而不会引 起焊接变压器二次侧折合短路阻抗z 的上升。按照4 0 0 k w 柴油机全寿命 周期平均油耗为2 7 0 9 k w h ( o 0 0 0 2 7 t k w h ) ，全年平均工作时间2 6 4 0 h ( 每月工作2 2 0 小时，每年工作1 2 个月) 计算，全年0 号柴油油耗下降可 达( 4 0 0 - - 2 8 0 ) k w x 2 6 4 0 h x 0 0 0 0 2 7 侧h = 8 5 5 3 6 t ，以0 号柴油5 0 8 元l 【g 计( 2 0 0 6 年8 月市场批发价格) ，全年可节约油耗费用4 3 4 5 2 2 8 8 万 元，并且由于三相负荷平衡，柴油机工作状况大大改善，缸体磨损量大大 减少，积碳与冒黑烟的现象得到有效遏制，废气中有毒物质排放量亦大大 下降，振动和噪声亦有所下降，现有柴油机瞬时过载的现象完全消除，设 备改造增加的体积较小，装置体积尺寸更改灵活，适应性好【5 - 6 。由于三相 供电平衡，加之该装置有较好的滤波稳压作用，并且不会产生附加的高次 谐波分量，故供电侧高次谐波大大降低，在系统总短路阻抗不变的条件下 其譬增加不少，且为正值，则闪光过程稳定性可大大增加，有效降低灰斑 a 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 生成几率，提高焊接接头质量，在此基础上若将4 0 0 k w 柴油发电机组更换 为2 8 0 k w 柴油发电机组，并缩减三相交流同步发电机的容量，则还可在很 大程度上降低发电机组购置费用。但是，采用三相对称装置方案，最大的 问题就在于系统复杂，价格昂贵，且控制算法极其复杂，需要实时解算大 型行列式，对系统控制实时性要求很高。若能进一步深入研究该系统，则 此种方式对于交流闪光焊接来说，具有相当的优越性【4 9 删。 当采用单相无刷交流同步发电机供电方案时，需对现有系统作一些改 造，即保留4 0 0 k w 柴油机不变，将三相交流同步发电机改为大功率单相无 刷交流同步发电机，大功率单相发电机同轴驱动一台小型三相交流同步发 电机，大功率单相发电机对移动式钢轨闪光焊机的焊接变压器供电，而小 型三相交流同步发电机用于对其他用电设备供电，见图3 - - 2 所示。 阿先岸 鲁藕 0 l 如 纂耗 图3 - 屯单相无刷交流同步发电机供电方案 大功率单相交流发电机功率取为2 0 0 k v a ，小功率三相交流发电机功率取 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 为5 0 k v a ，这样，可以很好保证焊接供电回路总短路阻抗较低，而且两电 源之间没有相互影响的电气连接，也完全消除了三相柴油发电机组负荷不 平衡的现象。同时，在基于对发电机的励磁电流进行调节的基础上，可以 获得优良的纯正弦波焊接电流波形，几乎无谐波，交流过零时间较短，并 且其无功功率小范围内可调，无功损耗而引起的电压闪变几率下降，这可 以在