150kW固态高频焊机技术方案.doc

直缝焊管生产线直缝焊管生产线 150kW 固态高频焊机固态高频焊机 技术方案技术方案 保保定定四四方方三三伊伊电电气气有有限限公公司司 2015 年年 4 月月 直缝焊管生产线直缝焊管生产线 150kW150kW 固态高频焊机技术方案固态高频焊机技术方案 1 目目 录录 一 固态高频焊机技术说明一 固态高频焊机技术说明 1 1 新一代串联型固态高频焊机特点 1 2 串联型固态高频焊机型号说明 1 3 串联型固态高频焊机工作原理 1 3 1 串联型固态高频焊机主电路结构 1 3 2 串联型固态高频焊机的定角控制技术 2 4 技术参数 4 5 控制与保护核心技术介绍 5 6 固态高频焊机主要元器件清单 5 二 固态高频焊机组成及简介二 固态高频焊机组成及简介 6 1 固态高频焊机组成 6 2 固态高频焊机简介 6 2 1 开关整流柜 6 2 2 逆变输出柜 6 2 3 连接光纤 6 2 4 水 水冷却系统 7 2 5 中央控制台 7 2 6 机械调整装置 7 三 设备使用要求三 设备使用要求 7 1 使用环境要求 7 2 电网电压要求 7 3 外配水池水质要求 7 四 供货清单四 供货清单 8 五 供货范围五 供货范围 8 1 供方供货范围 8 2 需方负责提供 8 直缝焊管生产线直缝焊管生产线 150kW150kW 固态高频焊机技术方案固态高频焊机技术方案 1 一 固态高频焊机技术说明一 固态高频焊机技术说明 1 新一代串联型固态高频焊机特点 新一代串联型固态高频焊机特点 固态高频焊机选用德国 IXYS 公司 IXFN38N100Q2 38A 1000V 大功率 MOSFET 和 DSEI 2 61 12B 60A 1200V 快恢复二极管组成串联型逆变电路 固态高频焊机采用模块化设计 结构更加紧凑 维护更趋简便 更易实现大功率 化 具有独特的分桥过流保护技术 保证固态高频焊机使用的安全性 融合了国际上同类产品先进的控制理念 采用定角锁相控制 上 下限频率失锁保 护等先进控制技术 使设备运行更加稳定 效率更高 对焊管生产中的感应器短路及开 路故障的保护更加准确有效 固态高频焊机的进线端不需要升压 降压整流变压器 与电子管焊机或并联型焊机 相比 具有明显的节能效果 与电子管焊机相比 在同等焊接条件下 节电 30 2 串联型固态高频焊机型号说明 串联型固态高频焊机型号说明 G GP H 固态 高频焊接用 设计输出频率 MHz 标称功率 kW C 串联型 B 并联型 3 串联型固态高频焊机工作原理 串联型固态高频焊机工作原理 3 1 串联型固态高频焊机主电路结构串联型固态高频焊机主电路结构 串联型固态高频焊机主电路结构如图 1 所示 它是一种典型的 AC DC AC 变频结 构 整流器采用三相桥式晶闸管相控整流电路 直流侧采用电感 电容构成 LC 滤波器 以满足电压型逆变器的工作要求 电压型逆变器采用模块化并联结构以拓展电源功率 每个逆变模块为单相 MOSFET 桥式电路 各个逆变器模块通过高频匹配变压器和串联谐 振槽路相连 匹配变压器一方面实现功率的合成和阻抗匹配 另一方面实现负载和电源 的电气隔离 整个高频焊机结构紧凑 体积小 维修方便 故障率低 为对电压型逆变 器过流故障进行有效 快速保护 本公司采用了独特的 稳定可靠的过流保护电路 保 证了逆变器的安全可靠运行 A B C 匹配变压器 槽路电容感应器 直流滤波 逆变控制电路整流控制电路保护电路 三相整流器 过流保护电压型逆变器 图图 1 固态高频焊机电路结构固态高频焊机电路结构 直缝焊管生产线直缝焊管生产线 150kW150kW 固态高频焊机技术方案固态高频焊机技术方案 2 3 2 串联型固态高频焊机的定角控制技术串联型固态高频焊机的定角控制技术 3 2 1 串联型固态高频焊机的工作原理串联型固态高频焊机的工作原理 电压型谐振逆变器也称串联谐振型逆变器 是整个固态高频电源的最关键部分 逆 变器模块的结构及其输出电压 电流波形如图 2 所示 通过控制 MOS 管 1 3 和 2 4 的交替通断 串联谐振型逆变器的输出电压 uH为近似方波 由于逆变器输出电压的频率 处于谐振槽路的谐振频率附近 此时谐振槽路对逆变器输出电压基波具有最小阻抗 对 其他高次谐波具有高阻抗 因此负载电流 iH近似为正弦波 Lr Rr Cr S1 S4 S2 S3 Cdc iH uH 0 0 t t uH iH TH 图图 2 电压型谐振逆变器电路结构及其输出波形电压型谐振逆变器电路结构及其输出波形 串联谐振逆变器的典型工作状态可分为感性 阻性 容性 3 种 图 3 分别示出了这 3 种工作状态的逆变器输出电压 电流的试验波形 当串联谐振逆变器工作于小感性状态时 图 3a 逆变器的工作频率略高于谐振槽 路的固有谐振频率 即负载电流 iH滞后于负载电压 uH一个电角度 此时逆变器的 换流有以下特点 器件的开通是零电压 ZVS 零电流 ZCS 理论上器件的开通损耗为零 器件的关断是零电压 非零电流 但由于器件的关断电流很小 并且是零电压 换流 ZVS 器件关断损耗也很小 线路杂散电感对逆变器的换流影响不大 换流对 MOS 的反并联二极管的反向恢复特性没有要求 换流时器件承受的浪 涌冲击电压很小 直缝焊管生产线直缝焊管生产线 150kW150kW 固态高频焊机技术方案固态高频焊机技术方案 3 a 小感性状态 b 小容性状态 c 阻性状态 图图 3 串联谐振逆变器的输出波形串联谐振逆变器的输出波形 当串联谐振逆变器工作于容性状态时 图 3b 逆变器的工作频率略低于谐振槽路 的固有谐振频率 即负载电流 iH超前于负载电压 uH一个电角度 此时逆变器的换 流有以下特点 器件的关断是零电压 ZVS 零电流 ZCS 理论上器件的关断损耗为零 器件的开通是高电压 大电流 器件的开通损耗非常大 线路的杂散电感对逆变器的换流影响很大 逆变器换流时 MOS 的反并联二极管的反向恢复电流会在逆变回路中产生强 烈的电压 电流振荡 换流器件承受很大的浪涌电压冲击 严重威胁到功率器件的安 全运行 当串联谐振逆变器工作于阻性状态时 图 3c 逆变器的工作频率等于谐振槽路的 固有谐振频率 即负载电流 iH和负载电压 uH同相位 阻性状态在理论上是一种最好的 换流工作状态 但实际上由于死区时间 阻容吸收电路的影响 逆变器换流器件的工作 状态并不好 并且负载的波动极容易使逆变器偏离到容性工作状态 威胁到逆变器的稳 定安全运行 从上述分析可知 串联谐振型逆变器的最佳工作状态为小感性准谐振状态 另外 和其他公司的并联谐振型高频电源相比 本公司的串联谐振型高频电源不仅 器件的开关损耗小 电源效率高 而且对谐振槽路的各种故障都有更好的保护性能 4 技术参数 技术参数 设计参数 标称功率 150kW 额定直流功率 Pd 180kW 额定直流电压 UdN 450V 额定直流电流 IdN 400A 电源效率 85 输出功率 Pout 150kW 设计频率 f 350 400kHz MOSFET 逆变器 60kW 3 直缝焊管生产线直缝焊管生产线 150kW150kW 固态高频焊机技术方案固态高频焊机技术方案 4 槽路输出形式 无焊接变压器输出 次级谐振 配电要求 标称功率 150kW 额定直流功率 Pd 180kW 额定功率因数 COS 0 9 配电容量 S 200kVA 供电电压 三相 380V 50Hz 进线电流 I 330A 进线电缆 每相采用 150mm2铜缆 三相四线制 循环软水冷却系统 水 水冷却系统 采用水 水热交换器 内循环水压力 0 15 0 25MPa 内循环水流量 12 5m3 h 内循环水出水温度 40 内循环水回水温度 45 热交换器面积 7m2 外循环水流量 12 5m3 h 用户提供 外循环水进水温度 35 进水压力 0 20 0 3MPa 约为 2 0 3kg cm2 5 控制与保护核心技术介绍 控制与保护核心技术介绍 固态高频焊机采用最先进的定角锁相控制技术 逆变器工作状态不随负载槽路的 变化而变化 始终保证工作在最佳的小感性准谐振状态 焊机工作稳定 效率高 固态高频焊机具有高 低失锁保护 频率上 下限保护 逆变过流 槽路过压等先进 的保护功能 对感应器开路 短路 打火等故障的保护更加准确高效 保证了焊机的安 全稳定运行 除所有常规保护外 每个逆变桥均采用直流侧过流 交流侧过流 交流侧过压等 多重保护 实现了保护的冗余性 保证了逆变器的安全运行 整流控制电路采用单片机技术成功地解决了自动认相功能 即对三相电源输入线 直缝焊管生产线直缝焊管生产线 150kW150kW 固态高频焊机技术方案固态高频焊机技术方案 5 的相序没有要求 晶闸管的触发电路采用全数字等间距触发 最大限度地降低了非特征 谐波 减少了电网污染 整流控制电路具有软启动 软停止功能 防止在启动 停止过程中电流电压上升率 太大 引起焊机过压和过流 采用匹配变压器实现固态高频焊机和负载的电气隔离和负载匹配 整机效率高 匹配调节容易 焊机具有较大的功率余量 负载匹配良好时 设备功率至少允许在 110 额定功 率下长期运行 采用 PLC 触摸屏构成人机界面控制系统 智能化程度高 操作方便 6 固态高频焊机主要元器件清单 固态高频焊机主要元器件清单 序号序号名名 称称规规 格格 型型 号号制造商制造商 1线路板自制四方三伊 2晶闸管KP 型 400A 1400V 锦州华晶 3二极管ZP 型 400A 1400V 锦州华晶 4滤波电容4700 F 450V日本 HITACHI 5MOSFETIXFN38N100 38A 1000V德国 IXYS 公司 6快恢复二极管 DSEI2 61 12A 60A 1200V 德国 IXYS 公司 7槽路谐振电容0 66 f 500V成都麦克 8开关电源15V台湾明纬 9铁氧体磁芯E 型西安三联 10人机界面TPC7062KX昆仑通态 11平波电抗四方三伊 12保护电抗四方三伊 13循环软水冷却系统水 水冷却器四方三伊 14PLCS7 200 型德国西门子 15 开关 继电器 交流接触 器 LG 富士 施耐德 16按钮 指示灯上海二工 二 固态高频焊机组成及简介二 固态高频焊机组成及简介 1 固态高频焊机组成 固态高频焊机组成 全套固态高频焊机由开关整流柜 逆变输出柜 连接光纤 水 水冷却系统 中央 控制台 机械调整装置等部分组成 直缝焊管生产线直缝焊管生产线 150kW150kW 固态高频焊机技术方案固态高频焊机技术方案 6 2 固态高频焊机简介 固态高频焊机简介 2 1 开关整流柜开关整流柜 将开关柜与整流部分实现一体化设计 除完成开关柜功能外 还具有固态高频焊机 的整流控制功能 安装进线刀开关 进线电流表 电压表 可切换 和进线电压指示灯 安装三相全控晶闸管整流桥 实现高频焊机功率调节 安装平波电抗 平波电容及滤波器 以提高平波系数 2 2 逆变输出柜逆变输出柜 逆变输出柜实现了谐振逆变器和串联谐振槽路的集成化设计 结构紧凑 效率高 逆变部分由 MOSFET 单相逆变桥并联组成 单桥功率设计为 60kW 逆变桥采 用积木式方式完成功率叠加 每块桥板均设计为由滑道组成的抽屉式结构 方 便安装与维修 采用匹配变压器完成功率合成 采用次级谐振 无焊接变压器输出方式 由槽 路谐振电容器 低压 与感应器直接谐振 通过输出极板实现钢管焊接所需功 率的传递 采用密封机箱 安装空调 2 3 连接光纤连接光纤 由开关整流柜到逆变输出柜的通讯采用光纤连接 保证控制系统不受高频信号的干 扰 以提高设备的可靠性 2 4 水水 水冷却系统水冷却系统 水 水冷却系统采用板式换热器 完成整流开关柜 逆变输出柜 谐振槽路等发热 部件的冷却 设计有水温 液位指示及保护 2 5 中央控制台中央控制台 实现固态高频焊机的远方操作 功率调节 状态监测及故障诊断功能 安装有由 PLC 和液晶触摸屏构成的人机界面系统 方便用户的现场操作和监控 安装有显示高频焊机工作状态的各种交直流表计和操作按钮 直缝焊管生产线直缝焊管生产线 150kW150kW 固态高频焊机技术方案固态高频焊机技术方案 7 2 6 机械调整装置机械调整装置 用于逆变输出柜的安装及感应器位置调整 三 设备使用要求三 设备使用要求 1 使用环境要求 使用环境要求 室内安装 加热设备及加热炉接地良好 接地线颜色必须与控制线有明显区别 其截面积 6mm2 接地电阻不大于 4 海拔高度不超过 2000 米 否则应降低额定值使用 周围环境温度不超过 40 不低于 5 空气相对湿度不大于 85 无剧烈振动 无导电尘埃 无各种腐蚀性气体及爆炸性气体 安装倾斜度不大于 5 度 安装在通风良好场合 2 电网电压要求 电网电压要求 电网电压应为正弦波 谐波失真不大于 5 三相电压间不平衡度应小于 5 电网输入电压为线电压交流 380V 电网电压持续波动范围不超过 10 电网 频率变化不超过 2 即应在 49 51Hz 间 3 外配水池水质要求 外配水池水质要求 外配水池水质即一次水系统水质的好坏直接水 水冷却系统的运行 从而影响设备 的可靠性 建议需方外配水池使用自来水供水 具体要求如下 水质要求 透明 不混浊 无沉淀物 不结垢 防止水 水冷