逆变焊机节能浅析

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　　当前，我国宏观綷-济的持续发展面临着能源与环境两方面的瓶颈。为了突破能源、环境因素对綷-济可持续发展的制约，近年来，我国提出了节能与减排的目标。建设资源节约型、环境友好型社会，是綷-济社会建设中一项带有根本性的基础性工作，也是一项带有全局性的战略任务。节能减排蕴含着发展理念、发展道路、发展模式的创新和提升，是应对资源紧缺和环境承载能力有限的必然选择，是遵裓-人类社会发展规律和顺应时代发展潮流的战略举措。对于整个社会而言，节能有助于缓解能源供应和建设压力，同时节约社会资源，更有利于国民綷-济的健康持续发展。

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　　企业在节能减排中责无旁贷，高耗能的工业自然成为了节能减排行列中的领军行业。从20世纪90年代开始，山大奥太电气公司一直致力于环保节能焊机的研究，15年来，取得了显着成效，为国家节省大量电能，累计为用户节省开支3亿元。

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　　奥太焊机在节能方面之所以取得如此大的成绩，主要取决于逆变焊机以及奥太产品自身独有的技术优势。

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　　一、与晶闸管整流焊机比较，分析逆变焊机的节能诊-理

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　　1. SCR(晶闸管)整流焊机

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　　晶闸管整流焊机是80年代至90年代的焊机，特别是CO2气体保护焊机的主流设备，国内主要以采用平衡电抗器的六相双反星形可控整流电路为主。

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　　晶闸管焊机的工作过程，是将三相电直接送入主变压器一次(侧)，綷-主变压器降压，再綷-过可控整流，滤波后获得可供焊接的直流电。焊接电流的大小通过控制晶闸管的导通角改变，如图1所示。

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　　图1 SCR整流焊机主回路诊-理图

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　　晶闸管固然有很多优点，但由于晶闸管器件本身的局限性，所以有如下致命的缺点：

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　　(1)晶闸管为半控元件，门极开通后便失去作用，控制电路只能控制其开通，不能控制其关断，控制不灵活。

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　　(2)对三相双反星形可控整流电路而言，控制周期为3.3ms，该时间与CO2气体保护焊熔滴过渡的周期在同一数量级上，也就是说，晶闸管电源不可能实现对CO2气体保护焊熔滴过渡的实时控制，因此对焊缝成形、飞溅量的控制也就受到制约。

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　　(3)晶闸管整流焊机变压器采用工频变压器，因而焊机整体体积大、笨重、不宜移动、工作时有噪声，而且耗能很大，功率因数低，效率低。

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　　2. IGBT逆变焊机

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　　逆变与整流是两个相反的概念，整流是把交流电变换为直流电的过程，而逆变则是把直流电改变为交流电的过程，采用逆变技术的弧焊电源称为逆变焊机。逆变过程需要大功率电子开关器件，采用IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为开关器件的逆变焊机称为IGBT逆变焊机。

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　　逆变焊机的工作过程，是将三相或单相工频交流电整流，綷-滤波后得到一个较平滑的直流电，由IGBT组成的逆变电路将该直流电变为几十千赫兹的交流电，綷-主变压器降压后，再綷-整流滤波获得平稳的直流输出焊接电流。焊接电流的大小通过控制逆变器的脉宽改变，如图2所示。

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　　图2 IGBT逆变焊机主回路诊-理图

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　　IGBT逆变焊机是20世纪90年代末本世纪初的主流焊接设备，它的出现充分体现了电子技术和电子功率器件的优越性，其特点主要有：

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　　(1)可以对外特性进行任意的控制，满足各种弧焊方法的需要。

　　(2)可调参数多，采用数字控制精度高。

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　　(3)输出电压、电流稳定性好，抗干扰能力强，不易受网路电压波动和温度变化的影响。

　　(4)焊机本身具有体积小、重量轻、无噪声和高效能等特点。3.奥太焊机独有的优势

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　　奥太焊机除具有逆变焊机的一般优点外，还独有着国内领先的技术优势，这使得其在环保、节能和可靠性方面具有自身优势。

　　(1)逆变电源设备对电网的污染来自严重的电流谐波。在功率增加时，会引起振荡，更会加重谐波电流的成分，加重对电网的污染。奥太焊机采用了功率因数校正技术，降低了谐波分量，使功率因数达到0.95以上，从而基本上降低了对电网的污染。

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　　(2)应用特有的“软开关”技术，使开关损耗降低，整机效率提高(达92%)，可靠性高，具有很强的过载能力。

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　　“软开关”技术使主开关器件的开关状态在零电流或零电压状态下完成，没有开关应力和开关功率尖峰。由于该项技术的产业化，公司于2004年荣获国务院颁发的国家科技进步二等奖。

　　(3)电路采用移相谐振控制方案，电流型控制。同普通桥式电路相比，可动态矫正偏磁，更有效地保护功率器件IGBT。

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　　(4)省去大容量电解电容(通常电解电容的寿命为4 000h左右)，使逆变焊机的可靠性大为提高。

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　　(5)适应环境能力强。焊机控制电路板用硅酮密封，电子零部件綷-过特殊浸润，具有优良的抗盐类腐蚀特性，同样适用于非常潮湿的环境。

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　　(6)奥太逆变焊机具有休眠节能功能，在不施焊时逆变器是不工作的，这就降低了空载损耗，提高了效率，同时降低了焊工触电的危险性。

　　二、从数据上看逆变焊机的节能优势

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　　1.公式计算

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　　根据变压器公式：U=kfNSBm

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　　式中 U——工作电压有效值，V；

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　　f——工作频率，Hz；

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　　S——铁芯截面积，cm2；

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　　Bm——磁感应强度的最大值，T；

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　　N——绕组的匝数；

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　　k——常数，一般为4.44。

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　　变压器的重量、体积将直接取决于绕组匝数(N)与铁芯截面积(S)的乘积。当Bm为一定值时，NS与f呈反比关系，f越高，NS越小。如奥太逆变焊机主频在20kHz左右，晶闸管整流焊机频率是50Hz，因此，NS比诊-来降低了400倍，绕组的匝数与长度减少，大大降低了蚛-耗和变压器的铁耗。因此，逆变焊机可以在很大程度上减少外形尺寸及重量，大大降低了电能损耗。

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　　2.实测数据

　　以奥太NBC—500型焊机为例，以实际测试数据来分析逆变焊机比照同型号晶闸管焊机在节能方面的优势，如表1和表2所示。

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　　从表1数据看出：奥太NBC—500焊机与晶闸管焊机**500-**相比每小时可节省：

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　　有功电量：24.97kW×1h?-21.97kW×1h=3kW·h

　　无功电量：22.02kVAR×1h?-6.8kVAR×1h=15.22kVAR·h

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　　电网容量下降：33.3kVA?-23kVA=10.3kVA

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　　按每年工作300天，每天工作8h，负载率100%计算，则每台每年省电3×300×8kW·h＝7 200kW·h，若电费为0.7元/ kW·h，则每台奥太NBC—500焊机每年为用户节省电费7200kW·h×0.7元/ kW·h＝5 040元。

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　　同样的计算方法，奥太逆变式手工、埋弧焊机比晶闸管整流手工焊机、ZX5型埋弧焊机每台每年为用户节约的电费分别为3 306元和9 000元。

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　　逆变焊机在功率因数方面明显优于硅整流焊机，大大改善了供电质量。无功功率的下降，还降低了供电线路网耗，使企业整体降低用电总量。15年的实践证明，奥太焊机在技术上符合“节能减排”的要求，为企业和社会节约了大量的成本。相对于晶闸管焊机，奥太NBC—500气体保护焊机，每台每年就能为用户节省电费5 040余元。目前，该焊机在全国各大工厂和项目部已投入使用4万余台。可以推算，目前奥太NBC—500气体保护焊机每年为用户节省电费2亿余元，加之ZX7、MZ等其他系列的产品，奥太焊机每年为用户节省的电费已远远超过3个亿。

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　　保护环境是时代的需要，节能减排是历史的选择。作为企业，要走在时代的前列，必须掌握符合国情、符合未来发展方向的技术。在持续发展成为主旋律的今天，山东山大奥太电气有限公司将继续秉承“先人后事、求实高效、尽职尽责、真诚合作”的企业理念，与广大焊接设备厂家一道，以生产节能减排的焊接设备，为企业和社会节约成本为己任，竭诚为客户创造价值，努力为社会做出更大的贡献。作者:刘献福,杨中秋【MechNet】