1、 直缝焊管生产线250kW 固态高频焊机技术方案保 定 四 方 三 伊 电 气 有 限 公 司2015 年 4 月直缝焊管生产线 250kW 固态高频焊机技术方案1目 录一、固态高频焊机技术说明 11新一代串联型固态高频焊机特点 12串联型固态高频焊机型号说明 13串联型固态高频焊机工作原理 13.1 串联型固态高频焊机主电路结构 13.2 串联型固态高频焊机的定角控制技术 24技 术参数 45控制与保护核心技术介绍 56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 61固态高频焊机组成 62固态高频焊机简介 62.1 开关整流柜 62.2 逆变输出柜 62.3 连接光纤 62.4
2、 水 -水冷却系统 .72.5 中央控制台 72.6 机械调整装置 7三、设备使用要求 71使用环境要求 72电网电压要求 73外配水池水质要求 7四、供货清单 8五、供货范围 81供方供货范围 82需方负责提供 8直缝焊管生产线 250kW 固态高频焊机技术方案1一、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固态高频焊机选用德国 IXYS 公司 IXFN38N100Q2 38A/1000V 大功率MOSFET 和 DSEI 261-12B 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
3、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G G P H 固态高频焊接用设计输出频率 （ M H z ）标称功率 （ k W ）C - 串联型 ， B - 并联型3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
4、构如图 1 所示，它是一种典型的 ACDCAC 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。ABC匹配变压器槽路电容 感应器直流滤波逆变控制电路
5、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 1 固态高频焊机电路结构直缝焊管生产线 250kW 固态高频焊机技术方案23.2 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。LrRr
6、CrS1S4S2S3Cd ciHuH00ttuHiHTH图 2 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
7、 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 250kW 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 3 串联谐振逆变器的输出波形当串联谐振逆变器工
8、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
9、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
10、，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 设计参数 标称功率：250kW 额定直流功率：P d=300kW 额定直流电压：U dN=450V 额定直流电流：I dN=670A 电源效率：85% 输出功率：P out250kW 设计频率：f=250300kHz MOSFET 逆变器：60kW5直缝焊管生产线 250kW 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
11、电要求 标称功率：250kW 额定直流功率：P d=300kW 额定功率因数：COS0.9 配电容量：S330kVA 供电电压：三相 380V/50Hz 进线电流：I=540A 进线电缆：每相采用 240mm2 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：0.150.25MPa 内循环水流量：25m 3/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：12m 2 外循环水流量：25m 3/h（用户提供） 外循环水进水温度：35 进水压力：0.20 0.3MPa（约为 2.03kg/cm 2）5控制与保护核心技术介绍固态高频焊机采用最先进
12、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直缝焊管生产线 250kW 固态高频焊机技术方案
13、5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序号 名 称 规 格 型 号 制造商1 线路板 自制 四方三伊2 晶闸管 KP 型 800A/1400V 锦州华晶3 二极管 ZP 型 800A/1400V 锦州华晶4 滤波电容 4700F/450V 日本 H
14、ITACHI5 MOSFET IXFN38N100 38A/1000V 德国 IXYS 公司6 快恢复二极管 DSEI261-12A 60A/1200V 德国 IXYS 公司7 槽路谐振电容 0.66f/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14 PLC S7-200 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1固态高频焊机组成全套固态高频
15、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 250kW 固态高频焊机技术方案62固态高频焊机简介2.1 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
16、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
17、 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 250kW 固态高频焊机技术方案72.6 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1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6mm 2，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
18、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 4951Hz 间） 。3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。防止水水冷却系统的一次水管路结垢，影响热交换能力。 冷却水池最好防杂物进入，防止水水冷却系统的一次水管路堵塞，从而影响热交换效果。 建议对冷却水池配置安装冷却塔，以保证冷却水池即水水冷却系统的一次水温
19、度达到设计要求。 进水压力：0.20 0.3MPa（约为 2.03kg/cm 2） 。直缝焊管生产线 250kW 固态高频焊机技术方案8四、供货清单设备名称 设备组成 /型号 数量开关整流柜 1 台逆变输出柜 1 台中央控制台 1 台连接光纤 1 套机械调整装置 1 台250kW固态高频焊机水水冷却系统 1 台五、供货范围1供方供货范围 第四部分供货清单所列内容。 指导设备安装并负责设备调试。 提供技术培训和操作使用培训。 提供完善的售后服务和永久性技术咨询。 优惠提供设备自制件和备品备件。 设备出口外包装。2需方负责提供 供电变压器、设备间供电动力电缆及控制电缆。 设备冷却水现场安装管道、一次水系统及冷却用软水。 根据供方设备平面布置图及安装尺寸，需方负责电气设备的基础设施，包括紧固架、预埋件、垫铁等安装材料。 安装调试用工具和生产及维修用工具。 需方负责设备现场吊卸及设备安装和安装调整。 设备海运及运输保险。直缝焊管生产线 250kW 固态高频焊机技术方案9
