1、 直縫焊管生產線1000kW固態高頻焊機技術方案保定四方三伊電氣有限公司2015年4月目 錄一、固態高頻焊機技術說明11新一代串聯型固態高頻焊機特點12串聯型固態高頻焊機型號說明13串聯型固態高頻焊機工作原理13.1 串聯型固態高頻焊機主電路結構13.2 串聯型固態高頻焊機的定角控制技術24技術參數45控制與保護核心技術介紹56固態高頻焊機主要元器件清單5二、固態高頻焊機組成及簡介61固態高頻焊機組成62固態高頻焊機簡介62.1 開關整流柜62.2 逆變輸出柜62.3 連接光纖62.4 水-水冷卻系統72.5 中央控制臺72.6 機械調整裝置7三、設備使用要求71使用環境要求72電網電壓要求7

2、3外配水池水質要求8四、供貨清單8五、供貨范圍81供方供貨范圍82需方負責提供8一、固態高頻焊機技術說明1新一代串聯型固態高頻焊機特點固態高頻焊機選用德國IXYS公司IXFN38N100Q2 38A/1000V大功率MOSFET和DSEI 2×61-12B 60A/1200V快恢復二極管組成串聯型逆變電路。固態高頻焊機采用模塊化設計，結構更加緊湊，維護更趨簡便，更易實現大功率化。具有獨特的分橋過流保護技術，保證固態高頻焊機使用的安全性。融合了國際上同類產品先進的控制理念，采用定角鎖相控制、上/下限頻率失鎖保護等先進控制技術，使設備運行更加穩定、效率更高，對焊管生產中的感應器短路及開路

3、故障的保護更加準確有效。固態高頻焊機的進線端不需要升壓/降壓整流變壓器，與電子管焊機或并聯型焊機相比，具有明顯的節能效果（與電子管焊機相比，在同等焊接條件下，節電30%）。2串聯型固態高頻焊機型號說明3串聯型固態高頻焊機工作原理3.1 串聯型固態高頻焊機主電路結構串聯型固態高頻焊機主電路結構如圖1所示，它是一種典型的ACDCAC變頻結構。整流器采用三相橋式晶閘管相控整流電路，直流側采用電感、電容構成LC濾波器以滿足電壓型逆變器的工作要求。電壓型逆變器采用模塊化并聯結構以拓展電源功率，每個逆變模塊為單相MOSFET橋式電路，各個逆變器模塊通過高頻匹配變壓器和串聯諧振槽路相連。匹配變壓器一方面實現

4、功率的合成和阻抗匹配，另一方面實現負載和電源的電氣隔離。整個高頻焊機結構緊湊、體積小、維修方便、故障率低。為對電壓型逆變器過流故障進行有效、快速保護，本公司采用了獨特的、穩定可靠的過流保護電路，保證了逆變器的安全可靠運行。圖1 固態高頻焊機電路結構3.2 串聯型固態高頻焊機的定角控制技術 串聯型固態高頻焊機的工作原理電壓型諧振逆變器也稱串聯諧振型逆變器，是整個固態高頻電源的最關鍵部分，逆變器模塊的結構及其輸出電壓、電流波形如圖2所示。通過控制MOS管1、3和2、4的交替通斷，串聯諧振型逆變器的輸出電壓uH為近似方波，由于逆變器輸出電壓的頻率處于諧振槽路的諧振頻率附近，此時諧振槽路對逆變器輸出電

5、壓基波具有最小阻抗，對其他高次諧波具有高阻抗，因此負載電流iH近似為正弦波。 圖2 電壓型諧振逆變器電路結構及其輸出波形串聯諧振逆變器的典型工作狀態可分為感性、阻性、容性3種，圖3分別示出了這3種工作狀態的逆變器輸出電壓、電流的試驗波形。當串聯諧振逆變器工作于小感性狀態時（圖3a），逆變器的工作頻率略高于諧振槽路的固有諧振頻率，即負載電流iH滯后于負載電壓uH一個電角度。此時逆變器的換流有以下特點：器件的開通是零電壓（ZVS）、零電流（ZCS），理論上器件的開通損耗為零；器件的關斷是零電壓、非零電流，但由于器件的關斷電流很小，并且是零電壓換流（ZVS），器件關斷損耗也很??；線路雜散電感對逆變器

6、的換流影響不大；換流對MOS的反并聯二極管的反向恢復特性沒有要求，換流時器件承受的浪涌沖擊電壓很小。 （a）小感性狀態 （b）小容性狀態 （c）阻性狀態 圖3 串聯諧振逆變器的輸出波形當串聯諧振逆變器工作于容性狀態時（圖3b），逆變器的工作頻率略低于諧振槽路的固有諧振頻率，即負載電流iH超前于負載電壓uH一個電角度。此時逆變器的換流有以下特點：器件的關斷是零電壓（ZVS）、零電流（ZCS），理論上器件的關斷損耗為零；器件的開通是高電壓、大電流，器件的開通損耗非常大；線路的雜散電感對逆變器的換流影響很大；逆變器換流時，MOS的反并聯二極管的反向恢復電流會在逆變回路中產生強烈的電壓、電流振蕩，換流

7、器件承受很大的浪涌電壓沖擊，嚴重威脅到功率器件的安全運行。當串聯諧振逆變器工作于阻性狀態時（圖3c），逆變器的工作頻率等于諧振槽路的固有諧振頻率，即負載電流iH和負載電壓uH同相位。阻性狀態在理論上是一種最好的換流工作狀態，但實際上由于死區時間、阻容吸收電路的影響，逆變器換流器件的工作狀態并不好，并且負載的波動極容易使逆變器偏離到容性工作狀態，威脅到逆變器的穩定安全運行。從上述分析可知，串聯諧振型逆變器的最佳工作狀態為小感性準諧振狀態。另外，和其他公司的并聯諧振型高頻電源相比，本公司的串聯諧振型高頻電源不僅器件的開關損耗小、電源效率高，而且對諧振槽路的各種故障都有更好的保護性能。4技術參數 設

8、計參數l 標稱功率：1000kWl 額定直流功率：Pd=1200kWl 額定直流電壓：UdN=450Vl 額定直流電流：IdN=2670Al 電源效率：85%l 輸出功率：Pout1000kWl 設計頻率：f=150200kHzl MOSFET逆變器：120kW×10l 槽路輸出形式：無焊接變壓器輸出，次級諧振 配電要求l 標稱功率：1000kWl 額定直流功率：Pd=1200kWl 額定功率因數：COS0.9l 配電容量：S1330kVAl 供電電壓：三相 380V/50Hzl 進線電流：I=2180Al 進線電纜：每相采用3根300mm2銅纜并聯，三相四線制 循環軟水冷卻系統（水

9、水冷卻系統）l 采用水水熱交換器l 內循環水壓力：0.150.25MPau 內循環水流量：100m3/hu 內循環水出水溫度：40u 內循環水回水溫度：45l 熱交換器面積：30m2l 外循環水流量：100m3/h（用戶提供）u 外循環水進水溫度：35u 進水壓力：0.200.3MPa（約為2.03kg/cm2）5控制與保護核心技術介紹固態高頻焊機采用最先進的定角鎖相控制技術，逆變器工作狀態不隨負載槽路的變化而變化，始終保證工作在最佳的小感性準諧振狀態，焊機工作穩定、效率高。固態高頻焊機具有高/低失鎖保護、頻率上/下限保護、逆變過流、槽路過壓等先進的保護功能，對感應器開路、短路、打火等故障的保

10、護更加準確高效，保證了焊機的安全穩定運行。除所有常規保護外，每個逆變橋均采用直流側過流、交流側過流、交流側過壓等多重保護，實現了保護的冗余性，保證了逆變器的安全運行。整流控制電路采用單片機技術成功地解決了自動認相功能，即對三相電源輸入線的相序沒有要求；晶閘管的觸發電路采用全數字等間距觸發，最大限度地降低了非特征諧波，減少了電網污染。 整流控制電路具有軟啟動、軟停止功能，防止在啟動/停止過程中電流電壓上升率太大，引起焊機過壓和過流。采用匹配變壓器實現固態高頻焊機和負載的電氣隔離和負載匹配，整機效率高、匹配調節容易。焊機具有較大的功率余量，負載匹配良好時，設備功率至少允許在110%額定功率下長期運

11、行。采用PLC+觸摸屏構成人機界面控制系統，智能化程度高，操作方便。6固態高頻焊機主要元器件清單序號名 稱規 格 型 號制造商1線路板自制四方三伊2晶閘管KP型 3000A/1400V 錦州華晶3二極管ZP型 3000A/1400V 錦州華晶4濾波電容4700F/450V日本HITACHI5MOSFETIXFN38N100 38A/1000V德國IXYS公司6快恢復二極管DSEI2×61-12A 60A/1200V德國IXYS公司7槽路諧振電容0.65f/500V成都麥克8開關電源15V臺灣明緯9鐵氧體磁芯E型西安三聯10人機界面TPC7062KX昆侖通態11平波電抗四方三伊12保護

12、電抗四方三伊13循環軟水冷卻系統水水冷卻器四方三伊14PLCS7-200型德國西門子15開關、繼電器、交流接觸器LG/富士/施耐德16按鈕、指示燈上海二工二、固態高頻焊機組成及簡介1固態高頻焊機組成全套固態高頻焊機由開關整流柜、逆變輸出柜、連接光纖、水水冷卻系統、中央控制臺、機械調整裝置等部分組成。2固態高頻焊機簡介2.1 開關整流柜將開關柜與整流部分實現一體化設計，除完成開關柜功能外，還具有固態高頻焊機的整流控制功能。l 安裝進線刀開關、進線電流表、電壓表（可切換）和進線電壓指示燈；l 安裝三相全控晶閘管整流橋，實現高頻焊機功率調節。l 安裝平波電抗、平波電容及濾波器，以提高平波系數。2.2

13、 逆變輸出柜逆變輸出柜實現了諧振逆變器和串聯諧振槽路的集成化設計，結構緊湊、效率高。l 逆變部分由MOSFET單相逆變橋并聯組成，單橋功率設計為120kW，逆變橋采用積木式方式完成功率疊加，每塊橋板均設計為由滑道組成的抽屜式結構，方便安裝與維修；l 采用匹配變壓器完成功率合成，采用次級諧振、無焊接變壓器輸出方式，由槽路諧振電容器（低壓）與感應器直接諧振，通過輸出極板實現鋼管焊接所需功率的傳遞。l 采用密封機箱，安裝空調。2.3 連接光纖由開關整流柜到逆變輸出柜的通訊采用光纖連接，保證控制系統不受高頻信號的干擾，以提高設備的可靠性。2.4 水-水冷卻系統水水冷卻系統采用板式換熱器，完成整流開關柜

14、、逆變輸出柜、諧振槽路等發熱部件的冷卻，設計有水溫、液位指示及保護。2.5 中央控制臺實現固態高頻焊機的遠方操作、功率調節、狀態監測及故障診斷功能。l 安裝有由PLC和液晶觸摸屏構成的人機界面系統，方便用戶的現場操作和監控。l 安裝有顯示高頻焊機工作狀態的各種交直流表計和操作按鈕。2.6 機械調整裝置用于逆變輸出柜的安裝及感應器位置調整。三、設備使用要求1使用環境要求l 室內安裝，加熱設備及加熱爐接地良好，接地線顏色必須與控制線有明顯區別，其截面積>6mm2，接地電阻不大于4。l 海拔高度不超過2000米，否則應降低額定值使用。l 周圍環境溫度不超過+40，不低于-5。l 空氣相對濕度不

15、大于85%。l 無劇烈振動，無導電塵埃，無各種腐蝕性氣體及爆炸性氣體。l 安裝傾斜度不大于5度。l 安裝在通風良好場合。2電網電壓要求l 電網電壓應為正弦波，諧波失真不大于5%。l 三相電壓間不平衡度應小于±5%。l 電網輸入電壓為線電壓交流380V，電網電壓持續波動范圍不超過±10%，電網頻率變化不超過±2%（即應在4951Hz間）。3外配水池水質要求外配水池水質即一次水系統水質的好壞直接水水冷卻系統的運行，從而影響設備的可靠性，建議需方外配水池使用自來水供水，具體要求如下：l 水質要求：透明、不混濁、無沉淀物、不結垢。防止水水冷卻系統的一次水管路結垢，影響熱交換能力。l 冷卻水池最好防雜物進入，防止水水冷卻系統的一次水管路堵塞，從而影響熱交換效果。l 建議對冷卻水池配置安裝冷卻塔，以保證冷卻水池即水水冷卻系統的一次水溫度達到設計要求。l 進水壓力：0.200.3MPa（約為2.03kg/cm2）。四、供貨清單設備名稱設備組成/型號數量1000kW固態高頻焊機開關整流柜1臺逆變輸出柜1臺中央控制臺1臺連接光纖1套機械調整裝置1臺水水冷卻系統1臺五、供貨范圍1供方供貨范圍l 第四部分供