固态高频焊机技术方案

直缝焊管生产线100kW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月目录一、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 (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 (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 (8)五、供货范围 (8)1．供方供货范围 (8)2．需方负责提供 (8)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①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。

②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。

③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。

④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。

⑤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 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匹配变压器感应器过流保护电压型逆变器图1 固态高频焊机电路结构3.2 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u H 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i H 近似为正弦波。

u i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i H 滞后于负载电压u H 一个电角度 。

此时逆变器的换流有以下特点：①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； ②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；③线路杂散电感对逆变器的换流影响不大；④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。

（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i H超前于负载电压u H一个电角度 。

此时逆变器的换流有以下特点：①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；②器件的开通是高电压、大电流，器件的开通损耗非常大；③线路的杂散电感对逆变器的换流影响很大；④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i H和负载电压u H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①设计参数●标称功率：100kW●额定直流功率：P d=120kW●额定直流电压：U dN=450V●额定直流电流：I dN=270A●电源效率：η≥85%●输出功率：P out＞100kW●设计频率：f=400~450kHz●MOSFET逆变器：60kW×2●槽路输出形式：无焊接变压器输出，次级谐振②配电要求●标称功率：100kW●额定直流功率：P d=120kW●额定功率因数：COSφ≥0.9●配电容量：S≥130kVA●供电电压：三相380V/50Hz●进线电流：I=220A●进线电缆：每相采用95mm2铜缆，三相四线制③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：11.7m3/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：≥5m2●外循环水流量：≥11.7m3/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①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。

②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。

③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。

④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谐波，减少了电网污染。

⑤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。

⑥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。

⑦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。

⑧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。

2．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。

2.6 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>6mm2，接地电阻不大于4Ω。

●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。