專利名稱：單相節(jié)能直流電焊機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，有限的資源總是經(jīng)不住人類的長久開采，特別是電力能源難以滿足人類未來的生產(chǎn)生活需求。因此，新的節(jié)能技術(shù)課題擺在我們的面前。
背景技術(shù)：
現(xiàn)就關(guān)于單相節(jié)能直流電焊機(jī)技術(shù)的研究，提出我個人的見解當(dāng)今節(jié)能技術(shù)的領(lǐng)域很多，牽涉的問題不少。目前，我國的單、三相交直流電焊機(jī)功率因數(shù)和效率偏低，而且過載能力和節(jié)能指標(biāo)都欠佳。電力能源永遠(yuǎn)是供不應(yīng)求的商品。雖然有錢可以買到電。但是，公害及浪費，對國家及個人都是不利的。生產(chǎn)就必須談經(jīng)濟(jì)效益，沒有好的經(jīng)濟(jì)效益就談不上進(jìn)步和發(fā)展。
現(xiàn)在，單相電焊機(jī)最普通、最簡單、最經(jīng)濟(jì)、最實用，但節(jié)電(包括三相)就不盡人意，那就是它的功率因數(shù)和效率太低的問題。如何把該項指標(biāo)做上去？我的五項理論和實踐得于顯現(xiàn)一、輸入的功率損耗越小越好要想實現(xiàn)這個理想指標(biāo)，當(dāng)然就不是一個簡單的問題，它不僅要考慮使用性能，還要考慮生產(chǎn)成本。而一臺只要求使用性能，不考慮節(jié)能的電焊機(jī)，制造就太容易了。但要多項指標(biāo)都實現(xiàn)，確實難以做到。在使用性能上說只要焊機(jī)輸出電壓做高一點，引弧就會非常好，對普通金屬焊接也就得心應(yīng)手。但是，電壓略做高，連帶的一次電流也隨之增高，甚至高得使你原有的輸入線路及電表都承受不了，暫載率馬上下降，機(jī)器溫度急劇上升，電耗也就相應(yīng)地增多了。不僅如此，公害還有一大堆。例如當(dāng)一臺單相一次輸入380V/74A，28KVA焊機(jī)工作時，鄰居好好的用電器有時被干擾得無法正常使用，三相網(wǎng)電嚴(yán)重不平衡，相電壓高的超過250V，低的降到150V。根據(jù)上述問題，我深入地研究分析，要克服上述缺點(除另設(shè)供電設(shè)施之外)，就得從功率因數(shù)和效率雙方面入手。
二、圍繞現(xiàn)有的通病問題擬出可行的節(jié)能方案要想獲得更高的功率因數(shù)和效率，則應(yīng)從普通調(diào)感式及交流輸出端串有電抗器的所有交、直流電焊機(jī)說起，它是被迫利用磁阻抗原理設(shè)計，改變主付繞組偶合的程度，或改變二次回路的阻抗，實現(xiàn)調(diào)節(jié)焊接電流大小的目的。因此，上述傳統(tǒng)做法相當(dāng)于大電流回路中串聯(lián)了限流電阻，從而滿足空載引弧電壓及引弧功率。運行中，由于巨大的電勢電流，直接將70V左右的空載電壓迫降于30V左右的負(fù)載，這怎么能達(dá)到有好的節(jié)能效果？無論你用多大的導(dǎo)線、多好的材料、多好的技術(shù)，都是難于達(dá)到的。這只能是單方面解決使用性能。所以，它的漏磁與漏抗現(xiàn)象非常嚴(yán)重。一次電流太大，視在功率也大，之所以功率因數(shù)和效率由此以來長期偏低。在焊接過程中，有時會感到一條電焊條前半節(jié)好焊，后半節(jié)好象功率不足的現(xiàn)象。這又是什么原因呢？這是因為后半節(jié)相當(dāng)于負(fù)載不斷增加，焊機(jī)一次電流也在增加，若在離電源較遠(yuǎn)或?qū)Ь€太細(xì)的場所，這種現(xiàn)象更為突出。此外，常用的交流電焊機(jī)不但不節(jié)能，而且還對電焊條質(zhì)量有“挑吃”現(xiàn)象，鑄鐵焊條、不銹鋼焊條、還有506、507等焊條不易焊接。當(dāng)然，它也有優(yōu)點重量輕，結(jié)構(gòu)簡單等。
單純解決不挑吃現(xiàn)象有可在交流焊機(jī)原理的基礎(chǔ)上增加輸出電壓，加上硅整流器等措施。不過，這一加，更將導(dǎo)致功率因數(shù)和效率火上加油，雪上加霜。這只能是解決使用性能，而達(dá)不到人們所渴望的節(jié)能效果。
其次，還可以利用可控硅整流器調(diào)節(jié)，但可控硅調(diào)節(jié)不等于沒有缺點。比如，可控硅焊機(jī)，有時會受到干擾脈沖的影響，造成失控。再者，線路復(fù)雜，故障現(xiàn)象也會增多，節(jié)能方面也不如普通二極管。例如當(dāng)導(dǎo)通角為90度時，即半波的二分之一白白浪費了電網(wǎng)的原始能量。而采用普通硅整流卻沒有這種現(xiàn)象，它只有低于0.75V左右的死點，總體線路簡單，故障少、成本低、便于維修等優(yōu)點。
有關(guān)發(fā)明方面的初探我采用硅整流電路改變上述現(xiàn)象，通過主變壓器調(diào)節(jié)輸出電壓幅值，實現(xiàn)調(diào)節(jié)電流，達(dá)到充分利用原始能源。從這個意義上說，好象實現(xiàn)了理想。但是，它還不能真正達(dá)到預(yù)想中的使用性能之目的。當(dāng)輸出電壓的降低，引弧會發(fā)生困難。所以，又要考慮供給空載電壓和引弧功率。顯然，也可以另制一只380V/75V左右的電源變壓器，進(jìn)行整流組合，但它不能直接與主整流輸出電路并聯(lián)，還得設(shè)法建立交流電抗器，進(jìn)行限流。由于它的存在，又將降低功率因數(shù)和效率并相對提高生產(chǎn)成本。因而，我用電容器給它限流，再經(jīng)整流顯為經(jīng)濟(jì)。但這種做法仍有缺點①引弧電源變壓器的長期通電，會使電損耗增加。②因電源電壓380V，不利于小功率變壓器的制作。根據(jù)前者弊端，通過反復(fù)思考，多次實踐，終于找到了一項最新方案，即制作簡單、成本低、效果好。
具體實施方案包括附圖
詳見電路原理設(shè)計圖。
我采用主機(jī)改變變比時，有一個負(fù)面電源電壓，這組電源電壓緊跟主輸出電壓成反比的關(guān)系，通過一只小功率電壓補(bǔ)償變壓器的轉(zhuǎn)換，并在主機(jī)上另建一組75V電源，與它的二次側(cè)電位串聯(lián)，再經(jīng)電容器降壓限流，這樣就克服了上述諸多缺點。應(yīng)用它①回避了二次主電路中常見的交流電抗器，影響一次磁阻抗損耗。②可以隨心所欲地設(shè)計出單相或三相節(jié)能直流電焊機(jī)。③電壓補(bǔ)償變壓器最大檔不耗電，其它檔甚微。④電容器滯后90度的作用剛好補(bǔ)償了直流主輸出波形的缺口。而且負(fù)載后的剩余電壓降落在它的二端基本不耗電。(經(jīng)固定負(fù)荷試驗該電容器投入與退出，主輸出直流電流持平，證明補(bǔ)缺口有效。)⑤初引弧從不粘死，電弧穩(wěn)定，功率實足。⑥特高的功率因素和效率得以實現(xiàn)。
其工作原理當(dāng)主輸出電壓及75V引弧電壓下降，補(bǔ)償變壓器電位上升，根據(jù)變比減少多少，補(bǔ)充多少。從原理圖中可以分析， 而 即 我在實踐中取6.75∶1足夠好用。
后經(jīng)30A整流器的組合，送到濾波電抗器一起輸出，這時它的輸出電壓會因電容器的存在，空載電壓又會出現(xiàn)接近 的最大值，于是，我采用一只1W/75K的泄放電阻給予抵消。故我設(shè)計的輸出電壓為75×0.9＝68V的直流電壓。
由于采用了1200Uf/420V電容后，對于感性負(fù)載的主機(jī)，相當(dāng)于增加了電力電容，即改善了引弧效果，又實實在在地為主變壓器創(chuàng)造條件提高功率因數(shù)和效率。這里的電容實際通過的各檔電弧維持電流約20A，而且是用4只300Uf/420V并聯(lián)。這樣，有利于散熱和日后維修降低成本。
三、關(guān)于主變壓器B1的設(shè)計思路主變壓器也是本機(jī)的核心元件，要想功率因數(shù)和效率兩項指標(biāo)有良好的表現(xiàn)，則對每一個環(huán)節(jié)都有方方面面的要求①就鐵芯來說，除了本身的優(yōu)劣，還要考慮磁路越短越好；磁隙越小越好，即磁阻越小越好；但總體要先滿足二個線圈能容得下。②選用高導(dǎo)磁率＞13500高斯的硅鋼片。③選用耐溫玻璃絲包銅線及足夠的橫截面積。④硅鋼片要薄，毛刺盡可能少，疊迭切口方向必須一致，以減少渦流損耗。⑤鐵芯柱的綁扎要緊固，線圈兩端的硅鋼片可用角鋼做夾俱，但靠近鐵芯的一邊要絕緣，另一邊要開通風(fēng)槽，它的好處即可減輕機(jī)器重量，又可減少大電流工作時產(chǎn)生的渦流熱量，獲得一舉多得的效果。⑥夾鋼鑼絲相互之間必須絕緣，以減少渦流發(fā)熱。⑦鐵芯所載功率不可取得太高。根據(jù)多次實驗取110VA/cm2較為理想。⑧盡可能的降低成本，以適應(yīng)用戶的經(jīng)濟(jì)承受能力，讓用戶得到經(jīng)濟(jì)實惠的焊機(jī)。
我采用高偶合，高低壓線圈均勻地分布于二個鐵柱，使其漏磁小，呈顯低阻抗輸出的特性，以使功率因數(shù)能在0.95、效率0.8附近運行。工藝過程中，先繞低壓，拼裝時采取二路并聯(lián)的方法①繞制方便。②回避兩線并繞上下直流電阻的偏差。③匝長最短，便于大電流通過時獲得最小損耗。④散熱均勻，內(nèi)外留足充分空間。⑤供給足夠的導(dǎo)線橫截面積，最大載流量不超過6.25A/mm2。⑥低壓交流輸出由接線板端口調(diào)節(jié)，供給整流電路，從而獲得45V、90V以下的交、直流電源。當(dāng)380V端子輸入220伏電壓時，同樣提供小于 倍的交、直流電源。⑦由高壓繞組改變變比獲得七組主輸出電源電壓，分別為45V、42V、39V、36V、33V、30V和27V(經(jīng)實踐檢驗值)。⑧配合輸出指標(biāo)，150A直流負(fù)載，效率達(dá)0.8，選擇低壓用玻璃絲包扁銅線，輸出用3×8mm2。如果要做得更高，其要素就在于鐵芯的優(yōu)劣、導(dǎo)線截面、二極管正向壓降和每伏匝數(shù)的取準(zhǔn)(取值)息息相關(guān)。
四、技術(shù)指標(biāo)測試分析(一)、主要技術(shù)指標(biāo)及功能如下1.功率因數(shù)≥0.95(380V輸入)COSφ＝W有÷P視2.效率在150A直流負(fù)載≥0.8(注此值用三相四線制3×5A有功電度表實測，并用電爐絲作輸出負(fù)載，待電流電壓穩(wěn)定后計時取值)η＝W出÷W入。
3.空載損耗(最大檔≤0.1KW(包括風(fēng)扇)。
4.空載電流(最大檔)≤2A(包括風(fēng)扇)。
5.額定有功功率10KW。
6.額定容量(11KVA/380V×29A)或(11KVA/220V×50A)。
7.直流輸出空載電壓68V。工作電壓20-40V、電流50-300A，共分七檔。
8.過載能力(暫載率)380V輸入，焊接電流220A內(nèi)100％。最大電流300A。引弧后電弧長度可達(dá)2厘米。
9.高低端對地絕緣>10兆Ω，適應(yīng)環(huán)境相對濕度＜85％、溫度常溫。
10.允許過載運行溫度(線圈)＜100°。
11.高端對低端及對外殼絕緣交流耐壓，分別為4000V和2500V一分鐘通過。
12.A、電源電壓380V/220V兩用(50HZ單相)。B、輸出交流電源(45V/110A)×2或(90V/110A)，適用于低壓烘干電力設(shè)備等。C、直流輸出適用電焊、發(fā)電機(jī)勵磁、充電等。D、它們的輸出電壓、電流均可調(diào)節(jié)。E、380V端子送入220V電源，可獲得減 倍的低壓交、直流電源。
13.散熱方式，內(nèi)設(shè)強(qiáng)制風(fēng)冷。本機(jī)質(zhì)量100kg。
14.適應(yīng)各種帶藥皮的電焊條，φ2-4mm。
以上主要節(jié)能技術(shù)指標(biāo)與普通交、直流電焊機(jī)相比，有新的重大突破，填補(bǔ)一項國內(nèi)空白，現(xiàn)已制出樣機(jī)，可供檢測。
(二)、效率和功率因數(shù)在150A負(fù)載的實測1.在第七檔用電爐絲作直流輸出固定負(fù)載，待電爐絲燒紅后一分鐘內(nèi)計完全部讀數(shù)。電度表用3×5A(20A)有功新型表，即電力公司安裝的用戶表，每KW時＝200轉(zhuǎn)。
2.交流輸入測得V1＝390伏I1＝20.5安P1＝390×20.5＝7.995KVA(包括風(fēng)扇)3.直流輸出測得V2＝39伏I2＝152安W2＝39×152＝5.928KW4.總輸入有功測得
20轉(zhuǎn)耗時＝47.59秒得 5.機(jī)耗有功(包括風(fēng)扇)W機(jī)內(nèi)＝7.565-5.928＝1.637KW6.效率η=W2W1=5.9287.565=0.784]]>減風(fēng)扇≈0.87.功率因數(shù) (包括風(fēng)扇)(三)負(fù)載220安的實測(本段電流以內(nèi)，負(fù)載持續(xù)率100％)1.交流輸入測得V1＝384伏I1＝29.5安P1＝384×29.5＝11.328KVA(包括風(fēng)扇)2.直流輸出測得V2＝36伏I2＝218安W2＝36×218＝7.848KW3.總輸入有功測得20轉(zhuǎn)耗時＝33.85秒，得 4.機(jī)耗有功＝10.635-7.848＝2.787KW(包括風(fēng)扇)5.效率η=7.84810.635=0.738]]>減風(fēng)扇≈0.746.功率因數(shù)COSφ=10.63511.328≈0.94]]>(包括風(fēng)扇)以上測試結(jié)果與設(shè)計指標(biāo)基本相符。
(四)負(fù)載短路試驗室溫20℃利用最大檔(7)，直流輸出短路，電風(fēng)扇另接電源。V1＝52伏，I1＝27A，V2＝0，I2＝230A(直流)連續(xù)1小時10分，主機(jī)線圈溫升約40℃。
(五)實踐對比
在一次實踐活動中，存用一臺某廠生產(chǎn)的單相交流電焊機(jī)，與本機(jī)作電耗對比，其條件是完全相同的電源位置、普通焊條、焊工、焊件、焊接電流均調(diào)在交、直流150A附近，各自連焊14條(φ3.2mm)，交流機(jī)耗電1.56度，而本機(jī)只耗電1.04度，可見，相對節(jié)電33％。
五、經(jīng)濟(jì)效益、效率技術(shù)分析目前，我國電焊機(jī)節(jié)能技術(shù)仍處于低調(diào)運行的格局，在所有電氣設(shè)備當(dāng)中相對比，現(xiàn)只有電損耗它第一，若繼續(xù)使用老技術(shù)，將給國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來不利的影響，電力能源始終是供不應(yīng)求的商品，不知不覺的浪費，幾十年也就過去了。
由于傳統(tǒng)技術(shù)的做法，使我國的單、三相電焊機(jī)，功率因數(shù)和效率緋徊不前，只做到使用性能，致于節(jié)能幾乎勿略。真如我前述中提到的一些現(xiàn)象事實不無道理。過去，我也制作過許多電焊機(jī)，面對功率因數(shù)和效率的低下，確實也是無法應(yīng)對，并非視而不見。要想兩項指標(biāo)做上去，實在費盡心思，看起來容易，想出來挺難?，F(xiàn)在我覺得一個企業(yè)要發(fā)展、要生存，必須講究經(jīng)濟(jì)效益和公共利益，只有依靠科技的進(jìn)步，才能創(chuàng)造和諧的社會。
現(xiàn)為進(jìn)一步直觀考核老技術(shù)與新技術(shù)之間的容量利用率，作為綜合指標(biāo)進(jìn)行對比分析，該項指標(biāo)就是包含了功率因數(shù)和效率。所以(一)、原W1÷P1現(xiàn)用W2÷P11.本機(jī)152A輸出實測數(shù)P1＝7.995KVAW1＝7.565KWW2＝5.928KWCOSΦ1＝0.95 2.本機(jī)218A輸出實測數(shù)P1＝11.328KVAW1＝10.635KWW2＝7.848KW
COSΦ1＝0.94 (二)根據(jù)上述數(shù)據(jù)參考值與下列老技術(shù)單、三相交直流電焊機(jī)作一比較A、取原有老技術(shù)制作的單相直流電焊機(jī)給予作固定負(fù)荷試驗1.交流輸入測得V1＝380VI1＝48AP1＝380V×48A＝18.24KVA2.直流輸出測得V2＝41VI2＝170AW2＝41V×170A＝6.97KW空載電壓75V 即38.2％3.空載至負(fù)載端電壓壓降差410-380＝30V，可見此線損耗是驚人的，因為線路中的電阻接近純電阻狀態(tài)。因此，根據(jù)歐姆定律R=VI=3048=0.625Ω,]]>線損W=V2R=9000.625=1.44KW,]]>占W2的1.446.97=0.207]]>即20.7％。
B、取上海某廠生產(chǎn)的三相可控硅直流電焊機(jī)銘牌值為V線＝380VI線＝33AP1=380V×33A×3=21.72KVA]]>V2＝32VI2＝300AW2＝32V×300A＝9.6KW空載電壓70V 即44.2％C、取上海某廠生產(chǎn)的單相交流電焊機(jī)銘牌值為V1＝380V I1＝49A P1＝380V×49A＝18.62KVAV2＝30VI2＝250AW2＝30V×250A＝7.5KW 即40.3％前者A、B、C三項與本機(jī)相比
取本機(jī)(一)、1.2.兩項 相對多利用值為(采用新技術(shù)后即可提升百分值)比較A=0.7175-0.3820.382=87.8%]]>比較B=0.7175-0.4420.442=62.3%]]>比較C=0.7175-0.4030.403=78%]]>制作A項焊機(jī)用的硅鋼片及尺寸截面是完全一致，同期制作的鐵芯。為解決使用性能特設(shè)空載電壓75V，其結(jié)果絕然不同，差距驚人。所以，老技術(shù)只考慮使用性能，引弧電壓做得越高，容量利用率就越低。而利用新技術(shù)，空載電壓做得越高，有功功率輸出就越大。因此，根據(jù)說明書中指出的我國電焊機(jī)功率因數(shù)和效率偏低、過載能力及節(jié)能指標(biāo)欠佳一點也不過分。
應(yīng)用該項技術(shù)，將給國民經(jīng)濟(jì)帶來深遠(yuǎn)的影響，并能實實在在地為電力行業(yè)及用戶帶來間接和直接的經(jīng)濟(jì)效益，以及提高電網(wǎng)運行效率。
權(quán)利要求
1.一種單相節(jié)能直流電焊機(jī)中(包括二相)，獨立創(chuàng)建穩(wěn)定引弧電源電壓，并能回避主輸出交流電路中利用磁阻抗或交流電抗器原理，承受空載至負(fù)載的剩余電壓差，其特征是A、主變壓器上另建一組引弧電源，該電源會與主輸出電壓成正比關(guān)系。B、利用主變壓器中會與前者成反比關(guān)系，通過一只小功率電源電壓補(bǔ)償變壓器一次側(cè)與主變器的一次側(cè)并聯(lián)，構(gòu)成引弧電壓補(bǔ)償電連接。C、通過電壓補(bǔ)償變壓器的二次側(cè)一端與主機(jī)另建的引弧電源一端電連接，而另一端與電容器電連接。D、電容器的另一端與橋式整流器輸入端電連接。E、橋式整流器另一輸入端與主機(jī)引弧電源輸出端電連接。F、引弧橋式整流器輸出端與主輸出整流器正負(fù)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相節(jié)能直流電焊機(jī)(包括二相)獨立創(chuàng)建穩(wěn)定引弧電源電壓，其特征是空載至負(fù)載時的剩余壓降，落在上述完整的C、D、E電連接電路中，(電容器在其閉路中任一換位串聯(lián)電連接屬同一范圍)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相節(jié)能直流電焊機(jī)(包括二相)，獨立創(chuàng)建穩(wěn)定引弧電源電壓其特征是為補(bǔ)償主變壓器改變變比時所帶來的引弧電壓損失，由電壓補(bǔ)償變壓器的輸入二端與主變壓器一次側(cè)二點之間的電連接。
全文摘要
單相節(jié)能直流電焊機(jī)本發(fā)明是一種能夠回避傳統(tǒng)做法，(其一次或二次側(cè)回路中，利用磁阻抗及交流輸出端直接串有電抗器，進(jìn)行消耗空載至負(fù)載電壓差)而特制的單相節(jié)能直流電焊機(jī)。它是設(shè)立于本機(jī)中，相互牽制的特殊電連接。當(dāng)從大功率焊接調(diào)至小功率焊接時，引弧電壓跟著下降，而給予有效補(bǔ)償。從而克服傳統(tǒng)做法中，所帶來的低功率因數(shù)和效率的電連結(jié)方式。其要點①小功率電壓補(bǔ)償變壓器的一次側(cè)，與主機(jī)中輸出電壓成反比關(guān)系的一次側(cè)，并聯(lián)電連接。②電壓補(bǔ)償變壓器二次側(cè)一端、主機(jī)另建引弧電源端、引弧電源整流器輸入端、電容器端、電壓補(bǔ)償變壓器另一端、構(gòu)成閉路串聯(lián)的電連接。主要用途為本機(jī)創(chuàng)造條件，獲得特高的功率因數(shù)和效率(見附圖)。
文檔編號B23K9/06GK1846923SQ200510067519
公開日2006年10月18日 申請日期2005年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月17日
發(fā)明者肖遠(yuǎn)宗 申請人:肖遠(yuǎn)宗