300kW固态高频焊机技术方案.

300kW固态高频焊机技术. 直缝焊管生产线 300kW固态高频焊机 保定四方三伊电气有限公司 2015年4月 直缝焊管生产线300kW固态高频焊机技术方案 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 ...................................................................................................................... 7 2.5 中央控制台 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 ............................................................................................................... 8 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 1 直缝焊管生产线300kW固态高频焊机技术方案一、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 2×61-12B 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 GP [ ] — [ ] — H [ ] 固态C-串联型，B-并联型 焊接用高频 标称功率(kW)设计输出频率(MHz) 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。 1 直缝焊管生产线300kW固态高频焊机技术方案 整流控制电路保护电路逆变控制电路 A B C 三相整流器直流滤波 槽路电容感应器 过流保护电压型逆变器匹配变压器 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为近似方波，由于逆变器输出电压的频率处于H 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近似为正弦波。 H SSu12H i0HtLruHCrRrCidcHTH 0SS43t 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滞后于负载电压u一个电角度。此时逆变器的换HH 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 2 直缝焊管生产线300kW固态高频焊机技术方案涌冲击电压很小。 (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超前于负载电压u一个电角度。此时逆变器的换流,HH 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和负载电压u同相位。阻性状态在理论上是一种最好的HH 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。 3 直缝焊管生产线300kW固态高频焊机技术方案 4(技术参数 ? 设计参数 , 标称功率:300kW , 额定直流功率:P=360kW d , 额定直流电压:U=450V dN , 额定直流电流:I=800A dN , 电源效率:η?85% , 输出功率:P,300kW out , 设计频率:f=250~300kHz , MOSFET逆变器:120kW×3 , 槽路输出形式:无焊接变压器输出，次级谐振 ? 配电要求 , 标称功率:300kW , 额定直流功率:P=360kW d , 额定功率因数:COSφ?0.9 , 配电容量:S?400kVA , 供电电压:三相 380V/50Hz , 进线电流:I=650A 2, 进线电缆:每相采用2根150mm铜缆并联，三相四线制 ? 循环软水冷却系统 , 采用水—水热交换器 , 内循环水压力:0.15~0.25MPa 3, 内循环水流量:50m/h , 内循环水出水温度:?40? , 内循环水回水温度:?45? 2, 热交换器面积:?15m 3, 外循环水流量:?50m/h(用户提供) , 外循环水进水温度:?35? 2, 进水压力:0.20,0.3MPa(约为2.0,3kg/cm) 4 直缝焊管生产线300kW固态高频焊机技术方案 5(控制与保护核心技术介绍 ?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。 ?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 线路板 自制 四方三伊 1 晶闸管 KP型 800A/1400V 锦州华晶 2 二极管 ZP型 800A/1400V 锦州华晶 3 滤波电容 日本HITACHI 4 4700μF/450V 德国IXYS公司 5 MOSFET IXFN38N100 38A/1000V DSEI2×61-12A 快恢复二极管 德国IXYS公司 6 60A/1200V 槽路谐振电容 成都麦克 7 0.68μf/700V 开关电源 台湾明纬 8 15V 铁氧体磁芯 E型 西安三联 9 人机界面 昆仑通态 10 TPC7062KX 平波电抗 四方三伊 11 5 直缝焊管生产线300kW固态高频焊机技术方案 保护电抗 四方三伊 12 循环软水冷却系统 水—水冷却器 四方三伊 13 S7-200型 德国西门子 14 PLC 开关、继电器、交流接触器 LG/富士/施耐德 15 按钮、指示灯 上海二工 16 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120kW，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。 6 直缝焊管生产线300kW固态高频焊机技术方案 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， 2其截面积>6mm，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)。 7 直缝焊管生产线300kW固态高频焊机技术方案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 度达到设计要求。 2, 进水压力:0.20,0.3MPa(约为2.0,3kg/cm)。 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 300kW 中央控制台 1台 连接光纤 1套 固态高频焊机 机械调整装置 1台 水—水冷却系统 1台 五、供货范围 1(供方供货范围 , 第五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。 需方负责提供 2( , 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。 8 直缝焊管生产线300kW固态高频焊机技术方案, 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。 9 书中横卧着整个过去的灵魂——卡莱尔 人的影响短暂而微弱，书的影响则广泛而深远——普希金 人离开了书，如同离开空气一样不能生活——科洛廖夫 书不仅是生活，而且是现在、过去和未来文化生活的源泉 ——库法耶夫 书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者———史美尔斯 书籍便是这种改造灵魂的工具。人类所需要的，是富有启发性的养料。而阅读，则正是这种养料———雨果