电弧检测

2024-07-16

电弧检测（共8篇）

电弧检测篇1

0前言

中国的“十二五”规划对节能标准化提出了一定的要求:继续开发节能技术、节能产品的研发和相关标准的研制,不断推进节能新技术和新产品的市场转化,实现低成本、高收益和提高能源效率的目标。节能减排是政府工作的重要内容,我国已发布了近300项节能标准。能效不但是我国实施节能产品认证、标识制度、政府强制采购节能产品制度的必要基础,也是政府推广节能产品政策实施的重要门槛,政府通过建立节能激励政策、实施严格节能管理制度、开展节能工程及活动等体系来实现节能减排的目标。

作为世界上人口最多、经济增长最快的发展中国家,我国的能源形势面临着长期的挑战,目前已经成为煤炭的第一消费大国,油、电的第二消费大国,,并且随着我国的经济规模进一步扩大,对能源的需求还会持续增加,能源问题已成为制约我国经济发展的重要因素。电焊机是金属焊接加工领域主要的耗能用电设备,在过去的几年中,电焊机的耗电量占全国发电总量的比例较高,已被列为国家12类高耗能产品之一,有“电老虎”之称。因此,如何提高电弧焊机产品的能源利用率,使其尽快步入节能减排的“绿色制造”轨道具有非常重要的意义。

1电弧焊机能效

能效即能源利用效率,它反映了产品或设备利用能源的效率质量特性,是评价产品或设备用能性能的一种较为科学的方法。使用“能效”,能够客观地反映产品或设备的用能情况,对产品或设备的能源利用质量进行评价。2013年国家发布了强制性国家标准GB 28736-2012《电弧焊机能效限定值及能效等级》,标准对各类焊机各级能效的限定值都做了明确的规定。电弧焊机能效包括效率、功率因数、空载电流占额定输入电流的百分比,依据GB/T 8118-2010《电弧焊机通用技术条件》中的检测方法和相应检测设备可以得出电弧焊机能效值。由于逆变弧焊机的生产目前已占主流,并且其输入电流带有较大的谐波电流,故分析逆变焊机的能效检测具有典型意义。本文以AMETEK公司生产的RS系列可编程交流电源和实际使用的市电作为焊机输入电源,结合高精度功率分析仪对逆变电弧焊机能效检测进行了分析。

2几种典型逆变电弧焊机能效检测分析

2.1电源对检测的影响

2.1.1电源容量对检测的影响

运用AMETEK公司RS可编程交流电源作为焊机的输入电源。以ZX7-315C直流手工电弧焊机为例,焊机额定状态下,输入3 ~ 380V,表1为在焊机输入处测得的在不同容量的RS电源供电情况下的电压和电流谐波失真。

从表1可以看出电源容量对电压和电流的谐波失真有一定的影响,电源容量越大电源的阻抗就越小,则电压谐波失真值就小。虽然电源容量对输入电流测量有一定的影响,但对电流大小的影响有不确定性,下面将进一步研究输入电源容量对电流测量的影响。

2.1.2电源质量对检测的影响

运用200KVA调压器作为焊机输入电源,仍以ZX7-315C直流手工电弧焊机为例,焊机额定状态下,输入3 ~ 380V, 图1为输入电压的波形,图2为输入电流的波形。

测得电压谐波失真值UTHD为7.126%, 谐波失真严重导致电流有效值偏小。输入电压已不是“近似正弦波形”,所以在电弧焊机能效的测量中电压谐波失真严重的电源不能用来测量。

2.2典型电弧焊机能效检测分析

通过对大量电弧焊机检测,本文以Hi Ac 500( 气保焊)、ZX7-315C、WSM- 500电弧焊机为例,运用AMETEK中RS可编程交流电源和实际使用的市电进行分析,市电的供电电压在388V ~ 393V之间。三种焊机输入均为3 ~ 380V,在额定状态下,测试电弧焊机的效率(η)、功率因数 (PFN)、空载电流占额定电流的百分比 (I10 / I1N)。为直观起见,功率因数测量并未在额定最大焊接状态进行,但并不影响本文分析。

Hi Ac 500电焊机能效值见表2,输入电压380V,额定输出电流500A,电压39V,输出功率的值为定值。

ZX7-315C电焊机能效值见表3。输入电压380V,额定输出电流315A,电压32.6V,输出功率的值为定值。

WSM-500电焊机能效值见表4。输入电压380V,额定输出电流500A,电压30V,输出功率的值为定值。

使用调压器将电压调至380V,供给焊机作输入电源,测得上述三种弧焊机的有功功率分别为:22.428 k W、12.185k W、18.427 k W。从表中可以得出有功功率扣除测量不确定度的影响,一台电弧焊机生产成型后它的有功功率是确定的,因在额定状态下输出功率是一定值,所以只要电源容量比电焊机容量足够大,电弧焊机的效率测试基本不受电源容量的影响。

电源容量对空载电流和额定输入电流的测定有一定的影响,但没有一定的变化规律,这与各种焊机的电路设计有关。

从表中也可以看出同一电源容量不同功率因数也是不同的,且没有一定的变化规律。功率因数与电流的谐波有关系, 电流谐波越大,功率因数越小。

从表2、3、4中可以看出在不同的电源容量下测出的功率因数是不同的,并与电能质量有关。如果电源容量很大,且电能质量特别好,则功率因数的测量符合要求。实际中电源容量都有限值,测试时被测电焊机容量与试验电源容量之间应满足一定的条件。这两者之间有什么定量关系还需大量的实验数据,且需建立模型分析,可以作为以后研究的方向。

通过以上测试,可以发现谐波电压畸变率对测试结果有影响。即使谐波电压畸变率相差1 ~ 2%,也会对电流和功率因数测试结果产生较大影响。但GB8118- 2010中仅规定在测试时保持输入电压为近似正弦波,具体数值要求未规定,这就有可能造成检测结果的不统一,有待今后进一步完善。

摘要：电弧焊机能效标准实施后,针对效率、功率因数、空载电流占额定输入电流的百分比进行了测量分析。通过试验电源的容量不同,分析了电源对三个参数的影响。然后选择三台典型焊机,通过大量的测试进行分析,找出不同容量和电能质量对三个参数的影响,并从中得出结论。

关键词：能效,供电电源,电弧焊机

电弧检测篇2

摘要：介绍了高速电弧喷涂技术的重要性、工作原理、工艺流程及应用现状等，并重点对主要工艺条件的影响规律进行评述。关键词：高速电弧喷涂，原理，工艺引言

电弧喷涂技术自从20世纪20年代出现以来,得到了不断的改进,逐步走上成熟化阶段,并向着精密化和自动化的方向发展。在20世纪80年代后，由于普通电弧喷涂的粒子喷射速度的限制且氧化程度比较严重，使电弧喷涂的涂层质量和应用受到一定影响。为此，迫切需要研制新型优质电弧喷涂技术及其设备。高速电弧喷涂技术是在普通电弧喷涂技术上发展起来的一种重要技术,通过对喷涂枪进行改进，提高喷涂粒子的雾化程度和飞行速度来增大涂层与基体的结合强度并降低涂层的孔隙率，可以赋予工件表面优异的耐磨损、防腐蚀、防滑、耐高温等性能。高速电弧喷涂技术的开发和应用不仅具有重要的理论意义，并且在提高涂层性能方面具有巨大的应用价值。本文主要介绍高速电弧喷涂技术的原理、工艺及主要工艺条件的影响规律。高速电弧喷涂技术的工作原理

电弧喷涂技术是以电弧为热源,将熔化了的金属丝用高速气流雾化,并以高速喷到工件表面形成涂层的一种工艺。电弧喷涂示意图如图1所示，喷涂时,2根丝状金属喷涂材料用送丝装置通过送丝轮均匀、连续地分别接电源的正、负极,并保证2根丝之间在未接触之前的可靠绝缘。当两金属丝材端部由于送进而互相接触时,在端部之间短路并产生电弧,使丝材端部瞬间熔化并用压缩空气把熔化金属雾化成微熔滴,以很高的速度喷射到工件表面,形成电弧喷涂层。

高速电弧喷涂技术是根据气体动力学原理,在传统电弧喷涂的基础上,将高压空气或高温燃气通过特殊设计的喷嘴加速后,作为电弧喷涂的高速雾化和加速熔融金属的动力来源,将雾化粒子高速喷射到工件表面形成致密涂层。图2是高速电弧喷涂技术原理示意图。高速电弧喷涂工艺流程高速电弧喷涂工艺过程与普通电弧喷涂相似，也由工件表面预处理、电弧喷

图 1 电弧喷涂示意图

图 2 高速电弧喷涂原理示意图

涂、喷后处理和机械加工等工序组成。

3.1 表面预处理工艺

表面预处理的好坏直接影响涂层的结合强度，不洁净的表面甚至会导致涂层的剥落。如果涂层表面有水分、油脂和灰尘时，微粒与表面之间就会存在一层隔膜，不能很好地相互嵌合。如果工件表面光滑，微粒就会滑掉或虚浮地沉积，且随着喷涂层逐渐增厚由于内应力增大而脱落。只有洁净、干燥、粗糙的表面, 才能使微粒在塑性尚未消失时与表面牢固地嵌合, 形成良好的附着条件。件表面预处理包括以下内容：

（1）表面清洗，对待喷涂表面及其相邻近的区域除油、去污、除锈等。（2）表面预加工，对工件进行表面清理, 除去待修工件表面的各种损伤。（3）表面粗糙化，最为常用的方法是进行喷砂处理。

3.2 喷涂工艺

喷涂工艺参数的选择很重要,对雾化粒子的温度和雾化效果有较大的影响,将直接影响涂层的组织结构、工艺性能、力学性能和耐腐蚀性能。喷涂电压一定时,喷涂电流越大,熔化金属颗粒的温度越高, 雾化粒子越细小,金属丝材熔化速度越快,颗粒表面氧化越严重,涂层氧化物含量增加,降低了涂层颗粒间结合力。工艺实践表明,喷涂电流一般不超过200A为宜。喷涂电流一定时,电弧电压越高,输入的电功率增加,金属丝材熔化加快, 熔融粒子温度升高,粒子氧化严重,继续增加电压,由于送丝速度不变(由喷涂电流决定),容易造成电弧熄灭,不能进行正常喷涂,所以喷涂电压一般不高于36V。

常用材料的高速电弧喷涂工艺规范见表1, 具体使用中应根据具体情况和使用目的进行调整。

表 1 常用材料的高速电弧喷涂工艺规范及主要用途

3.3 喷后处理

一般对喷涂后的涂层进行封孔处理。封孔后的涂层表面颜色应均匀, 无漏喷、浸润不良及大面积流淌等现象。封孔处理后的涂层表面不再进行涂漆处理, 待封孔剂完全固化后即可使用。4 影响高速电弧喷涂涂层质量的因素

一般来说，影响高速电弧喷涂涂层质量的因素有工件的表面预处理质量、高速电弧喷涂工艺规范、压缩空气压力与质量、雾化气流速度、流量和喷枪结构等。

4.1 影响涂层表面粗糙度的因素

雾化气流速度和气流流量、熔融粒子温度、粒子飞行速度和粒子尺寸对涂层表面粗糙度有决定性影响。雾化气流速度和气流流量决定粒子飞行速度，粒子飞行速度越高，熔融粒子撞击工件表面的动能越大，粒子的扁平程度越大，表面粗糙度越小。熔融粒子的温度越高，粒子的高温塑性变形能力越大，涂层的表面粗糙度越小。由于高速电弧喷涂雾化粒子的粒度比普通电弧喷涂的粒子粒度小，并且飞行速度高，因此高速电弧喷涂涂层的表面粗糙度比普通电弧喷涂层的要低，这对某些不需对涂层进行机械加工，而又要求表面粗糙度低的场合特别有利。

4.2 影响涂层致密度的因素

喷涂层的致密度由涂层的粒子尺寸、粒子飞行速度和粒子温度决定。高速电弧喷涂由于雾化效果增强，涂层粒子飞行速度高，动能大，粒子细小，因而涂层高度致密，涂层致密度可以和等离子喷涂涂层相媲美。

4.3 影响涂层结合强度的因素

电弧喷涂涂层的结合强度有两层含义，一是指涂层的内聚结合强度，即金属颗粒之间的结合强度，二是涂层与基体之间的界面结合强度，包括界面拉伸结合强度和界面剪切结合强度。涂层的内聚结合强度直接反映涂层的力学性能，涂层的界面结合强度对涂层的使用性能有决定性影响。涂层界面结合强度低是涂层剥落的主要原因之一。影响涂层界面结合强度主要因素有：

（1）压缩空气的压力和质量。压缩空气压力越高，高速射流区间越大，涂层结合强度越高。一般压缩空气压力不低于0.5MPa。压缩空气的质量越好，空气中所含油分、水分、杂质越少，涂层结合强度越高。

（2）雾化气流流量。雾化气流流量增加，雾化和加速效果明显，确定枪口气流量的大小，要与空气压缩机流量相匹配。

（3）被喷涂工件的表面粗糙度。工件表面粗糙度越高，涂层与基体接触面积越大，基体与涂层之间的机械嵌合作用越大，涂层的界面结合强度越高。（4）喷涂距离。喷涂距离对电弧喷涂涂层的界面结合强度有较大的影响。普通电弧喷涂，喷涂距离在150~200mm，高速电弧喷涂，喷涂距离在150~300mm之间，熔融金属颗粒具有最高的动能，在此区间喷涂可以获得较高的涂层结合界面强度。（5）喷枪的喷涂效率。喷涂枪的喷涂效率越高，相应的喷涂电流越大，熔融粒子的温度越高，有利于涂层界面结合强度的提高。（6）电弧电压。为保证电弧稳定燃烧，喷涂电压应选择中间值。较高的电压对结合强度有不良影响。以较低的电弧电压进行喷涂，有利于提高喷涂的沉积效率、改善雾化效果、提高涂层的硬度和耐磨性。

4.4 影响涂层硬度的因素

在电弧喷涂过程中，涂层硬度的提高是由于熔融粒子撞击基体后的快速冷却引起组织结构的变化和涂层氧化物的存在，以及塑性变形引起的加工硬化。影响涂层硬度的主要因素有：

（1）喷涂丝材的化学成分。对碳钢和合金钢而言，丝材的含碳量越高，喷涂层的硬度越高。铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的硬度主要取决于冷作硬化程度和氧化物含量的多少。

（2）喷涂距离。喷涂距离越大，熔融粒子的碳元素和合金元素烧损越多，而且熔融粒子的温度越低，塑性变形能力越小，涂层硬度降低。

（3）压缩空气压力和雾化气流流量。压力和流量越大，对熔化金属的雾化和加速作用越大，高温熔融颗粒在空气中停留的时间越短，粒子动能大，涂层硬度增加。

（4）喷涂枪的送丝速度。随送丝速度加快，相应喷涂电流增加，喷涂效率提高，颗粒温度升高，撞击工件基体表面后冷却时间延长，冷作硬化程度下降，涂层硬度降低。

（5）电弧电压。电弧稳定燃烧时，喷涂电压越低，涂层硬度越高。高速电弧喷涂技术的应用现状

高速电弧喷涂技术在腐蚀防护以及设备零件的维修、抢修等领域都得到了广泛的应用，表1列出了高速电弧喷涂技术的主要用途。下面是高速电弧喷涂技术的一些应用实例。

5.1 提高常温防腐性能

采用电弧喷涂技术及高速电弧喷涂技术多次对海军某猎潜艇、“远望”号航天测量船等舰船甲板进行防腐治理。经过多年的应用, 证明防腐效果显著, 预计使用寿命可达15年以上。

5.2 提高防滑性能

应用高速电弧喷涂技术制备防滑涂层技术, 研制了防滑专用丝材FH-16, 用于舰船甲板等需要较高摩擦系数的场合。目前, 已应用该技术对海军某猎潜艇主甲板进行了防滑治理, 取得了良好的效果。

5.3 提高耐磨性能采用高速电弧喷涂技术对一台新引风机叶轮的叶片进行了耐磨处理,喷涂层为“低碳马氏体+3Cr13”复合涂层体系, 涂层厚度为0.5mm, 表面未经任何机加工处理, 预计寿命可成倍增加。

5.4 提高高温防腐性能

采用高速电弧喷涂技术, 喷涂新型高铬镍基合金SL30以及金属间化合物基复合材料Fe-Al/Cr3C2进行高温腐蚀/冲蚀治理, 制备防热腐蚀/冲蚀涂层+高温封孔涂层形成复合涂层体系, 涂层平均厚度为0.2~0.3mm, 防腐寿命可达5年以上。结语

高速电弧喷涂技术经济性能好、适用性强, 是一项易于推广的高新技术, 是目前大型钢结构防护工程中防腐蚀寿命最长、成本最低的防护技术之一。未来一段时间内, 高速电弧喷涂技术的发展应主要集中在3方面:（1）开发应用自动化和智能化的高速电弧喷涂设备，研制新型的喷枪结构, 以提高生产效率和质量，改善作业环境；

（2）进一步深入研究高速电弧喷涂层的防腐蚀机理，采用现代化的技术深入分析涂层的失效形式，弄清环境腐蚀机理及工艺参数对涂层性能的影响；（3）为了满足应用范围广、标准要求高的条件，而大力研究复合材料、纳米材料、新型合金或非晶材料等高速电弧喷涂材料。

参考文献

电弧检测篇3

在当今社会科技飞速发展的今天, 大功率电力电子技术得到了广泛的应用。随之而来的是直流系统在航天领域、大型电网储能领域等的普及。在直流系统中, 若发生绝缘破损、金属连接头松动、高压线路接地等故障时都可能有直流电弧发生。由于直流故障电弧本身的特性和交流电弧区别很大, 很难被传统的保护装置检测并切除。因此对直流故障电弧检测的研究对保障直流供电系统安全稳定运行具有深远意义。

1故障电弧的分类与特性

1.1故障电弧的分类

电弧故障按照发生原因和形式, 可以分为串联电弧故障、并联电弧故障和接地电弧故障三种[1]。

(1) 串联电弧故障:直流线路中, 金属连接头松动、导线破损、接线触点发生松动使电路似接非接时就会产生串型电弧。 (2) 并联电弧故障:并联电弧故障是一种短路故障, 发生在导线与导线之间, 由导线的绝缘破坏引起。当两个极性不同的电线并行间距微小时, 由于各种原因导致的绝缘破损都可能产生并型电弧。 (3) 接地电弧故障:接地电弧是指相线与地端或接地金属间产生的电弧故障, 一般由高压相线出现绝缘破损引起。

1.2直流故障电弧特性

直流电弧产生装置如图1所示。当两个电极从接触相连, 到渐渐远离时, 可以模拟实际中, 直流系统中线路接触不良和金属连接头松动的情况, 产生串联型直流故障电弧。

(1) 直流串型故障电弧发生时, 线路电流会突降, 电弧两端电压增高。如图2所示。 (2) 当发生电弧故障时, 直流系统中电弧电流中有高频交流分量, 而且线路中电流越小交流谐波分量越多[2]。 (3) 发生电弧时, 在1k Hz-100k Hz的频率范围内, 电流的谐波含量明显增多[3]。 (4) 直流电流不存在过零, 直流电弧不容易熄灭。

2直流故障电弧检测方法研究现状

2.1运用于开关柜中的故障电弧检测方法

国内外科研人员利用电弧产生是会发出光亮、电磁辐射和热能等物理特性, 提出了多种检测故障电弧的方法。加拿大研究人员Sidhu, Gurdeep Singh, M.S.Sachdev设计了一种应用在电源开关柜的电弧故障检测装置[4], 该装置分别利用天线、红外接受器和压力传感器来检测发生电弧时所产生声、光, 热和电磁辐射, 而且系统只在各检测装置都检测到电弧发生信号时, 才会认定线路中发生了电弧故障。

国外科研人员已开发出了基于电弧弧光检测的保护系统, 例如ABB集团的电弧故障检测系统、德国穆勒公司应用于低压开关柜的电弧故障保护系统等。这些系统以线路中电流产生的过流现象以及发生电弧时附带的弧光作为双判据, 借此判断产生电弧并提供快速稳妥的线路保护。西安交通大学和大全集团开发了国内首台开关柜电弧故障检测装置[5], 主要应用在电网系统高中压配电柜的电弧检测保护, 但其造价高, 体积大, 不适用于航空电气系统中。上述这些检测装置具有很大的局限性, 检测电路中的传感器安装位置是特定的, 并不适用在长线路大设备中。

2.2运用于直流电车系统中的电弧故障检测技术

电动车系统中的直流电压从14V增加至42V, 使得国内外学者对电车中的故障电弧检测问题愈发重视。Delphi研究室的科研人员Naidu等人发现了在直流系统中, 当有电弧故障发生时线路电流会有明显增降这一特性, 进而研制了一种电弧检测装置。该装置对于安装位置没有特殊要求且需求设备不多, 但是该装置缺点是当开关闭合后, 系统要求负载波动不能太大要尽量平稳, 但在实际很多场合中, 线路的终端负载不可能不发生变化, 所以会造成对检测故障电弧的误判。

2.3运用于光伏系统中的电弧故障检测技术

在光伏发输电系统中, 电路输出的伏安特性受外界光照强度和温度变化的影响巨大。因此, 其他领域的检测方法并不能完全适用于光伏系统中。目前国内外针对光伏系统电弧故障检测方法的研究, 只进行了初步研究。2010年国外科研人员Christian等人利用同轴分流器测量逆变器输入端电流波形变化情况进行故障电弧检测。这种基于系统中电流电压波形变化的检测技术检测位置限制小, 简单高效, 只需在逆变器上安装一个电弧检测装置就可实现对并型故障电弧高精确度地检测, 成为目前直流故障电弧在光伏领域的研究热点。但是这种方法也存在缺点, 由于光伏系统受外界光照强度和温度变化等影响, 系统输出电流电压的幅值波动大, 容易对装置的检测结果造成重大干扰, 所以怎样有效排除由环境引起的对电流电压波形变化干扰这一问题成为了今后一大研究方向。

2.4电弧故障的频域检测技术

正是由于单纯利用电弧时域特征来检测直流故障电弧存在很大的局限性, 所以国外科研人员又提出了在频域进行电弧故障检测方法的研究。

国外研究人员Jeffery L.Kohler和Jincheng Li建立了应用于直流电车系统的直流故障电弧的电流数学模型, 并分析了电弧电流的频域特性[2]。他们发现, 当发生电弧故障时, 电弧电流中含有高频交流分量, 而且线路中电流越小其交流谐波分量越多。可以利用该特性来区分输出波形变化是由电弧故障引起还是正常负载变化引起的。随后两人搭建实验平台并验证了该理论模型的正确性。

国外学者D.L.Schweickart, R.Spyker, J.C.Horwath, 等人对航空直流输电系统中存在的电弧故障问题进行了研究。通过实验观察, 当发生直流电弧时, 系统中电压和电流的波形, 分析了直流电弧中电流含有的高频交流分量[3]。随后将测试将得到的三组电流数据进行分析, 绘制了一张功率频谱密度的分布图, 说明发生直流电弧时, 在1k Hz-100k Hz的频率范围内, 电流的高频交流谐波分量较其他频段显著增多。

由于发现了直流故障电弧中的电流存在上述特性, 进一步验证了在频域进行故障电弧检测的可行性。于是快速FFT分析、提升小波分析、神经元网络算法引入了直流电弧故障检测中来。Kumar, D.M.V, James A.Momoh等人在电弧故障的检测中将采集到的电流值和电压值综合考虑, 运用了FFT, 得到了功率的FFT分析。FFT分析的结果就可以作为判断电弧故障的依据[6]。但是, 考虑到电源输出的质量问题、负载性质和变化 (如直流变换器引入的高频干扰) 等因素, 为减小有可能产生的误判概率, 科研人员又运用了人工神经元网络算法, 将FFT分析后的结果引入神经网络中, 得到了较为准确的结果。

3直流故障电弧检测研究的发展方向

针对电弧故障的检测, 国内外学者主要从电弧发生时的物理现象以及时频域对直流电弧的特性和检测技术展开研究。但是时域法主要从电流变化率、最大值和平均值等来检测电弧。这种算法实现简单, 但易受外界环境干扰且只适用于特定条件或对象, 范围狭窄。频域分析法主要利用电弧发生时引入的大量交流谐波来检测。这种方法与负载类型关联性大, 需要进行噪音去除等处理, 在对电弧信号处理时有很大的局限与不便。

基于上述情况, 直流故障电弧的研究应该主要以寻找更为有效合理的检测算法为主, 排除外界变化带来的输出变化干扰以及电磁干扰, 运用模糊数学, 神经元网络等先进的理论成果, 结合故障电弧的时频特性进行分析。这样既能从整体上感知信号, 又能获得信号的局部更多的特征特性, 必将有利于对故障电弧实施快速有效的检测。

参考文献

[1]吴春华, 闫俊驰, 李智华.光伏系统故障电弧检测技术综述[J].电源技术, 2014, 38 (9) :1768-1770.

[2]Jincheng Li, Jeffery L.Kohler.New Insight into the Detection of HighImpedance Arcing Faults on DC Trolley Systems[J].IEEE Transactions on industry applications, 1999, 35 (5) :1169-1173.

[3]R.Spyker, D.L.Schweickart, J.C.Horwath, et al.An Evaluation of Diagnostic Techniques Relevant to Arcing Fault Current Interrupters for Direct Current Power Systems in Future Aircraft[J].IEEE, Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing Expo, 2005.Procedings, USA, IEEE, 2005:146-150.

[4]T.S.Sidhu, M.S.Sachdev, G.S.Sagoo.Detection and location of low-level arcing faults inmetal-clad electrical apparatus[J].IEEE, The 7th International Conference on Developments in Power System Protection, Netherlands, IEEE, 2001:157-160.

[5]蔡彬, 陈德桂, 吴锐.开关柜内部故障电弧的在线检测和保护装置[J].电工技术学报, 2005, 20 (10) :83-87.

焊条电弧焊实训篇4

绪论1

一、焊条电弧焊的焊接过程与特点1

二、对焊接技术工人的基本要求2

三、本课程的性质和任务2

四、本课程的教学目标2

五、本课程的学习方法3

第一章电弧焊安全技术与劳动保护4 第一节电弧焊安全技术4

一、电弧焊安全用电4

二、特殊环境安全技术5

三、焊接作业的防火防爆措施7 第二节焊接劳动卫生与防护7

一、电弧焊接有害因素7

二、电弧焊接劳动保护措施8

第二章焊条电弧焊设备及应用10 第一节焊条电弧焊设备10

一、对弧焊电源的基本要求10

二、弧焊电源型号的编制与主要技术参数11

三、常用焊条电弧焊设备13

四、电弧焊设备的正确使用17

五、弧焊电源的故障、产生原因及消除方法18 第二节焊条电弧焊常用工具、量具19

一、焊条电弧焊常用工具19

二、焊工常用量具21 第三节弧焊设备的安装23

一、弧焊电源室内、外安装的一般要求23

二、弧焊变压器的安装23

三、弧焊整流器的安装25 实训课题一弧焊设备的正确安装26 实训课题二弧焊设备焊接电流的调节27

第三章焊条28 第一节焊条的组成与分类28

一、焊条的组成28

二、焊条的类型、代号及用途29

三、焊条型号的编制29 第二节常用焊条焊接性能及选用原则32

一、酸性焊条和碱性焊条32

二、焊条的选用原则33 第三节焊条的使用与保管34

一、焊条的正确使用34

二、焊条的贮存与保管35 实训课题三根据工作条件选择焊条型号35 实训课题四焊条的正确使用35

第四章焊条电弧焊工艺知识37 第一节焊接接头与焊接位置37

一、焊接接头37

二、焊接位置37

三、坡口及坡口选择38

四、焊缝符号40 第二节焊接工艺参数选择42

一、焊条直径选择42

二、焊接电流选择42

三、电弧电压选择43

四、焊接速度选择44

五、焊接层数选择44

六、焊接工艺细则卡45 第三节常见焊接缺陷46 实训课题五简单焊接识图48 实训课题六根据工作条件填写焊接工艺细则卡49 实训课题七焊接缺陷的识别51

第五章焊条电弧焊基本操作技术52 第一节平敷焊基本操作技术52

一、平敷焊的特点52

二、基本操作姿势52

三、基本操作方法53

四、示范57 实训课题八平敷焊技能训练57 第二节平焊操作技术60

一、平焊特点60

二、平焊操作要点60

三、Ⅰ形坡口平对接双面焊技术61 实训课题九 6mm钢板Ⅰ形坡口平对接双面焊62

四、V形坡口平对接双面焊技术64 实训课题十 10mm钢板V形坡口平对接双面焊66

五、X形坡口平对接焊焊接技术68 实训课题十一 16mm钢板X形坡口平对接双面焊69

六、薄板平对接焊焊接技术71 实训课题十二 3mm钢板平对接焊73

七、单面焊双面成形焊接技术75 实训课题十三 V形坡口单面焊双面成形焊接78

八、平角焊焊接技术80 实训课题十四平角焊83 第三节立焊84

一、立焊的特点84

二、立焊操作的基本姿势85

三、立焊操作的一般要求85

四、薄板立对接单面焊焊接技术86 实训课题十五 6mm钢板不开坡口立对接单面焊87

五、V形坡口立对接双面焊焊接技术90 实训课题十六 V形坡口立对接双面焊92

六、立角焊焊接技术93 实训课题十七立角焊95

第六章气割98 第一节气割的基本原理98

一、氧气切割的过程98

二、氧气切割的条件98

三、常用材料的气割99 第二节气割设备与工具99

一、氧气瓶99

二、溶解乙炔瓶101

三、减压器102

四、割炬102

五、回火防止器105

六、胶管及其他辅助工具105 第三节气割工艺106

一、气割工艺参数106

二、气割顺序的确定107

三、常见气割缺陷及防止办法107 第四节手工气割的操作技术108

一、气割前的准备108

二、气割操作技术108

三、气割安全注意事项109 实训课题十八钢板沿直线割口的气割110 实训课题十九管子的气割112 实训课题二十法兰的气割113 实训课题二十一焊件坡口的气割115 实训课题二十二薄钢板的气割116

第七章碳弧气刨118 第一节碳弧气刨概述118

一、工作原理118

二、应用范围118

三、特点118 第二节碳弧气刨设备118

一、电源118

二、气刨枪119

三、碳棒119

四、附属设备119 第三节碳弧气刨工艺120

一、工艺参数及其影响120

二、碳弧气刨的缺陷与识别121 第四节碳弧气刨的操作技术122

一、准备工作122

二、引弧123

三、气刨过程123

四、收弧124

电弧检测篇5

激光-电弧热源作为一种新型复合焊接热源具有焊接效率高、焊接质量好以及能源消耗低的特性, 因此成为国内外焊接领域研究的热点[1,2,3]。近年来, 研究者围绕激光-电弧复合热源焊接技术开展了大量的研究工作。然而, 目前较多的工作集中在焊接装置设计和焊接工艺开发方面, 而对于焊接热源的物理状态和物理机制的研究相对较少[4,5]。从已有的研究结果来看, 激光和电弧在焊接过程中的耦合效应已经得到了广泛的认同。耦合效应认为:电弧对材料的预热效应可以大幅提升激光的吸收率;激光等离子体对电弧的吸引和压缩作用既稳定了电弧的放电过程, 又提高了电弧的能量密度。这些相互增强作用提高了复合热源整体的热穿透能力和焊接稳定性[6,7,8]。

然而, 不同类型的电弧等离子体其放电特性不尽相同, 在焊接过程中其与激光之间的相互作用的差异较大[9]。如激光-TIG电弧复合热源和激光-MAG电弧复合热源是较为常见的两种复合焊接热源[10], 而TIG电弧和MAG电弧在焊接时放电极性完全相反[11], 同时在电弧成分、温度和质量传递等方面差异巨大, 而已有机制难以对此进行分析。这一结果导致不同类型的电弧与激光复合构建的复合热源在进行焊接时的指导机制不清楚、无法统一, 甚至出现混乱。解决此问题的有效、可靠方法是对不同类型的复合热源的物理机制分别进行研究, 并提取相关物理过程和物理机制的共性特征, 进而得到适用于不同类型激光-电弧复合热源的通用型物理机制。

本论文主要针对激光-交流TIG电弧复合热源焊接过程中物理过程和物理机制进行研究, 通过考察激光作用时电弧的形态特征、光辐射特性、焊缝表面成型以及焊缝熔化深度, 以及着重分析激光作用于交流电弧正、负半波期间与电弧相互作用的物理过程。在本研究中, 交流电弧的负半波与MIG/MAG电弧的放电特性相同, 因此本研究结果也可以为激光-MIG/MAG电弧复合热源焊接的相关物理机制研究提供现象参考。

1 实验材料与方法

如图1所示, 本研究采用脉冲式Nd:YAG激光与交流TIG电弧复合, 构建脉冲式激光-TIG电弧复合热源。复合方式为旁轴复合, 且在焊接方向上电弧在前、激光在后。激光束垂直照射板材, 电弧焊枪与板材表面呈45°角。激光束轴线与钨极间断的水平距离定义为激光-电弧间距, 且实验中可调。采用激光脉冲-交流电弧波形匹配控制系统, 实现激光脉冲作用于交流电弧放电的不同阶段的控制。交流电弧放电的周期为76ms, 放电波形如图2所示。实验材料为6mm厚AZ31B镁合金板, 采用平板堆焊的焊接方式, 焊接速度为600mm/min。焊接过程中采用高速摄像机对复合热源等离子体动态行为进行观察, 采集方向垂直于焊接方向以获得焊接等离子体的侧面图像。高速摄像机的采集速度为2000帧/秒, 曝光时间0.5ms。采用光谱分析仪对等离子体中镁原子的光辐射强度进行采集和分析, 采用的分光光栅为300 groove/mm。焊后, 观察焊缝的表面形貌, 并对焊缝进行切割取样, 经过抛光、腐蚀 (HCl浓度为5%的酒精溶液) , 观察焊缝的横截面状态, 以确定热源的熔化深度。实验所用的主要参数见表1。

2 实验结果

2.1 焊缝特征

2.1.1 焊缝表面粉末

控制激光脉冲作用于交流电弧的波形的不同位置, 并进行焊接。焊接结束后不清理试板, 直接对焊后焊接试板的表面状态进行观察, 结果如图3所示。从图中可以看出, 焊后的焊缝表面有一层粉末覆盖, 但是激光作用于交流电弧的正、负半波时, 表面覆盖粉末的状态不同。激光作用于电弧正半波时, 焊后焊缝表面粉末呈黑色, 且粉末覆盖致密;激光作用于电弧负半波时, 焊缝表面颜色略浅, 呈灰色。X-射线衍射分析结果表明粉末为纳米级氧化镁和纯镁颗粒。

2.1.2 焊缝形貌

采用钢丝刷将焊接过后的焊缝表面粉末进行清理, 对比观察激光脉冲作用于电弧正、负半波时焊缝表面形貌, 结果如图4所示。从图中可以看出, 在同样的焊接参数下, 激光脉冲作用于电弧正半波时, 焊缝表面存在均匀细致的鱼鳞纹;而激光脉冲作用于电弧放电负半波时, 焊缝表面纹路不规则, 表面起伏较大, 且略显粗糙。

2.1.3 焊接熔深

本研究对不同焊接参数下, 激光脉冲作用于电弧放电波形正、负半波时的熔化深度进行采集, 结果如图5所示。由图中可以看出, 激光脉冲作用于电弧正、负半波时的焊缝熔深略有不同。激光脉冲作用于电弧放电负半波时的熔化深度略大于正半波。从结果可以看出, 相对于激光脉冲作用于电弧放电波形的位置, 激光束与电弧在空间上的相对位置对焊接熔化深度的影响更大。

2.2 电弧形态

采用高速摄像机对焊接过程激光脉冲与电弧不同匹配条件下的复合电弧形态进行观察, 期间采用中心波长为518nm的窄带滤光片, 观察到的为电弧中镁原子的发光状态, 结果如图6所示。从图6中可以看出, 激光脉冲作用于电弧放电波形不同位置时, 电弧形态均发生变化。激光脉冲作用于电弧放电正半波期间, 电弧体积发生膨胀, 但电弧外形轮廓较规则。激光脉冲作用于电弧放电负半波时, 电弧体积剧烈膨胀, 形状不规则。同时, 在实验中还发现, 激光脉冲对放电电流较小的电弧形状影响较大, 这可能与电弧弧柱区宽度以及电弧自身的挺度有关。当电弧电流较大时, 电弧弧柱直径较大, 同时电弧自身挺度也较大。激光脉冲穿过电弧等离子体作用于材料上以后形成的高速等离子体蒸汽对电弧的冲击作用相对较弱。

2.3 光谱特征

采用直读电弧光谱分析仪对激光-TIG电弧复合焊接过程中激光脉冲作用时电弧等离子体的光辐射进行分析。光谱采集位置为电弧轴线上钨极附近区域。首先对激光作用于电弧正、负半波时复合等离子体光谱进行采集, 实验结果如图8所示, 从图中可以看出, 激光作用于电弧正负半波时在200~1000nm波长范围内光辐射谱线位置基本相同, 表明两种焊接过程的电弧等离子体中粒子的种类区别不大, 均主要由氩原子、氩离子、镁原子和镁离子组成。

激光脉冲作用于材料上时, 板材元素 (以镁元素为主) 迅速熔化、蒸发, 并进入到电弧等离子体中。镁元素在电弧中的含量会以镁原子辐射谱线的强度定性反映出来。因此, 考察电弧中镁原子谱线518.362nm的辐射强度可以定性说明激光对电弧放电状态的影响程度。在实验中, 采用等同有效值的直流正、反接来分别近似电弧放电正、负半波的情形, 且只考察激光脉冲作用后谱线强度的变化值, 结果为5组重复实验结果的平均值。实验中发现, 激光脉冲作用于后电弧放电正、负半波时镁原子谱线强度均增加, 但增加的程度不同, 如图8所示。激光脉冲作用于电弧正半波时谱线强度增加程度高于作用于负半波时。该结果表明, 激光脉冲作用于电弧放电正半波时有大量的镁原子进入到电弧中, 电弧中镁原子浓度大幅提升, 而激光脉冲作用于负半波时电弧中镁原子浓度变化不大。

3 分析与讨论

在焊接过程中, 激光束穿过电弧等离子体放电空间的过程中激光与电弧之间的相互作用极其微弱, 二者的相互作用主要发生在激光束作用于材料上之后的过程。激光束对材料的剧烈加热使得材料瞬间被熔化、蒸发、电离, 形成的激光等离子体蒸汽高速冲入电弧等离子体的放电空间。而两种等离子体之间的相互作用是激光与电弧相互作用的本质。

由于电弧放电极性和放电强度的周期性改变, 电弧放电空间的电学特性完全不同。当电弧放电处于正半波时, 钨极作为等离子体的阴极发射电子, 而板材作为阳极接收电弧弧柱中的电子。此时, 从板材向上方冲入电弧放电空间的激光等离子体中的电子立刻收到电场力的减速作用, 并向板材运动。相反, 激光等离子体中的正离子在电弧放电空间向钨极移动。电弧等离子体中能量的载体主要是电子。激光等离子体中的电子在离开板材表面很小的距离内就减速至零并被重新加速向板材运动。因此其从电场中获得的能量较少, 返回板材时携带的能量也较少。在电弧放电负半波时, 电弧电场方向的改变导致粒子的反向运动。激光等离子体中的电子在电场的加速作用下向钨极运动, 期间获得的能量通过碰撞最终传递给钨极。从这个角度来看, 激光脉冲作用于电弧正、负半波时粒子对材料的能量输入差异不大。但是, 在激光脉冲作用于电弧放电负半波期间, 板材作为发射电子的阴极。激光作用点高密度的电子群将成为电弧放电的电子发射源, 因此电弧放电的位置集中于板材上的激光作用点, 此处具有极大的电流密度。而激光作用于电弧放电正半波时, 这种对电弧放电点的固定和放电电流的汇聚作用较弱。因此, 在实验中我们发现激光脉冲作用于电弧放电负半波时焊缝的熔化深度略大于正半波。

在激光脉冲作用于电弧正半波期间, 激光等离子体中的正离子 (以镁离子为主) 在电场作用下大量进入到电弧中, 因此电弧等离子体中的镁元素含量急剧增加, 表现为光谱中Mg原子的辐射强度大幅提高。同时, 从电弧中扩散出去的镁原子数量增加, 导致焊后焊缝周围存在大量的呈部分团聚状态的纳米镁粉。而当激光脉冲作用于电弧负半波时, 电场的作用导致镁离子向电弧空间扩散的难度较大, 因此, 镁原子辐射强度较低, 焊后焊缝周围的镁粉末较少。

4 结论

本论文研究了在激光-电弧复合焊接镁合金过程中, 激光脉冲作用于交流电弧放电正、负半波时焊接特性的差异, 并分析了其机制。通过本论文的研究, 得到如下结论:

1) 与激光脉冲作用于电弧放电的正半波相比, 激光脉冲作用于交流电弧放电的负半波时, 复合热源对焊缝的熔化深度较大, 焊缝附近的黑色镁粉末较少, 电弧等离子体体积剧烈膨胀, 且电弧中镁原子的光谱辐射强度较小。

2) 激光脉冲作用于电弧放电正、负半波时的差异主要来自电弧等离子体电场对激光等离子体作用的差异。激光脉冲作用于电弧正、负半波时, 激光等离子体中带电粒子对材料的熔化贡献均不大。但是, 激光脉冲作用于电弧放电负半波时, 激光等离子体的存在可以提高电弧等离子体的能量密度, 有利于提高热源的热穿透能力。

参考文献

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浅析手工电弧焊方法篇6

1 手工电弧焊的焊接过程

手弧焊时焊接电源的输出端两根电缆分别与焊条、工件连接, 组成了包括电源、焊接电缆、焊钳、地线夹头、工件和焊条在内的闭合回路, 即焊接回路。

手弧焊的焊接过程是从电弧引燃时开始的。炽热的电弧将焊条端部和电弧下面的工件表面熔化, 在焊件上形成具有一定几何形状的液体金属部分叫做熔池, 熔化的焊条芯以滴状通过电弧过渡到熔池中, 与熔化的工件互相熔合, 冷却凝固后即形成焊缝。显然, 熔池金属是由熔化了的焊件与焊芯共同组成。焊接时焊条药皮分解, 熔化后形成气体与熔渣, 对焊接区起到保护作用, 并使熔池金属脱氧、净化。随着电弧沿焊接方向前移, 工件和焊芯不断熔化而形成新的熔池, 原有熔池则因电弧远离而冷却, 凝固后形成焊缝, 从而将两个分开的焊件连接成一体。

2 手工电弧焊的特点

(1) 操作灵活。手弧焊所用设备简单, 便于移动且焊钳轻巧, 不受操作场地条件限制。凡是焊条能够到达的任何位置接头, 都可以用手弧焊焊接。

(2) 对接头的装配要求较低。由于手弧焊过程由手工操纵, 焊接时焊工可根据接缝处的变化适时调整电弧位置和运条手势, 修正焊接工艺参数, 以保证跟踪接缝和焊透。

(3) 可焊材料广。手弧焊不仅可以焊接低碳钢、低合金结构钢, 还可用于高合金的不锈钢、耐热钢以及有色金属的焊接。此外, 利用手弧焊堆焊技术, 还可以制造出具有耐蚀或耐磨等特殊性能的表面层。

(4) 生产率高、劳动强度大。手弧焊由于受焊条长度、直径与焊接电流的限制, 生产率比其它电弧熔化焊要低些, 劳动强度也较大。

3 焊条

3.1 焊条的组成与作用

焊条是供手工电弧焊用的熔化电极, 由焊芯和药皮两部分组成。

(1) 焊芯。焊条中被药皮包覆的金属芯称为焊芯, 焊芯的作用一是传导电流维持电弧二是熔化后作为填充金属进入焊缝。焊芯在焊缝金属中约占50%~70%, 焊芯的成分直接决定了焊缝的成分与性能。

(2) 药皮。焊条药皮是压涂在焊芯表面的涂层, 含有矿物质、有机物、铁合金和化工产品等四类原料。它的主要作用是使电弧容易引燃并且稳定燃烧, 保护熔池内金属不被氧化, 保证焊缝金属脱氧、脱硫、脱磷、去氢等;添加合金元素, 保证焊缝金属具有合乎要求的化学成分和力学性能。

3.2 焊条选用原则

(1) 等性能原则。焊接低碳钢或低合金钢时, 一般都要求对于焊缝金属与母材等强度;焊接耐热钢、不锈钢等主要考虑熔敷金属的化学成分与母材相当。

(2) 结构特点。对于形状复杂或厚大的构件, 应选用、抗拉性好的低氢焊条;对于立焊、仰焊焊缝较多的构件, 应选用适于全位置施焊的焊条;对于坡口位置不便于清理的构件应选用对水锈不敏感的酸性焊条。

(3) 工作条件。既考虑焊件的工作条件状况来选用焊条。在动载或腐蚀、高温、低温等条件下工作的焊件, 应优先选用“等性能”的碱性焊条。

(4) 其它。在满足上述原则的前提下, 还应结合现场施工条件、生产批量以及经济性等因素, 综合考虑后确定应选用焊条的具体型号。

4 焊接工艺参数

焊接工艺参数又称焊接工艺规范, 是焊接时为保证焊接质量而选定的有关参量的总称。焊接工艺参数主要包括焊条类型及焊接电流I、焊条直径d、焊接速度v、电弧长度、电弧电压U及焊接层数等。

(1) 焊接电流。焊接电流主要根据焊条直径选择。适当增大焊接电流能提高劳动生产率, 增大熔深;但电流过大, 不仅容易使焊缝咬边和烧穿, 熔深过大会加剧焊缝热裂倾向和使接头组织过热, 性能下降, 而且金属飞溅加剧药皮过热失效, 甚至焊芯被烧红或不规则熔断。电流过小, 容易引起夹渣和未焊透, 同样会降低接头性能。

(2) 焊条直径。焊条直径的大小与焊件厚度、焊接位置及焊接层数有关。一般焊件厚度大时应采用大直径焊条;平焊时, 焊条直径应大些;多层焊在焊第一层时应选用较小直径的焊条。

(3) 焊接速度。焊接速度一般由焊工根据焊缝尺寸和焊条特点自行掌握, 不应过快或过慢, 应以焊缝的外观与内在质量均达到要求为适宜。

(4) 电弧长度。电弧长度在焊条电弧焊过程中, 是靠手工操作来掌握的。电弧过长, 会使电弧不稳定, 熔深减小, 飞溅增加, 还会使空气中的氧和氮侵入熔池内, 降低焊缝质量, 因此电弧长度应尽量短些。

(5) 电弧电压。焊接过程中应尽量采用短弧, 电弧电压在25V~30V为宜。否则, 将使电弧燃烧不稳、保护不良、飞溅加大、熔深变小;还会引起焊不透、咬边、熔宽过大和气孔等缺陷。

(6) 焊接层数。无论是角接还是坡口对接, 均要根据板厚和焊道厚度、宽度安排焊接层数以完成整个焊缝。多层焊时由于后焊焊道对先焊焊道有回火作用, 可改善接头的组织和力学性能。

总之, 焊接工艺参数的选择, 应在保证焊接质量的条件下, 尽量采用较大直径焊条和较大电流进行焊接, 以提高劳动生产率。

5 手工电弧焊设备

焊条电弧焊的主要设备是弧焊机。按焊接电流的种类不同, 电焊机可以分为直流弧焊机和交流弧焊机两类。

5.1 交流弧焊机

交流弧焊机实际上是一种满足焊接要求的特殊降压变压器。焊接时, 焊接电弧的电压基本不随焊接电流变化。这种电焊机结构简单, 制造方便, 使用可靠, 成本较低, 工作时噪音较小, 维护、保养容易, 是常用的手工电弧焊设备, 但它的电弧稳定性较直流弧焊机差。

5.2 直流弧焊机

直流弧焊机所供给焊接电弧的电流是直流电。直流弧焊机分为两种:一种是焊接发电机, 即由交流电动机带动直流发电机;另一种是焊接整流器, 其特点是能够获得稳定的支流电, 因此电弧燃烧稳定、焊接质量较好。与交流电焊机相比, 直流弧焊机构造复杂、维修困难、噪音较大、成本高。适用于焊接较重要的焊件。

摘要：本文分析手弧焊过程、特点、焊条、焊接工艺参数及焊接设备的选择, 为实际生产起到指导作用。

关键词：手工电弧焊,焊条,焊接工艺参数

参考文献

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高频电弧发生电源的研制篇7

随着电力电子学的飞速发展和开关电源技术的广泛应用,电源高频化成为趋势。在光线陀螺生产线中,电弧发生电源的作用是产生电弧对光纤进行熔融拉锥加工,生产出满足偏振器、耦合器工艺标准的光纤。目前,市场上的交流电源产品一般属低压低频型,为此研制高频电弧发生电源既可提高光纤陀螺生产线的国产化程度和生产效率,也可以将其应用在其它工业领域,具有良好的经济社会效益。

1 电源方案设计

高频电弧发生电源的设计指标为:输入电压为单相AC 220V,50Hz;输出方波峰峰值为2～12kV(可调),33kHz;输出电流为9～15mA;最大输出功率为180W;功率因数大于0.95。

(1)前级为Boost升压式功率因数校正电路,为使电源输出波形峰峰值调节范围宽,需要在PFC级后加一级斩波电路以调节逆变器输入电压,因此选择非隔离型Buck斩波变换器,其特点是结构简单,输出低于输入。

(2)后级逆变电路的输入为Buck斩波电路的输出,相当于电压源,且要求输出方波,因此选用电压源型方波逆变电路。电压源型方波逆变电路根据电路拓扑结构可分为半桥型、全桥型、抽头变压器型,其中半桥型具有输入电压等于输出峰峰值的特点,故本设计选用半桥逆变电路。

高频电弧发生电源基本原理如图1所示。

2 单元电路设计

2.1 功率因数校正电路设计

功率因数(PF)定义为有功功率(P)与视在功率(S)的比值,即:

式中,I1为输入基波电流有效值;IR为电网电流有效值;U1为输入电压基波有效值;γ为输入电流的波形畸变因数;cosφ1为基波电压和基波电流的位移因数。

传统开关电源通过二极管整流器与电网相接,只有当线电压高于滤波电容电压时二极管才导通,从而造成电流尖峰,产生了大量谐波,使功率因数降低。本设计采用安森美公司的电流连续Boost型PFC电路控制器NCP1653设计固定升压输出的功率因数校正器,图2为基于NCP1653的PFC电路原理图。NCP1653的反馈环主要包括输出电压反馈回路(FB/SD端)、输入电压检测回路(In端)、电感电流检测回路(CS端),通过各反馈回路信号调节芯片内部乘法器的输出电压。当乘法器输出电压与内部锯齿波电压之和大于参考电压时,控制器内部PFC调节器输出驱动脉冲使开关管Q101关断;反之则驱动开关管导通。NCP1653还可通过反馈环快速调节控制开关管占空比,使它及时跟随电网输入电压,从而让整流桥后的负载Boost变换器呈纯阻性,达到提高功率因数的目的。

2.2 Buck斩波电路设计

本设计中,为降低电源系统复杂程度,选择非隔离式Buck斩波电路,其参数为:输入电压为DC390V;输出电压为DC 50～300V(可调);输出电压纹波为±2%;最大输出电流为0.6A。Buck斩波电路原理图如图3所示,通过脉冲信号控制开关管Q201的导通与关断以实现调压,输出电压经采样电阻分压后经调节器实现反馈稳压。变换器的输入输出同相,电压变换比为。

2.3 逆变电路设计

半桥型逆变电路原理图如图4所示。电容C1、C2组成变换器的一个桥臂,两电容上并接的电阻为均压泄放电阻。开关管Q3、Q4构成变换器的另一桥臂,由驱动脉冲控制上下管交替导通。高频变压器变比为1:40,原边峰峰值为300V,副边峰峰值为12kV。

3 控制电路设计

3.1 Buck电路控制驱动电路设计

Buck电路控制驱动电路如图5所示,采用电压模式,其优点是占空比调节范围宽、设计过程相对简单。选用美国SGS公司的电压模式集成PWM控制器SG3525A,优点是外接元器件少、性能好。SG3525A的误差放大器外围引脚1、2、9接成PI控制器以提高稳压精度;内部振荡器频率由引脚5、6外接阻容器件决定;两路PWM脉冲输出间的死区时间由引脚5、7间的跨接电阻决定;控制器软启动时间由引脚8外接电容决定;引脚10为外部关断端,接限流保护电路信号,高电平时封锁驱动脉冲输出。

由于开关管源级电位不固定,驱动不易,因此本设计Buck电路的驱动选择高速IGBT/MOSFET栅极驱动光耦HCPL3180,开关频率选择60kHz。

电压模式控制的反馈回路只响应输出电压变化而不响应电流变化,因此需要外部附加限流保护。本电源属于高电压、小电流,故选择串联电阻法,即在Buck调压电路输出侧半桥逆变电路地端串联取样电阻,利用比较器LM393接成单限比较器。当取样电阻电压高于基准电压时,比较器输出高电平,关闭SG3535A,注意限流值为0.6A。

3.2 半桥逆变器控制电路设计

逆变器控制电路与斩波电路相似,PWM控制器也采用SG3525;不同之处主要是半桥逆变器的PWM控制器接成开环状态,误差放大器外围电路接成跟随器,驱动芯片采用IR公司的高压浮动MOS栅极驱动集成电路IR2110。图6为半桥逆变电路控制驱动电路原理图。

4 实验结果

经测试,样机各项技术指标如下:

(1)前级功率因数校正电路最大输出功率为300W,输出电压为DC 390V,输出电压纹波小于7%VOUT,开关频率为100kHz。测试数据见表1。

(2)次级Buck变换器,输入电压为DC 390V,输出电压为DC 50～300V,开关频率为60kHz,最大输出功率通过限流电路设定在180W。图7为调压电路输出电压300V时的波形图。

(3)后级半桥型逆变电路的输出为高频方波。图8为高频变压器原边方波波形,峰峰值为300V,频率为33kHz。

由测试结果可知,高频电弧发生电源完全达到设计要求,电源整机效率为92%。

5 结束语

采用功率因数校正芯片NCP1653和电压模式PWM控制器SG3525设计了一种最大输出功率为180W的高频电弧发生电源。该电源采用三级结构,实现了高功率因数,并且输出波形峰峰值、频率可调,具有体积小、稳定性高、调节灵活等优点。目前,该高频电弧发生电源已投入光纤陀螺生产线耦合器制作工位,运行状况良好。

摘要：介绍一种用于光纤陀螺生产线的高频电弧发生电源的工作原理和电路设计。该电源采用功率因数校正技术达到单位功率因数,提高了电能利用效率;采用Buck调压电路调节输出电压幅值;利用半桥变换器产生所需方波;同时还具有完善的保护电路。调试结果证明,该电源满足设计指标,具有功率因数高、调节范围宽、体积小等特点。

电弧炉电极调节的研究篇8

关键词：电弧炉炼钢,电极调节,稳定性

电弧炉是利用电弧放热产生的能量来冶炼金属的工业设备, 在冶金工厂和机械制造厂中得到普遍的应用。电弧炉炼钢工艺与平炉, 转炉炼钢工艺相比, 具有冶炼温度高, 炉内气氛能灵活控制, 能充分回收废钢中的贵重金属元素, 钢液中的化学成分容易控制等优点, 在特种钢, 高级钢的冶炼中占有重要地位, 对其工业过程进行方方面面的研究, 有一定的经济效益和社会效益。

电弧炉在生产过程中为提高产品质量和降低成本, 对于不同的炼钢阶段, 要求电弧功率保持在不同的为位置, 因此电弧长度在不同阶段要分别保持稳定。想要电弧长度不改变, 可以连续调节电极与炉料之间长度来达到, 也就是说改变电弧炉功率的最简单的方法是通过改变电极位置来调节电弧长度。电弧炉调节器的调节任务和调节条件相当复杂, 在冷料熔化时长度为几毫米的电弧可以在很小的范围内就可以产生数百万瓦的功率。电弧产生温度可以达几千度, 炉料在电极产生的高温下迅速的熔化, 电弧会转移到电极附近的金属块上, 电弧长度、功率及电弧电流会不断发生改变, 面对如此多的干扰, 为达到消除干扰, 保持稳定的目的, 就需要电极的自动调节装置。

电极升降调节系统是由控制系统、调节器及驱动执行装置组成的一个闭环控制系统。对反馈的弧流和弧压数据进行高速采集, 按照不同的控制参数实时计算分析, 同时对射电参数进行比较, 将最终的控制数据传给电弧炉电极升降控制机构, 从而达到控制目的。在进行控制运算的同时, 与上位机进行实时通讯, 利用其强大的运算和分析, 通过分析后, 把最佳的控制参数送给控制系统, 然后进行控制。

在实际中, 对于大容量的网路来说, 网路相电压近似于常数, 弧压降和弧电流的关系可简化为一元线性函数关系, 在实际工业控制中, 多只通过检测转换弧电流来给出控制信号, 即弧电流被读进计算机, 与给定流进行比较, 得到弧电流偏差, 偏差反映了弧长的变化, 由此, 计算机按某种控制律给出控制信号, 即发送伺服阀控制电流液压伺服阀输出相应的阀位移, 控制液压缸升降, 带动电极调节弧长。

模型中阀--电极部分的模型为%

σr:电极位置, ωr:电极烧损情况, k系统增益。

推出系统的仿真模型:

系统扰动为:ξ (t) =K (t) ΔL+ξr (t)

GPC算法具有下列优点:

(1) 采用增量控制模型, 在自适应控制中能自动消除常值偏差, 适用于系统干扰是非平稳随机过程。

(2) 有大于时滞和模型阶次的大范围预测长度, 对时滞变化不敏感。

(3) 目标函数中含有加权项, 提供了一些控制器的调节手柄。

(4) 用了一组预测方程和预滤波多项式, 能更好的消除扰动的影响。

(5) 使用了滚动优化的思想。

通常GPC的性能指标采用如下形式:

即对输出项进行适当加权, 以抑制超调.在理论上讲, 可以在求得控制量之后, 对控制对象施加此控制求得系统的闭环传函, 对GPC进行极点配置, 获得期望的动态特性。但在实际上, 这却几乎不可行, 可通过下面简单的例子说明: