浅淡交流电焊机的空载节电

　

摘要：交流电焊机在建筑施工现场是一种不可缺少的焊接工具之一 ，但是在实际的使用过程中，电焊机的空载时间甚至超过了操作时间，其空载损耗一般约在200W左右。这不仅白白浪费了许多电能，还会降低电网的功率因数，甚至会造成人身触电伤亡事故。至此，我利用普通晶闸管可关断电源的电路，来实现电焊机空载节电电路，只要随手关掉焊钳手柄上的开关，即可实现断电的节电电路。并在实际操作中取得了良好的节电效果。其特点是：功耗低、操作方便、动作简捷、灵敏可靠、实用性强等优点。

关键词：晶闸管控制 节电 提高功率因数
　　我公司属于地铁、热力管线、电力隧道及人防等地下暗挖工程的施工企业，由于施工中的主要材料为大量的钢筋拱架、网片及金属管道焊接等工作，每天都有几十台的电焊机同时工作，在电焊工作中，从焊好一道焊缝到焊接下一到焊缝时，经常要做很多辅助的工作。这时的电焊机就处于空载运行状态，电焊机变压器的初级绕组中仍有空载电流流过，有时工人吃饭或下班都忘记关掉电源。这样，就白白浪费掉许多电能。为了减少这些无功电能损耗，使电焊机工作时有电，停焊时就能断电的控制，我采用了两个单向或一个双向晶闸管作为交流电焊机的电源开关。因为双向晶闸管在正、反相电压下都不能导通，要想导通必须经控制级和阴极所加一个触发电压才能导通。所以可以用它做电焊机的交流开关，利用双向晶闸管作电子开关比机械开关更加优越。因为只需很低的控制功率，就能控制相当大的电流，它不存在触点抖动问题，动作速度极快，在关断时也不会出现电弧现象。
一. 晶闸管的工作原理：
　　经闸管是由两层P型和两层N型半导体交叉迭装而成，在这四层半导体的交界面处形成3个PN结，从一端的P区引出一个阳极（A），从另一端的N区引出一个阴极（C），在中间层的Ｐ区引出一个控制极（G）。可见，经闸管是一种四层三端器件，电路中用V表示。当经闸管的阳极A加正向阳极电压，可以理解为一个PNP型和一个NPN型的三极管直接耦合而成的。

<图1>晶闸管的外形及图形符号
二、可控硅的特性:
　　可控硅分单向可控硅、双向可控硅。单向可控硅有阳极A、阴极K、控制极G三个引脚。双向可控硅有第一阳极A1（T1），第二阳极A2（T2）、控制极G三个引脚。只有当单向可控硅阳极A与阴极K之间加有正向电压，同时控制极G与阴极间加上所需的正向触发电压时，方可被触发导通。此时A、K间呈低阻导通状态，阳极A与阴极K间压降约为1V。单向可控硅导通后，控制极G即使失去触发电压，只要阳极A和阴极K之间仍保持正向电压，单向可控硅继续处于低阻导通状态。只有把阳极A电压撤除或阳极A、阴极K之间电压极性发生改变（交流过零）时，单向可控硅才由低阻导通状态转换为高阻截止状态。单向可控硅一旦截止，即使阳极A和阴极间又重新加上正向电压，仍需在控制极G和阴极K之间重新加上正向触发电压方可导通。单向可控硅的导通与截止状态相当于形成的闭合和断开状态，用它可制成无触点开关。
三. 电焊机空载节电控制开关电路设计
　　主电路由双向晶闸管、熔断器、电焊机变压器、开关等组成，控制电路则由晶闸管VS的触发极G微动开关SA2组成。当电焊机工作时其工作原理如下：（详见图2）

<图2>双向晶闸管的控制原理图
　　图2当合上开关SA1，接通380V电源，在焊机未焊接前，即当焊钳按钮开关SA2处于断开状态时，晶闸管的阳极A和阴极K之间只是加上一个正向电压，由于控制极G未加触发电压，晶闸管内部有一个PN结处于反相偏置，因此其中只有很小的电流流过，这个电流为正向漏电流。这时，晶闸管阳极和阴极之间表现出很大的内阻，处于阻断（截止）状态，此时晶闸管VS无触发信号而不导通。当焊接工作开始时，只要操作人员按下SA2开关时，双向晶闸管VS经控制极（G）和阴极（K）加正向电压被触发导通。焊机接通电源即可以进行焊接。当焊接结束时，只要工作人员关掉SA2开关，维持元件继续导通的最小电流为维持电流IH。当晶闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。这里的R、C是保护电路，其作用主要是防止电压突变时使VS损坏。

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<图3>两个单向晶闸管控制原理图
　　图3为采用两个单向晶闸管实现的节电电路。其工作原理和双向晶闸管的工作原理差不多。工作时手握焊钳，用手指按下按钮开关SA2后, VS1、 VS2的控制极便靠对方的漏电流相互触发至使两个单向晶闸管同时导通，焊机接通电源后，便处于工作状态，即可焊接。当要停焊时，再按一下SA2,后，VS1, VS2便会在电压过零时迅速关断，从而断开电焊机的电源，电路中压敏电阻RV用于吸收操作高峰电压，保护VS1, VS2。要控制交流负载，必须将两只单项晶闸管反极性并联，让每只SCR控制一个半波，为此需两套独立的触发电路。


四、元器件选择
　　双向晶闸管VS由于能承受较大电压，因此安全系数不必过大。在380V交流回路中，一般取600V即可。双向晶闸管的额定电流以有效值计算，因此元件额定电流的选择只要大于负载电流有效值即可。为安全起见，可取焊机初级最大电流的1.2倍左右。我公司电焊机均使用BX3－500型电焊机，一次最大电流为75A乘以1.2倍得90A，可选KS-100-8-21型，其中KS表示双向可控（闸流）额定通断电流100A，断态重复峰值电压8级（800V）断态电压临界上升率（Dv/Dt）2级（不小于200V/VS）换向电流临界下降率（Di/dt）1级（不小于1％额定通断电流＝1A/us）。即可，为了限制加在双向晶闸管上的（Du/Dt）值，防止误导通，在元件两端要并联阻容电路，通常取R=50~100Ω; C=0.1uf。电容C和电阻R是常用的过电压保护方法，是加一个阻容吸收电路，利用电容器电压不能突变的特点，把尖峰电压吸收。其实质是当电流切断的瞬间，把电感回路内的磁场吸收过来，转变成电场，能储存在电容器中，然后电容器通过电阻放电，把聚积的能量逐渐散掉。阻容吸收电路中的电阻，不仅可以减小放电时的电流冲击，而且还可以抑制电容与负载电感可能引起的自激振荡。并联在晶闸管上的阻容吸收电路要尽量靠近元件，引线要短，最好采用无感电阻。通常这种阻容元件参数可按下表的经验数据选用。在大容量的晶闸管电路中，也可接入非线性电阻器件（如压敏电阻或硒堆），用来抑制电网上侵入的很大的、持续时间较长的浪涌电压。
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