新一代固态高频焊机的技术特点

1. 固态高频焊机工作原理

        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。

                                                     

                                                                               图1 固态高频焊机电路结构

2. 新一代固态高频焊机的控制技术特点

2.1显示仪表数字化

        整流柜与操作台面板安装多功能数字表,具有三相进线电压、三相进线电流、功率因数、无功功率、有功功率、电能、直流电压、直流电流等参数显示,并通过通讯远传至上位机实现控制、显示和记录。

2.2全数字整流控制板

        1)采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)主控芯片,主频高达100M;16位A/D转换芯片(原控制板采用8位A/D转换芯片)数据分辨精度高。

        2)取消了板卡上的所有调节电位器(原控制板中有12个调节电位器),彩色触摸屏控制和参数设定,调试、操作简单直观。

        3)整流板中的所有参数可以通过通讯远传至上位机显示和记录。

        4)FPGA特有的并行工作方式可保证程序各单元模块相互高速独立运行,并且由于FPGA芯片内部为硬线逻辑,不存在程序跑飞的问题,增强了控制系统的稳定性。

         5)全数字整流板采用双闭环PI调节器,内环为电流调节环,外环可设为恒功率或恒压两种工作模式(触屏可选),具有控制精度高、调节速度快、灵活性强、接口扩展性好等特点,可实现真正的一键控制。

                                                                                        图2 开关整流柜面板

2.3全数字逆变控制板

        融合了国际上同类产品先进的控制理念,通过智能可编程器件FPGA实现了固态高频焊机的定角锁相控制、上/下限频率失锁保护等先进控制保护技术,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保护更加准确有效。同时具有频率显示及输出功能(原逆变控制板不具备此功能),可远传运行参数至PLC显示并记录。由于采用了高速数字逻辑芯片和磁隔离技术,驱动脉冲的误差精度由过去的25ns提高到了4ns,即控制精度提高了6倍,这使得高频焊机的驱动误差可忽略,极大提高了设备的稳定性和可靠性。

                                                                                        图3 全数字整流板

2.4速度功率闭环

        1)焊机可采用速度—功率闭环控制,保证焊速和焊机输出功率自动匹配,便于整线自动控制、提高了钢管的成品率、减轻了操作人员的劳动强度。

        2)新控制系统具根据需方的生产规格和壁厚以及车速,合理测算高频焊机的功率大小功能。只需在新控制系统的操作台触摸屏中输入相应的规格和壁厚,系统自动计算并显示出不同分段速度对应高频焊机的功率值,并对焊机功率进行实时控制。

        3)主操作台采用单独的西门子S7-1200 PLC对每台直流调速柜进行单独的逻辑控制和单独的速度给定,并能自动调节或报警处理。考虑差值调节。触摸屏中可以人工调节。解决二联动及以上等多联动时达到机组电机运行的匀速、同步状态。

2.5脉冲屏蔽技术

        基于最新研发的FPGA全数字逆变控制电路,高频焊机的阻抗匹配调节采用了脉冲屏蔽技术,彻底解决了原高频焊机的负载匹配难题,提高了焊机对不同管型和不同焊接方式的适应能力,具有以下优异的性能:

        1)焊机在30%~100%功率输出时可一直保证直流电压处于额定最大值,而输出电流连续可调,焊机在该功率范围内具有最高的功率因数和最小的谐波电流。

        2)焊接不同规格管型的钢管,不需客户对焊机做任何电气或机械调整,焊机都可保证额定功率输出。

        3)接触焊和感应焊双用途焊接时,不需客户改变焊机任何参数,焊机可自动适应两种焊机方式的切换,并保证额定功率输出。

                                                                                         图4 参数设定界面

2.6以太网组网技术

        开关整流柜与操作台采用以太网通讯组建成分布式控制生产线。相比原电气硬线控制方式,具有现场布线简单方便、降低客户成本和维修成本等优势。相比MODBUS通讯和DP通讯方式,具有速度更快、抗干扰能力更强等特点。同时,该分布式控制系统还可以进行焊机和生产线参数的数据采集和记录。

2.7云端控制技术(可选项)

        选配云端服务模块,所有数据可以无线方式接入客户端电脑或管理人员手机,能够远程实时监视生产线运行状态,并能远程控制生产线的启停。极大方便了客户对生产线进行数据分析、产品质量控制、生产安排和更高要求的自动化控制。

                                                                            图5 以太网组网分布式控制系统

3. 新一代固态高频焊机的结构工艺改进

3.1逆变桥板新工艺设计

        新工艺逆变桥板由全数控机床生产的嵌铜管表面镀锡工艺,水冷板表面更平整、冷却效果更好,功率元件温度在同等环境下比原逆变桥板(采用5mm厚紫铜板表面镀锡工艺+表面焊接铜管冷却方式)冷却方式低3~5摄氏度,提高了功率器件的安全性。

                                                                                            图6 新逆变桥板

3.2桥板高频电容采用PCB板安装工艺

        逆变桥板的高频吸收电容数量为原桥板的3倍,布局更加合理,组装维护更加便捷,吸收效果更好,保证了功率器件的安全运行。

3.3全新磁隔离MOS驱动板

        新驱动板采用高速磁隔离芯片替代了原磁罐变压器,彻底解决了脉冲延时时间长、延时不确定、脉冲杂波等固有缺陷。此外,新驱动板还增加了MOS负压检测功能、MOS管脉冲检测功能、控制电源检测功能。不仅检测更加准确,而且可有效防止设备带病工作、减小维修不彻底带来的二次损坏。

3.4匹配变压器和槽路电容的温度保护

        匹配变压器和槽路电容加装温度开关,防止水管管路堵塞造成的器件过热损坏。

3.5逆变桥输出极板优化

        逆变桥输出极板更改为水冷设计,防止输出极板过热造成功率器件损坏和连接铜排过热,有效降低了逆变柜温度。

3.6焊机结构优化

        开关新一代固态高频焊机整体结构进行了优化,结构更加合理,更加便于维护维修,整体美观度得到了提高。

4. 中央操作台

  • 采用不锈钢台面,外形美观,便于清理。
  • 操作台采用数字表计、西门子PLC系统、10寸彩色触摸屏,显示准确直观。
  • 操作台和高频焊机采用以太网通讯组建成分布式控制,相比原电气硬线控制方式,具有现场布线简单方便、降低客户成本和维修成本等优势。相比MODBUS通讯和DP通讯方式,具有速度更快、抗干扰能力更强等特点。
  • 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。可以实现焊机和生产线参数的数据采集和记录。
  • 可根据用户的实际需求增扩功能。

                                                                          图7 开关整流柜、逆变输出柜、操作台