移动式钢轨交流闪光焊专用晶闸管方波逆变器主电路分析

王志伟，易 琼

(1.湖南铁道职业技术学院 电气工程系，湖南 株洲 412001；2.南车集团 株洲电力机车有限公司 技术中心，湖南 株洲 412001)

移动式钢轨交流闪光焊专用晶闸管方波逆变器主电路分析

王志伟1，易 琼2

(1.湖南铁道职业技术学院 电气工程系，湖南 株洲 412001；2.南车集团 株洲电力机车有限公司 技术中心，湖南 株洲 412001)

针对现有移动式钢轨交流闪光焊机系统三相负载不平衡和焊接波形不良的现状，研制一种新型的交流闪光焊专用晶闸管方波逆变器。通过主电路分析和样机试验证明，这种晶闸管方波逆变器能有效改善焊接波形，相比现有的钢轨交流闪光焊机晶闸管调压系统，可以节能30%以上。

钢轨；闪光焊机；晶闸管；方波逆变器；主电路

0 前言

目前，移动式钢轨交流闪光焊系统基本采用两个单相晶闸管反并联构成双向晶闸管接在三相电源的两相线上调压，以此来调节闪光焊的功率，这种功率调节方法结构简单可靠、成本低廉，调节方便。但在理论上和现场使用中都证实，这种功率调节方式在每个电源周期有两次短暂的闪光中断，闪光中断时长为晶闸管移相延迟时间，造成闪光加热过程不稳定，影响闪光焊接头质量。加之焊接电源使用的是三相电源中的两相，在焊接时这种功率调节方法会引起三相电源严重偏相，增加柴油发电机组工作负荷，使得焊接过程不稳定，焊接能量不足，在焊接钢轨时柴电机组长期处于短时超负荷的工作状态，柴油机寿命较短，油耗偏大，柴电机组在焊接钢轨时排放污染加剧；另外，单相供电功率不足，不易提高移动式钢轨闪光焊野外在线焊接质量，增加施工开天窗时间，延误施工工期，增加施工成本；而改造为逆变直流焊机，系统又需要重新设计，且可靠性不高，逆变器能耗较大。采用方波电源进行焊接，闪光火花细密，闪光均匀，火口浅，焊接质量比晶闸管单相交流调压好[1]，且节能效果良好。因此，有必要研制一种新型大功率钢轨交流闪光焊专用逆变电源来解决这些问题。

1 移动式交流钢轨闪光焊机专用晶闸管方波逆变器主电路原理分析

目前交流闪光焊用方波逆变器逆变主电路采用开关元件构成全桥H桥逆变电路，根据开关元件的不同，将方波逆变器主电路分为晶闸管逆变器、GTO逆变器、IGBT逆变器、IGCT逆变器和IGET逆变器五类。依据钢轨交流闪光焊短时电流大、负载功率因数低、冷却条件差、短时过载严重，野外工作时设备维修不便、备件短缺等特点，考虑到我国铁路焊接施工和维修条件，选择晶闸管方波逆变器作为钢轨交流闪光焊机的逆变主电路[2]，并采用模块化结构。该焊机逆变主电路结构示意如图1所示，为方便分析，该图省略了并联在各半导体元件上的阻容吸收电路和串联在主电路中的快速熔断器。

图1 晶闸管方波逆变器主电路原理

该电路实际上为反振式逆导晶闸管斩波器的一种变形。图1中，Cd为逆变器输入直流支撑电容，VT1～VT4为H桥逆变晶闸管，VD1～VD4为逆变桥续流二极管，VT5为逆变桥辅助关断晶闸管，VD5为辅助关断电路充电二极管，C1为反振电容，L1为反振电感，T1为闪光焊变压器负载。当逆变电路上电且Cd充满电后，逆变电路两端电压达到Cd等电势，此时VD5正偏导通而VT5反偏截止，电源正通过VD5向C1充电，并经L1流回电源负，且其充电电流受L1限制不能很快增大，C1此时极性为上负下正，充电结束，由于VT5尚未导通且VD5反偏截止，故C1保持过充电，其过充电压高于电源电压，为可靠关断逆变H桥做好准备。

当需要闪光焊接钢轨时，VT1、VT2导通，T1得电，其电流方向为从上至下，但对于VT5、VD5、C1、L1回路而言，由于VD5反偏截止，VT5未导通，故C1无法放电，仍保持过充电状态。

经过一定时间(这段时间即为T1得电时间)后，触发VT5使之导通，此时C1经VT5、VT1、VT2、L1放电到L1形成LC振荡回路，此时通过VT1、VT2的电流为振荡电流和负载电流，通过VT5的电流即为振荡电流，C1反向充电直至上正下负。

已处于上正下负过充电状态的C1再次经L1放电，由于VD1～VD4都是正偏导通，VD5也正偏导通，而VT1～VT4皆反偏截止，因此在这次C1放电时，VT1～VT4电流逐渐下降直至关断，同时VT5也因为反偏而关断，电路又恢复到阻断状态，为下一次逆变器工作做好准备。

VT3、VT4工作时，逆变器同样按上述原理工作。

此电路的最大特点是主电路元器件成本较低，已完全实现国产化，且工作于低频状态，故可采用国产快速晶闸管实现本逆变电路；同时，快速晶闸管耐电流的能力大，因此这种逆变器比IGBT逆变器更适合在短路工况下工作，且过电流保护可采用快速熔断器实现，保护电路相对简单。但晶闸管属于半控器件，必须使用辅助关断电路，因此该逆变器主电路结构比IGBT逆变器复杂。而晶闸管关断速度较慢，故本逆变器的开关损耗比IGBT逆变器要大一些；但晶闸管通态压降比IGBT小，晶闸管通态压降损耗比IGBT稍小。综合来看，在低频开关电路中，晶闸管逆变器总损耗比IGBT逆变器稍小，能较好地处理主回路元件的散热问题，维护成本低。

2 晶闸管方波逆变器参数计算和设计

根据上述晶闸管方波逆变器原理和文献，试制的微型闪光焊模拟样机参数如下：系统供电电压DC 300 V～DC 500 V；额定负载功率500W，最大功率1 000 W；逆变器最大不失控电流2 A；晶闸管(型号TYN1225)典型关断时间tq＝75 μ s；C1＝7.3 nF，耐压1 600 V DC，L1＝73 μ H，额定电流2 A，VT1～VT5型号TYN1225，该型晶闸管额定电流IT(AV)＝16 A，UDRM＝1 200 V DC，VD1～VD5选型为FR607快恢复二极管。

3 实验结果

模拟样机试验负载为碳棒电弧负载，采用微型计算机对该逆变器进行全数字化控制，实验发现：电路逆变效果稳定，电弧稳定燃烧，电弧负载调节特性好，主晶闸管可靠关断，焊接波形较好，且由于焊机电源三相负荷平衡，焊接节能效果比通常双向晶闸管调压的交流闪光焊机节能约30%，配合三相四线可控整流电路，本机总功率因数达0.95，谐波分量少，对电网干扰小。

4 结论

现有的移动式交流钢轨闪光焊机因采用双向晶闸管调压而普遍存在三相负荷不均衡现象，加之过零点存在延迟使得焊接电流中断而造成焊接质量不高。采用晶闸管逆变方波电源，可缩短过零点延迟时间，稳定闪光电压，有效提高焊接质量，降低焊接能耗，消除三相负荷不均衡现象。

[1]杨来顺.钢轨焊接工[M].北京：中国铁道出版社，2000：218.

[2]蔡君时.无轨电车的斩波控制[M].北京：中国铁道出版社，2000.

Analysis of SCR square wave inverter main circuit in flash-butt-welding system for mobile railway

WANG Zhi-wei1，YI Qiong2
(1.Electrical Engineering Department，Hu'nan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China；2.Technical Center，CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001，China)

Aim to current unbalanced three-phase loads and poor welding quality of flash-butt-welding system for mobile railway，this paper developed a new type square wave inverter dedicated to AC flash butt welding，the analysis and practice can prove that the SCR square wave inverter can improve welding waveform，and may save energy 30%or more compare traditional AC flash butt welding.

rail；flash-butt-welding machine；SCR；square-wave-inverter；main-circuit

TG438

A

1001-2303(2012)04-0047-02

2011-09-28

王志伟(1973—)，男，湖南湘潭人，讲师，硕士，主要从事钢轨闪光焊系统供电电源及特种电力电子装置的研发和教学工作。