交流电焊机新型保护装置产品设计研究

路金星

（北京工业职业技术学院，北京 100042）

0 引言

随着经济建设的发展和科学技术的进步，电焊机的应用越来越广泛。目前在有些企业中，交流电焊机已安装了保护装置，起到了安全和节能的作用。但是，在现有技术中，没有充分考虑电焊机使用环境的复杂性，如电焊机工作电流大、温升高、杂散磁场大，元器件温升高等因素。另外，要求焊接回路电阻值较低，而现场实际焊接件因锈蚀等原因造成回路阻值又较高。因此，在实际应用中就反映出引弧打火困难、保护装置使用寿命短、返修率高、群机应用误动作多等现象，很难推广使用。针对以上问题，对交流电焊机二次侧保护装置设计研究出了一种新型保护装置，能很好地解决引弧难等存在的问题。

1 交流电焊机二次侧安装保护装置的意义

电焊机安装保护装置后，焊接时，焊机电源通电，停焊时，焊机电源断电，从而保护了焊工的人身安全。另一方面，焊机断电后，焊机没有空载损耗，也可节约大量电能。

国际电工委员会（IEC）在《电击保护》中规定：“人体直接接触交流电压不超过25 伏，直流不超过60 伏”。交流电焊机在焊接时二次工作电压22～24 伏，对人身是比较安全的。当焊接中断，焊机呈空载状态时，二次空载电压立即上升为70～90 伏，大大超过人体安全电压。

电焊工人经常站立在接地极板上，身体可能随时接触到二次电压的一端，其结果轻则产生麻电现象，重则会造成触电死亡。国家劳动部监察局组织编写的《安全工程手册》 中明确指出：“电焊机一般都应装设空载自动断电保护装置，以便在安全电压条件下更换焊条和降低空载损耗。凡是在船舱，锅炉，金属容器或管道内，金属结构上登高焊接作业等，则必须装设焊机空载自动断电保护装置。”

交流电焊机二次线圈与一次380 伏线圈属于电磁耦合的隔离电路形式。二次回路发生人体触电时，在一次回路中不能反应出不平衡电流，所以，对于二次线圈空载电压触电危险使用漏电保护器是保护不了的。因此，交流电焊机二次电路空载电压存在的触电危险问题，在低压回路中就成了人身触电保安方面的空白点。被电焊机二次电压电击死亡的事故屡屡发生。

另一方面，交流电焊机耗电量大，功率因数低，空载耗电量白白浪费，已被列入十大耗能机电产品之一。因为电焊机是电感性负载，空载时要和电源进行能量交换，产生无功功率，占用电源容量。除正常工作耗电外，据现场实测，交流电焊机空载损耗约为总容量的6%～10%，在焊接工作中时常会出现焊接间断时间，在此间断时间内焊机是空载运行状态。一般累计间断时间比较长，造成一定的空载损耗，这部分电力损耗也不可忽视。经北京市节能中心测试，一台焊机采用安全节能技术后，约能节约无功功率3.3Kvar，对于交流电焊机多的用户，经济效益和社会效益就更加显著。

交流电焊机采用电力电子技术，既能保证人身安全，又能创造很高的经济效益。所以，将二次侧保护装置应用在交流电焊机上具有非常重要的意义。

2 新型保护装置的设计研究方案

电焊机装配防触电保护装置，可起到防触电作用。一般采用焊机一次侧串入关断元件，产生单一的开机信号，驱动触头短接该元件，使焊机正常供电；当焊工停止焊接时，电焊机自动关断，达到防触电目的。其研究方案如下：

电源电路由交流降压变压器（B1）、二极管（D1-D4）、电容（C1）、电阻（R1）、电容（C2）、三端集成稳压器（W7812）组成。得到12V 输出直流电压，供整机使用。

取样电路由压电晶体（YD）、电焊机变压器（B），谐振电容（C3）和（C4）、磁芯变压器（B2）、电阻（R3）、电容（C5）组成，得到开机信号。

比较电路由电压比较器（IC1）、二极管（D5-D6）、电压并联正反馈电阻（R5）、电容（C6）、稳压管（W1）、限流电阻（R6）组成，以防止有串扰信号引起误动作。

放大电路由集成运算放大器（IC2）、比例电阻（R8-R9）、三极管两级直接耦合放大电路（BG1-BG2）、基极偏流电阻（R10）、集电极电阻（R11-R12）组成，把开机信号放大。

开机电路由单向可控硅 （TCR）、功放电路（BG3-BG4）、电压自举电路（D11-D12）、继电器（J）、充电电容（C8）、交流接触器（QC）组成，使电焊机变压器（B）导通。

关机电路由电抗器（B3）、二极管（D13）、电容（C9）、电阻（R20）、稳压管（W2）、比例运算放大器（IC3）、充电电容（C10）、继电器（J）、交流接触器（QC）组成，当焊工停止焊接操作时，电焊机变压器（B）断开电源。

本研究方案的目的是提供一种适应性强、工作可靠、安全耐用、引弧性能好的防触电保护装置。

本研究方案的目的是这样实现的: 焊工轻敲焊钳，压电晶体产生的电压经电焊机的变压器升压后，送到磁芯变压器两端再次升压，经过滤波，得到开机信号。此信号与电压比较器的定值信号进行比较，符合开机信号电压便输出电压，经同相比例运算放大器放大输出，再经三极管直接耦合放大，触发单相可控硅导通。再经三极管功放电路进行电流放大，使继电器导通，常开接点闭合，交流接触器导通，电焊机通电，此时引弧电压较高，焊工可以焊接操作。焊接操作后，电抗器感应出交流电压，经半波整流、滤波、稳压、集成放大、三极管放大后，输出电压到继电器。当焊工停止焊接操作后，电抗器不能感应出交流电压，没有放大信号，继电器被关断，常开接点断开，交流接触器断电，电焊机断电。

采用上述方案后，焊机误动作少，安全可靠性高；便于引弧，解决了多年来由于引弧难而不能推广使用保护装置的难题，提高了焊机二次侧防触电保护装置的实用性。

3 新型保护装置主电路工作原理

下面结合图1 对保护装置部分电路的工作原理作详细的描述。

380V 交流电经（B1）降压后，进入由4 只二极管组成的全波桥式整流电路，再经由（C1）、（R1）、（C2）组成的滤波电路滤波，送到三端集成稳压器进行稳压后得到12V 直流电供电路使用。

图1 交流电焊机二次侧保护装置主电路工作原理图Fig.1 Attached diagram: The main circuit operation principle diagram of alternating current welding machine's two-side protection device

（B）是电焊机的变压器，（H）是电焊机的焊钳，（D）是电焊机的地线。（YD）是压电晶体，作为振荡器使用，是基于它的压电效应。在晶体的两个极上加一外力时，会使晶体产生机械变形和产生机械振动，同时机械变形振动又会产生交变电场，这种交变电场的电压其振动频率是十分稳定的。焊工在作好焊接准备后，轻敲焊钳，产生的电压被电焊机的变压器升压后，送到磁芯变压器（B2）两端。选择合适的电容（C3-C4），便于和压电晶体（YD）产生的频率谐振，以获得谐振电压。电压信号经磁芯变压器（B2）升压后，再经（R3）、（C5）滤波，得到开机信号。

（D5-D6）组成过电压保护电路，（R5-R4）构成分压电路，决定（IC1）电压比较器的门限电压。只有输入信号大于电压比较器的门限电压时，（IC1）才能有输出信号。（C6）用来滤掉（IC1）输出端中的杂波信号。输入信号经（R7）从同相端输入，经（IC2）集成运算放大器放大后，直接供给（BG1）作进一步的放大。

开机信号放大后，直接加到单向可控硅（TCR）的触发极上，（TCR） 导通。电流经R13、TCR、D7、R15 加到（BG3）的基极上，同时给电容（C8）充电，（BG3-BG4）功率放大电路开始工作。（LD1）黄灯亮，继电器（J）导通，常开触点（J2-J3）闭合，红灯（L）亮，交流接触器（QC）导通，电焊机变压器（B）导通，此时焊机两端电压（HD）为工作电压。此电压较高，引弧时对锈蚀金属产生击穿作用，便于引弧，从而解决了引弧难的问题。

4 结束语

电焊机安装二次保护装置，既节电又安全，一直得到政府有关部门的大力支持。但目前使用的电焊机二次侧保护装置产品，还存在着一些技术上的难题，致使这些产品不能很好地推广使用。而本研究的新型保护装置采用压电晶体等新技术，已很好地解决了引弧难等技术问题。此项焊机二次侧新型保护装置体积小、成本低、接线简便，实用性强。

此样机经多家单位现场使用后，效果良好，已具备了推广使用的条件。

[1] 路金星.安全节能技术在交流电焊机上的应用[J]. 电气时代，2004，8.

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[4] 路金星，陈国功.电焊机二次侧防触电保装置[P].中国：ZL2004 20058773.7,2006.3.8.