一种移动式交流钢轨焊机专用的发电机组

摘要

本发明公开了一种移动式交流钢轨焊机专用的发电机组，包括发动机、发电机、可编程控制器以及电流变送器，发电机由发动机驱动；其特征在于：发电机为大功率的电励磁单相同步发电机，内置数字电压调节器，由数字电压调节器调节励磁参数从而调整发电机的输出电压；电流变送器设置于发电机的输出回路中，电流变送器将发电机的输出回路中的电流信号送至可编程控制器，可编程控制器与数字电压调节器电连接。发电机的输出电压并非自身独立调节，而是采用带计算机接口的数字电压调节器控制发电机，发电机输出高低由可编程控制器根据焊接工艺要求直接进行超前的快速调节，能进一步减小发电机的配套功率并同时提高焊接质量。

权利要求

1.一种移动式交流钢轨焊机专用的发电机组，包括发动机（5）、发电机（1）、可编程控制器（3）以及电流变送器（4），发电机（1）由发动机（5）驱动；其特征在于：发电机（1）为大功率的电励磁单相同步发电机，所述大功率是指功率在250KVA以上，内置数字电压调节器（2），由数字电压调节器（2）调节励磁参数从而调整发电机（1）的输出电压；电流变送器（4）设置于发电机（1）的输出回路中，电流变送器（4）将发电机（1）的输出回路中的电流信号送至可编程控制器（3），可编程控制器（3）与数字电压调节器（2）电连接；可编程控制器（3）根据焊接工艺的要求对发电机（1）的励磁参数进行编程，焊接电流大则控制发电机（1）的输出电压升高，焊接电流小则控制发电机（1）的输出电压下降；数字电压调节器（2）受可编程控制器（3）的指令调节励磁参数。

2.根据权利要求1所述的发电机组，其特征在于：可编程控制器（3）与数字电压调节器（2）通过数字RS485接口电连接。

3.根据权利要求1所述的发电机组，其特征在于：可编程控制器（3）与数字电压调节器（2）通过模拟电流/电压接口电连接。

4.根据权利要求1所述的发电机组，其特征在于：所述的发动机（5）为柴油发动机或燃气发动机。

说明书

一种移动式交流钢轨焊机专用的发电机组

技术领域

[0001] 本发明涉及轨道交通工程施工设备领域，特别涉及移动式交流钢轨焊机专用的发电机组。

背景技术

[0002] 现有国内、国外的应用技术中，在轨道移动施工应用最广泛的是采用柴油发动机拖动恒压运行的三相交流电励磁同步发电机为轨道焊机提供可移动的焊接电源。焊接电源的供电回路通过大电流（1400～2000A）的双向晶闸管与焊接设备的单相变压器的初级绕组连接，焊接的输出电流按系统程序根据工艺要求控制双向晶闸管的导通角实现调压/变流。由于采用晶闸管进行移相调压，移相斩波导致电流产生大量的高次谐波，高次谐波分量抑制了变压器及发电机的输出功率，并导致相关部件、器件发热产生损耗。另外移相调压使发电机的功率因数大幅度下降，进一步导致能耗增加。另一方面，更大的技术缺陷是——焊接变压器是单相，对普通的三相电源，特别是采用的柴油机驱动的三相同步发电机，缺相运行应用，电机的最高利用率只有0.577，而单相不对称运行导致发电机产生大量的负序电流和零序电流，这些负序电流和零序电流会大大增加发电机的功率损耗及磁场不平衡导致的震动，进一步降低了发电机的效率与使用寿命（震动加速轴承磨损）。另外，通常的同步发电机均须采用自动电压调节器进行励磁/输出电压调节。当焊接在预闪、顶锻阶段（变压器输出近似被短路，瞬时将需求三倍以上的输入功率），发电机被突加超过100%负载，但由于励磁调节电流的滞后（检测到电压下降才增加励磁电流，按ISO8528及国标GB/T2820对发电机组的要求：瞬态响应允许恢复时间为≤4秒），发电机输出电压必然会产生较大的瞬态下跌偏差，几秒的恢复时间将导致闪光焊接质量下降。为了提高焊接的质量（改善瞬态响应），通常是选配为单相变压器3倍以上容量的发电机(例如：50%暂载率设计，250KVA的焊接变压器，多配置750KVA～1000KVA的发电机)。发电机的功率选大了，拖动的发动机也须同时相应加大匹配功率，当然系统的能耗、体积及造价也同时增大了不少。

[0003] 因此，现有的移动式交流钢轨焊机专用的发电机组具有能耗大、造价高等缺陷。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高效、综合造价低的移动式交流钢轨焊机专用的发电机组。

[0005] 本发明的技术方案如下：

[0006] 一种移动式交流钢轨焊机专用的发电机组，包括发动机、发电机、可编程控制器以及电流变送器，发电机由发动机驱动；其特征在于：发电机为大功率（250KVA以上）的电励磁单相同步发电机，内置数字电压调节器，由数字电压调节器调节励磁参数从而调整发电机的输出电压；电流变送器设置于发电机的输出回路中，电流变送器将发电机的输出回路中的电流信号送至可编程控制器，可编程控制器与数字电压调节器电连接。

[0007] 进一步的，可编程控制器根据焊接工艺的要求对发电机的励磁参数进行程序化控制，焊接电流大则控制发电机的输出电压升高，焊接电流小则控制发电机的输出电压下降。

[0008] 进一步的，数字电压调节器受可编程控制器的指令调节励磁参数。

[0009] 进一步的，可编程控制器与数字电压调节器通过数字RS485或模拟电流/电压接口电连接。

[0010] 进一步的，所述的发动机为柴油发动机或燃气发动机。

[0011] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：

[0012] （1）发电机的输出电压并非自身独立调节，而是采用带计算机接口的数字电压调节器控制发电机，发电机输出高低由可编程控制器根据焊接工艺（与焊接工件的间隙调节配合）要求直接进行超前的快速调节（有效减少发电机的瞬态输出电压下跌），能进一步减小发电机的配套功率并同时提高焊接质量；

[0013] （2）采用单相同步发电机，比三相同步发电机体积更小、效率更高、设备寿命更长；

[0014] （3）取消了用于焊接电流调节的晶闸管，回路为纯正弦电流供电。由于降低了谐波的损耗，可再优化发电机与原焊接变压器的容量设计，进一步降低设备成套的成本。

附图说明

[0015] 图1是本发明的结构示意图；

[0016] 图2是传统发电机组的结构示意图；

[0017] 图3是本发明发电机组未接焊接负载（接近空载）的电压波形；

[0018] 图4是本发明发电机组未接焊接负载（接近空载）电压的谐波分析；

[0019] 图5是本发明发动机组输出200V、409A负载时的波形图；

[0020] 图6是本发明的发电机组输出200V时电压的谐波分析；

[0021] 图7本发明的发电机组负荷499A电流的谐波分析；

[0022] 图8是采用晶闸管调压至200V（有效值）时的电压波形图；

[0023] 图9是采用晶闸管调压至199.3V（有效值）时的电压谐波分析；

[0024] 图10是采用晶闸管调节输出电流503A（有效值）时的谐波分析。

具体实施方式

[0025] 以下结合附图对本发明作详细描述。

[0026] 图2是传统发电机组的结构示意图，采用晶闸管调压。发动机11驱动三相同步发电机7，三相同步发电机7内置自动点压调节器6，发电机组的输出电压是根据需要由电位器整定后，通过自身的电压闭环调节回路实现恒压输出，即无论负载大小，均保证较高的稳态电压调整率（符合常规发电机的要求）。而各阶段焊接电流的大小则须通过改变晶闸管10的导通角度来实现（输出为非正弦交流电），焊接电流的稳定与限制是通过电流变送器8采样，即时反馈给可编程控制器9对晶闸管10进行闭环调节后获得。

[0027] 如图1所示，由发动机5的主输出轴机械连接单相同步发电机1；数字电压调节器2电气连接可编程控制器3的发电机电压调节输出端，电流变送器4电气连接可编程控制器
3的焊接电流检测输入端。本发明采用单相同步发电机1代替常规的三相同步发电机7；发电机1的励磁电流参数由带计算机接口的数字电压调节器2取代常规的自动电压调节器6进行调节；而数字电压调节器2则由可编程控制器3根据各焊接阶段的焊接工艺的要求进行控制；焊接电流的稳定与控制是通过电流变送器4采样，即时反馈给可编程控制器3对发电机1进行闭环调节后获得。发动机5为常规的独立恒速运行方式。

[0028] 图1所示的发电机组的输出电压是由可编程控制器3根据各焊接阶段的焊接工艺的要求进行控制的，所以，发电机的输出电压为非恒定的，所需的焊接电流小，发电机输出电压低，而焊接电流大则发电输出电压高（输出电压没有畸变，为纯正弦波，见图3、图5）。

[0029] 图3 是本发明发电机组未接焊接负载（接近空载）的电压波形，为纯正弦波。

[0030] 图4是本发明发电机组未接焊接负载（接近空载）电压的谐波分析，谐波分量非常小，其波峰系数为1.4。

[0031] 图5是本发明发电机组输出200V并带409A负载时的波形图，为纯正弦波，其电压与电流的波峰系数仍然为1.4。

[0032] 图6是本发明的发电机组输出200V时电压的谐波分析，谐波分量为1.8%。

[0033] 图7是本发明的发电机组负荷499A电流的谐波分析，谐波分量为1.6%。

[0034] 图8是传统方法采用晶闸管调压至200V（有效值）时的电压波形图，波峰系数为2，远远大于1.4。

[0035] 图9是传统方法采用晶闸管调压至199.3V（有效值）时的电压谐波分析，其谐波分量为53.6%。

[0036] 图10是传统方法采用晶闸管调节输出电流503A（有效值）时的谐波分析，其谐波分量达54.2%（流过负载的波形严重畸变）。

[0037] 现有的移动式交流钢轨焊机专用的发电机组，均采用独立的柴油发动机拖动恒压运行的三相交流电励磁同步发电机。而发电机却采用单相线电压输出应用，输出通过大电流的双向晶闸管与焊接设备的单相变压器的初级绕组连接。焊接电流的大小由可编程控制器根据工艺要求编程（与焊接工件的间隙调节配合），控制双向晶闸管的导通角实现调压/变流（焊接电流的调节与发电机组的输出电压并没有直接关联）。由于采用晶闸管进行移相调压，移相斩波导致电流产生大量的高次谐波（见图8、图9、图10），高次谐波分量限制了变压器及发电机的输出功率，并导致相关部件、器件发热产生损耗。另外移相调压使发电机的输出功率因数下降，进一步导致能耗增加。另一个技术缺陷是——焊接变压器是单相运行，对普通的三相电源，特别是采用柴油机驱动的三相同步发电机，缺一相应用，电机的最高利用率只有0.577，而缺相不对称运行导致发电机产生大量的负序电流和零序电流，这些负序电流和零序电流会大大增加发电机的功率损耗及震动，进一步降低了发电机的效率与使用寿命。通常的同步发电机均须采用自动电压调节器进行励磁/输出电压调节。由于发电机组的电压调节与焊接系统并没有直接关联。那么，发电机的调节响应必然造成滞后。当焊接在预闪阶段（变压器输出近似被短路，将需求三倍以上的输入功率），发电机被突加超过100%负载，由于励磁调节电流的滞后性，（检测到电压下降才增加励磁电流，按ISO8528及国标GB/T2820对发电机组的要求：瞬态响应允许恢复时间为≤4秒），发电机输出电压必然会产生较大的瞬态下跌偏差，几秒的恢复时间将直接导致闪光焊接质量下降。基于以上原因，为了提高焊接的质量，通常是选配为焊接变压器3倍以上容量的发电机(例如：50%暂载率设计，250KVA的焊接变压器，多配置750KVA～1000KVA的发电机)。发电机的功率选大了，相应拖动的发动机也须同时加大匹配功率，当然系统的能耗、体积及造价也同时增大了。现有的移动式交流钢轨焊机专用的发电机组具有结构复杂、效率低、造价高等缺陷。

[0038] 本发明的发电机组是由发动机拖动大功率的单相同步发电机，而发电机的输出电压是由可编程控制器直接对发电机的励磁电流参数进行调控，可编程控制器根据焊接工艺的要求对发电机的励磁电流参数控制要求进行编程，从而快速调节发电机的输出电压，达到精确调压/控流。这样发电机并非现有技术的恒压运行，而是创新采用焊接电流大则控制发电机的输出电压升高，反之控制输出电压下降方法，该方法满足各个阶段变电流焊接的工艺要求。设计取消了大功率晶闸管的电流调节回路，电源系统的谐波电流大幅度降低，而功率因数则大大提高，从而发电机与焊接变压器均具有很高的的效率，另外可编程控制器可以根据工艺要求超前调控发电机的励磁电流，能有效减少突加负载而导致发电机输出电压瞬态下降的偏差。所以在同等容量焊接变压器的情况下，发电机容量比现有技术可降低一半，但焊接质量却有明显的提升。