引言我国部分企业现有设备的能耗和谐波污染情况，制约着企业经济效益的提高。例如许多工厂的铸造车间仍使用磁放大器式气刨机，其耗电量占总耗电量的70%以上[1]。如果能将这种电源改造为可控硅式气刨机，不但可以充分发挥原有设备的作用，而且可以改善电压质量，减少电能损耗，增加企业效益[2]。以某厂厂内使用的ZXGH—2000型气刨机作为研究对象，对其工作原理、主要部件进行分析。1ZXGH—2000气刨机工作原理1.1电路原理ZXGH—2000型气刨机电源使用降压变压器为Y/△接线，采用三相桥式整流电路[3]。三相降压变压器将三相交流电降压后输入三相磁放大器，经由硅元件组成的三相桥式整流器组，将三相交流电流整流变为直流电流后输出。为防止电源侧浸入浪涌电流损坏硅元件，气刨机采用阻容吸收保护回路。为防止过载电流损坏硅元件，还安装了由过流继电器、中间继电器及互感器等元件组成的过电流保护装置。调流方式采用调节磁放大器，利用4只硅元件，组成单相桥式整流电路，供调磁放大器做励磁电源，通过改变励磁线圈的电流大小控制磁放大器铁芯的磁通变化，改变CF交流线圈的电感达到调流的目的。对硅元件散热，采用强迫风冷式，保护并延长使用寿命。ZXGH—2000原理图如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.015.F001图1ZXGH—2000气刨机工作原理1.2用途（1）铸造车间。ZXGH—2000气刨机在铸造车间可用于清理金属铸件的肥边、毛刺和浇冒口；对金属铸件缺陷（如裂纹、砂眼、气孔等）进行挖刨、劈缝、刨槽；配用Bp—300—600型稳定变阻器，直接对挖刨、劈缝、刨槽后的缺陷铸件进行补焊；做大型铸件保温冒口电源。（2）锻造车间。对锻造件锻造前后的重皮、裂纹等进行清理，确保锻件产品质量。（3）铆焊车间。用于大电流自动焊、半自动焊；气体保护焊的直流焊接电源；多头手工弧焊电源；焊接前开坡口；可以切割氧。（4）用于其他用途的可调直流电源。1.3结构磁放大器式气刨机主要由电源、磁放大器、三相硅整流器组、过电压保护、过电流保护、短路保护的空气断路器、通风机组及其保护、控制、调节、指示等电气元件组成。对几个主要的结构进行分析：（1）电源。电源使用的是三相降压变压器，接线形式为Y/∆，减少三次谐波干扰和输出电流的脉动。（2）磁放大器。磁放大器原理图如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.015.F002图2磁放大器原理图磁放大器由3个回形铁芯、交流绕组、直流控制绕组组成[4]。计算公式如下：L=μN2Sl (1)μ=∆B∆H (2)式中：N——电感匝数，次；S——铁芯截面积，m2；l——磁路的平均长度，m；μ——铁芯磁导率，H/m。H——磁场强度，A/m；B——磁感应强度，T。铁芯磁化曲线是非线性的，即H是变化的。H越大铁芯越饱和，μ越小[5]。如果铁芯事先使直流控制绕组通直流电，产生一个直流磁通密度使铁芯饱和，则μ变小，电感也相应变小。改变铁芯的饱和程度，即改变直流磁通密度的大小，就能调节电感的数值。磁放大器的工作原理[6]是利用直流线圈的匝数，通过很小的直流电流控制较大的交流电流。（3）整流器组。整流器组使用6组大功率二极管，每相分2组，连接4只二极管。为保证整流二极管工作的可靠性，采用电阻、电容串联换流吸收保护装置，并在二极管上吸收尖峰脉冲[7]。2磁放大器式气刨机供电质量气刨机与焊接电源不同，气刨机多用于铸件场合，使用时对电流的要求较大。本次磁放大式气刨机的输出直流电流2 000 A，用福禄克电能质量测试仪记录气刨机对电网电能质量的影响。三相电流谐波柱状图如图3所示，三相电压谐波柱状图如图4所示，三相频率曲线图如图5所示。由图3可知，三相电流的5次、7次、11次谐波含量较大。电流的总谐波含量高于我国谐波允许值。由图4可知，三相电压的5次、7次、11次谐波含量较大，电压的总谐波含量在我国谐波允许值之内。由图5可知，电网频率的最小值49.96 Hz，最大值50.004 Hz，我国国家标准允许范围（50±0.2） Hz，电网频率波动在允许值之内。由此可知，磁放大器式气刨机主要对电流进行谐波抑制。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.015.F003图3三相电流谐波柱状图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.015.F004图4三相电压谐波柱状图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.015.F005图5三相频率曲线图3ZXGH—2000气刨机改造方案3.1方案一磁放大器式气刨机进线端与外部电源接通后，红色指示灯亮。开机工作时先按启动按钮，交流接触器接通，整机开始工作，这时直流输出电压75 V。正常运行前，气刨机空载运行一段时间，此时磁放大器和变压器仍在很大电流下工作，产生额外损耗功率，造成气刨机效率低下。本方案原理是气刨机空载运行时，小电流下工作减少损耗。气刨机输出端串联中间继电器KA1，变压器一次侧串联一个大电容、大电阻以及常闭接触器。正常运行时，中间继电器KA1闭合，变压器侧无大电阻与大电容接入，交流电经桥式整流后输出电流不变，不影响正常工作。空载运行时，中间继电器KA1断开，变压器侧串联接入大电阻与大电流，降压变压侧电压降低，整流桥和磁放大器上流经的电流会大幅度减小，输出的直流电流也随之减小。但此方案并没有完全解决磁放大器耗能问题。正常工作时，磁放大器仍作为电能损耗的主要器件，影响气刨机的工作效率，并且磁放大器仍会产生大量谐波，影响电能质量。所以本方案只适用于对电压质量不高、气刨机数量少的场合，并不适用于电压质量要求高、气刨机数量多的场合。3.2方案二由于磁放大器线圈的存在导致大量能量损耗，对电网质量造成很大影响，谐波电流增大，影响电能设备正常使用。本方案使用可控硅控制代替磁放大器控制。3.2.1可控硅式气刨机工作原理可控硅式气刨机工作原理如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.07.015.F006图6可控硅式气刨机工作原理可控硅式气刨机直接将电网的工频交流电压、电流整流成高压直流电，再利用先进PWM（脉冲宽度调制）方式进行几十kHz到上百kHz频率的中频逆变。逆变成中频方波交流电能，再通过中频变压器降压和二极管中频整流，经输出电抗器平滑滤波，最后输出焊接需要的直流电压、电流[8]。3.2.2磁放大器式气刨机替代方案采用ZX5—2000气刨机，该气刨机的焊接电源采用可控硅调节，对电网的电压波动进行快速自动补偿，保持电弧稳定燃烧。该可控硅技术的同步信号经同步变压器送到控制回路，保证控制系统对可控硅的同步触发。电流反馈经电流霍尔送到控制系统，调整可控硅导通角的大小控制输出电流。三相交流电压经主变压器降压后，送给可控硅整流电路，通过控制可控硅导通角控制输出电压或输出电流的大小。可控硅式气刨机100%额定负载，增大电流的调节范围，提高控制效率。由于可控硅没有线圈，减小了不必要的电能损耗，有助于提高经济效益。4结语电磁式气刨机为高耗能产品，老式磁放大式气刨机终将被淘汰。通过对老式磁放大式气刨机量，减少企业的损失。使用可控硅式气刨机还可以达到可控性好、工作效率高的目的。