晶閘管式弧焊整流器課件

第6章晶閘管式弧焊整流器

晶閘管式弧焊整流器是目前實(shí)際工程中應(yīng)用最多的電子控制弧焊電源之一。既有下降外特性的晶閘管式弧焊整流器，也有平緩?fù)馓匦缘木чl管式弧焊整流器。既可以用于焊條電弧焊、鎢極氬弧焊，也可以用于CO2氣體保護(hù)焊、熔化極氬弧焊等弧焊方法。主要內(nèi)容：1、晶閘管式弧焊整流器的構(gòu)成；2、常用的晶閘管可控整流主電路結(jié)構(gòu)及工作原理；3、晶閘管觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)及工作原理；4、實(shí)例介紹。2004/10/101第6章晶閘管式弧焊整流器6.1概述在20世紀(jì)60年代初，隨著大功率晶閘管的問世，出現(xiàn)了以晶閘管為整流元件的直流弧焊電源—晶閘管式弧焊整流器。晶閘管弧焊整流器由電子功率系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)組成，如圖6-1所示。電子功率系統(tǒng)又稱弧焊電源的主電路，它是由主變壓器T、晶閘管整流器UR和直流輸出電感L組成。AT為晶閘管的觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路，C為電子控制電路?？刂齐娐吠?004/10/102第6章晶閘管式弧焊整流器晶閘管弧焊整流器輸出電壓和電流的大小決定于整流器中晶閘管的導(dǎo)通角，晶閘管的導(dǎo)通角越大，電源輸出電壓和電流越大。晶閘管導(dǎo)通角的大小是由其觸發(fā)脈沖的相位所決定的，而觸發(fā)脈沖的相位是由電流給定信號(hào)Ugi、電壓給定信號(hào)Ugu和電流、電壓反饋信號(hào)Ufi、Ufu通過電子控制電路C得到的控制信號(hào)Uk所確定的。Uk決定著晶閘管觸發(fā)脈沖的相位，也就決定了晶閘管導(dǎo)通角的大小。Uk的變化規(guī)律決定了弧焊電源輸出電壓和電流的變化規(guī)律，通過對(duì)Uk的控制，可以控制晶閘管式弧焊整流器的輸出特性。電壓電流電流的相位時(shí)間即為導(dǎo)通角，電流相位可能在一個(gè)半波內(nèi)，若有電感作用就有可能超過半波，極限情況應(yīng)是2004/10/103第6章晶閘管式弧焊整流器6.2.1三相半控橋式整流電路電路結(jié)構(gòu)2004/10/105第6章晶閘管式弧焊整流器三相半控橋電阻性負(fù)載觸發(fā)角=0的波形圖相電壓波形負(fù)載電壓波形觸發(fā)脈沖時(shí)序SCR導(dǎo)通順序注意α=0的相位與單相整流電路的區(qū)別：從自然換相點(diǎn)開始2004/10/106第6章晶閘管式弧焊整流器三相半控橋電阻性負(fù)載觸發(fā)角=30的波形圖相電壓波形負(fù)載電壓波形觸發(fā)脈沖時(shí)序SCR導(dǎo)通順序2004/10/107第6章晶閘管式弧焊整流器三相半控橋電阻電感性負(fù)載要求增加續(xù)流二極管D72004/10/109第6章晶閘管式弧焊整流器三相半控橋式整流電路的特點(diǎn):1、只用三只晶閘管和三個(gè)觸發(fā)脈沖單元，因而線路比較簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)和較易調(diào)試；2、整流變壓器為普通的三相降壓變壓器，易于制造。3、其主要缺點(diǎn)是調(diào)至低電壓或小電流時(shí)波形脈動(dòng)較明顯。4、需配備大電感量的輸出電抗器。改進(jìn)方案附加全波整流的維弧電路以及高壓引弧電路。2004/10/1010第6章晶閘管式弧焊整流器6.2.2三相全控橋式整流電路2004/10/1011第6章晶閘管式弧焊整流器圖6-11三相橋式全控整流電路觸發(fā)方式a)雙窄脈沖出發(fā)b）單寬脈沖觸發(fā)2004/10/1013第6章晶閘管式弧焊整流器圖6-12α＝60°電阻負(fù)載三相全控橋式整流波形2004/10/1014第6章晶閘管式弧焊整流器圖6-13α＝90°電阻負(fù)載三相全控橋式整流波2004/10/1015第6章晶閘管式弧焊整流器圖6-14α＝90°電阻電感性負(fù)載三相全控橋式整流電壓波形2004/10/1017第6章晶閘管式弧焊整流器在電感足夠大使負(fù)載電流連續(xù)的條件下，ud與α之間關(guān)系為：1、三相橋式全控整流電路的輸出電壓每周有六個(gè)波峰，脈動(dòng)較小，所需配用的輸出電感的電感量也較小。2、其缺點(diǎn)是要用六個(gè)晶閘管，且觸發(fā)電路復(fù)雜，增加了調(diào)試和維修的難度。3、該電路是目前應(yīng)用較多的電路之一，美國(guó)米勒公司生產(chǎn)的焊機(jī)以及國(guó)內(nèi)ZX5－400B型晶閘管弧焊整流器都采用了此電路。特點(diǎn)及應(yīng)用2004/10/1018第6章晶閘管式弧焊整流器6.2.3六相半波可控整流電路電路結(jié)構(gòu)2004/10/1019第6章晶閘管式弧焊整流器觸發(fā)頻率300Hz，意味著動(dòng)特性與三相全控整流電路基本相同2004/10/1021第6章晶閘管式弧焊整流器2.電阻電感性負(fù)載2004/10/1022第6章晶閘管式弧焊整流器6.2.4帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路電路結(jié)構(gòu)2004/10/1023第6章晶閘管式弧焊整流器為了提高N點(diǎn)的電位，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)晶閘管的同時(shí)導(dǎo)通，在六相半波可控整流電路中引入了平衡電抗器LB。將LB接到M點(diǎn)與N點(diǎn)之間，如圖6-22b所示。在ωt1+時(shí)刻，Ua最高，VH1導(dǎo)通，電流通過LB的MO流至負(fù)載，在MO上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性是右正左負(fù)，UOM與Ua極性相反，使VH1的陽(yáng)極電位降低了uOM；由于O點(diǎn)是LB的中心抽頭，故ON與MO的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等且極性一致，即uON=uOM，這樣就提高了N點(diǎn)電位，而且uON與u－b極性相同，將VH6的陽(yáng)極電位提高了uON，從而使VH6能與VH1同時(shí)導(dǎo)通。圖6-22有無(wú)平衡電抗器的比較a）無(wú)平衡電抗器b）有平衡電抗器

2004/10/1025第6章晶閘管式弧焊整流器當(dāng)ua過了其峰值之后至ωt2之前，反極性組中u－c高于u－b，于是VH2導(dǎo)通而VH6關(guān)斷，該階段VH1又與VH2同時(shí)導(dǎo)通。過了ωt2，u-c電壓最高，VH2繼續(xù)導(dǎo)通且該支路電流較大，于是LB的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性如圖6-23所示，借助于它提高了M點(diǎn)和VH1陽(yáng)極的電位，降低了N點(diǎn)和VH2陽(yáng)極的電位，使二者陽(yáng)極電位趨于相等，因而VH1能繼續(xù)導(dǎo)通，直到過了u-c的峰值之后，正極性組中ub電壓最高，于是VH3導(dǎo)通而VH1關(guān)斷，VH3和VH2同時(shí)導(dǎo)通。六個(gè)晶閘管的導(dǎo)電順序可依此類推，見圖6-24e。圖6-24為α＝0°時(shí)的波形。圖6-23ωt2時(shí)刻LB上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性2004/10/1026第6章晶閘管式弧焊整流器圖6-24帶平衡電抗器雙反星形整流器波形圖（α＝0°）a）正極性組的整流電壓b）反極性組的整流電壓c）輸出電壓波形d）平衡電抗器兩端電壓e）晶閘管導(dǎo)通次序2004/10/1027第6章晶閘管式弧焊整流器應(yīng)該注意的是，若負(fù)載電流小于某一定值（稱為臨界電流，約為額定負(fù)載電流的2%～5%），而達(dá)不到LB鐵心中建立上述三角波電壓所需磁通的勵(lì)磁電流時(shí)，則LB上的電壓達(dá)不到所要求值，這樣將不能維持兩組三相半波電路并聯(lián)工作。在極限情況下，負(fù)載電流為L(zhǎng)B已失去作用，電路工作于六相半波整流狀態(tài)。其輸出的電壓平均值也就升高至1.35U2，即為空載電壓值。平衡電抗器的電感量可由下式?jīng)Q定：2004/10/1029第6章晶閘管式弧焊整流器α＝30°時(shí)整流電壓波形α＝60°時(shí)整流電壓波形2004/10/1030第6章晶閘管式弧焊整流器α＝90°時(shí)整流電壓波形2004/10/1031第6章晶閘管式弧焊整流器與其它可控整流電路相比，該電路具有以下特點(diǎn)：l）它相當(dāng)于兩組三相可控半波整流電路并聯(lián)。它的各相電流流通時(shí)間可延長(zhǎng)至120°2）有六個(gè)晶閘管，觸發(fā)電路比三相半控橋式整流電路的要復(fù)雜，比三相全控橋式整流電路的簡(jiǎn)單。3）整流電壓波形為每個(gè)周波六個(gè)波峰，其脈動(dòng)程度比三相半控橋式電路的小，最低諧波為六次，要求輸出電感的電感量及體積都較小。4）需用平衡電抗器，為保證電路能正常工作，其鐵心不能飽和。為此，應(yīng)避免該鐵心被直流成份所磁化，從而要求其抽頭兩邊線圈的直流安匝相互抵消，即兩組整流電路的參數(shù)（主要是變壓器的匝數(shù)和漏感）應(yīng)對(duì)稱，這就對(duì)變壓器等的制造和元件的挑選提出更高的要求。2004/10/1032第6章晶閘管式弧焊整流器以上幾種晶閘管整流電路的比較見課本表6-1。晶閘管整流焊機(jī)命名法ZX(或D或P)5－×××額定電流晶閘管X-下降特性D-多種特性P-平特性整流焊機(jī)2004/10/1033第6章晶閘管式弧焊整流器作業(yè)：對(duì)號(hào)入座說(shuō)明一臺(tái)晶閘管整流焊機(jī)的原理，指定為ZX5系列，用于焊條電弧焊要求：1.不必設(shè)計(jì)，只進(jìn)行選擇，將選擇的電路與圖5-17“對(duì)號(hào)入座”并加以說(shuō)明。2.電路主要包括主電路和控制電路，主電路形式自由選擇，控制電路包括反饋控制、同步、晶閘管觸發(fā)電路、穩(wěn)壓電源電路等。3.所設(shè)計(jì)的焊機(jī)的額定電流從下面的系列中選擇：160、200、250、315、350、400、500、630。有關(guān)的器件可到圖書館工具書室查閱，或上網(wǎng)或百度4.每六人一個(gè)小組共同交一份選擇方案，每人再交一份“對(duì)號(hào)入座”原理說(shuō)明書。所有這些裝訂在一起以小組為單位上繳。設(shè)計(jì)若有雷同，均以零分計(jì)。2004/10/1034第6章晶閘管式弧焊整流器6.3晶閘管移相觸發(fā)電路1．對(duì)觸發(fā)脈沖的要求（1）觸發(fā)脈沖應(yīng)具有足夠的功率為了保證可靠地觸發(fā)晶閘管，需有一定大小和寬度的電壓、電流觸發(fā)脈沖信號(hào)。（2）觸發(fā)脈沖與加于晶閘管的電源電壓必須同步。（3）觸發(fā)脈沖應(yīng)能移相并達(dá)到要求的移相范圍。2．對(duì)觸發(fā)電路套數(shù)的要求以帶平衡電抗器雙反星形整流電路為例，對(duì)所需要用的觸發(fā)電路套數(shù)進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，可以舉一反三分析其它整流電路對(duì)觸發(fā)電路套數(shù)的需求。（1）用六套觸發(fā)電路（2）用三套觸發(fā)電路（3）用兩套觸發(fā)電路2004/10/1035第6章晶閘管式弧焊整流器圖6-29一套觸發(fā)電路觸發(fā)一組晶閘管時(shí)脈沖的分配a）電路圖b）相電壓波形c）觸發(fā)脈沖波形2004/10/1036第6章晶閘管式弧焊整流器三套觸發(fā)電路的脈沖時(shí)序圖120120120180UgabcUg-a-b-cUgaUg-aUgcUg-cUgbUg-b120180120180180兩套觸發(fā)電路的脈沖時(shí)序圖2004/10/1037第6章晶閘管式弧焊整流器6.3.2晶閘管的移相觸發(fā)電路晶閘管移相觸發(fā)電路有多種電路形式，但就其實(shí)質(zhì)而言，可分為切割式及積分式兩類。1．切割式（1）正弦波同步圖6-30正弦波同步移相觸發(fā)電路a）電路圖b）波形圖2004/10/1038第6章晶閘管式弧焊整流器（2）鋸齒波同步圖6-38鋸齒波同步電路a）電路圖b）波形圖2004/10/1039第6章晶閘管式弧焊整流器2004/10/1040第6章晶閘管式弧焊整流器6.3.3晶閘管專用集成移相式觸發(fā)器

隨著晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展，對(duì)觸發(fā)電路可靠性提出了更高的要求。專用晶閘管集成觸發(fā)器具有體積小、溫漂小、性能穩(wěn)定可靠、移相線性度好等特點(diǎn)，因此得到迅速地發(fā)展和越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。1．KC04型移相集成觸發(fā)電路圖6-46是KC04型移相集成觸發(fā)電路，它與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似，由同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成和功率放大等部分電路組成。它有16個(gè)引出端。16端接+15V電源，3端通過30kΩ電阻和6.8kΩ電位器接-15V電源，7端接地。正弦同步電壓（AC30V）經(jīng)15kΩ電阻接至8端，進(jìn)入同步電路環(huán)節(jié)。3、4端接0.47μF電容與集成電路內(nèi)部三極管構(gòu)成電容負(fù)反饋鋸齒波發(fā)生器，4端輸出鋸齒波電壓信號(hào)。9端為鋸齒波電壓信號(hào)、負(fù)直流偏壓和控制移相電壓綜合比較輸入端。11和12端接0.047μF電容后接30kΩ電阻，再接+15V電源與集成電路內(nèi)部三極管構(gòu)成脈沖形成環(huán)節(jié)。脈沖寬度由時(shí)間常數(shù)0.047μF30kΩ決定。13和14端是提供脈沖列調(diào)制和脈沖封鎖控制端。l和15端輸出相位相差180°的兩個(gè)窄脈沖。KC04移相觸發(fā)器部分引腳的電壓波形如圖6-47所示2004/10/1041第6章晶閘管式弧焊整流器圖6-46KC04型移相集成觸發(fā)電路及部分引腳波形2004/10/1042第6章晶閘管式弧焊整流器2．KC42脈沖列調(diào)制形成器KC42是一種脈沖列調(diào)制形成器，它可以輸出觸發(fā)晶閘管的脈沖列。圖6-48為KC42脈沖調(diào)制形成器電路。它適用于三相全控橋、三相半控橋、單相全控橋、單相半控橋整流電路。采用脈沖列觸發(fā)晶閘管，可以減小寬脈沖觸發(fā)電路中的觸發(fā)電源功率和脈沖變壓器體積，提高觸發(fā)脈沖前沿陡度。2004/10/1043第6章晶閘管式弧焊整流器3．KC41六路雙脈沖形成器KC41不僅具有雙脈沖形成功能，它還具有電子開關(guān)控制封鎖功能。圖6-49為KC41內(nèi)部電路與外部接線圖。把三塊KC04輸出的脈沖接到KC41的l～6端時(shí)，集成芯片內(nèi)部二極管完成“或”功能，形成雙窄脈沖。在10～15端可得六路放大了的雙脈沖。有關(guān)各點(diǎn)波形如圖6-50所示。圖6-50KC41部分引腳波形2004/10/1044第6章晶閘管式弧焊整流器4．采用集成觸發(fā)芯片的三相六脈沖觸發(fā)電路2004/10/1