第四章 硅弧焊整流器20101102

第四章硅弧焊整流器本章介紹硅弧焊整流器的組成和分類，分析各種硅弧焊整流器的結(jié)構(gòu)、如何獲得外特性形狀和調(diào)節(jié)特性，并介紹有關(guān)典型產(chǎn)品，如簡單的硅弧焊整流器、磁放大器式硅弧焊整流器、交直流兩用式和脈沖式硅弧焊整流器等。4.1硅弧焊整流器的組成和分類4.1.1硅弧焊整流器的組成

為了獲得脈動(dòng)小，較平穩(wěn)的直流電，以及使電網(wǎng)三相負(fù)荷均衡，通常都采用三相整流電路。其組成，如上圖所示。圖4-13硅弧焊整流器的組成4.1硅弧焊整流器的組成和分類4.1.1硅弧焊整流器的組成1、主變壓器作用是降壓，即把三相380V電壓降至所要求的空載電壓。2、電抗器交流電抗器或磁放大器（磁飽和電抗器），用來控制外特性形狀并調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)。另，當(dāng)主變壓器為增強(qiáng)漏磁式或要求輸出平外特性時(shí)，則可不用電抗器。3、整流器其作用是把三相交流電整流成直流，常采用三相橋式電路。4、輸出電抗器它是串聯(lián)在直流焊接電路中的直流電感（由帶空氣隙的鐵心和線圈構(gòu)成）。其作用主要是改善和控制動(dòng)特性，其次是濾波。4.1硅弧焊整流器的組成和分類4.1.2硅弧焊整流器的分類根據(jù)在其中有無電抗器，可分為兩類：無電抗器的硅弧焊整流器和有電抗器的硅弧焊整流器。4.1.2.1無電抗器的硅弧焊整流器

按主變壓器的結(jié)構(gòu)不同又可分為：1、主變壓器為正常漏磁這類電源的外特性近于水平，主要用于CO2氣體保護(hù)焊及其它熔化極氣體保護(hù)焊。按調(diào)節(jié)空載電壓的方法不同又分為：抽頭式、輔助變壓器式和調(diào)壓器式。2、主變壓器為增強(qiáng)漏磁這類電源由于主變壓器增強(qiáng)了漏磁，因而無需外加電抗器即可獲得下降外特性并調(diào)節(jié)焊接參數(shù)。按增強(qiáng)漏磁的方法不同，可分為動(dòng)線圈式、動(dòng)鐵心式和抽頭式。4.1硅弧焊整流器的組成和分類4.1.2.2有電抗器的硅弧焊整流器

這類硅弧焊整流器所用的電抗器都是磁放大器。按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同又可分為：1、無反饋磁放大器（或稱為磁飽和電抗器）式硅弧焊整流器；2、有反饋磁放大器式硅弧焊整流器。根據(jù)磁放大器的反饋形式，后者又主要包括外反饋磁放大器式、全部內(nèi)反饋磁放大器（自飽和電抗器）式和部分內(nèi)反饋磁放大器（內(nèi)橋自飽和電抗器）式硅弧焊整流器等。4.2普通硅弧焊整流器4.2.1動(dòng)鐵心式弧焊整流器

國內(nèi)的三相動(dòng)鐵心分磁式弧焊整流器，型號(hào)為ZX-320。一次側(cè)接成星形，二次接成三角形，是弧焊整流器中常用的接法。因?yàn)椋?、該變壓器是降壓變壓器，一次側(cè)接成星形，每相繞組的相電壓只有線電壓的1/，繞組匝數(shù)可以減少，絕緣要求可以降低。2、二次繞組電流比較大，采用三角形接法時(shí)，相電流只是線電流的1/，可以減小導(dǎo)線截面積。4.2普通硅弧焊整流器圖4-14ZX-320動(dòng)鐵心式弧焊整流器電路原理圖

硅整流元件組VD1～6三相鐵心式主變壓器輸出電抗器LK。1、濾波，減小輸出直流的脈動(dòng)；2、限制短路電流增長速度，減小瞬態(tài)短路電流峰值，從而改善動(dòng)特性。旁路高頻干擾，防止對(duì)電路產(chǎn)生影響；限制因突然斷電或外部沖擊產(chǎn)生的過電壓。旁路低頻干擾，濾除低頻雜波，使輸出直流波動(dòng)更小。4.2普通硅弧焊整流器主變壓器如圖4-15所示，采用三柱式鐵心，在窗口中放入兩個(gè)動(dòng)鐵心，可在窗口內(nèi)移進(jìn)或移出。動(dòng)鐵心的作用與弧焊變壓器中的相同，即增加漏磁，獲得下降特性。缺點(diǎn)：主變壓器三相漏磁條件不同，存在三相電壓和電流的不平衡，有振動(dòng)和噪聲問題。圖4-15ZX-320動(dòng)鐵心式主變壓器

圖4-16ZX-320電源外特性4.2普通硅弧焊整流器4.2.2動(dòng)線圈式弧焊整流器

主要由增強(qiáng)漏磁的三相動(dòng)繞組式弧焊變壓器和三相橋式整流器組成，國產(chǎn)動(dòng)線圈式弧焊整流器有ZXG1型和ZXG6型。由于該弧焊變壓器漏抗很大，故可獲得下降外特性。同過調(diào)節(jié)一、二次繞組之間的距離，即可改變漏抗的大小，從而調(diào)節(jié)電流。由于外特性較為陡降，動(dòng)繞組式弧焊整流器適用于手弧焊、鎢極氬弧焊、等離子弧焊。與磁放大器式相比，它的結(jié)構(gòu)及線路簡單、節(jié)省原材料、質(zhì)量較輕。其電磁慣性與弧焊變壓器相近，動(dòng)特性很好，飛濺較少，因而一般可不用輸出電抗器。它的缺點(diǎn)是：由于繞組可動(dòng)，使用時(shí)有輕微的振動(dòng)和噪聲，不易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)，不便于進(jìn)行電網(wǎng)電壓補(bǔ)償?shù)取?.2普通硅弧焊整流器三相動(dòng)繞組式弧焊變壓器的結(jié)構(gòu)如右圖。圖a所示為鐵心，三個(gè)心柱和上下軛構(gòu)成三棱柱形。這種立體結(jié)構(gòu)優(yōu)于一般平面結(jié)構(gòu)，其三相磁路平衡，可使三相電流平衡，從而整流電流平穩(wěn)。圖b所示為可移動(dòng)繞組及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，一般是移動(dòng)一次繞組，因其導(dǎo)線比二次的細(xì)、軟。其二次繞組是靜止不動(dòng)的。圖4-17三相動(dòng)繞組式弧焊變壓器a）鐵心b）繞組及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)4.2普通硅弧焊整流器硅整流元件組VD1～6三相鐵心式主變壓器“浪涌電路”，并聯(lián)在焊機(jī)的輸出端。繞組Ⅲ兩端的電壓為14V，低于弧焊電源的空載電壓和工作時(shí)的電弧電壓，故在空載和焊接時(shí)VD7能被反向偏置，使電路對(duì)焊接無影響。當(dāng)引弧和熔滴過渡而使弧隙短路時(shí)，VD7導(dǎo)通，繞組Ⅲ向弧隙輸出浪涌電流，以助引弧和熔滴過渡。旁路低頻干擾，濾除低頻雜波，使輸出直流波動(dòng)更小。圖4-18ZXG1-400弧焊整流器電路

4.2普通硅弧焊整流器4.2.3抽頭式弧焊整流器

其基本電路由主變壓器T、整流器UR和輸出電抗器Lk組成。主變壓器T是正常漏磁的一般三相降壓變壓器，漏抗很小，輸出近于水平的外特性。為了調(diào)節(jié)輸出電壓，在一次繞組上設(shè)有許多抽頭，以便改變一次繞組匝數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于這種焊機(jī)主要用于CO2氣體保護(hù)焊，須用輸出電抗器控制短路電流增長速度以減少金屬溶滴的飛濺和改善焊縫成形。圖4-20抽頭式弧焊整流器的組成4-21抽頭式弧焊整流器的外特性4.2普通硅弧焊整流器抽頭式弧焊整流器的特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省材料，易于制造，使用可靠。(2)具有平外特性，空載電壓較低與電弧電壓近于相等，有時(shí)難以引弧。(3)調(diào)節(jié)電壓是有級(jí)的，且不宜在負(fù)載的情況下調(diào)節(jié)，也不能遙調(diào)。(4)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響不能采取補(bǔ)償措施。抽頭式弧焊整流器的應(yīng)用范圍：這種弧焊電源主要用于細(xì)絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。因其簡易、經(jīng)濟(jì)、可靠而易于推廣，得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外都有這種類型產(chǎn)品，電源簡單，只是要與送絲電路等配合使用。4.3磁放大器式硅弧焊整流器4.3.1磁放大器原理

磁放大器是一種常用的電磁控制元件。在該類型的焊機(jī)中的主要作用是獲得外特性以及調(diào)節(jié)外特性。圖4-23磁放大器的基本單元

4.3.1.1磁放大器的基本單元最簡單的單鐵心式磁放大器結(jié)構(gòu)如圖4-23所示，由鐵心、直流控制繞組WC和交流工作繞組WA所組成。

磁導(dǎo)率μ是隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H(IN)的變化而變化的。磁放大器就是利用鐵磁材料的這種特性來實(shí)現(xiàn)電流放大和控制作用的。4.3磁放大器式硅弧焊整流器圖4-22磁化曲線

4.3磁放大器是式硅弧焊整流器磁放大器式硅弧焊整流器外特性調(diào)節(jié)圖中，在忽略WA電阻的條件下，變壓器二次回路電壓方程可寫為：式中，ΦA(chǔ)是交流電流iA通過WA時(shí)在鐵心中產(chǎn)生的交變磁通；U0為電源交變電壓；Uf為負(fù)載電壓；UL為WA兩端的感抗壓降。

由此可知，隨If增大時(shí)，如果ΔΦ和UL成正比地增大，使Uf隨之減小而獲得陡降外特性。反之，如果ΔΦ和UL保持一定的值而不明顯增大，則Uf不隨If變化就獲得平特性。4.3磁放大器是式硅弧焊整流器鐵磁材料的磁化曲線

一般可分為兩個(gè)區(qū)域：非飽和區(qū)和飽和區(qū)。

非飽和區(qū)：μ值較大，磁阻較小，交流繞組的等效電感較大；

飽和區(qū)：μ值較小，磁阻較大，交流繞組的等效電感較小。由于鐵心工作的磁狀態(tài)不同（即工作于磁化曲線的不同區(qū)域上），則在相同的IANA作用下，將產(chǎn)生不同的ΔΦ和電壓降。圖4-25磁放大器對(duì)外特性的控制4.3磁放大器是式硅弧焊整流器鐵心的磁狀態(tài)的控制

由磁放大器的結(jié)構(gòu)可知，磁放大器鐵心的磁狀態(tài)是由交流磁勢(shì)iANA和直流磁勢(shì)ICNC共同確定。其中，

ICNC，確定了磁放大器在磁化曲線上的起始工作點(diǎn)；

iANA，確定了磁放大器在磁化曲線上的工作范圍。圖4-25磁放大器對(duì)外特性的控制4.3磁放大器是式硅弧焊整流器

鐵心起始工作點(diǎn)P0在原點(diǎn)，磁化曲線的工作范圍處于非飽和區(qū)，這時(shí)磁路磁阻小，IANA會(huì)產(chǎn)生較大的磁通變化幅度ΔΦ。若IANA增大會(huì)使ΔΦ顯著增大，對(duì)應(yīng)的外特性段較為陡降。鐵心起始工作點(diǎn)P0′靠近飽和區(qū)，磁化曲線的工作范圍處于較飽和的區(qū)域，相應(yīng)的磁路磁阻大，對(duì)應(yīng)的磁通變化幅度ΔΦ′較小。即使iANA增大，ΔΦ′也增大得不明顯，因而對(duì)應(yīng)的外特性段較平緩。圖4-25磁放大器對(duì)外特性的控制4.3磁放大器式硅弧焊整流器4.3.1.2雙鐵心式磁放大器單鐵心磁放大器的缺點(diǎn)：（1）交變電流會(huì)在匝數(shù)較多的控制繞組中感應(yīng)出較高電勢(shì)，影響磁放大器的正常工作，即交變環(huán)流問題；（2）交流磁通在正負(fù)半波分別與直流控制磁通相加或相減，使交流電流波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生直流分量，增加了變壓器的勵(lì)磁電流。通常采用雙鐵心式磁放大器解決上述問題。4.3磁放大器式硅弧焊整流器無反饋的雙鐵心式磁放大器

聯(lián)接原則：當(dāng)采用兩個(gè)鐵心與繞組后，確保在直流繞組中的交流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互抵消。圖4-26雙鐵心式磁放大器原理圖a）交流繞組串聯(lián)b）交流繞組并聯(lián)4.3磁放大器式硅弧焊整流器采用上述聯(lián)接原則進(jìn)行聯(lián)接后，（1）直流控制繞組中的交流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互抵消；（2）減小波形畸變。實(shí)際使用控制繞組共繞的磁放大器如圖4-27、4-28。圖4-29控制繞組三相共繞的無反饋磁放大器結(jié)構(gòu)圖

圖4-27控制繞組共繞的磁放大器4.3磁放大器式硅弧焊整流器4.3.2無反饋磁放大器式硅弧焊整流器4.3.2.1基本電路三相無反饋磁放大器三相正常漏磁平特性變壓器圖4-28無反饋磁放大器式硅弧焊整流器原理圖a）交流繞組串聯(lián)b）交流繞組并聯(lián)三相橋式整流電路輸出電抗器4.3磁放大器式硅弧焊整流器4.3.2.2工作原理與外特性1、空載此時(shí)磁放大器各相交流繞組WA中無電流、壓降產(chǎn)生，它對(duì)整流電路工作情況沒有影響。此時(shí)主電路與一般三相橋式整流電路一樣。空載電壓U0為：U0=1.35U2l=2.34U2a

式中，U21、U2a分別各為主變壓器二次線電壓和相電壓。4.3磁放大器式硅弧焊整流器2、負(fù)載IC=0，兩個(gè)鐵心中只有交流繞組電流產(chǎn)生的磁通。

當(dāng)If很小時(shí)，鐵心不飽和，隨著If的增加，鐵心中的磁通變化幅度迅速增加，交流繞組上壓降隨之增加，Uf迅速下降，外特性曲線很陡；

If進(jìn)一步增大，鐵心接近飽和，磁通變化變得較慢，Uf下降較慢，出現(xiàn)一定的外拖緩降段。當(dāng)Ic≠0時(shí)產(chǎn)生控制磁通Φc，交流繞組中的電流Ia產(chǎn)生磁通ΦA(chǔ)。無反饋磁放大器鐵心中磁通變化和交流繞組感抗壓降隨著負(fù)載電流的增加而增加，如圖所示增加較為緩慢，輸出電壓緩慢下降。當(dāng)負(fù)載電流增加到某種程度，以致兩個(gè)鐵心中的去磁鐵心脫離飽和狀態(tài)后，如果負(fù)載電流再繼續(xù)增加，磁通變化和感抗壓降將顯著增加，輸出電壓急劇下降。這種電源的外特性如圖4-33所示圖4-32無反饋磁放大器的磁狀態(tài)4.3磁放大器式硅弧焊整流器IC=0時(shí)，If較小時(shí)，外特性曲線很陡；If增大到使鐵心接近飽和后，磁通變化變得較慢，Uf下降較慢，出現(xiàn)一定的外拖緩降段。當(dāng)Ic≠0時(shí)

If較小時(shí)，鐵心處于飽和狀態(tài)，隨焊接電流的增加輸出電壓緩慢下降。

If增加到某種程度，去磁鐵心脫離飽和狀態(tài)后，隨著焊接電流的繼續(xù)增加，輸出電壓急劇下降。圖4-33無反饋磁放大器的外特性當(dāng)Ic繼續(xù)增加時(shí)

外特性陡降部分將向右移動(dòng)。4.3磁放大器式硅弧焊整流器4.3.2.3調(diào)節(jié)特性由前述可知，隨Ic增大，外特性陡降部分將向右移，即If增大。也就是說通過改變Ic即可達(dá)到調(diào)節(jié)If的目的。Ic與If的關(guān)系曲線，就是無反饋磁放大器硅弧焊整流器的控制特性或調(diào)節(jié)特性，可用作圖法求得，如圖4-34a所示。圖4-34a)無反饋磁放大器硅弧焊整流器控制特性4.3磁放大器式硅弧焊整流器調(diào)節(jié)特性的定量分析1、電源工作于外特性曲線的陡降部分，即磁放大器的起始工作點(diǎn)在飽和區(qū)；2、磁放大器鐵心材料的磁化曲線接近理想磁化曲線，磁化曲線非飽和區(qū)的安匝很小。在此條件下，有等安匝關(guān)系：ICNC-IfNA≈0，即If=(NC/NA)IC=KIIC4.3磁放大器式硅弧焊整流器理想控制特性曲線，磁放大器鐵心磁化曲線應(yīng)為理想磁化曲線。由于磁化曲線并非理想，在Ic為零時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁放大器感抗并非無限大，故If=I0，即磁放大器的空載電流。圖4-34b）理想和實(shí)際控制特性示意圖當(dāng)磁放大器完全飽和時(shí)，焊接回路中還有負(fù)載電阻及變壓器內(nèi)阻等限制著電流，故If不能隨Ic無限增大。4.3磁放大器式硅弧焊整流器4.3.2.2無反饋磁放大器的特點(diǎn)（1）WA接線保證一個(gè)鐵心內(nèi)ΦA(chǔ)與Φc方向一致，另一個(gè)鐵心內(nèi)則相反；

（2）可用較小的Ic控制較大的IA，電流放大倍數(shù)KI＝Nc／NA，故可適當(dāng)增大Nc，使KI達(dá)幾十倍。（3）如果鐵心材料為冷軋硅鋼片，其磁化曲線接近于理想磁化曲線，則可獲得近于垂直陡降的外特性。

（4）無反饋磁放大器式弧焊整流器只能獲得較為陡降的外特性。由于短路電流太小，引弧不易，不宜用于手弧焊，故其應(yīng)用范圍有限。4.4有反饋磁放大器式硅弧焊整流器為解決無反饋的磁放大器的前述問題可采用有反饋的磁放大器。常用的有焊接電流正反饋和電弧電壓負(fù)反饋。反饋又有外反饋和內(nèi)反饋之分，前者通過外加反饋繞組對(duì)直流輸出電流或電壓進(jìn)行反饋，后者則由交流工作繞組兼起反饋?zhàn)饔谩Ｒ韵轮唤榻B應(yīng)用較廣的全部內(nèi)反饋式和部分內(nèi)反饋磁放大器式弧焊整流器。4.4有反饋磁放大器式硅弧焊整流器4.4.1全部內(nèi)反饋磁放大器式弧焊整流器當(dāng)電路工作時(shí)，兩個(gè)鐵心都達(dá)到飽和狀態(tài)，保持感抗壓降為一定值與負(fù)載電流無關(guān)，則焊接電壓則為定值，即形成平特性。全部內(nèi)反饋磁放大器就是利用內(nèi)反饋使鐵心達(dá)到自飽和，從而獲得平特性的。故，全部內(nèi)反饋磁放大器也稱為自飽和電抗器。4.4有反饋磁放大器式硅弧焊整流器4.4.1.1基本電路圖4-35全反饋磁放大器式弧焊整流器的原理電路各相磁放大器的兩個(gè)WA繞組的非同名端接在一起后再接交流電源，另二端則各接一個(gè)整流元件再接負(fù)載。其特點(diǎn)是每個(gè)WA繞組中的電流是方向不變的半波脈動(dòng)電流,且始終從同名端流入。4.4有反饋磁放大器式硅弧焊整流器

交流工作繞組的聯(lián)接原則：使ΦA(chǔ)與ΦC的方向一致。ΦA(chǔ)由輸出電流If流過WA所產(chǎn)生，其作用是加強(qiáng)ΦC，因此交流工作繞組WA兼起電流正反饋繞組的作用。兩個(gè)鐵心內(nèi)的ΦA(chǔ)l(由IANA1產(chǎn)生的)及ΦA(chǔ)2(由IANA2產(chǎn)生的)雖是按交流電的正負(fù)半周輪流以與Φc相同的方向穿過直流控制繞組，但由于它們的基波相位相反而可以相互抵消，所以在WA中感生的電動(dòng)勢(shì)不大。因?yàn)镹