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第6章晶閘管式弧焊整流器2004/10/101
晶閘管式弧焊整流器是目前實際工程中應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,也有平緩外特性的晶閘管式弧焊整流器。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、實例介紹。2004/10/1026.1概述
在20世紀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)動電路,C為電子控制電路??刂齐娐吠?004/10/103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通角,晶閘管的導通角越大,電源輸出電壓和電流越大。晶閘管導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Ugi、電壓給定信號Ugu和電流、電壓反饋信號Ufi、Ufu通過電子控制電路C得到的控制信號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間即為導通角,電流相位可能在一個半波內(nèi),若有電感作用就有可能超過半波,極限情況應是2004/10/1046.2三相可控整流主電路晶閘管式弧焊電源一般采用三相變壓器及晶閘管整流電。常用主電路結(jié)構(gòu)形式:1、三相半控橋式;2、三相全控橋式;3、六相半波可控整流;4、帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路等四種。晶閘管式弧焊整流器具有以下特點:(1)動特性好(2)控制性能好(3)省材節(jié)能(4)噪聲?。?)電路較復雜相對于弧焊變壓器和弧焊發(fā)電機而言2004/10/1056.2.1三相半控橋式整流電路電路結(jié)構(gòu)2004/10/106三相半控橋電阻性負載觸發(fā)角=0的波形圖相電壓波形負載電壓波形觸發(fā)脈沖時序SCR導通順序注意α=0的相位與單相整流電路的區(qū)別:從自然換相點開始2004/10/107三相半控橋電阻性負載觸發(fā)角=30的波形圖相電壓波形負載電壓波形觸發(fā)脈沖時序SCR導通順序2004/10/108相電壓波形負載電壓波形觸發(fā)脈沖時序SCR導通順序三相半控橋電阻性負載觸發(fā)角=60的波形圖三相半控橋電阻性負載時輸出電壓平均值與導通角的關系:2004/10/109三相半控橋電阻電感性負載要求增加續(xù)流二極管D72004/10/1010三相半控橋式整流電路的特點:1、只用三只晶閘管和三個觸發(fā)脈沖單元,因而線路比較簡單、可靠、經(jīng)濟和較易調(diào)試;2、整流變壓器為普通的三相降壓變壓器,易于制造。3、其主要缺點是調(diào)至低電壓或小電流時波形脈動較明顯。4、需配備大電感量的輸出電抗器。改進方案附加全波整流的維弧電路以及高壓引弧電路。2004/10/10116.2.2三相全控橋式整流電路2004/10/1012圖6-10α=0°電阻負載三相全控橋式整流電路波形a)相電壓b)負載電壓c)觸發(fā)脈沖d)管子導通順序三相橋與三相半控整流電路有什么區(qū)別呢?三相半控觸發(fā)頻率150Hz,此處為300Hz,意味著動特性提高了?。。?004/10/1013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)2004/10/1014圖6-12α=60°電阻負載三相全控橋式整流波形2004/10/1015圖6-13α=90°電阻負載三相全控橋式整流波2004/10/1016當0≤α≤π/3時,輸出電壓ud波形連續(xù),此時有:當α>π/3時,輸出電壓發(fā)生間斷,此時有:2004/10/1017圖6-14α=90°電阻電感性負載三相全控橋式整流電壓波形2004/10/1018在電感足夠大使負載電流連續(xù)的條件下,ud與α之間關系為:1、三相橋式全控整流電路的輸出電壓每周有六個波峰,脈動較小,所需配用的輸出電感的電感量也較小。2、其缺點是要用六個晶閘管,且觸發(fā)電路復雜,增加了調(diào)試和維修的難度。3、該電路是目前應用較多的電路之一,美國米勒公司生產(chǎn)的焊機以及國內(nèi)ZX5-400B型晶閘管弧焊整流器都采用了此電路。特點及應用2004/10/10196.2.3六相半波可控整流電路電路結(jié)構(gòu)2004/10/10201.電阻性負載圖6-17α=0°時六相半波可控整流波形
a)ud波形b)晶閘管導通順序2004/10/1021觸發(fā)頻率300Hz,意味著動特性與三相全控整流電路基本相同2004/10/10222.電阻電感性負載2004/10/10236.2.4帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路電路結(jié)構(gòu)2004/10/10241.平衡電抗器的工作原理沒有平衡電抗器時等效于六相半波整流。每個時刻只有一個管子導通,利用率低。在ωt1+δt1時刻,Ua相電壓最高,U-b相次高。此時Up=Ua,沒有平衡電抗器時Um=Un,故,VH6陰極電位比陽極電位高,即使觸發(fā)它也不能導通。ωt1+δt1欲使VH6與VH1同時導通,只有設法將N點電位相對于M點提高Ua-U-b,此時VH6的陽極電位與VH1的陽極電位相等,這樣就可以實現(xiàn)VH6與VH1同時導通了。ωt1+δt22004/10/1025為了提高N點的電位,實現(xiàn)兩個晶閘管的同時導通,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點與N點之間,如圖6-22b所示。在ωt1+時刻,Ua最高,VH1導通,電流通過LB的MO流至負載,在MO上產(chǎn)生的感應電動勢極性是右正左負,UOM與Ua極性相反,使VH1的陽極電位降低了uOM;由于O點是LB的中心抽頭,故ON與MO的感應電動勢相等且極性一致,即uON=uOM,這樣就提高了N點電位,而且uON與u-b極性相同,將VH6的陽極電位提高了uON,從而使VH6能與VH1同時導通。圖6-22有無平衡電抗器的比較a)無平衡電抗器b)有平衡電抗器
2004/10/1026當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導通而VH6關斷,該階段VH1又與VH2同時導通。過了ωt2,u-c電壓最高,VH2繼續(xù)導通且該支路電流較大,于是LB的感應電動勢極性如圖6-23所示,借助于它提高了M點和VH1陽極的電位,降低了N點和VH2陽極的電位,使二者陽極電位趨于相等,因而VH1能繼續(xù)導通,直到過了u-c的峰值之后,正極性組中ub電壓最高,于是VH3導通而VH1關斷,VH3和VH2同時導通。六個晶閘管的導電順序可依此類推,見圖6-24e。圖6-24為α=0°時的波形。圖6-23ωt2時刻LB上感應電動勢極性2004/10/1027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)晶閘管導通次序2004/10/1028由上述分析可知:1)帶平衡電抗器雙反星形整流電路,相當于正極性和反極性兩組三相半波可控整流電路的并聯(lián)。各組輸出電壓波形如圖6-24a、b中實線所示,是各相電壓的包絡線。每個晶閘管的最大導通角為120°,輸出電流id同時由兩個晶閘管和兩個變壓器二次繞組供給,提高了其利用率。因為每個晶閘管只負擔1/6的Id,所以該可控整流電路適用于輸出大電流的場合。2)任何瞬時,正、反極性組均有一支電路導通工作,輸出電壓瞬時值等于兩個半橋瞬時值的平均值。即:根據(jù)相電壓波形可求出ud的波形,如圖6-24c中實線所示,每周有六個波峰。由于該電路相當于兩組三相半波可控整流電路的并聯(lián),所以整流電壓平均值與三相半波可控整流電路的相等。3)平衡電抗器是維持兩組三相半波電路互不干擾各自正常工作所必須的。LB的兩端應承受的電壓uMN=uMP-uNP。當α=0°時,其波形如圖6-24d所示,頻率為電網(wǎng)的三倍,近似于三角形波,其幅值為相電壓幅值的1/2倍。2004/10/1029應該注意的是,若負載電流小于某一定值(稱為臨界電流,約為額定負載電流的2%~5%),而達不到LB鐵心中建立上述三角波電壓所需磁通的勵磁電流時,則LB上的電壓達不到所要求值,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,負載電流為LB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:2004/10/1030α=30°時整流電壓波形α=60°時整流電壓波形2004/10/1031α=90°時整流電壓波形2004/10/1032與其它可控整流電路相比,該電路具有以下特點:l)它相當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間可延長至120°2)有六個晶閘管,觸發(fā)電路比三相半控橋式整流電路的要復雜,比三相全控橋式整流電路的簡單。3)整流電壓波形為每個周波六個波峰,其脈動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)應對稱,這就對變壓器等的制造和元件的挑選提出更高的要求。2004/10/1033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2004/10/1034作業(yè):對號入座說明一臺晶閘管整流焊機的原理,指定為ZX5系列,用于焊條電弧焊要求:1.不必設計,只進行選擇,將選擇的電路與圖5-17“對號入座”并加以說明。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.所設計的焊機的額定電流從下面的系列中選擇:160、200、250、315、350、400、500、630。有關的器件可到圖書館工具書室查閱,或上網(wǎng)或百度4.每六人一個小組共同交一份選擇方案,每人再交一份“對號入座”原理說明書。所有這些裝訂在一起以小組為單位上繳。設計若有雷同,均以零分計。2004/10/10356.3晶閘管移相觸發(fā)電路1.對觸發(fā)脈沖的要求(1)觸發(fā)脈沖應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。(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)脈沖應能移相并達到要求的移相范圍。2.對觸發(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,對所需要用的觸發(fā)電路套數(shù)進行分析。在此基礎上,可以舉一反三分析其它整流電路對觸發(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2004/10/1036圖6-29一套觸發(fā)電路觸發(fā)一組晶閘管時脈沖的分配a)電路圖b)相電壓波形c)觸發(fā)脈沖波形2004/10/1037三套觸發(fā)電路的脈沖時序圖120120120180UgabcUg-a-b-cUgaUg-aUgcUg-cUgbUg-b120180120180180兩套觸發(fā)電路的脈沖時序圖2004/10/10386.3.2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2004/10/1039(2)鋸齒波同步圖6-38鋸齒波同步電路a)電路圖b)波形圖2004/10/10402004
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