250安培焊条电弧焊双反星形整流焊机电源设计

1、课程设计专业用纸成 绩 评 定 表学生姓名班级学号专 业材料成型及控制工程课程设计题目250安培焊条电弧焊双反星形整流焊机电源设计评语组长签字：成绩日期 20 年 月 日课程设计任务书学 院专 业学生姓名班级学号课程设计题目250安培焊条电弧焊双反星形整流焊机电源设计实践教学要求与任务:焊条电弧焊双反星形整流焊机电源设计： 已知参数负载持续率60%，额定电流250A(带平衡电抗器双反星形整流电路)工作计划与进度安排:1.查阅文献资料，熟悉焊条电弧焊焊机设计的思路。2.初步了解焊条电弧焊双反星形整流焊机的电源设计。3.根据相关资料，提出可行方案。4.编写说明书。5.答辩。指导教师： 201 年

2、月 日专业负责人：201 年 月 日学院教学副院长： 201 年 月 日目 录1 绪论41.1 对弧焊电源外特性形状的要求41.2 对电源空载电压的要求41.3 对电源调节特性的要求51.4 对弧焊电源动特性的要求52 主电路设计62.1 带平衡电抗器双反星形可控整流电路62.1.1 电路结构62.1.2 平衡电抗器的工作原理62.1.3 触发电路72.1.4 带平衡电抗器可控整流电路的主要特点92.3 脉冲的产生92.3.1 对触发脉冲的要求93 变压器的计算113.1 弧焊变压器的基本技术参数113.2 弧焊变压器的计算113.2.1 基本技术参数的确定113.2.2 变压器的容量、相电压

3、及相电流123.2.3 变压器的主要尺寸124 平衡电抗器的计算184.1 计算平衡电抗器的电感量184.2 平衡电抗器的设计185 晶闸管的选择215.1 晶闸管工作条件215.2 晶闸管的保护215.2.1 晶闸管的过压保护225.2.2 晶闸管的过流保护225.2.3 晶闸管的过热保护225.3 选择晶闸管23结束语 24参考文献 251 绪论 焊接电源是焊条电弧焊的主要设备。电源外特性、动特性及焊接参数调节特性的优劣，直接影响电弧和焊接过程的稳定性，所以焊条电弧焊应满足下列要求：1.1 对弧焊电源外特性形状的要求焊条电弧焊电极尺寸较大，电流密度低。在电弧稳定燃烧条件下，其负载特性处于U

4、形曲线的水平段，故首先要求电源外特性曲线与电弧静特性曲线的水平段相交，即要求焊条电弧焊的电源应具有下降的外特性。再从焊接参数稳定性考虑，要求电源外特性形状陡降一些为好，因为对于相同的弧长变化，陡降外特性焊接过程中，弧长的变性电源所引起的电流变化比缓降外特性电源所引起的电流变化小得多。焊条电弧化是经常发生的。为了保证焊接参数稳定，从而获得均匀一致的焊缝，显然要求电源具有陡降的外特性。外特性形状对电流稳定性的影响 焊条电弧焊电源理想的外特性 1-陡降外特性 2-缓降外特性 图1.1陡降外特性能克服由于弧长波动所引起的电流变化，但其短路电流过小，不利于引弧。最理想的焊条电弧焊电源的外特性是具有垂降带

5、外拖的外特性。在正常电弧电压范围内，弧长变化是焊接电流保持不变。当电弧电压低于拐点电压值时，外特性曲线向外倾斜，焊接电流变大，增大了熔滴过渡的推力。由于短路电流也相应增大，有利于引燃电弧。1.2 对电源空载电压的要求电源空载电压的确定应保证引弧容易和电弧功率稳定。电源的空载电压越高，引弧越容易，电弧燃烧的稳定性越好，电弧功率越稳定。但空载电压越高，安全性越低；电源所需的铁、铜材料越多，体积和重量越大，同时还会增加能量的损耗，降低弧焊电源效率。为保证人身和设备安全，提高经济性，就要求对空载电压必须加以限制。因此，在设计弧焊电源确定空载电压时，应在满足弧焊工艺需要的前提下，尽可能采用较低的空载电压

6、。对于通用的交流和直流焊条电弧焊电源的空载电压有如下规定：焊条电弧焊交流弧焊电源、焊条电弧焊直流弧焊电源1.3 对电源调节特性的要求为了满足不同焊接工艺的要求，如不同的焊芯直径、焊接位置、工件厚度等，要求焊机有良好的调节特性。焊条电弧焊电源的调节是指调节焊接电流，实质上是改变电源的外特性。其调节特性有以下三种情况：a） b） c）图1.2焊机外特性在调节时的变化第一种是焊接电流小是，空载电压同时降低。如图a所示这种调节特性不够理想，U0低不易引弧和保证电弧的稳定燃烧。第二种是空载电压U0不变，通过改变电源外特性陡降程度而实现焊接电流的改变。这种调节特性是比较好的，用小电流焊接时，仍能保证引弧容

7、易，如图b所示。第三种是空载电压随焊接电流的减小而增大，随电流的增大而减小。如图c所示，这种调节特性是理想的，因为在小电流焊接时，由于U0高，引弧容易、电弧稳定。而在使用大电流时，虽然U0低但焊接电流和短路电流大，引弧性能和稳弧性能较好。1.4 对弧焊电源动特性的要求焊接电弧对弧焊电源而言是一个动负载。形成动负载的主要原因是熔滴过渡时弧长发生频繁的变化。尤其短路过渡时这种变化尤为突出，使电弧的燃烧过程经常处于不稳定状态。这就要求弧焊电源具有良好的动态特性，从而适应焊接电流和焊接电压的瞬态变化。所谓弧焊电源的动特性，是指电弧负载状态发生突然变化时，弧焊电源输出电压与电源的响应过程，可以用弧焊电源

8、的输出电流Ih和电压Uh对时间的关系，即Uh=f（t），Ih=f（t）来表示，它反应弧焊电源对负载瞬变的适应能力。只有当弧焊电源的动特性合适时，才能获得预期有规律的熔滴过渡，电弧稳定，飞溅小和良好的焊缝形成，得到满意的焊缝质量。2 主电路设计2.1 带平衡电抗器双反星形可控整流电路2.1.1 电路结构电弧电流所流过的电路称为主电路。主电路由主变压器、晶闸管整流器和输出电抗器组成。2.1.2 平衡电抗器的工作原理其基本电路如下图所示，其结构由六个晶闸管，一个平衡电抗器和一个主变压器组成。主变压器是三相的，二次侧有两组绕组，各以相反极性联成星形，故称“双反星形”。实际上，它只不过是通过平衡电抗器并

9、联起来的两组三相半波可控整流电路。图中，-a、-b、-c点的电压各与a、b、c点的电压相反，V1、V3、V5构成的三相半波整流电路称为正极性组，V2、V4、V6构成者称为反极性组，平衡电抗器是带有中心抽头的电感，抽头O两侧的线圈匝数相等。当在电路中的M和N点之间接入平衡电抗器LB时，同样在wt1时，Ua最高，V1导通，电流通过LB的MO流至负载,在MO上产生一个感应电动势，极性如图2.3 所示（右正左负）。由于O点是LB的中心抽头，所以ON段上感应电动势与MO段相等，且极性一致。这样就提高了N点的电位，反极性组中U-b电压最高，故VT6能与VT1同时导通。当Ua过了其峰值之后至wt2之前，反极

10、性组中U-c高于U-b，于是V2导通而V6关断，则该阶段由V1与V2同时导通。过了wt2是U-c电压最高，V2能导通，于是LB的感应电动势极性如图2.4，由于LB提高了M点的电位，使V1能继续导通。直到过了U-c的峰值以后，则正极性组中的Ub电压最高，于是V3导通而V1关断，由V3和V2同时导通。六个晶闸管的导电次序可依次类推。图2.1带平衡电抗器双反星形整流电路图2.2主电路图2.1.3 触发电路图2.3触发脉冲产生和同步电路单结晶体管触发电路如上图所示。脉冲移向电路，如上图所示，主要由三极管V3、V4，单结晶体管VU1、VU2，电容C20、C21，脉冲变压器TP1、TP2组成。控制电压uk

11、接至三极管V3、V4基极。当有负的uk输入时，C20、C21分别被充电，于是由C20、VU1和C21、VU2组成的张弛振荡器不断产生振荡，脉冲变压器分别输出脉冲。uk越负，C20、C21充电电流越大，产生第一个脉冲就越早，主电路中相应晶闸管的控制角就越小，导通角越大；反之亦然。所以，改变控制电压uk值即可达到脉冲移相的目的。由于单结晶体管和三极管的参数都存在分散性，即使他们型号相同，但参数也不尽相同。为避免两组晶闸管导通角不同造成三相不平衡，需要精细调整电路参数。图中电位器RP8、RP9分别用来弥补VU1、VU2之间参数的不一致性，电位器RP10、RP11分别用来弥补V3、V4之间参数的不一致

12、性。调节这些电位器，可使两套电路输出脉冲对称。同步电路，同步电路主要由控制变压器T2、稳定管VS16、电容C1C3、电阻R3R8、二极管VD1VD4、三极管V1、V2等元件组成。为了保证触发脉冲与晶闸管阳极电压之间的同步关系。在各自的同步点上，由同步信号使V1、V2瞬时饱和导 确定的充电速度开始充电。如此产生的第一个“有效”（因为晶闸管一旦触发导通，控制级便失去控制作用，真正起作用的是第一个触发脉冲，接着再产生的脉冲是无用的，故称为“有效”）触发脉冲的相位完全由uk控制。a）b）c） d）e）图2.4同步电路波形图a）相电压波形 b）、c）、d）各相脉冲波形 e）R6上脉冲波形2.1.4 带平

13、衡电抗器可控整流电路的主要特点1、带平衡电抗器的整流电路，相当于正极性和反极性两组三相半波整流电路的并联。每个器件的导通角为120º；2、在任一瞬时，正反极性组均有一支电路导通；3、在正常情况下，两组三相半波整流电路整流电压的平均值是相等的，但他们的瞬时值是不相等的。2.3 脉冲的产生2.3.1 对触发脉冲的要求 1、触发脉冲应有足够功率，信号极性要求门极为正，阴极为负； 2、触发脉冲相位必须与加在晶闸管上的阳极电压同步，触发脉冲与主电路电源电压应有相同频率且保持一定相位关系称为同步；3、触发脉冲可以移相且能达到所要求的移相范围，为了调节焊接参数和控制电源的外特性形状，需要改变晶闸管

14、的控制角，即通过移相触发电路改变触发脉冲相位。4、触发脉冲应有一定宽度，脉冲前沿应尽可能陡，以是晶闸管导通后阳极电流迅速上升，超过擎柱电流而维持可靠导通；5、多路触发脉冲之间应有电气隔离，尤其是在三相全控整流电路中各路触发脉冲必须在电气上隔离。2.3.2 脉冲的选择触发电路一般由同步电路、脉冲形成电路、脉冲移相和放大电路等组成。按触发电路使用的器件可分为单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、数字式触发电路和集成触发电路等几种。在带平衡电抗器双反星形整流电路中，选择单结晶体管触发电路。单结晶体管触发电路的特点：当发射极电压等于峰点电压Up时，单结管导通。导通之后，当发射电压减小到uEUv时，管子由

15、导通变为截止。一般单结管的谷点电压在25V；单结管的发射极与第一基极之间的RB1是一个阻值随发射极电流增大而变小的电阻，RB2则是一个与发射极电流无关的电阻；不同的单结管有不同的UP和UV。同一个单结管，若电源电压Ucc不同，它的UP和UV也有所不同。在触发电路中常选用UV低一些或IV大一些的单结管。工作原理：单结晶体管又叫双基极二极管，它有一个PN结、一个发射极和两个基极。发射极和两个基极之间可以等效为一个二极管，具有二极管的单向导电特性。当单结晶体管发射极电压ue=0时，二极管反向偏置，发射极流过反向漏电流ie。随着ue的增大，反向漏电流ie减小，当ue=UA=Ucc时，ie=0，二极管处

16、于零偏置。式中叫分压比，是单结晶体管的一个重要参数；为加在单结晶体管两个基极之间的电源电压。3 变压器的计算3.1 弧焊变压器的基本技术参数弧焊变压器除有额定输入功率P1e、额定输出功率P2e和效率参数外,还有下列参数:空载电压U20；对手工弧焊机规定U2080V。工作电压U2；U2指弧焊机在焊接电弧燃烧时（或在规定负载特性条件下）的输出端电压。对下降特性电源，规定负载特性可用U=20+0.04I（I600A时，取U=44V）表示。额定焊接电流I2e；I2e指弧焊机在额定工作条件下运行时，能符合标准规定（如温升限度、电流稳定性等）而输出的电流。额定工作电压U2e；U2e指与额定焊接电流相应的工

17、作电压。最大焊接电流I2·max；I2·max指弧焊机通过调节所允许输出的、与工作电压相应的最大电流。最小焊接电流I2·min；I2·min指弧焊机通过调节所能输出的、与工作电压相应的最小电流。电流调节范围；指弧焊机在工作电压符合规定负载特性条件下，能够调节获得的焊接电流范围，以最大和最小焊接电流对额定电流之比表示I2·maxI2e1.2，I2·minI2e0.25。最大工作电压U2·max；U2·max指弧焊机通过调节所能输出的、与规定负载特性相应的最大电压。最小工作电压U2·min；U2·m

18、in指弧焊机通过调节所能输出的、与规定负载特性相应的最小电压。工作电压调节范围；指弧焊机在焊接电流符合规定负载特性条件下，能够调节获得的电压范围。连续焊接电流Ilx；Ilx指弧焊机能够以恒载连续工作方式运行的电流，此时电流温升不超过标准。负载持续率FZ；其计算公式FZ=tT×100 式中 t-焊接工作时间； T-整个周期（工作和休止时间之和）。弧焊变压器的功率因数。其计算公式：cos0.9 U2U203.2 弧焊变压器的计算3.2.1 基本技术参数的确定1、确定弧焊变压器一次额定电压：弧焊变压器一次额定电压一般为380V或220V两种，电源频率f为50Hz。2、确定二次空载电压：二次

19、空载电压是可调的，一般在5080V范围内，容量大的取大值。取，额定输出直流电流3、额定负载持续率。4、相数：m=3.5、整流器形式：双反星形带平衡电抗器6、一次线电压：7、冷却方式：强迫风冷8、绝缘等级：B级3.2.2 变压器的容量、相电压及相电流1、变压器二次相电压 取2、二次相电流 取56A3、二次功率 4、一次相电压5、变压比6、一次相电流 7、一次功率 8、计算功率 3.2.3 变压器的主要尺寸1、选择铁心材料及确定磁通密度，铁心选用D420.5热轧硅钢片，。2、变压器铁心截面积 毛面积 式中 0.96为系数3、变压器主要尺寸 铁心毛厚度 铁心截面积为4、一、二次绕组 每伏电压匝数 二

20、次绕组匝数 取29匝 每伏匝数 校核磁通密度 一次绕组匝数 取 一次、二次绕组导线截面积 预选电流密度： 则 选裸铜线1.0mm×4.5mm，其截面积 故一次电流密度 预选二次绕组截面积 选裸铜线2.12mm×9mm，其截面积为 故电流密度为5、窗口尺寸 绕组形式采用并式绕组，一次绕组为4并串联，匝数分配为： 沿铁心柱各并宽尺寸 式中为导线的厚度。 各并高度尺寸 二次绕组每一相2且并联 各并宽度尺寸 各并高度尺寸 窗口尺寸为窗口高度窗口宽度6、铁心的计算 铁心的尺寸： 高为： 长为： 宽为：图3.1铁心尺寸 硅钢片层数： 硅钢片尺寸及数量：硅钢片叠装如图3.1所示图3.2硅

21、钢片叠装图硅钢片叠装如图3.1所示，各种规格硅钢片的尺寸如下：A种 B种 C种 各种规格硅钢片的总片数如下： A种 B种 C种 铁心质量 7、空载电流 空载损耗：选用D420.5，时，（单位质量铁损）则 空载电流有功分量： 励磁损耗：选用D420.5，时， 空载电流： 满足要求 空载电流8、绕组铜质量 一次绕组铜质量：线圈平均匝长 铜质量二次绕组铜质量：线圈平均匝长铜质量 铁铜比：9、100时的铜损 4 平衡电抗器的计算4.1 计算平衡电抗器的电感量平衡电抗器是双反星形电路中为了保持两路平衡而设置的。为达到此目的，首先需要计算平衡电抗器的电感量。双反星形电路中，每组整流电路输出的电流平均值为，

22、为保持输出电流波形连续的最小电流平均值与平衡电抗器电感量的关系为：，则式中-保持输出电流波形连续的最小电流平均值（A）； -平衡电抗器的电感量（mH）； -整流变压器二次相电压（V）。4.2 平衡电抗器的设计1、铁心截面积选取c=2a（c、a分别为铁心的长和宽尺寸）令a=50mm，则c=100mm 则净面积式中K-硅钢片的间隙系数K=0.942、电抗器两端最大电压时基波有效值3、线圈匝数 取4、气隙长度选取，每柱0.5mm5、导线截面积选择 选用3.15mm×11mm裸铜线 验算电流密度6、线圈排列与窗口面积图4.1线圈排列图形7、铁心硅钢片片数 铁心硅钢片采用D42-0.35。 取

23、n=269片式中-硅钢片的厚度，这里=0.35mm硅钢片的规格：50mm×51mm 269片50mm×99mm 269片50mm×151mm 269片50mm×200mm 269片 8、磁路平均长度 9、电感量 10、最小工作电流 该平衡电抗器合格。5 晶闸管的选择晶闸管是晶体闸流管的简称，在选择晶闸管时应留有一定的功率裕量，其额定峰电压和额定电流（通泰平均电流）均应高于受控电路的最大工作电压和最大工作电流的1.52倍。晶闸管的正向压降、门极触发电流及触发电压参数应符合应用电路（指门极的控制电路）的各项要求，不能偏高或偏低，否则会影响晶闸管的正常工作。图5.1 晶闸管的符号5.1 晶闸管工作条件 由于晶闸管只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要经过一定的条件才能转化，此条件如下表5-1所示表5-1状态条件说明从关断到导通阳极电位高于阴极门极有足够的正相电压和电流两者缺一不可维持导通阳极电位高于阴极电位阳极电流大于维持电流两者缺一不可从导通到关断阳极电位低于阴极电位阳极电流小于维持电流任一条件即可5.2 晶闸管的保护晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是他的主要缺点。晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧