李永江-弧焊电源课程设计

1、弧焊电源课程电路设计综述报告弧焊电源课程设计课题名称：晶闸管触发电路的设计学 院：材料科学有工程学院班 级：焊接三班姓 名： 李永江学号：1007074308指导教师：杨文杰引言自从1956年美国贝尔实验室发明晶闸管，1957年美国通用电气公司发出世界上第一只晶闸管以后，从此揭开了电力电子技术发展和应用的序幕。由于晶闸管容量大、耐压高、功耗小、具有良好的可控性，因此很适合制作弧焊电源。在 晶闸管为整流元件的弧焊电源一一晶闸管弧焊整流器。20世纪60年代初期，便出现了以 它采用小功率信号改变晶闸管的导通角来实现对弧焊电源外特性的控制以及焊接参数的调节。目前在各种弧焊电源中， 晶闸管弧焊整流器的应

2、用较为广泛。二、晶闸管弧焊电源主电路形式及原理晶闸管式弧焊整流器主电路主要有三种：三相桥式半控电路、三相桥式全控电路以及 带平衡电抗器双反星形电路。2.1、三相桥式半控电路电阻性负载其电路如图5-6。图中T为变压器，整流电路由三个晶闸管V1、V3、V5和三个二极管 VD2、VD4、二极管构成共阳极。当晶闸管VD6组成，Rf为负载，其中三个晶闸管构成共阴极，三个控制角a =0°时波形分析如图5-7所示。分别在自然换向点3 t1、3 t3、3 t5，触发三只 晶闸管，使其轮流导通。而二三榨于甘D Y极管则在自然换向点3 t2、3 t4、3 t6处自然换向。图5-7 a = 0°

3、三相桥 式半控整流电路电阻负载 波形a）相电压b）负载电压c）触发电压d）管子导通顺序当a = 30°时，如图5-8所 示，3 t1时刻V1管触发导 通，电源电压 uab通过V1和VD6加 于负载Rf两端。在3 t2时，共阳极组 整流二极管VD2与VD6自然换向， 所以在3 t2之后，VD2导通，电源电 压uac通过VI、VD2加于负载，一直 到3 t3时刻，V3管导通后使 V1承受 反压而关断，电路转换为V3与VD2导通。Rf两端电压是ubc。依此类推。S15I64i3L如果将其三个二极管 VD2、VD4、VD 6换成三个晶闸管,就变成了三相桥式全控整流电路,V4 甘6 V;图弘1

4、丨三相桥式全控整流电路图从输出电压波形看每个周期有六次脉动，且脉动是不均匀的。当a = 60°时，即在滞后于自然换相点 60°处触发晶闸管得到的负载波形如图5-8所示。其特点是，在触发晶闸管时正值二极管的自然换相点，因而晶闸管与二极管同时换相。2.2、三相桥式全控整流电路当= 60°时，三相桥式半控整流电路的整流电压波形每周只有三个波峰脉动较大。如图5-11所示，其输出电压波形较 好。1.电阻性负载其电路如图5-11所示，六只晶 闸管：V1、V3、V5接成共阴极组, V2、V4、V6接成共阳极组。现讨 论电阻性负载时的工作情况，先将 输出电抗器L短路起来。要使负载

5、 中流过电流，必需让上述二组晶闸 管中各有一个同时导通。与其它全 波整流电路一样，由于管子压降可 以忽略，负载上承受的是线电压。 工作过程中，共阳极组和共阴极组的晶闸管都在不断相换,换相时刻取决于产生触发脉冲的相位。为了获得一周有六个波峰的负载电压波形，则需同时触发两组晶闸管。即要求同组各晶闸管的触发电压互差120o,二组之间互差60a如图5-12所示是，即在自然换点3 t16上，由互差60o的ug16按序触发对应的晶闸管 VH16的波形。图5-12 a= 0。三相桥式全控整流电路电阻负载波形a）相电压b）负载电流、电压c）触发电压d）管子导通顺序2.3、带平衡电抗器双反星形可控整流电路图3-

6、16带平衞电抗器双反星形整诫电路其基本电路，如图5-16所示，可接成图5-16a、b形式，其工作原理及组成是一样的。 其结构由六个晶闸管，一个平衡电抗器LB和一个主变压器组成。主变压器是三相的，二次有两组绕组，各以相反极性联成星形，故称“双反星形”带平衡电抗器双反星形整流电路，相当于正极性和反 极性两组三相半波整流电路的并联。各组输出电压波形如图5-21a、b中实线所示，是各相电压的包络线。 任何瞬时, 正、反极性组均有一支电路导通工作，故可将该电路简化 成如5-22所示。图中ua、ub各为某瞬时同时导通的正、 反极性支路的变压器相电压瞬时值，晶闸管的正向压降略去不计。平衡电抗器是维持两组三相

7、半波电路互不干扰 各自正常工作所必需的。h .e* * a t Hl f >' - RI !；!； I :小 I Kx :图去茴化电路图5L »r ；» j V 匕 e t - - ,u j4 J J * j f IY "JZi押 4 i驷n i 4卄 i 11 I.q h 1 J J JIP-(5 11535：'厂一13A <522446 |冷3 25-21 带平衡电抗器双反星形整流电路波形图（a = 0°时）电阻负载波形a）正极性组的整流电压波形图b）反极性组的整流电压波形图c）负载电压波形d）平衡电抗器两端电压波形e）整

8、流元件导通顺序当a = 0。时。其波形如图 5-21d所示，频率为电网电压的三倍、近似于三角波形，其 幅值为相电压幅值的1/2倍。当a = 30°时，正、反极性组整流电压uMP和uMP波形如图5-23所示。图5-24为a=60°时的波形，正、反极性组整流电压uMP、uNP波形如图5-24a、b所示。图5-25为a=60°时的波形，这时 uMP、uNP都对称于横轴，它们的平均值皆为零。图带平衡电抗器取反 星形整流电路 时整谎电压 正极性组电压液形功 反极性组电压波形 C负载电压披形图FJ4带平衝电旅器双反 星晦流电路 s=60"时整療电压 时正极性组电压波

9、形町 反极性组电压波形 c）施载电庄波屯图,25带平衡电抗器双反 星形整流电路 5=g时蠡流电压 a）正根性组电压诫开* b）反 极性组电压筱形 C）负载电压披形述其他电路相比它具有以下特点：1）六相半波整流电路每相电流流通时间只有率较高。该电路中，同时有两个晶闸管并联导电，每管分担 电路相当于两个三相半波整流电路的串联，1/3负载电流，同时有二个整流元件串联导电，每个晶闸管分担后者所用晶闸管的额定电流也就要求较大。同时后者要考虑两倍的管子压降，般地说，带平衡电抗器的双反星形整流电路更适合于作弧焊电源，即两组整流电路的参数（主要是变通过以上分析可知，带平衡电抗器双反星形整流器在电路中要有足够大

10、的电感，与上它相当于两组三相半波整流电路并联。它的各相电流流通时间可延长至120°,而60°，显然前者的整流变压器和整流元件的利用 1/6负载电流。而三相桥式整流因而效率较低。因而， 因为弧焊电源要求大电流低电压。2）有六个晶闸管，触发电路比三相桥式半控 流电路的要复杂，但比三相桥式全控整流电路的 单。3）整流电压波形为每个周波六个波峰，其脉 程度比三相桥式半控电路的小，最低谐波为六次， 求输出的电感量及体积都较小。4）需用平衡电抗器，且为保证电路能正常工 作，其铁心不宜饱和。为此，应避免该铁心被直 成分所磁化，要求其抽头两边线圈的直流安匝相互抵消， 压器的匝数和漏感）应基

11、本对称。、晶闸管触发电路晶闸管是半控型器件，它最重要的特性是正向导通的可控性，当阳极加上一定的正向电压后，还必须在门极和阴极之间加上足够的正向控制电压、电流即触发电压、电流，以及达到维持晶闸管导通的维持电流时，晶闸管才能从阻断转化为导通。晶闸管导通后，门极控制信号就失去了控制作用，直到电源过零时，其阳极电流小于维持电流，晶闸管才自行关断。 根据这一特性，触发电压、电流可以是交流、直流或短暂的脉冲电压、电流，为减少门极损 耗与触发功率，常用脉冲电压、电流触发晶闸管。3.1晶闸管触发电路应满足一下要求：(1) 、触发脉冲相位必须与加在晶闸管上的阳极电压同步。(2) 、触发脉冲应有足够功率信号极性要

12、求门极为正，阴极为负。(3) 触发脉冲可以移相且能够达到所要求的移相范围为了调节焊接规范和控制 电源的外特性形状，需要改变晶闸管的控制角，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，以使晶闸管导通后阳极电流迅 速上升，超过擎住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。3.2移相触发电路的套数a、用六套触发电路由于该整流电路中有六只晶闸管，每只晶闸管需要一套触发电路，总共需要六套。各相晶闸管的触发互不牵制，允许触发脉冲的移相范围大，可达 180°。不过这个优点在这种弧焊整流器

13、中得不到发挥，因为从空载到短路只需触发脉 冲移相90°即可。这种方案的缺点是触发电路套数太多，各套电路参数难以达到一致， 因此难以保证三相电路平衡；同时又增加了电路产生故障的可能性。b、用三套触发电路该触发电路由正、反极性两组三相半波电路 组成，见图 5-26a。a与一a相、b 与一b相、c与一c相的晶闸管的 阳极电压刚好相反，完全可以共 用一套触发电路。如下图C、用两套触发电路把主电路接成亟5 2& 三廷賞电站的冲分配图久27务掲M甘控制痢的移楣植用图5-16b的形式即共阳极接法，各晶 闸管在负半周导通)，则可以采用两 套触发电路。用一套触发电路去触发 一组三相半波可控整流

14、电路中的晶 闸管。图5-27所示阴影部分是各相触 发脉冲的移相范围。由图可见，各相 所要求的移相范围是互不重叠的。所 以完全可以采用一套触发电路依次触发各相晶闸管。d、 一套触发电路产生的脉冲禹鼻揺一嘗*i3£电路赴发一最三相半波可控靈流电略时酥冲分配）电睹牌 切 相电屁疲孫 "爼堆肘冲擴昭3.3移相触发电路的电阻无论用六套触发电路、三套触发电路，还是两套触发电路，对于前一部分的积分微分 电路都是一样的，电路图如下：图1-仿真电路如上电路图中，左半部分是积分电路，右半部分是微分电路，对R1进行计算，首先对电路进行分析，当R、C前面的二极管不导通时，直流电源对电容进行充电，则

15、15V=Ur+Uc,由于t数值较大，充电过程进行缓慢，Uc<<Ur，于是有15V HJR=iR而i=Cd U c /dt所以Uc =1/R1C J5dt当充电结束的瞬间，Uc=15V,所以 RC=t，而2t=1/f f=50Hz C=0.22uf所以 R1=100K Q对R2进行计算，在后面的电容放电，Uc持续下降，直到降到0V，这段时间在理论上要经过无限长时间 Uc才衰减为零值。但工程上一般认经过35t时间完成，暂态结束。则有（35） T=5msTR2CC=0.22uf所以R2=2K Q因此，有下列仿真电路:图2-三套仿真电路:HRNil4> :.«4>川&

16、quot;AR鼻TI1>1'T vruii 盂"FE II_(Q1Tqt占 .r- <|I'1匕_9 _-AFL>_«11IlT= UH ufin amp-11- 1四、电路选择及原理要求我们组选择三套触发电路，电路图如下:.Mb 也图5电路原理图训片匚邀<Dr O*n- -VSAiWH>L"J 1-2 M'll> >J T"E>-WV1Ji一 j积分电路RC串联输入 为：1、取电容两端电压为俞2、时间常数T远大在电子技术中常至诵山图6理论触发脉冲波形图.矩形脉冲电压，在电容上输出电

17、压，积分电路的条件 出电压。 矩形脉冲宽度t 需要将矩形脉冲信号变为锯齿波信号"，作为扫描电压使用。当输入矩形脉冲电压由零跳变到 U时，电容器开始充电，由于时间常数 很大，电容器两端电压UC在0t这段时间内缓慢增长，UC还没有达到U，矩 形脉冲电压已由U跳变到0，电容器通过电阻缓慢放电，UC逐渐下降，在输出 端得到一个近似锯齿形波的电压。波形如上图中的 U4和U5。微分电路与积分电路条件相反，RC串联输入矩形脉冲电压，在电阻上输出 电压，矩形脉冲电压的幅值为 U,脉冲宽度为t，脉冲周期为To在t=0至t这段时间内，电源对电容充电；t在下一段时间内，电容通过电 阻放电。RC微分电路必须

18、满足以下两个条件：1、在电阻上输出电压。2、RC充放电时间常数t远小于矩形脉冲宽度t o由于电容两端电压不能突变，且 T<t，则UoHUr=U，则在t之前，电容充电过 程很短，即电容两端电压很快为U，电阻两端电压很快下降到0;在时间t时刻, 电容通过电阻放电，同样，由于 t很小，在下一个脉冲电压到来之前，电容放电常应用微U8 和 U9。很快结束，输出电压为两个极性相反的尖端脉冲电压。 在脉冲电路中, 分电路把举行脉冲转变为尖脉冲，常常作为触发信号。波形如上图中图10-4点处电路仿真波形T图12-6点处电路仿真波形111111111图13-7点处电路仿真波形T图14-8点处电路仿真波形图15-9点处电路仿真波形图16 a+输出电路仿真波形图17 a-输出电路仿真波形图18-a+a-c+c-的输出b、c的仿真电路与a的相同，a、b、c之间波形相位相差120?。五、报告总结晶闸管弧焊整流器具有以下主要特点：（ 1）、控制性能好 晶闸管可以用较小功率的触发信号，实现对大功率整流器的输出 控制。 与弧焊发电机、磁放大器式弧焊整流器相比，其电流电压控制范围大，有利于对焊接 参数进行控制，保证参数稳定。（ 2）、动特性好，响应速度快它与弧焊发电机和磁放大器式弧焊整流器相比，内部电感要小得多， 系统