弧焊电源及其数字化控制第8章--弧焊电源的选择与使用课件

1、8.1 弧焊电源的选择8.2 弧焊电源的使用条件及相关信息8.3 安全和绿色环保用电1 弧焊电源在焊接设备(焊机)中是决定电气性能的关键部分。尽管弧焊电源具有一定的通用性，但不同类型的弧焊电源，在结构、电气性能和主要技术参数等方面却各有不同，见表8-1、表8-2。交流弧焊电源与直流弧焊电源的特点和经济性是有很大差别的。因而，在应用时只有合理的选择，才能确保焊接过程的顺利进行，既经济又可获得良好的焊接效果。 一般应根据如下几个方面来选择弧焊电源: 焊接材料与工件材料； 焊接电流的种类； 焊接工艺方法； 弧焊电源的功率； 工作条件和节能要求； 工件重要程度和经济价值。2表8-1 交、直流弧焊电源的

2、特点比较表交流直流电弧稳定性低高极性可换性无有磁偏吹影响很小较大空载电压较高较低触电危险较大较小构造和维修较简较繁噪声不大发电机大、整流器小、逆变器更小成本低高供电一般单相一般三相质量较轻较重、逆变器最轻3表8-2 交、直流弧焊电源经济性比较表主要指标直流弧焊发电机交流弧焊发电机弧焊整流器弧焊逆变器每千克焊着金属消耗电能/(kwh)6834 2效率0.30.60.650.900.60.750.80.9功率因数cos0.60.70.30.60.650.700.850.99空载时功率因数0.40.50.10.20.300.40.680.86空载功率消耗/kW230.20.380.460.030.1

3、制造材料相对消耗(%)10030353540813生产弧焊电源的相对工时(%)1002030 相对价格1003040 4 1. 焊接电流种类的选择 焊接电流有直流、交流和脉冲三种基本种类，因而也就有相应的直流弧焊电源、交流弧焊电源和脉冲弧焊电源，除此之外，还有弧焊逆变器。我们应按技术要求、经济效果和工作条件来合理地选择弧焊电源的种类。 一般交流弧焊电源比直流弧焊电源具有结构简单、制造方便、使用可靠、维修容易、效率高和成本低等一系列优点，但又存在普通交流弧焊电源的电弧稳定性较差，焊接质量不高，而且又无极性之分的缺点。 2. 焊接工艺方法选择弧焊电源 (1) 焊条电弧焊 用酸性焊条电弧焊一般金属结

4、构，可选用动铁式、动线圈式或抽头式弧焊变压器(BX1-300、BX3-300-1、BX6-120-1等)；用碱性焊条电弧焊较重要的结构钢，可选用直流弧焊电源，如弧焊整流器(ZXG-400、ZX1-250、ZX5-250、ZX5-400、ZX7-400等)，当然也可优选节能、轻便的弧焊逆变器，在没有弧焊整流器的情况下，也可采用直流弧焊发电机。这些弧焊电源均应为下降特性。 (2) 埋弧焊 一般选用容量较大的弧焊变压器。如果产品质量要求较高，应采用大功率弧焊整流器、弧焊逆变器或矩形波交流弧焊电源。这些弧焊电源一般应具有下降外特性，在等速送丝的场合，宜选用较平缓的下降特性；在变速送丝的场合，则选用陡度

5、较大的下降特性。5 (3) 钨极氩弧焊 钨极氩弧焊要求用恒流特性的弧焊电源，如弧焊逆变器、弧焊整流器。对于铝及其合金的焊接，应采用交流弧焊电源，最好采用矩形波交流弧焊电源。 (4) CO2气体保护焊和熔化极氩弧焊 在这些场合可选用平特性(对等速送丝而言)或下降特性(对变速送丝而言)的弧焊逆变器和弧焊整流器。对于要求较高的氩弧焊必须选用脉冲弧焊电源。 (5) 等离子弧焊 最好选用恒流特性的弧焊逆变器或弧焊整流器。如果为熔化极等离子弧焊，则按熔化极氩弧焊选用弧焊电源。 (6) 脉冲弧焊 脉冲等离子弧焊和脉冲氩弧焊应选用脉冲弧焊电源。在要求高的场合，宜采用脉冲弧焊逆变器、晶体管式脉冲弧焊电源。 (7

6、) 新型数字化控制逆变式弧焊电源 根据焊接工艺复杂性要求选用此类焊接电源，实现一机多用、高性能脉冲MIG、无飞溅短路过渡焊接等，辅以焊接专家系统极大地提升焊接质量。 从上述可见，一种焊接工艺方法并非一定要用某一种形式的弧焊电源。但是被选用的弧焊电源，必须满足该种工艺方法对电气性能的要求。其中包括外特性、调节性能、空载电压和动特性。6 3. 弧焊电源功率的选择 (1) 粗略确定弧焊电源的功率 焊接时主要的参数是焊接电流。为简便起见，可按所需的焊接电流对照弧焊电源型号后面的数字来选择容量。例如，BX1-300中的数字“300”，就是表示该型号电源的额定电流为300A。 (2) 不同负载持续率FS下

7、的许用焊接电流 在第2章已讨论过，弧焊电源能输出的电流值主要由其允许温升确定，因而在确定许用焊接电流时需考虑负载持续率(FS)。在额定负载持续率(FSe)下，以额定焊接电流Ie工作时弧焊电源不会超过它的允许温升。当FS改变时，弧焊电源在不超过其允许温升情况下使用的最大电流，可以根据发热量相等、达到同样额定温度的原则进行换算。 4. 根据工作条件和节能要求选择弧焊电源 在一般生产条件下，尽量采用单站式弧焊电源。但是在大型焊接车间，如船体车间，焊接站数多而且集中，可以采用多站式弧焊电源。由于直流弧焊电源需用电阻箱分流而耗电较大，应尽可能少用。 在维修性的焊接工作情况下，由于焊缝不长，连续使用电源的

8、时间较短，可选用额定负载持续率较低的弧焊电源。例如，采用负载持续率为40%、25%，甚至15%的弧焊电源。 弧焊电源用电量很大，从节能要求出发，应尽可能选用高效节能的弧焊电源，如弧焊逆变器，其次是弧焊整流器、变压器，除了特别需要而不用直流弧焊发电机。78.1 弧焊电源的选择8.2 弧焊电源的使用条件及相关信息8.3 安全和绿色环保用电88.2.1弧焊电源的安装 图8-1 焊条电弧焊电源主回路示意图 以现在应用最广泛的焊条电弧焊电源为例，介绍弧焊电源的安装知识。焊机主回路示意图如图8-1所示。由图可见，在主回路中除了弧焊电源外，还有电缆、熔断器、开关等附件，因此先要讲述有关的附件选择问题。 1.

9、电缆、熔断器和开关的选择 (1)电缆的选择 对于电缆的选择，包括从电网到弧焊电源的动力线和从弧焊电源到焊钳、焊件的焊接电缆。选择动力电缆线时应考虑： 1) 材料 在不影响使用性能的条件下尽量选用铝电缆。 2) 电压等级 一般选用耐压为交流500V 的电缆为动力线。 3) 使用场合 在室外用的电缆须能耐日晒雨淋，在室内使用的电缆，必须有更好的绝缘。在需要移动的场合应采用柔软的多芯电缆，在固定场合使用单芯电缆。 4) 电缆截面积 根据允许温升确定电缆许用电流密度和截面积。许用电流密度与材料性质和散热条件有关。 焊接电缆的选择，应考虑耐磨、能承受较大的机械外力和具有柔软性以便移动等。按电流和电缆线长

10、度选择焊接电缆截面积；根据用途的不同，选择动力线和焊接电缆的型号及种类。 (2) 熔断器的选择 常用的熔断器有管式、插式和螺旋式等。熔断器的额定电流应大于或等于熔体的额定电流。 对于只要保证熔断器的额定电流略大于或等于该弧焊弧焊变压器、弧焊整流器和弧焊逆变器，电源的额定初级电流即可。 对于直流弧焊发电机，由于电机起动电流很大，熔断器不可按电动机额定电流来选用，而应按下式选择，即 熔断器额定电流=(1.5-2.5)电动机额定电流当有起动器时，上式中的系数取1.5。 (3) 开关的选择 常用的开关有刀开关、铁壳开关等。弧焊变压器、弧焊整流器、弧焊逆变器、晶体管式弧焊电源和矩形波交流弧焊电源的开关额

11、定电流，应大于或等于一次额定电流。弧焊发电机开关额定电流为电动机额定电流的3倍。 2. 弧焊电源的安装 (1) 弧焊整流器、弧焊逆变器和晶闸管式弧焊电源 1) 安装前的检查 新的长期未用的电源，在安装前必须检查绝缘情况，可用500V绝缘电阻表测定。但在测定前，应先用导线将整流器或硅整流元件、大功率晶体管组短路，以防止硅元件或晶体管被过电压击穿。 焊接回路、二次绕组对机壳的绝缘电阻应大于2.5M。整流器、一次绕组、二次绕组对机壳的绝缘电阻应不小于2.5M。一、二次绕组之间绝缘电阻也应不小于5M。与一、二次回路不相连接的控制回路与机架或其他各回路之间的绝缘电阻不小于2.5M。 在安装前检查其内部是

12、否有因运输而损坏或接头松动的情况。 2) 安装时注意事项 电网电源功率是否符合弧焊电源额定容量的要求；开关、熔断器和电缆的选择是否正确； 电缆的绝缘是否良好。 动力线和焊接电缆线的导线截面积和长度要合适，以保证在额定负载时动 力线电压降不大于电网电压的5% ，焊接回路电缆线总压降不大于4V。 3) 外壳接地和接零。若电网电源为三相四线制，应把外壳接到中性线上。若前者为不接地的三相制，则应把机壳接地。 4) 注意采取防潮措施。 5) 安装在通风良好的干燥场所。 (2) 弧焊变压器 接线时注意出厂铭牌上所标的一次电压值。一次电压有380V、220V或两用的。多台安装时，应分别接在三相电网上，以尽量

13、求得三相负载平衡。其余事项与弧焊整流器相同。 (3) 直流弧焊发电机 除上述有关事项之外还要注意: 1) 若电网容量足够大，可直接起动，如果电网容量不足，则应采用降压起动设备。 2) 对于容量大的弧焊电源，为保证网路电压不受其他大容量电器设备的影响，或避免影响其他用电设备的工作，应安装专用的线路。8.2.2弧焊电源的使用 1. 使用和维护常识 1) 使用前必须按产品说明书或有关国家标准对弧焊电源进行检查，并尽可能详细地了解基本原理，为正确使用建立一定的知识基础。 2) 焊前要仔细检查各部分的接线是否正确，特别是焊接电缆的接头是否拧紧，以防过热或烧损。 3) 弧焊电源接入电网后或进行焊接时，不得

14、随意移动或打开机壳的顶盖。 4) 空载运转时，首先听其声音是否正常，再检查冷却风扇是否正常鼓风，旋转方向是否正确。 5) 机内要保持清洁，定期用压缩空气吹净灰尘，定期通电和检查维修。 6) 要建立必要的严格管理、使用制度。 2. 环境条件 1) 周围环境空气温度范围:在焊接期间为-10+40；在运输和储存过程中为-20+55。 2) 空气相对湿度:40时不超过50%；20时不超过90%。 3) 周围空气中的灰尘、酸、腐蚀性气体或物质等不超过正常含量，由于焊接过程而产生的这些物质除外。 4) 海拔应不超过1000m。 5) 焊接电源的倾斜度应不超过10。 註:制造厂和用户之间可以商定不同的环境条

15、件，商定后的焊接电源按GB15579.12013中15.2要求进行标注。这些条件如:高湿度、异常的腐蚀性烟雾、蒸汽、过量的油蒸气、不正常的振动或冲击、过量的灰尘、恶劣的气候条件、海岸或船甲板的非正常条件，以及有助于霉菌增大的虫害及大气条件等。 3. 供电电源 1) 电压波形应为实际的正弦波。 2) 电网电压的波动不超过额定值的10%。 3) 电网电压频率的波动不超过额定值的1%。 4) 三相电压不平衡度4%。8.2.3弧焊电源铭牌及明示信息 1. 产品型号 弧焊电源的型号可以按GB/T 102492010电焊机型号编制方法(详见附录A)执行，反映出该弧焊电源产品的结构、工艺类别、输出电流等信息

16、。 2. 能量输入信息 铭牌标示了弧焊电源输入电压的额定值(U1)、 相数和电源频率，额定最大电流(I1max)及最大有效输入电流(I1eff)。用于指示选择正确地供电电源，I1max及 I1eff数值用于选择适合的输入耦合装置(插头)、输入电缆截面积和输入回路通/断开关及熔断器的容量。 3. 额定空载电压 额定空载电压是指在额定输入电压和频率或额定控制转速下，测得焊机输出端的空载电压。根据GB 15579.12013弧焊设备安全标准规定:电弧焊机的额定空载电压不得超出规定数值。 铭牌上的“S”符合标志，表示该焊机的空载电压限值满足在触电危险性较大的环境中使用的条件。 4. 输出电流及负载持续

17、率 环境温度、额定输出电流及相对应的额定负载持续率，是焊机功率输出能力的重要指标，同时铭牌上还会标注出在不同负载持续率下的电流输出值，供焊接操作人员在不同工况下正确使用。 5. 外壳防护等级 外壳防护等级(IP代码)由字母IP(International Protection，国际防护)、第一位特征数字、第二位特征数字、附加字母及补充字母组成。 6. 耐热分级(绝缘等级) 耐热分级是电气绝缘材料/电气绝缘系统(EIM/EIS)的耐热表示方法。 7. 接地保护标志 弧焊电源设备除机械驱动的电弧焊机外，其余都属于类设备，这类设备的防触电保护不仅依靠基本绝缘，还需将能触及的可导电部分与设施固定布线中

18、的保护(接地)线相连接。因此，通常在焊接设备的外壳上有一标志符号为“ ”的保护性导线接线端，使用时一定要确保输入电缆中的保护性导线(黄绿双色线)与该接线端相连，并保证该保护性导线(黄绿双色线)的长度大于电缆中的其他电源线。如果输入电缆不带保护性导线，则需要将焊接设备使用场所中的专用黄绿双色保护性导线与该接线端子相连。8. 警示性符号 在弧焊电源设备外壳上常用的警示性符号 如表8-3所示。GB/T 5465.22008危险电压表示危险电压引起的危险ISO 70000228(DB:2004-01)干扰表示正确操作情况下可能产生的干扰EN-60947.12012防烫伤警告表示防烫伤警告ISO 700

19、0-0434A(DB:2004-01)警告提醒操作者注意危险GB 15579.12013阅读使用说明书表示操作者应阅读使用说明书GB 15579.12013温度显示表示温度指示，例如温度过高警示灯亮表8-3 警示性符号8.1 弧焊电源的选择8.2 弧焊电源的使用条件及相关信息8.3 安全和绿色环保用电218.3.1电弧焊机安全标准 电焊机标准体系按电弧焊机、辅机具、电阻焊机、特种焊机、电磁兼容、电弧焊机能效和基础标准划分。目前电焊机行业现行有效的国家标准27项，行业标准43项。涉及电弧焊机的标准可分为安全标准和技术标准： 1. 电弧焊机产品安全标准 2. 电弧焊机辅机具安全标准 3. 电弧焊机

20、产品技术标准228.3.2电焊机产品认证的指令介绍 1. CCC指令 将原来的 “CCIB ”认证和“长城CCEE认证”统一为“中国强制认证”(英文名称为China Compulsory Certification ) ，其英文缩写为“CCC”标志。 2. CE 指令CE标志(CE Marking)是电焊机产品进入欧盟地区和国家市场的通行证。 获得CE标志的产品必须依据欧洲标准EN(Europe Norm)执行相关的欧盟指令(EU Directive)要求，涉及弧焊设备的相关要求是低电压指令(Low Voltage Directive，LVD)和电磁兼容(Electric-Magnetic C

21、ompatibility，EMC)，相关标准如下: LVD:EN 60974-1，EN 60974-x，x代表不同焊机产品的安规标准。 EMC:EN 60974-10:2007。 3. CSA指令 CSA International是北美地区最著名的产品认证机构之一，CSA International的认证标志是产品通往加拿大、美国等国际市场的重要通行证。电焊机的CSA认证依据以下CSA CLASS作为标准:5611-01、5611-03、5611-05、5611-81、5611-83、5611-85。23 4. C-Tick指令 C-Tick是澳大利亚通信局制定的电磁兼容EMC认证标志，目前

22、仅只对干扰部分进行管制。任何电子电器产品输入到澳大利亚和新西兰地区均需依据相关标准进行测试，获取在产品上施加C-Tick认证标志。自 2013 年 3 月1日起开始将现有的 3 种认证标志(C-Tick、A-Tick和RCM)整合为单一认证标志RCM。这意味着带有RCM标志的产品将符合所有ACMA适用技术标准(如电信、无线电通信、EMC、EME)的要求，以及相关记录保存(包括测试)要求。 5. RoHS 指令 欧盟以2002/95/EC及2005/618/EC决议形式下达的关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质的指令，明确规定了下列六种有害物质在产品中的最大限值:水银(汞)、铅、镉、铬、多溴

23、联苯 (PBB)、多溴二苯醚 (PBDE)。 6. WEEE指令（Waste Electrical and Electronic Equipment） 欧盟以2002/96/EC决议形式下达关于报废电子电气设备的指令，规定自2005年8月13日起欧盟市场上流通的电子电气生产商必须在法律上承担起支付报废产品回收费用的责任，同时欧盟各成员国有义务制定自己的电子电气设备回收计划，建立相关配套回收设施，使电子电气产品的最终用户能够方便并且免费地处理报废设备。248.3.3绿色环保用电 1. 节约用电 弧焊电源是耗电量较大的电器设备之一。 (1) 以高效节能弧焊电源取代弧焊发电机。 从节约电能考虑，最好

24、是用硅弧焊整流器、晶闸管式弧焊整流器，来取代直流弧焊发电机。它的可靠性已完全能达到晶闸管式等传统弧焊电源和国外王牌弧焊电源的水平，而且动态特性、焊接工艺性好，节电省材，价格不高，应全面推广使用。 (2) 提高功率因数 众所周知，弧焊变压器是一种具有高漏抗或大感抗的变压器，功率因数低至0.40.6，因此有必要提高它的功率因数，以减少网路无功功率的供应量，改善供电质量。 为了节约电能和减小输入配电设备的容量，一般可在变压器一次端并联补偿电容器，以提高功率因数，其所需补偿的容量Psc为： Psc=KCPS式中，Ps为弧焊变压器的使用容量；Kc为系数，取决于补偿前的功率因数cos1及补偿后的功率因数c

25、os2。25 图8-2 弧焊变压器加补偿电容器的接线图 为了充分利用电容器的电压等级以减小其容量，可以在变压器的一次端加升压抽头，电容接在线圈头尾之间，如图8-2所示。因为可知，提高了电容、电压，可增大补偿电流Ic。 经补偿可使弧焊变压器的视在功率减小20%，电耗大为降低，配电电缆和开关等元件的容量减小，且使电网电压波动的影响减小，电弧更加稳定。另外，对于集中使用弧焊电源的工厂，如造船厂、金属结构厂、桥梁制造厂等，可采用集中补偿。26 (3) 加装“节电辅具” 把“节电辅具”加装在弧焊变压器上，不仅对减少空载电能损耗具有一定的作用，而且能有效防止电击，所以它又可称为“防电击节电装置”，在国内外

26、都有这种产品。 2. 电磁兼容性(EMC) 电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)标准，其定义为“设备和系统在其电磁环境中能正常工作且不对环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”，即该设备和系统应具备一定的电磁抗扰度(EMS)；同时规定了最大发射电平限值来防止该设备和系统对其他电子产品产生过大的影响，即电磁骚扰(Electro Magnetic Interference，EMI)。27 目前大部分逆变式焊接电源多采用硬开关的工作方式，在大功率元件快速开关过程中产生电流、电压的瞬变与尖峰并伴随着高频振荡，这就不可避免地对电网及空间产生电磁骚扰。逆变

27、式弧焊电源大多使用高频开关电源作为控制电源及辅助电源，普遍应用单片机逐步实现数字化及智能化控制，这都会使得电磁骚扰问题变得严重，而且对自身的电磁抗扰度(EMS)也提出了更高的要求： 1) 增加各种无源电磁元件组成滤波环节，针对各种干扰起一定的抑制作用。 2) 在设计时主动考虑降低、减少弧焊电源的干扰源，例如，优化电源主电路功率器件布局、提高控制线路板的布局水平，有助于大大减少电磁干扰信号的产生；更主要的是采用软开关技术改变功率电子器件的工作方式，使其在零电流ZCS/零电压ZVS下进行开关切换，这样既能大大减少高频干扰的产生，也使得开关损耗降低，从而提高弧焊电源的效率和可靠性。主动性设计还有一个重要的技术方法就是功率因数校正。28 3. 功率因数校正(PFC) 一般逆变电源的输入整流滤波方式会对电网产生出大量的高次电流谐波，电流相移严重，造成电网污染，功率因数低下。图8-3是一款单相220V输入，不带PFC功能的ZX7-180逆变式焊条电弧焊电源在输出25V/100A负载时电源的