第五章晶闸管弧焊整流器

第五章晶闸管弧焊整流器第五章晶闸管弧焊整流器1第一页，共七十二页，编辑于2023年，星期五第一节概述第二节主电路第三节触发电路第四节外特性控制电路第五节

晶闸管式弧焊整流器典型产品介绍第六节

晶闸管式脉冲及矩形波交流弧焊电源第二页，共七十二页，编辑于2023年，星期五第一节概述二极管：一个PN结三极管：PNP，NPN晶闸管：两个PN结阳极A阴极K控制极GPNPN

A

GNN

PP

KPN一个晶闸管等效为两个三极管。第三页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

晶闸管导通条件：1）晶闸管阳极加上正向电压U；2）控制极加上适当的同步正向触发电压Ug

。晶闸管导通后，只要正向电流I的大小等于或大于晶闸管的维持电流，即使去掉控制极上的触发电压Ug，晶闸管也仍然维持导通状态。

晶闸管关断方法：1）使晶闸管的阳极电流低于维持电流或切断阳极电流（适合于低频电路）。2）在晶闸管阳极和阴极之间加一反向电压（常用的方法）。第四页，共七十二页，编辑于2023年，星期五图5-1晶闸管式弧焊整流器基本原理图晶闸管式弧焊整流器的主要组成第五页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

晶闸管整流器的主要特点

1.动特性好，响应速度快

2.控制性能好

3.调节特性好

4.节能、省材第六页，共七十二页，编辑于2023年，星期五第二节晶闸管式弧焊整流器主电路一、三相桥式半控整流电路二、三相桥式全控整流电路三、六相半波整流电路四、带平衡电抗器双反星形可控整流电路第七页，共七十二页，编辑于2023年，星期五一、三相桥式半控整流电路电阻性负载电阻电感性负载第八页，共七十二页，编辑于2023年，星期五1、电阻性负载α=0ºα=60ºVT1、3、5：三个共阴极晶闸管，其管子导通规律是阳极电位最高且控制极加有有效脉冲的管子导通；VD2、4、6：三个共阳极二极管，其管子导通规律是阴极电位最低的管子导通。第九页，共七十二页，编辑于2023年，星期五三个二极管导通情况三个晶闸管导通情况负载电压为三相电压信号上包络线与下包络线之差。控制角α

=0º第十页，共七十二页，编辑于2023年，星期五α>60º后便会发生波形不连续了。Ufz

控制角α

=60º三个晶闸管导通情况

ωt1时，三个共阴极晶闸管中VT1阳极电位Ua最高，VT1导通，其电位钳位到VT3、VT5的阴极，使VT5的阴极电位比阳极电位高而截止。ωt1

至ωt3中点处之后，出现Ub>Ua，但仍然是VT1导通，是因为此时尽管Ub最大，但VT3触发端没加触发脉冲，故仍截止。ωt3时，VT3阳极电位Ub最高，且控制极加触发脉冲，VT3导通；VT3导通后阳极电位钳位到VT1阴极使它截止。每个管子导通角为120°，导通顺序为1、3、5循环三个二极管导通情况ωt2时，Uc最低，对应的二极管VD6导通，导通后Uc钳位到VD2、VD4阳极使VD2、VD4截止。依次类推每个管子导通角为120°。管子导通顺序为6、2、4、6循环。负载电压为：Ufz=1.17U2(1+cosα)U2是相电压的有效值。电阻性负载三相桥式半控整流电路的电流波形在一个周期中只有三个波峰，脉动大，甚至出现不连续，因此不能满足弧焊要求。第十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期五VD72、电阻电感性负载L足够大时，负载电压Ufz

为零时，负载电流减少产生自感电势，ifz不中止。在VT1、VD6继续导通。至ωt3时，虽然Uac=0，但二极管中由VD6自然换相为VD2导通，于是L、Rfz、VD2和VT1之间构成回路，由L上的自感电动势继续为VT1提供正向电压使其不能及时关断。VT1继续导通多长时间取决于L中存储的能量的大小，甚至延长到VT3被触发为止。与纯电阻负载相比，晶闸管的导通角失控，不能正常关断。避免失控的方法：

在负载两端接上续流二极管VD7，这样当整流电压间断时，由L、Rfz和VD7构成回路续流，既使ifz不中止，又使晶闸管按时关断。第十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期五二、三相桥式全控整流电路电阻性负载电阻电感性负载第十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期五电阻性负载控制角α

=0º各晶闸管分别导通120°第十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期五控制角α

=0º时的触发脉冲信号第十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期五电阻性负载三相桥式全控电路a=60°时负载电压波形各晶闸管依然分别导通120°，但输出功率降低。第十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期五电阻性负载三相桥式全控电路a=90°时的负载电压波形各晶闸管导通时间不足120°，输出波形不再连续。第十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

电阻电感性负载三相桥式全控整流电路的负载电压平均值：

Ud=2.34U2cosα第十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期五三、六相半波整流电路铁心有三个心柱，每个心柱上各有一个一次绕组和两个二次绕组（如a和-a），两个二次绕组的非同名端相连。只要控制级有触发信号，六个共阴极晶闸管的导通规律是阳极电位最高的管子导通。只需单管导通即可构成回路。六个管子轮流导通。第十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期五电阻性负载

α=0°

相电压60°时为自然换相点。六个管子轮流导通各60°

。bufz-ca-b-bc-aaωt0-cωt1ωt2ωt3ωt4ωt5ωt6ωt1ωt2a）ufz波形612345612b）晶闸管导电顺序图6-20a=0°时六相半波可控整流波形第二十页，共七十二页，编辑于2023年，星期五α

=60º时六相半波可控整流波形α>60º后,便会发生波形不连续了。α

=120º时，输出电压Ufz=0第二十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

（2）电阻电感性负载六相半波整流电路的负载电压平均值：Ud=1.35U2cosαα

=0º时，Ufz

=1.35U2；α

=90º时，Ufz=0第二十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期五四、带平衡电抗器双反星形可控整流电路1、组成2、平衡电抗器LB的作用3、管子导通的波形图4、不同控制角情况下波形图5、晶闸管弧焊整流器主电路的比较第二十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期五VT1、3、5VT4、6、2VT1、3、5组成三相半波整流电路，称为正极性组；VT2、4、6组成三相半波整流电路，称为反极性组。平衡电抗器第二十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

（1）将LB短接成六相半波整流电路。

α

=0º，ωt1+时Ua最高，U-b次高，VT1导通后因Ua>U-b，故VT6承受反向电压而截止。平衡电抗器LB的作用第二十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期五（2）接入LB

ωt1+时Ua最高，VT1导通，电流通过LB的OM流至负载，在OM上产生的电势极性是右正左负。在ON上也是右正左负。UOM与Ua极性相反，使VT1的阳极电位降低了UOM；而UON与U-b极性相同，使VT6的阳极电位提高了UON。从而使VTI、VT6阳极电位相同而同时导通。UON=UOM=（Ua-U-b）/2第二十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期五VT1、3、5VT4、6、2

ωt2+时

当Ua过了峰值之后至wt2之前，反极性组中u-c高于u-b，于是VT2导通而VT6关断，则该阶段由VT1、VT2同时导通。过了wt2之后u-c电压最高，VT2继续导通且该支路电流较大，于是LB的感应的电动势极性如右所示。借此提高了M点与VT1阳极电位，而降低了N点与VT2阳极电位，使二者阳极电位趋于相等。因而VT1继续导通。直到过了U-c的峰值之后，则正极性组中Ub电压最高，于是VT3导通，VT1关断，由VT3与VT2同时导通。第二十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期五特点：1）每个整流元件最大导通角为120度，负载电流Ifz同时由两个整流元件和两个变压器组提供，提高了利用率，也提高了电源功率。2）负载电压瞬时值等于与导通管相应的两相电压瞬时值的平均值。3）平衡电抗器两端电压近似于三角波，频率为电网电压的三倍。第二十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期五4、不同控制角情况下波形图α

=30º

第二十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期五α

=60º第三十页，共七十二页，编辑于2023年，星期五uMPωtabcduNP-a-c-bωt-ca-bα

=90º带平衡电抗器双反星形整流电路的负载电压平均值：

Ud=1.17U2cosα第三十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期五带平衡电抗器双反星形整流器的特点

（1）它相当于两组三相半波整流电路并联，各相电流流通时间可达120°，因此变压器和整流元件的利用率高。每个晶闸管只分担六分之一负载电流。（2）触发电路比三相桥式半控整流电路的复杂，比三相桥式全控整流电路的简单。（3）整流电压波形为每个周波六个波峰，其脉动程度较小，因此输出电抗器体积较小。（4）应避免铁心被直流成分所磁化，要求两组整流电路的参数（变压器匝数和漏感）应基本对称。第三十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期五晶闸管弧焊整流器主电路比较30°第三十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期五第三节触发电路一、对触发电路的要求二、需要的触发电路套数三、单结晶体管触发电路四、晶体管触发电路

第三十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

一、对触发电路的要求

1.生成足够功率的触发脉冲。

2.触发脉冲与晶闸管的阳极电压必须同步。

3.触发脉冲应能移相并达到要求的移相范围。

三相桥式全控、带平衡电抗器双反星形与六相半波可控整流电路要求触发脉冲移相范围为0~90度；三相桥式半控整流电路触发脉冲移相范围为0~180度。第三十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期五二、需要的触发电路套数1.六套移相范围为0~90度主电路适用的形式：三相桥式全控、六相半波可控整流电路。适用于ZDK-500型、GS400SS型弧焊整流器。缺点：触发套数过多，难以保证三相电路平衡，增加电路故障的可能性。第三十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期五2.三套第三十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期五3.两套一套触发正极性组a、b、c所对应的晶闸管VT1、3、5；另一套触发负极性组-a、-b、-c所对应的晶闸管VT2、4、6。当第一个触发脉冲Ug1出现时，Ua最负，使VT1导通，其正向电压很小，且电阻R上的压降忽略不计，因而Q点的电位近似为Ua。VT5、VT3承受反向压降而截止。因而VT阳极不与VT3、5的阴极相通。VT承受相隔120度的一系列脉冲触发。在wt1+时VT触发脉冲1使VT导通，从而使VT1控制极承受其阳极电压ua的一部分，也导通。VT1一旦导通，其正向压降只有1V左右，不足以维持VT继续导通，而使其关断，为触发另一晶闸管做准备。wt2+时，脉冲2触发VT，ub最负，VT3导通。最后VT5导通Q第三十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期五三、单结晶体管触发电路1.单结晶体管一个PN结，两个基极。

B2

RB2

E

RB1

B1B2B1E单结晶体管导通原理第三十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期五2.ZX5系列晶闸管弧焊整流器的触发电路

脉冲产生与移相电路同步信号产生电路第四十页，共七十二页，编辑于2023年，星期五脉冲产生与移相原理当Uk输入负值时，晶体管V3、V4导通，C4、C5充电，到达VU1、VU2的峰值电压时，VU1、VU2导通。由于C4和VU1、C5和VU2组成驰骋振荡电路，C4、C5不断的进行充放点，在脉冲变压器T4、T3两端产生两套触发脉冲。移相原理：Uk越负，则C4、C5充电越快，产生第一个脉冲越早，主电路中相应的晶闸管的控制角就越小；反之控制角越大。因而控制Uk的大小就控制了脉冲的移相。Uk值确定控制角的大小第四十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

同步电路的工作原理

要求产生两套触发脉冲，同套之间相邻脉冲相位相差120度，两套之间相邻脉冲之间相位相差60度。通过C4、C5两端各并联一个晶体管V1、V2，控制C4、C5的充放电实现。在各自的同步点上，由同步信号使V1、V2瞬间饱和导通，则C4、C5瞬即放完电，起清零作用，以便在同步点后按Uk确定的速度从零开始充电。这样产生第一个有效脉冲。1）T2三相次极电压信号Ua、Ub、Uc经R1-3分压，VS1-6正、反方向双向稳压，在10、11、12对点13之间各得正、反方向矩形波如下图所示。2）各矩形波经过C1-3、R58构成的微分电路，在正矩形波的上升沿、负矩形波的下降沿分别产生尖的脉冲与负脉冲信号。3）每个正脉冲（或负脉冲）之间相差120度。4）在R58上产生正、负脉冲相间，相位相差60度的脉冲信号。5）正脉冲经VD1、VD4连接到V1的基极；负脉冲经VD3、VD2连接到V2的基极，控制V1、V2的导通，从而满足同步要求。第四十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期五第四十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

四、晶体管触发电路（同步电压为正弦波的触发电路）

V1（开关）、V2（跟随器）、V3（功放），TI（脉冲变压器）Uy（直流电源电压），Uk（直流控制电压），Ut（同步电压）第四十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

（1）触发脉冲的产生原理第四十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期五（2）脉冲的移相第四十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期五（3）同步电压的产生第四十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期五第四十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期五第四节外特性控制电路一、闭环控制基本原理二、闭环控制电路举例第四十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期五晶闸管式弧焊整流器开环控制框图控制电压Uk系统传递函数电源的等效内阻Rf为负载电阻第五十页，共七十二页，编辑于2023年，星期五晶闸管式弧焊整流器的闭环特性

Ｕf=Ａ0Ｕk-ＩfＲ0外特性控制方程：Uk=Uk

u+Uk

i=Am（Ug

u-mUf）+An（Ugi-nIf

）陡降特性弧焊电源外特性曲线电流、电压负反馈外特性常用外特性弧压负反馈电流负反馈第五十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

不同外特性控制原理：

（1）恒流外特性：只采用电流负反馈An（Ugi–nIf）=0If=Ugi（2）恒压外特性：只采用电压负反馈Am（Ugu–mUf）=0Uf=Ugu

（3）混合反馈：

1）采用电流与电压联合反馈Am(Ugu–mUf)+An(Ugi-nIf)=0

2）按电压大小采用反馈当电压大于一定值时只采用电流负反馈，当电压小于一定值时采用电压与电流联合反馈形式。第五十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

只用电压负反馈只用电流负反馈用电流截止负反馈同时采用电流、电压负反馈上端采用电流负反馈，下端同时采用电流负反馈与电压负反馈。采用闭环控制后所获得的外特性第五十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期五外特性控制电路a)分流器采样与放大电路b)误差放大器电路Uk=-R1/R2(Ugi-Ufi)电流采样反馈控制电路（陡降外特性）Uk=-k（Ugi–nIf）第五十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期五电压反馈控制电路（平特性控制电路）第五十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期五电流负反馈带截止

145点与接地之间接有稳压管VS7，使电流负反馈带截止。If很小时，|Uk

|很大，若|Uk

|大于VS7的稳压值，145点与接地间的电压将维持为VS7的稳压值，即电流负反馈作用被截止。只有在If达到某个临界电流值之后，使|Uk

|小于VS7的稳压值时，145点与接地的电压才与nIf有关，才有电流负反馈作用。电流截止负反馈Uk=Am（Ug

u-mUf）+An（Ugi-nIf

）第五十六页，共七十二页，编辑于2023年，星期五第六节晶闸管式脉冲

及矩形波交流弧焊电源一、晶闸管式脉冲弧焊电源二、晶闸管式矩形波交流弧焊电源以晶闸管作为开关产生脉冲波形的弧焊电源。第五十七页，共七十二页，编辑于2023年，星期五一、晶闸管式脉冲弧焊电源

晶闸管给定值式脉冲弧焊电源

晶闸管断续器式脉冲弧焊电源第五十八页，共七十二页，编辑于2023年，星期五其控制电路与晶闸管式弧焊整流器基本相同。不同之处在于控制电路中比较环节的给定值为脉冲电压，而不是直流电压。第五十九页，共七十二页，编辑于2023年，星期五晶闸管断续器式脉冲弧焊电源按晶闸管断续器的结构形式可分为两类：双电源式单电源式交流断续器直流断续器第六十页，共七十二页，编辑于2023年，星期五

串连式并连式由并联工作的两个电源供电。基本电流由额定电流较小的直流电源供电；脉冲电流由直流弧焊电源(弧焊整流器或直流弧焊发电机)和晶闸管断续器串联或并联组成的电源装置供电，其额定电流较大。第六十一页，共七十二页，编辑于2023年，星期五采用单电源直流断续器的晶闸管式脉冲弧焊电源晶闸管直流断续器输出电流波形直流弧焊电源第六十二页，共七十二页，编辑于2023年，星期五晶闸管式矩形波交流弧焊电源矩形波交流弧焊电源又称方波交流弧焊电源。常用于铝合金交流钨极氩弧焊。晶闸管桥的开关直流电抗器的储能正弦波交流电流矩形波交流电流逆变器式晶闸管电抗器式数字开关式与单相桥式全控整流电路相比较，不是把电弧放在直流一侧与DK相串联，而是将其放在交流一侧与变压器二次绕组相串联。DK是带有间隙的电抗器，由于其电感量很大，具有储能及续流作用，从而保证了小电流的连续性。第六十三页，共七十二页，编辑于2023年，星期五第五节晶闸管式弧焊整流器典型产品介绍ZX5系列晶闸管式弧焊整流器由主电路、触发电路与控制电路组成。主电路为带平衡电抗器双反星形形式。触发电路为单结晶体管触发电路。第六十四页，共七十二页，编辑于2023年，星期五图5-66ZX5-400型晶闸管式弧焊整流器电气原理图交流接触器，用于接通与断开主电路主变压器的一次为星形连接二次为带平衡电抗器的双反星形连接六只晶闸管均采用共阳极接法，有利于散热与触发电风扇第六十五页，共七十二页，编辑于2023年，星期五图5-67控制电路简化图晶闸管移项触发电路UK送至图5-30中产生触发脉冲分别触发图5-66中V7与V8