第四章 硅弧焊整流器20101102

第四章硅弧焊整流器本章介绍硅弧焊整流器的组成和分类，分析各种硅弧焊整流器的结构、如何获得外特性形状和调节特性，并介绍有关典型产品，如简单的硅弧焊整流器、磁放大器式硅弧焊整流器、交直流两用式和脉冲式硅弧焊整流器等。4.1硅弧焊整流器的组成和分类4.1.1硅弧焊整流器的组成

为了获得脉动小，较平稳的直流电，以及使电网三相负荷均衡，通常都采用三相整流电路。其组成，如上图所示。图4-13硅弧焊整流器的组成4.1硅弧焊整流器的组成和分类4.1.1硅弧焊整流器的组成1、主变压器作用是降压，即把三相380V电压降至所要求的空载电压。2、电抗器交流电抗器或磁放大器（磁饱和电抗器），用来控制外特性形状并调节焊接工艺参数。另，当主变压器为增强漏磁式或要求输出平外特性时，则可不用电抗器。3、整流器其作用是把三相交流电整流成直流，常采用三相桥式电路。4、输出电抗器它是串联在直流焊接电路中的直流电感（由带空气隙的铁心和线圈构成）。其作用主要是改善和控制动特性，其次是滤波。4.1硅弧焊整流器的组成和分类4.1.2硅弧焊整流器的分类根据在其中有无电抗器，可分为两类：无电抗器的硅弧焊整流器和有电抗器的硅弧焊整流器。4.1.2.1无电抗器的硅弧焊整流器

按主变压器的结构不同又可分为：1、主变压器为正常漏磁这类电源的外特性近于水平，主要用于CO2气体保护焊及其它熔化极气体保护焊。按调节空载电压的方法不同又分为：抽头式、辅助变压器式和调压器式。2、主变压器为增强漏磁这类电源由于主变压器增强了漏磁，因而无需外加电抗器即可获得下降外特性并调节焊接参数。按增强漏磁的方法不同，可分为动线圈式、动铁心式和抽头式。4.1硅弧焊整流器的组成和分类4.1.2.2有电抗器的硅弧焊整流器

这类硅弧焊整流器所用的电抗器都是磁放大器。按其结构特点不同又可分为：1、无反馈磁放大器（或称为磁饱和电抗器）式硅弧焊整流器；2、有反馈磁放大器式硅弧焊整流器。根据磁放大器的反馈形式，后者又主要包括外反馈磁放大器式、全部内反馈磁放大器（自饱和电抗器）式和部分内反馈磁放大器（内桥自饱和电抗器）式硅弧焊整流器等。4.2普通硅弧焊整流器4.2.1动铁心式弧焊整流器

国内的三相动铁心分磁式弧焊整流器，型号为ZX-320。一次侧接成星形，二次接成三角形，是弧焊整流器中常用的接法。因为，1、该变压器是降压变压器，一次侧接成星形，每相绕组的相电压只有线电压的1/，绕组匝数可以减少，绝缘要求可以降低。2、二次绕组电流比较大，采用三角形接法时，相电流只是线电流的1/，可以减小导线截面积。4.2普通硅弧焊整流器图4-14ZX-320动铁心式弧焊整流器电路原理图

硅整流元件组VD1～6三相铁心式主变压器输出电抗器LK。1、滤波，减小输出直流的脉动；2、限制短路电流增长速度，减小瞬态短路电流峰值，从而改善动特性。旁路高频干扰，防止对电路产生影响；限制因突然断电或外部冲击产生的过电压。旁路低频干扰，滤除低频杂波，使输出直流波动更小。4.2普通硅弧焊整流器主变压器如图4-15所示，采用三柱式铁心，在窗口中放入两个动铁心，可在窗口内移进或移出。动铁心的作用与弧焊变压器中的相同，即增加漏磁，获得下降特性。缺点：主变压器三相漏磁条件不同，存在三相电压和电流的不平衡，有振动和噪声问题。图4-15ZX-320动铁心式主变压器

图4-16ZX-320电源外特性4.2普通硅弧焊整流器4.2.2动线圈式弧焊整流器

主要由增强漏磁的三相动绕组式弧焊变压器和三相桥式整流器组成，国产动线圈式弧焊整流器有ZXG1型和ZXG6型。由于该弧焊变压器漏抗很大，故可获得下降外特性。同过调节一、二次绕组之间的距离，即可改变漏抗的大小，从而调节电流。由于外特性较为陡降，动绕组式弧焊整流器适用于手弧焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊。与磁放大器式相比，它的结构及线路简单、节省原材料、质量较轻。其电磁惯性与弧焊变压器相近，动特性很好，飞溅较少，因而一般可不用输出电抗器。它的缺点是：由于绕组可动，使用时有轻微的振动和噪声，不易于实现远距离调节，不便于进行电网电压补偿等。4.2普通硅弧焊整流器三相动绕组式弧焊变压器的结构如右图。图a所示为铁心，三个心柱和上下轭构成三棱柱形。这种立体结构优于一般平面结构，其三相磁路平衡，可使三相电流平衡，从而整流电流平稳。图b所示为可移动绕组及其传动机构，一般是移动一次绕组，因其导线比二次的细、软。其二次绕组是静止不动的。图4-17三相动绕组式弧焊变压器a）铁心b）绕组及其传动机构4.2普通硅弧焊整流器硅整流元件组VD1～6三相铁心式主变压器“浪涌电路”，并联在焊机的输出端。绕组Ⅲ两端的电压为14V，低于弧焊电源的空载电压和工作时的电弧电压，故在空载和焊接时VD7能被反向偏置，使电路对焊接无影响。当引弧和熔滴过渡而使弧隙短路时，VD7导通，绕组Ⅲ向弧隙输出浪涌电流，以助引弧和熔滴过渡。旁路低频干扰，滤除低频杂波，使输出直流波动更小。图4-18ZXG1-400弧焊整流器电路

4.2普通硅弧焊整流器4.2.3抽头式弧焊整流器

其基本电路由主变压器T、整流器UR和输出电抗器Lk组成。主变压器T是正常漏磁的一般三相降压变压器，漏抗很小，输出近于水平的外特性。为了调节输出电压，在一次绕组上设有许多抽头，以便改变一次绕组匝数进行调节。由于这种焊机主要用于CO2气体保护焊，须用输出电抗器控制短路电流增长速度以减少金属溶滴的飞溅和改善焊缝成形。图4-20抽头式弧焊整流器的组成4-21抽头式弧焊整流器的外特性4.2普通硅弧焊整流器抽头式弧焊整流器的特点：(1)结构简单，节省材料，易于制造，使用可靠。(2)具有平外特性，空载电压较低与电弧电压近于相等，有时难以引弧。(3)调节电压是有级的，且不宜在负载的情况下调节，也不能遥调。(4)对电网电压波动的影响不能采取补偿措施。抽头式弧焊整流器的应用范围：这种弧焊电源主要用于细丝二氧化碳气体保护焊。因其简易、经济、可靠而易于推广，得到了广泛应用。国内外都有这种类型产品，电源简单，只是要与送丝电路等配合使用。4.3磁放大器式硅弧焊整流器4.3.1磁放大器原理

磁放大器是一种常用的电磁控制元件。在该类型的焊机中的主要作用是获得外特性以及调节外特性。图4-23磁放大器的基本单元

4.3.1.1磁放大器的基本单元最简单的单铁心式磁放大器结构如图4-23所示，由铁心、直流控制绕组WC和交流工作绕组WA所组成。

磁导率μ是随磁场强度H(IN)的变化而变化的。磁放大器就是利用铁磁材料的这种特性来实现电流放大和控制作用的。4.3磁放大器式硅弧焊整流器图4-22磁化曲线

4.3磁放大器是式硅弧焊整流器磁放大器式硅弧焊整流器外特性调节图中，在忽略WA电阻的条件下，变压器二次回路电压方程可写为：式中，ΦA是交流电流iA通过WA时在铁心中产生的交变磁通；U0为电源交变电压；Uf为负载电压；UL为WA两端的感抗压降。

由此可知，随If增大时，如果ΔΦ和UL成正比地增大，使Uf随之减小而获得陡降外特性。反之，如果ΔΦ和UL保持一定的值而不明显增大，则Uf不随If变化就获得平特性。4.3磁放大器是式硅弧焊整流器铁磁材料的磁化曲线

一般可分为两个区域：非饱和区和饱和区。

非饱和区：μ值较大，磁阻较小，交流绕组的等效电感较大；

饱和区：μ值较小，磁阻较大，交流绕组的等效电感较小。由于铁心工作的磁状态不同（即工作于磁化曲线的不同区域上），则在相同的IANA作用下，将产生不同的ΔΦ和电压降。图4-25磁放大器对外特性的控制4.3磁放大器是式硅弧焊整流器铁心的磁状态的控制

由磁放大器的结构可知，磁放大器铁心的磁状态是由交流磁势iANA和直流磁势ICNC共同确定。其中，

ICNC，确定了磁放大器在磁化曲线上的起始工作点；

iANA，确定了磁放大器在磁化曲线上的工作范围。图4-25磁放大器对外特性的控制4.3磁放大器是式硅弧焊整流器

铁心起始工作点P0在原点，磁化曲线的工作范围处于非饱和区，这时磁路磁阻小，IANA会产生较大的磁通变化幅度ΔΦ。若IANA增大会使ΔΦ显著增大，对应的外特性段较为陡降。铁心起始工作点P0´靠近饱和区，磁化曲线的工作范围处于较饱和的区域，相应的磁路磁阻大，对应的磁通变化幅度ΔΦ´较小。即使iANA增大，ΔΦ´也增大得不明显，因而对应的外特性段较平缓。图4-25磁放大器对外特性的控制4.3磁放大器式硅弧焊整流器4.3.1.2双铁心式磁放大器单铁心磁放大器的缺点：（1）交变电流会在匝数较多的控制绕组中感应出较高电势，影响磁放大器的正常工作，即交变环流问题；（2）交流磁通在正负半波分别与直流控制磁通相加或相减，使交流电流波形发生畸变，产生直流分量，增加了变压器的励磁电流。通常采用双铁心式磁放大器解决上述问题。4.3磁放大器式硅弧焊整流器无反馈的双铁心式磁放大器

联接原则：当采用两个铁心与绕组后，确保在直流绕组中的交流感应电动势相互抵消。图4-26双铁心式磁放大器原理图a）交流绕组串联b）交流绕组并联4.3磁放大器式硅弧焊整流器采用上述联接原则进行联接后，（1）直流控制绕组中的交流感应电动势相互抵消；（2）减小波形畸变。实际使用控制绕组共绕的磁放大器如图4-27、4-28。图4-29控制绕组三相共绕的无反馈磁放大器结构图

图4-27控制绕组共绕的磁放大器4.3磁放大器式硅弧焊整流器4.3.2无反馈磁放大器式硅弧焊整流器4.3.2.1基本电路三相无反馈磁放大器三相正常漏磁平特性变压器图4-28无反馈磁放大器式硅弧焊整流器原理图a）交流绕组串联b）交流绕组并联三相桥式整流电路输出电抗器4.3磁放大器式硅弧焊整流器4.3.2.2工作原理与外特性1、空载此时磁放大器各相交流绕组WA中无电流、压降产生，它对整流电路工作情况没有影响。此时主电路与一般三相桥式整流电路一样。空载电压U0为：U0=1.35U2l=2.34U2a

式中，U21、U2a分别各为主变压器二次线电压和相电压。4.3磁放大器式硅弧焊整流器2、负载IC=0，两个铁心中只有交流绕组电流产生的磁通。

当If很小时，铁心不饱和，随着If的增加，铁心中的磁通变化幅度迅速增加，交流绕组上压降随之增加，Uf迅速下降，外特性曲线很陡；

If进一步增大，铁心接近饱和，磁通变化变得较慢，Uf下降较慢，出现一定的外拖缓降段。当Ic≠0时产生控制磁通Φc，交流绕组中的电流Ia产生磁通ΦA。无反馈磁放大器铁心中磁通变化和交流绕组感抗压降随着负载电流的增加而增加，如图所示增加较为缓慢，输出电压缓慢下降。当负载电流增加到某种程度，以致两个铁心中的去磁铁心脱离饱和状态后，如果负载电流再继续增加，磁通变化和感抗压降将显著增加，输出电压急剧下降。这种电源的外特性如图4-33所示图4-32无反馈磁放大器的磁状态4.3磁放大器式硅弧焊整流器IC=0时，If较小时，外特性曲线很陡；If增大到使铁心接近饱和后，磁通变化变得较慢，Uf下降较慢，出现一定的外拖缓降段。当Ic≠0时

If较小时，铁心处于饱和状态，随焊接电流的增加输出电压缓慢下降。

If增加到某种程度，去磁铁心脱离饱和状态后，随着焊接电流的继续增加，输出电压急剧下降。图4-33无反馈磁放大器的外特性当Ic继续增加时

外特性陡降部分将向右移动。4.3磁放大器式硅弧焊整流器4.3.2.3调节特性由前述可知，随Ic增大，外特性陡降部分将向右移，即If增大。也就是说通过改变Ic即可达到调节If的目的。Ic与If的关系曲线，就是无反馈磁放大器硅弧焊整流器的控制特性或调节特性，可用作图法求得，如图4-34a所示。图4-34a)无反馈磁放大器硅弧焊整流器控制特性4.3磁放大器式硅弧焊整流器调节特性的定量分析1、电源工作于外特性曲线的陡降部分，即磁放大器的起始工作点在饱和区；2、磁放大器铁心材料的磁化曲线接近理想磁化曲线，磁化曲线非饱和区的安匝很小。在此条件下，有等安匝关系：ICNC-IfNA≈0，即If=(NC/NA)IC=KIIC4.3磁放大器式硅弧焊整流器理想控制特性曲线，磁放大器铁心磁化曲线应为理想磁化曲线。由于磁化曲线并非理想，在Ic为零时，对应的磁放大器感抗并非无限大，故If=I0，即磁放大器的空载电流。图4-34b）理想和实际控制特性示意图当磁放大器完全饱和时，焊接回路中还有负载电阻及变压器内阻等限制着电流，故If不能随Ic无限增大。4.3磁放大器式硅弧焊整流器4.3.2.2无反馈磁放大器的特点（1）WA接线保证一个铁心内ΦA与Φc方向一致，另一个铁心内则相反；

（2）可用较小的Ic控制较大的IA，电流放大倍数KI＝Nc／NA，故可适当增大Nc，使KI达几十倍。（3）如果铁心材料为冷轧硅钢片，其磁化曲线接近于理想磁化曲线，则可获得近于垂直陡降的外特性。

（4）无反馈磁放大器式弧焊整流器只能获得较为陡降的外特性。由于短路电流太小，引弧不易，不宜用于手弧焊，故其应用范围有限。4.4有反馈磁放大器式硅弧焊整流器为解决无反馈的磁放大器的前述问题可采用有反馈的磁放大器。常用的有焊接电流正反馈和电弧电压负反馈。反馈又有外反馈和内反馈之分，前者通过外加反馈绕组对直流输出电流或电压进行反馈，后者则由交流工作绕组兼起反馈作用。以下只介绍应用较广的全部内反馈式和部分内反馈磁放大器式弧焊整流器。4.4有反馈磁放大器式硅弧焊整流器4.4.1全部内反馈磁放大器式弧焊整流器当电路工作时，两个铁心都达到饱和状态，保持感抗压降为一定值与负载电流无关，则焊接电压则为定值，即形成平特性。全部内反馈磁放大器就是利用内反馈使铁心达到自饱和，从而获得平特性的。故，全部内反馈磁放大器也称为自饱和电抗器。4.4有反馈磁放大器式硅弧焊整流器4.4.1.1基本电路图4-35全反馈磁放大器式弧焊整流器的原理电路各相磁放大器的两个WA绕组的非同名端接在一起后再接交流电源，另二端则各接一个整流元件再接负载。其特点是每个WA绕组中的电流是方向不变的半波脉动电流,且始终从同名端流入。4.4有反馈磁放大器式硅弧焊整流器

交流工作绕组的联接原则：使ΦA与ΦC的方向一致。ΦA由输出电流If流过WA所产生，其作用是加强ΦC，因此交流工作绕组WA兼起电流正反馈绕组的作用。两个铁心内的ΦAl(由IANA1产生的)及ΦA2(由IANA2产生的)虽是按交流电的正负半周轮流以与Φc相同的方向穿过直流控制绕组，但由于它们的基波相位相反而可以相互抵消，所以在WA中感生的电动势不大。因为N