李永江-弧焊電源課程設(shè)計(jì)

1、弧焊電源課程電路設(shè)計(jì)綜述報(bào)告弧焊電源課程設(shè)計(jì) 課題名稱： 晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計(jì) 學(xué) 院: 材料科學(xué)有工程學(xué)院 班 級(jí)： 焊接三班 姓 名： 李永江 學(xué) 號(hào)： 1007074308 指導(dǎo)教師： 楊文杰 一、引言自從1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明晶閘管，1957年美國(guó)通用電氣公司發(fā)出世界上第一只晶閘管以后，從此揭開(kāi)了電力電子技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的序幕。由于晶閘管容量大、耐壓高、功耗小、具有良好的可控性，因此很適合制作弧焊電源。在20世紀(jì)60年代初期，便出現(xiàn)了以晶閘管為整流元件的弧焊電源晶閘管弧焊整流器。它采用小功率信號(hào)改變晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)弧焊電源外特性的控制以及焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)。目前在各種弧焊電源中，

2、晶閘管弧焊整流器的應(yīng)用較為廣泛。二、晶閘管弧焊電源主電路形式及原理晶閘管式弧焊整流器主電路主要有三種：三相橋式半控電路、三相橋式全控電路以及 帶平衡電抗器雙反星形電路。2.1、三相橋式半控電路電阻性負(fù)載其電路如圖5-6。圖中T為變壓器，整流電路由三個(gè)晶閘管V1、V3、V5和三個(gè)二極管VD2、VD4、VD6組成，Rf為負(fù)載，其中三個(gè)晶閘管構(gòu)成共陰極，三個(gè)二極管構(gòu)成共陽(yáng)極。當(dāng)晶閘管控制角=時(shí)波形分析如圖5-7所示。分別在自然換向點(diǎn)t1、t3、t5，觸發(fā)三只晶閘管，使其輪流導(dǎo)通。而二極管則在自然換向點(diǎn)t2、t4、t6處自然換向。圖5-7 0三相橋式半控整流電路電阻負(fù)載波形a) 相電壓 b) 負(fù)載電壓

3、 c)觸發(fā)電壓d) 管子導(dǎo)通順序當(dāng)30時(shí)，如圖5-8所示，t1時(shí)刻V1管觸發(fā)導(dǎo)通，電源電壓uab通過(guò)V1和VD6加于負(fù)載Rf兩端。在t2時(shí)，共陽(yáng)極組整 流二極管VD2與VD6自然換向，所以在t2之后，VD2導(dǎo)通，電源電壓uac通過(guò)V1、VD2加于負(fù)載，一直到t3時(shí)刻，V3管導(dǎo)通后使V1承受反壓而關(guān)斷，電路轉(zhuǎn)換為V3與VD2導(dǎo)通。Rf兩端電壓是ubc。依此類推。從輸出電壓波形看每個(gè)周期有六次脈動(dòng)，且脈動(dòng)是不均勻的。當(dāng)60時(shí)，即在滯后于自然換相點(diǎn)60處觸發(fā)晶閘管得到的負(fù)載波形如圖5-8所示。其特點(diǎn)是，在觸發(fā)晶閘管時(shí)正值二極管的自然換相點(diǎn)，因而晶閘管與二極管同時(shí)換相。2.2、三相橋式全控整流電路當(dāng)6

4、0時(shí)，三相橋式半控整流電路的整流電壓波形每周只有三個(gè)波峰脈動(dòng)較大。如果將其三個(gè)二極管VD2、VD4、VD 6換成三個(gè)晶閘管，就變成了三相橋式全控整流電路，如圖5-11所示，其輸出電壓波形較好。1.電阻性負(fù)載其電路如圖5-11所示，六只晶閘管：V1、V3、V5接成共陰極組，V2、V4、V6接成共陽(yáng)極組?，F(xiàn)討論電阻性負(fù)載時(shí)的工作情況，先將輸出電抗器L短路起來(lái)。要使負(fù)載中流過(guò)電流，必需讓上述二組晶閘管中各有一個(gè)同時(shí)導(dǎo)通。與其它全波整流電路一樣，由于管子壓降可以忽略，負(fù)載上承受的是線電壓。工作過(guò)程中，共陽(yáng)極組和共陰極組的晶閘管都在不斷相換，換相時(shí)刻取決于產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的相位。為了獲得一周有六個(gè)波峰的負(fù)載

5、電壓波形，則需同時(shí)觸發(fā)兩組晶閘管。即要求同組各晶閘管的觸發(fā)電壓互差120，二組之間互差60。如圖5-12所示是，即在自然換點(diǎn)t16上，由互差60的ug16按序觸發(fā)對(duì)應(yīng)的晶閘管VH16的波形。 圖5-12 a0三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載波形a) 相電壓 b) 負(fù)載電流、電壓c) 觸發(fā)電壓 d) 管子導(dǎo)通順序2.3、帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路其基本電路，如圖5-16所示，可接成圖5-16a、b形式，其工作原理及組成是一樣的。其結(jié)構(gòu)由六個(gè)晶閘管，一個(gè)平衡電抗器LB和一個(gè)主變壓器組成。主變壓器是三相的，二次有兩組繞組，各以相反極性聯(lián)成星形，故稱“雙反星形”。 帶平衡電抗器雙反星形整流電路，相當(dāng)

6、于正極性和反極性兩組三相半波整流電路的并聯(lián)。各組輸出電壓波形如圖5-21a、b中實(shí)線所示，是各相電壓的包絡(luò)線。任何瞬時(shí)，正、反極性組均有一支電路導(dǎo)通工作，故可將該電路簡(jiǎn)化成如5-22所示。圖中ua、ub各為某瞬時(shí)同時(shí)導(dǎo)通的正、反極性支路的變壓器相電壓瞬時(shí)值，晶閘管的正向壓降略去不計(jì) 。平衡電抗器是維持兩組三相半波電路互不干擾各自正常工作所必需的。 圖5-21帶平衡電抗器雙反星形整流電路波形圖(a0時(shí))電阻負(fù)載波形a) 正極性組的整流電壓波形圖 b) 反極性組的整流電壓波形圖 c) 負(fù)載電壓波形 d) 平衡電抗器兩端電壓波形 e) 整流元件導(dǎo)通順序當(dāng)0時(shí)。其波形如圖5-21d所示，頻率為電網(wǎng)電壓

7、的三倍、近似于三角波形，其幅值為相電壓幅值的1/2倍。 當(dāng)30時(shí)，正、反極性組整流電壓uMP和uMP波形如圖5-23所示。 圖5-24為60時(shí)的波形，正、反極性組整流電壓uMP、uNP波形如圖5-24a、b所示。 圖5-25為60時(shí)的波形，這時(shí)uMP、uNP都對(duì)稱于橫軸，它們的平均值皆為零。 通過(guò)以上分析可知，帶平衡電抗器雙反星形整流器在電路中要有足夠大的電感，與上述其他電路相比它具有以下特點(diǎn)： 1）它相當(dāng)于兩組三相半波整流電路并聯(lián)。它的各相電流流通時(shí)間可延長(zhǎng)至120，而六相半波整流電路每相電流流通時(shí)間只有60，顯然前者的整流變壓器和整流元件的利用率較高。該電路中，同時(shí)有兩個(gè)晶閘管并聯(lián)導(dǎo)電，每

8、管分擔(dān)1/6負(fù)載電流。而三相橋式整流電路相當(dāng)于兩個(gè)三相半波整流電路的串聯(lián)，同時(shí)有二個(gè)整流元件串聯(lián)導(dǎo)電，每個(gè)晶閘管分擔(dān)1/3負(fù)載電流，后者所用晶閘管的額定電流也就要求較大。同時(shí)后者要考慮兩倍的管子壓降，因而效率較低。因而，一般地說(shuō)，帶平衡電抗器的雙反星形整流電路更適合于作弧焊電源，因?yàn)榛『鸽娫匆蟠箅娏鞯碗妷骸?2）有六個(gè)晶閘管，觸發(fā)電路比三相橋式半控整流電路的要復(fù)雜，但比三相橋式全控整流電路的簡(jiǎn)單。3）整流電壓波形為每個(gè)周波六個(gè)波峰，其脈動(dòng)程度比三相橋式半控電路的小，最低諧波為六次，要求輸出的電感量及體積都較小。 4）需用平衡電抗器，且為保證電路能正常工作，其鐵心不宜飽和。為此，應(yīng)避免該鐵心被

9、直流成分所磁化，要求其抽頭兩邊線圈的直流安匝相互抵消，即兩組整流電路的參數(shù)（主要是變壓器的匝數(shù)和漏感）應(yīng)基本對(duì)稱。三、晶閘管觸發(fā)電路晶閘管是半控型器件，它最重要的特性是正向?qū)ǖ目煽匦?，?dāng)陽(yáng)極加上一定的正向電壓后，還必須在門極和陰極之間加上足夠的正向控制電壓、電流即觸發(fā)電壓、電流,以及達(dá)到維持晶閘管導(dǎo)通的維持電流時(shí)，晶閘管才能從阻斷轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后，門極控制信號(hào)就失去了控制作用，直到電源過(guò)零時(shí)，其陽(yáng)極電流小于維持電流，晶閘管才自行關(guān)斷。根據(jù)這一特性，觸發(fā)電壓、電流可以是交流、直流或短暫的脈沖電壓、電流，為減少門極損耗與觸發(fā)功率，常用脈沖電壓、電流觸發(fā)晶閘管。3.1晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足一

10、下要求：（1）、觸發(fā)脈沖相位必須與加在晶閘管上的陽(yáng)極電壓同步。（2）、觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠功率信號(hào)極性要求門極為正，陰極為負(fù)。（3） 觸發(fā)脈沖可以移相且能夠達(dá)到所要求的移相范圍為了調(diào)節(jié)焊接規(guī)范和控制電源的外特性形狀，需要改變晶閘管的控制角，即通過(guò)移相觸發(fā)電路改變觸發(fā)脈沖相位。（4）觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定寬度脈沖前沿應(yīng)盡可能陡，以使晶閘管導(dǎo)通后陽(yáng)極電流迅速上升，超過(guò)擎住電流而維持可靠導(dǎo)通。 （5）多路觸發(fā)脈沖之間應(yīng)有電氣隔離尤其是在三相全控整流電路中各路觸發(fā)脈沖必須在電氣上隔離。3.2 移相觸發(fā)電路的套數(shù) a、用六套觸發(fā)電路 由于該整流電路中有六只晶閘管，每只晶閘管需要一套觸發(fā)電路，總共需要六套。各相晶閘

11、管的觸發(fā)互不牽制，允許觸發(fā)脈沖的移相范圍大，可達(dá)180。不過(guò)這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在這種弧焊整流器中得不到發(fā)揮，因?yàn)閺目蛰d到短路只需觸發(fā)脈沖移相90即可。這種方案的缺點(diǎn)是觸發(fā)電路套數(shù)太多，各套電路參數(shù)難以達(dá)到一致，因此難以保證三相電路平衡；同時(shí)又增加了電路產(chǎn)生故障的可能性。b、 用三套觸發(fā)電路 該觸發(fā)電路由正、反極性兩組三相半波電路組成，見(jiàn)圖5-26a。a與a相、b與b相、c與c相的晶閘管的陽(yáng)極電壓剛好相反，完全可以共用一套觸發(fā)電路。如下圖 c、 用兩套觸發(fā)電路 把主電路接成圖5-16b的形式即共陽(yáng)極接法，各晶閘管在負(fù)半周導(dǎo)通），則可以采用兩套觸發(fā)電路。用一套觸發(fā)電路去觸發(fā)一組三相半波可控整流電路中的晶閘管

12、。圖5-27所示陰影部分是各相觸發(fā)脈沖的移相范圍。由圖可見(jiàn)，各相所要求的移相范圍是互不重疊的。所以完全可以采用一套觸發(fā)電路依次觸發(fā)各相晶閘管。 d、 一套觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖 3.3 移相觸發(fā)電路的電阻無(wú)論用六套觸發(fā)電路、三套觸發(fā)電路，還是兩套觸發(fā)電路，對(duì)于前一部分的積分微分電路都是一樣的，電路圖如下：圖1-仿真電路如上電路圖中，左半部分是積分電路，右半部分是微分電路，對(duì)R1進(jìn)行計(jì)算，首先對(duì)電路進(jìn)行分析，當(dāng)R、C前面的二極管不導(dǎo)通時(shí)，直流電源對(duì)電容進(jìn)行充電，則15V=UR+UC, 由于數(shù)值較大,充電過(guò)程進(jìn)行緩慢，UC UR，于是有15VUR=iR而 i=Cd UC /dt所以 UC =1/R1C

13、15dt當(dāng)充電結(jié)束的瞬間，UC=15V,所以 RC=t，而2t=1/f f=50Hz C=0.22uf所以 R1=100K對(duì)R2進(jìn)行計(jì)算，在后面的電容放電， UC持續(xù)下降，直到降到0V，這段時(shí)間在理論上要經(jīng)過(guò)無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間UC才衰減為零值。但工程上一般認(rèn)經(jīng)過(guò)35時(shí)間完成，暫態(tài)結(jié)束。則有 （35）=5ms而 =R2C C=0.22uf所以 R2=2K因此，有下列仿真電路：圖2-三套仿真電路圖3-六套仿真電路圖4-二套仿真電路四、電路選擇及原理要求我們組選擇三套觸發(fā)電路，電路圖如下：圖5電路原理圖圖6理論觸發(fā)脈沖波形圖積分電路RC串聯(lián)輸入矩形脈沖電壓，在電容上輸出電壓，積分電路的條件為：1、 取電容兩

14、端電壓為輸出電壓。2、時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于矩形脈沖寬度t。在電子技術(shù)中常需要將矩形脈沖信號(hào)變?yōu)殇忼X波信號(hào)，作為掃描電壓使用。當(dāng)輸入矩形脈沖電壓由零跳變到U時(shí)，電容器開(kāi)始充電，由于時(shí)間常數(shù) 很大，電容器兩端電壓UC在0t這段時(shí)間內(nèi)緩慢增長(zhǎng)，UC還沒(méi)有達(dá)到U，矩形脈沖電壓已由U跳變到0，電容器通過(guò)電阻緩慢放電，UC逐漸下降，在輸出端得到一個(gè)近似鋸齒形波的電壓。波形如上圖中的U4和U5。微分電路與積分電路條件相反，RC串聯(lián)輸入矩形脈沖電壓，在電阻上輸出電壓，矩形脈沖電壓的幅值為U，脈沖寬度為t，脈沖周期為T。 在t=0至t這段時(shí)間內(nèi)，電源對(duì)電容充電；t在下一段時(shí)間內(nèi)，電容通過(guò)電阻放電。RC微分電路必須滿足

15、以下兩個(gè)條件：1、 在電阻上輸出電壓。2、 RC充放電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于矩形脈沖寬度t。由于電容兩端電壓不能突變，且t，則U0UR=U,則在t之前，電容充電過(guò)程很短，即電容兩端電壓很快為U，電阻兩端電壓很快下降到0；在時(shí)間t時(shí)刻，電容通過(guò)電阻放電，同樣，由于很小，在下一個(gè)脈沖電壓到來(lái)之前，電容放電很快結(jié)束，輸出電壓為兩個(gè)極性相反的尖端脈沖電壓。在脈沖電路中，常應(yīng)用微分電路把舉行脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榧饷}沖，常常作為觸發(fā)信號(hào)。波形如上圖中U8和U9。下面是我模擬的電路中個(gè)點(diǎn)的波形如圖：圖7-1點(diǎn)處電路仿真波形圖8-2點(diǎn)處電路仿真波形圖9-3點(diǎn)處電路仿真波形圖10-4點(diǎn)處電路仿真波形圖11-5點(diǎn)處電路仿真波形圖1

16、2-6點(diǎn)處電路仿真波形圖13-7點(diǎn)處電路仿真波形圖14-8點(diǎn)處電路仿真波形圖15-9點(diǎn)處電路仿真波形圖16 a+輸出電路仿真波形圖17 a-輸出電路仿真波形圖18-a+a-c+c-的輸出b、c的仿真電路與a的相同，a、b、c之間波形相位相差120。五、報(bào)告總結(jié)晶閘管弧焊整流器具有以下主要特點(diǎn)：（1）、控制性能好 晶閘管可以用較小功率的觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率整流器的輸出控制。與弧焊發(fā)電機(jī)、磁放大器式弧焊整流器相比，其電流電壓控制范圍大，有利于對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行控制，保證參數(shù)穩(wěn)定。（2）、動(dòng)特性好，響應(yīng)速度快 它與弧焊發(fā)電機(jī)和磁放大器式弧焊整流器相比，內(nèi)部電感要小得多，系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)可達(dá)十幾毫秒，具有電

17、磁慣性小、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。其動(dòng)態(tài)特性可以采用電子電抗器加以控制調(diào)節(jié)。（3）、調(diào)節(jié)特性好 晶閘管弧焊整流器通過(guò)不同的反饋方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)弧焊電源外特性形狀的任意控制，焊接電流、電壓可在較寬的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)壓補(bǔ)償。而且與磁放大器式弧焊整流器相比，可輸出較小的焊接電流，易于實(shí)現(xiàn)脈沖焊接與薄板焊接。（4）、節(jié)能、省材 與弧焊發(fā)電機(jī)和磁放大器式硅弧焊整流器相比，可以節(jié)省材料、減輕質(zhì)量、節(jié)約能源。 晶閘管式弧焊整流器的輸出電壓、電流存在脈動(dòng)和諧波問(wèn)題，隨著輸出電壓的降低，波形脈動(dòng)和諧波成分將愈來(lái)愈大。但是我們可以采取并聯(lián)高壓引弧電源、并聯(lián)二極管和限流電阻構(gòu)成維弧電路、采用直流電抗器、選擇合適的整流電路等加以解決。晶閘管電路是電力電