第五單元脈沖弧焊

第五單元脈沖弧焊電源學(xué)習(xí)目標(biāo)：通過學(xué)習(xí)（1）熟悉脈沖弧焊電源的種類、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，脈沖電流的獲得方法；（2）掌握各種常用脈沖弧焊電源（包括單相整流式、磁飽和電抗器式、晶閘管式、晶體管式）的基本原理、種類、特點(diǎn)、產(chǎn)品及應(yīng)用。綜合知識(shí)模塊一

脈沖弧焊電源概述

脈沖弧焊電源的特點(diǎn)

及應(yīng)用范圍

在生產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)薄板和熱輸入敏感性大的金屬材料焊接以及全位置施焊等工藝，若采用一般電流進(jìn)行焊接，則在熔滴過渡、焊縫成形、接頭質(zhì)量以及工件變形等方面往往是不夠理想的。然而，采用脈沖電流進(jìn)行焊接不僅可以精確地控制焊縫的熱輸入，使熔池體積及熱影響區(qū)減小，高溫停留時(shí)間縮短，因而無論是薄板還是厚板，普通金屬、稀有金屬及熱敏感性強(qiáng)的金屬都有較好的焊接效果。用脈沖電流焊接還能較好地控制熔滴過渡，可以用低于噴射過渡臨界電流的平均電流來實(shí)現(xiàn)噴射過渡，對(duì)全位置焊接有獨(dú)特的優(yōu)越性能力知識(shí)點(diǎn)1脈沖弧焊電源與一般弧焊電源的主要區(qū)別就在于所提供的焊接電流是周期性脈沖式的，包括基本電流（維弧電流）和脈沖電流；它的可調(diào)參數(shù)較多，例如：脈沖頻率、脈沖幅值、寬度、電流上升速度和下降速度等，還可以變換脈沖電流波形，以便最佳適應(yīng)焊接工藝的要求。目前脈沖弧焊電源主要用于氣體保護(hù)焊和等離子弧焊。它的控制線路一般比較復(fù)雜，維修比較麻煩，在工藝要求較高的場(chǎng)合才宜于應(yīng)用。但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠的單相整流式脈沖弧焊電源，也用在一般場(chǎng)合。脈沖電流的獲得方法

（1）利用硅二極管的整流作用獲得脈沖電流這類脈沖弧焊電源采用硅二極管提供脈沖電流，可獲得100Hz和50Hz兩種頻率的脈沖電流。（2）利用電子開關(guān)獲得脈沖電流它是在普通直流弧焊電源直流側(cè)或交流側(cè)接入大功率晶閘管，分別組成晶閘管交流斷續(xù)器或直流斷續(xù)器，利用它們的周期性通、斷獲得脈沖電流。能力知識(shí)點(diǎn)2（3）利用阻抗變換獲得脈沖電流①變換交流側(cè)阻抗值，使三相阻抗Z1、Z2、Z3數(shù)值不相等而獲得脈沖電流；②變換直流側(cè)電阻值，采用大功率晶體管組來獲得脈沖電流。在這里，大功率晶體管組既可工作在放大狀態(tài)，起著變換電阻值大小的作用，又可工作在開關(guān)狀態(tài)，起開關(guān)作用。（4）利用給定信號(hào)變換和電流截止反饋獲得脈沖電流①給定信號(hào)變換式，在晶體管式、晶閘管式弧焊電源的控制電路中，把脈沖信號(hào)指令送到給定環(huán)節(jié)，從而在主回路中可得到脈沖電流；②電流截止反饋式，通過周期性變化的電流截止反饋信號(hào)，使晶體管式弧焊電源獲得脈沖電流輸出。用①、②方法獲得的脈沖電流波形是不連續(xù)的。為了使電弧不致在脈沖電流休止時(shí)熄滅，需采取相應(yīng)措施或用另一電源來產(chǎn)生基本電流，以維持電弧連續(xù)、穩(wěn)定的燃燒。因此，脈沖弧焊電源可以由脈沖電流電源和基本電流電源并聯(lián)構(gòu)成，稱為雙電源式；也可以采用一臺(tái)電源來兼顧，稱為單電源式或一體式，這時(shí)需通過切換它的兩條外特性，來分別滿足脈沖和維弧的需求。脈沖弧焊電源的分類

脈沖弧焊電源可按不同的方式分類，最常見的分類方式是按獲得脈沖電流所用的主要器件不同來分類。（1）單相整流式脈沖弧焊電源它利用晶體二極管單相半波或單相全波整流電路來獲得脈沖電流。（2）磁飽和電抗器式脈沖弧焊電源它是在普通磁飽和電抗器式弧焊整流器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，按獲得脈沖電流的方式不同又分為：①阻抗不平衡型；②脈沖勵(lì)磁型。能力知識(shí)點(diǎn)3（3）晶閘管式脈沖弧焊電源它是在普通弧焊整流器的交流側(cè)或直流側(cè)接入大功率晶閘管斷續(xù)器而構(gòu)成，按構(gòu)成的方式不同又分為：①交流斷續(xù)器式；②直流斷續(xù)器式。（4）晶體管式脈沖弧焊電源它是在焊接主回路中接入大功率晶體管（或晶體管組），起電子開關(guān)或可控電阻的作用，從而獲得脈沖電流。綜合知識(shí)模塊二

單相整流式脈沖弧焊電源

基本形式及特點(diǎn)

1．并聯(lián)式單相整流脈沖弧焊電源它由一臺(tái)普通直流弧焊電源提供基本電流，用另一臺(tái)有中心抽頭的單相變壓器和硅二極管組成的單相整流器與其相并聯(lián)，提供脈沖電流。其電路原理如圖5-1所示。當(dāng)開關(guān)SA斷開時(shí)為半波整流，脈沖電流頻率為50Hz，開關(guān)SA閉合時(shí)為全波整流，脈沖電流頻率為100Hz。

能力知識(shí)點(diǎn)1圖5-1并聯(lián)式單相整流脈沖弧焊電源電路原理圖改變變壓器抽頭可調(diào)節(jié)脈沖電流的幅值，如果采用晶閘管代替硅二極管構(gòu)成整流電路，還可以通過控制觸發(fā)信號(hào)的相位來調(diào)節(jié)脈沖寬度，從而調(diào)節(jié)脈沖的幅度，用以對(duì)脈沖電流進(jìn)行細(xì)調(diào)。這種脈沖弧焊電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基本電流和脈沖電流可以分別調(diào)節(jié)，使用方便可靠，成本低。但是，它的可調(diào)參數(shù)不多且會(huì)相互影響，所以它只適合于一般要求的脈沖弧焊工藝。一般采用陡降特性的弧焊電源來提供基本電流，用平特性的整流器來提供脈沖電流。2．差接式單相整流脈沖弧焊電源差接式單相整流脈沖弧焊電源的電路原理如圖5-2所示。圖5-2差接式單相整流脈沖弧焊電源電路原理圖其工作原理與上述并聯(lián)式單相整流脈沖弧焊電源基本上相同。只是不用帶中心抽頭的變壓器，而改用兩臺(tái)二次電壓和容量不同的變壓器組成單相半波整流電路，再反向并聯(lián)而成，在正、負(fù)半周交替工作。二次電壓較高者提供脈沖電流；二次電壓較低者提供基本電流。調(diào)節(jié)u1和u2時(shí)，即可改變基本電流和脈沖電流的幅值以及脈沖焊接電流的頻率。當(dāng)u1≠

u2時(shí)，脈沖電流頻率為50Hz；當(dāng)u1=u2時(shí)，脈沖電流頻率為100Hz。這種脈沖弧焊電源的兩個(gè)電源都采用平特性。用于等速送絲熔化極脈沖弧焊時(shí)，具有電弧穩(wěn)定、使用和調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)。但制造較復(fù)雜，專用性較強(qiáng)。3．阻抗不平衡式單相整流脈沖弧焊電源阻抗不平衡式單相整流脈沖弧焊電源電路原理及電流波形如圖11-3所示圖5-3阻抗不平衡式單相整流脈沖弧焊電源a）主電路原理圖b）電流波形圖（Z1>Z2）它采用正、負(fù)半周阻抗不相等的方式獲得脈沖電流。圖中阻抗Z1、Z2大小不相等。正半周時(shí)，通過Z1為電弧提供基本電流i1；負(fù)半周時(shí)，通過Z2為電弧提供脈沖電流i2。因此，改變Z1、Z2的大小就可以調(diào)整脈沖焊接電流的幅值。這種脈沖弧焊電源具有使用簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)，但脈沖頻率和寬度不可調(diào)節(jié)，應(yīng)用范圍受到一定限制。產(chǎn)品介紹

以國(guó)產(chǎn)ZPG3-200型單相整流式脈沖弧焊電源為例，其電路原理如圖5-4所示。它屬于并聯(lián)式單相整流脈沖弧焊電源。該電源采用兩個(gè)相互獨(dú)立的電源并聯(lián)構(gòu)成?；倦娏饔梢慌_(tái)磁飽和電抗器式弧焊整流器提供，通過改變內(nèi)橋接線，可以得到平的或下降的外特性，改變磁飽和電抗器的勵(lì)磁電流可以調(diào)節(jié)基本電流大小。能力知識(shí)點(diǎn)2圖5-4ZPG3-200型脈沖弧焊電源電路原理圖脈沖電流則由一個(gè)平特性的單相整流電路提供，通過整流方式的變換（半波或全波），可獲得50Hz或100Hz的脈沖電流；通過改變變壓器T2的抽頭接線，來調(diào)節(jié)脈沖電流的幅值。脈沖電流回路接入了QL-3型峰值過載保護(hù)器，可以確保安全工作。綜合知識(shí)模塊三

磁飽和電抗器式脈沖弧焊電源

基本原理及特點(diǎn)

磁飽和電抗器式脈沖弧焊電源與磁飽和電抗器式弧焊整流器十分相似，它是利用特殊結(jié)構(gòu)的磁飽和電抗器來獲得脈沖電流的。在對(duì)普通磁飽和電抗器式弧焊整流器的論述中已分析過：磁飽和電抗器式弧焊整流器的輸出電流，隨著磁飽和電抗器的交流感抗的變化而變化，而交流感抗隨著交流繞組匝數(shù)的增大或控制電流的減小而增大。利用磁飽和電抗器的這一特點(diǎn)，可采用脈沖勵(lì)磁式或三相阻抗不平衡型的方式來獲得脈沖電流。下面分別介紹這兩種型式脈沖弧焊電源的基本原理。能力知識(shí)點(diǎn)11．脈沖勵(lì)磁式

主電路如圖5-5所示。其主電路與普通磁飽和電抗器式弧焊整流器相同，但它的勵(lì)磁電流不是穩(wěn)定的直流電流，而采用了周期性變化的脈沖電流Ih，使Xj隨著Ih周期性變化而變化，從而獲得周期性的脈沖焊接電流Ih。圖5-5脈沖勵(lì)磁型磁飽和電抗器式脈沖弧焊電源主電路圖2．阻抗不平衡型如圖5-6所示，它是使三相磁飽和電抗器中某一相的交流感抗增大或減?。ㄍㄟ^改變Nj或改變磁導(dǎo)率來實(shí)現(xiàn)），引起輸出電流值有一相不同于另兩相，從而獲得周期性脈沖輸出電流。此外，也可以通過三相電壓不平衡來獲得脈沖電流。綜上所述，磁飽和電抗器式脈沖弧焊電源有下列特點(diǎn)：（1）脈沖電流與基本電流取自同一個(gè)變壓器屬于一體式，故結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小。（2）通過改變磁飽和電抗器的飽和程度，可以在焊前及焊接過程中無級(jí)調(diào)節(jié)輸出功率，所以調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)容易，使用方便。（3）這類脈沖弧焊電源可以方便地利用普通磁飽和電抗器式弧焊整流器經(jīng)改裝而成，并可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。（4）由于磁飽和電抗器時(shí)間常數(shù)大，反應(yīng)速度慢，使輸出脈沖電流頻率受到限制。脈沖勵(lì)磁型磁飽和電抗器式

脈沖弧焊電源

前已述及，它的主電路與普通磁飽和電抗器式弧焊整流器相同，只是控制電流為低頻脈沖電流，這種脈沖控制電流由一個(gè)多諧振蕩器組成的晶閘管開關(guān)提供。其基本電路如圖5-7所示。能力知識(shí)點(diǎn)2圖5-7晶閘管開關(guān)基本電路當(dāng)晶閘管VT1導(dǎo)通時(shí)，電流由VD1~6經(jīng)VT1、VD7、WK、R3、R1回到VD1~6，同時(shí)給C1充電，為VT1的關(guān)斷作好準(zhǔn)備，此時(shí)C1上的電壓為上正下負(fù)。當(dāng)VT2導(dǎo)通時(shí)，C1上的電壓加在VT1上，使VT1在反向電壓的作用下關(guān)斷，同時(shí)C1經(jīng)VD7、WK、R3、R1、VD1~6、VT2回路放電，并反向充電，從而為VT2的關(guān)斷作好準(zhǔn)備。VT2導(dǎo)通時(shí)，電流還經(jīng)過另一回路：VD1~6、VT2、R2、R1再回到VD1~6

。VT1導(dǎo)通時(shí)，控制電流幅值大，而VT2導(dǎo)通時(shí)控制電流幅值小．兩晶閘管的觸發(fā)信號(hào)由一個(gè)多諧振蕩器提供，使VT1、VT2兩只晶閘管輪流導(dǎo)通，即可獲得一定頻率、一定占空系數(shù)的脈沖控制電流。改變控制電源的電壓，可以調(diào)節(jié)脈沖控制電流的幅值。由于控制繞組匝數(shù)多、電感量L大，所以改變串聯(lián)電阻R可獲得不同電流上升率的脈沖電流波形。如圖5-8所示，為控制回路時(shí)間常數(shù)（L/R）不同時(shí)的脈沖電流波形。這種脈沖弧焊電源具有控制功率小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、波形和電流大小調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。但由于磁飽和電抗器的時(shí)間常數(shù)大，使輸出脈沖電流的頻率受到一定的限制，一般在10Hz以下，因此常用作非熔化極氣體保護(hù)焊的電源。產(chǎn)品介紹

這里以ZXM-200為例作一簡(jiǎn)介。1．特點(diǎn)（1）它是脈沖勵(lì)磁型磁飽和電抗器式脈沖弧焊電源，焊接電流調(diào)節(jié)方便，便于遙控；但脈沖頻率較低。（2）具有垂直下降的外特性。（3）具有焊接電流衰減功能，可以保證填滿弧坑。（4）裝有焊接電流預(yù)調(diào)裝置，可在焊前根據(jù)需要調(diào)整焊接電流。能力知識(shí)點(diǎn)32．主要技術(shù)性能空載電壓90；額定脈沖電流250；額定輸出功率5；基本電流調(diào)節(jié)范圍10~300；電源電壓380；額定基本電流250脈沖電流調(diào)節(jié)范圍20～300；脈沖電流頻率0.5~10。3．主要應(yīng)用范圍該電源主要用作非熔化極氬弧焊的電源，可對(duì)不銹鋼及碳鋼等金屬進(jìn)行直流脈沖（或無脈沖）非熔化極氬弧焊?！揪C合訓(xùn)練】一、簡(jiǎn)答1．磁飽和電抗器式脈沖弧焊電源是怎樣獲得脈沖電流的？該脈沖弧焊電源具有什么特點(diǎn)？2．試分析脈沖勵(lì)磁式脈沖弧焊電源的工作原理？二、實(shí)踐部分在老師的指導(dǎo)下，試?yán)没『鸽娫磳?shí)施不銹鋼的非熔化極氬弧焊，學(xué)會(huì)該弧焊電源的使用及焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)。綜合知識(shí)模塊四

晶閘管式脈沖弧焊電源

晶閘管式脈沖弧焊電源按獲得脈沖電流的方式不同，可分為晶閘管給定值式和晶閘管斷續(xù)器式兩類。晶閘管給定值式的主回路與普通晶閘管式弧焊整流器相同，但在控制電路中比較環(huán)節(jié)的給定值不是恒定的直流電壓，而是脈沖電壓，使弧焊整流器的輸出電流也相應(yīng)地為脈沖電流，即焊接脈沖電流是由脈沖式給定電壓控制的，這就是所謂的給定信號(hào)變換式脈沖弧焊電源。當(dāng)脈沖式給定電壓為高幅值時(shí)，主電路將輸出相應(yīng)幅值的脈沖電流，這類脈沖弧焊電源的脈沖頻率調(diào)節(jié)范圍較小，應(yīng)用受到一定的限制；當(dāng)脈沖式給定電壓為低幅值時(shí)，主電路則輸出與其相應(yīng)的基本電流，這類脈沖弧焊電源應(yīng)用較廣。晶閘管斷續(xù)器式脈沖弧焊電源，主要由直流弧焊電源和晶閘管斷續(xù)器兩個(gè)部分組成。晶閘管斷續(xù)器在脈沖弧焊電源中所起的作用，從本質(zhì)上說相當(dāng)于開關(guān)。正是依靠這種開關(guān)作用，把直流弧焊電源供給的連續(xù)直流電流，切斷變?yōu)橹芷谛蚤g斷的脈沖電流。晶閘管式脈沖弧焊電源與晶閘管式弧焊整流器有什么區(qū)別？

晶閘管斷續(xù)器式脈沖弧焊電源

基本原理、種類及特點(diǎn)

晶閘管斷續(xù)器式脈沖弧焊電源一般由普通直流弧焊電源、基本電流電源和晶閘管斷續(xù)器組成，如圖5-9所示。晶閘管斷續(xù)器在電路中起電子開關(guān)的作用，把直流弧焊電源提供的直流電流變?yōu)橹芷谛悦}沖電流。能力知識(shí)點(diǎn)1圖5-9晶閘管式脈沖弧焊電源示意圖晶閘管斷續(xù)器可分為交流斷續(xù)器和直流斷續(xù)器兩類，相應(yīng)地也把晶閘管式脈沖弧焊電源分為交流斷續(xù)器式和直流斷續(xù)器式兩種。1．交流斷續(xù)器式脈沖弧焊電源這種脈沖弧焊電源是在普通弧焊整流器的交流回路中，即主變壓器的一次側(cè)或二次側(cè)回路中串入晶閘管交流斷續(xù)器，通過晶閘管交流斷續(xù)器周期性地接通與關(guān)斷，獲得脈沖電流。晶閘管交流斷續(xù)器能保證在電流過零時(shí)自行可靠地關(guān)斷，因而工作穩(wěn)定、可靠。但是它也存在一些缺點(diǎn)，例如輸出脈沖電流波形的內(nèi)脈動(dòng)很大，施焊工藝效果不夠理想，需用基本電流電源提供維弧電流。同時(shí)，由于晶閘管的觸發(fā)相位受弧焊電源功率因數(shù)的限制，以致電源的功率得不到充分利用。2．直流斷續(xù)器式脈沖弧焊電源直流斷續(xù)器式脈沖弧焊電源的直流斷續(xù)器接在脈沖電流電源的直流側(cè)，起開關(guān)作用。按一定周期觸發(fā)和關(guān)斷晶閘管，就可獲得近似矩形波的脈沖電流，其內(nèi)脈動(dòng)大小與直流弧焊電源的種類有關(guān)。這種脈沖弧焊電源的電流通斷容量可達(dá)數(shù)百安培，頻率調(diào)節(jié)范圍廣，電流波形近似矩形而對(duì)焊接有利，焊接工藝效果較好，可在較高頻率下工作以及能較精確的控制熔滴過渡。這種采用直流斷續(xù)器的脈沖弧焊電源，在不熔化極氬弧焊、熔化極氬弧焊、等離子弧焊和微束等離子弧焊以及全位置窄間隙焊中都得到了較為廣泛的應(yīng)用。晶閘管直流斷續(xù)器式脈沖弧焊電源，按供電方式不同可分為單電源式和雙電源式兩種，下面分別介紹。（1）單電源式如圖5-10所示。這種脈沖弧焊電源主要由直流弧焊電源、晶閘管直流斷續(xù)器VT、電阻箱R組成。

圖5-10單電源式脈沖弧焊電源示意圖基本電流和脈沖電流都由直流弧焊電源提供，但電流的流通路徑不同?；倦娏魍ㄟ^電阻R流出，而脈沖電流則通過直流斷續(xù)器VT流出。當(dāng)VT斷開時(shí)，電源通過電阻R提供基本電流；當(dāng)TV閉合時(shí)，R被短路，電源通過VT提供脈沖電流。改變VT斷開和閉合的時(shí)刻，即可調(diào)節(jié)脈沖頻率和脈寬比；改變直流弧焊電源的輸出和電阻R的大小，可調(diào)節(jié)基本電流的大小和脈沖電流的幅值。單電源式脈沖弧焊電源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電源利率用高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但它是利用電阻限流來提供基本電流，工作中電能損耗較大，且不利于基本電流和脈沖電流的分別調(diào)節(jié)。（2）雙電源式這種弧焊電源與單電源式的主要差別是采用兩個(gè)電源供電，其電路如圖5-11所示。

圖5-11雙電源式脈沖弧焊電源示意圖I－脈沖電流波形Ⅱ－焊接電流波形Ⅲ－基本電流波形它由并聯(lián)工作的兩個(gè)電源供電。基本電流由一臺(tái)額定電流較小的直流電源供電，脈沖電流則由另一臺(tái)額定電流較大的直流電源供電。晶閘管直流斷續(xù)器串入脈沖電流的供電回路中，控制脈沖電流的通與斷。這種脈沖弧焊電源由于采用雙電源供電，基本電流和脈沖電流可以分別調(diào)節(jié)，可調(diào)參數(shù)多，小電流時(shí)電弧也較穩(wěn)定；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電源利用率低，故較少采用。典型電路介紹

能力知識(shí)點(diǎn)2晶閘管式脈沖弧焊電源是上世紀(jì)70年代后期出現(xiàn)的弧焊電源，現(xiàn)正處于不斷的發(fā)展中，電路也還在不斷地改進(jìn)，下面以單電源式的脈沖弧焊電源為例，介紹一種有代表性的電路，如圖5-12所示圖5-12典型晶閘管式脈沖弧焊電源電路原理圖1．電路構(gòu)成按電路各部分的主要作用，可把整個(gè)電路分為四個(gè)部分：（1）焊接主電路。（2）直流斷續(xù)器主電路。（3）直流斷續(xù)器觸發(fā)電路。（4）同步關(guān)斷控制電路．其中（2）、（3）、（4）三部分組成了晶閘管直流斷續(xù)器。2．電路工作原理（1）焊接主電路焊接主電路的主要任務(wù)是向電弧提供維弧和焊接時(shí)所需的電能，由直流弧焊電源和可調(diào)節(jié)電阻箱R1組成，如圖5-13所示。圖5-13焊接主回路簡(jiǎn)化原理圖直流弧焊電源通常采用內(nèi)感較小的弧焊整流器，電源的外特性可根據(jù)焊接工藝的要求來確定。直流電源分別通過開關(guān)SA和可調(diào)電阻R1為電弧提供基本電流和脈沖電流。調(diào)節(jié)R1和直流弧焊電源可調(diào)節(jié)基本電流和脈沖幅值。當(dāng)開關(guān)SA（直流斷續(xù)器的晶閘管）以一定的頻率閉合和斷開時(shí)，就可以為電弧提供周期性的脈沖電流和基本電流。改變SA的閉合和斷開時(shí)間，即可調(diào)節(jié)脈沖頻率和脈沖寬度比（t/T×100%）。由于提供基本電流時(shí)（SA斷開），可調(diào)電阻箱R1是串入焊接主回路的，電弧實(shí)際上由外特性較陡降的電源供電?；倦娏髦黄鹁S持電弧燃燒的作用，并不希望產(chǎn)生熔滴過渡，外特性較陡降的電源可以較好地滿足電弧穩(wěn)定燃燒的要求。因此，R1串聯(lián)在主回路中對(duì)電弧穩(wěn)定燃燒是有利的。（2）直流斷續(xù)器主電路直流斷續(xù)器主電路任務(wù)是產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的脈沖電流。如圖5-14所示，此電路包括主晶閘管VT1和主晶閘管關(guān)斷電路。

圖5-14直流斷續(xù)器主電路原理圖主晶閘管關(guān)斷電路由VT2、L2、L3、VD1、C1等元件組成，它保證VT1的可靠關(guān)斷，是這部分電路的關(guān)鍵。直流斷續(xù)器的主晶閘管VT1觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，正向電流流過L1，其瞬變值在L2上引起互感電動(dòng)勢(shì)e2，e2的大小與L2/L1的匝數(shù)比、L1與L2的互感系數(shù)及電流變化率有關(guān)，e2的方向?yàn)閍點(diǎn)正b點(diǎn)負(fù)。在e2的作用下VD1導(dǎo)通，并通過L2→VD1→C1→

VT1→L2回路對(duì)電容C1充電，C1兩端的電壓方向?yàn)镹點(diǎn)正，M點(diǎn)負(fù)。C1的充電過程結(jié)束后VD1被反向電壓VNM截止，因此只要VT2不導(dǎo)通，

C1就沒有放電回路。在VT1導(dǎo)通一定時(shí)間后需要關(guān)斷，同時(shí)觸發(fā)VT2導(dǎo)通，于是C1開始放電，并把VT1中的電流轉(zhuǎn)移到自己的放電回路中來，C1一開始放電就給VT1加上一個(gè)反向電壓強(qiáng)迫VT1關(guān)斷。電感L3的作用是限制電流上升速度。在VT1被強(qiáng)迫關(guān)斷后，間隔一定的時(shí)間，再次觸發(fā)VT1導(dǎo)通，C1又被重新充電，重復(fù)上述過程。綜上所述：控制VT1的觸發(fā)導(dǎo)通就控制了脈沖電流的接通；控制VT2的觸發(fā)導(dǎo)通就控制了脈沖電流的休止。從VT1的觸發(fā)到VT2的觸發(fā)間隔時(shí)間，就是脈沖寬度，從VT2的觸發(fā)到再次觸發(fā)VT1的間隔時(shí)間，則為脈沖休止時(shí)間。（3）直流斷續(xù)器的觸發(fā)電路其主要任務(wù)是：為VT1和VT2提供觸發(fā)信號(hào)，使它們的通與斷獲得同步，并使脈沖頻率和脈沖寬度比可調(diào)。如圖5-12（3）所示，為一種典型的單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，共有兩套。VT1的觸發(fā)電路由C11、R5、VS1、VD5、VD6、TI1、R7、VU1、VD4、RP1、R8、SA1和C5~7等元件組成。VT2的延遲觸發(fā)電路由R6、C12、R15、VS2、VD8、TI2、R14、VU2、VD7、RP2、R9~13、SA2和C8~10等元件組成。TC1和UR1、VT3是兩者共用元件。電源接通后，控制變壓器TC1輸出的36V交流電壓經(jīng)UR1整流，C11濾波后成為觸發(fā)電路的總電源。電源電壓經(jīng)VS1削波穩(wěn)壓后為單結(jié)晶體管VU1供電，并通過RP1、R8對(duì)C5（或C6、C7）充電至VU1的峰壓值時(shí)，VU1導(dǎo)通，從而在脈沖變壓器TI1產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，從TI1的兩個(gè)二次繞組輸出，經(jīng)VD5、VD6后同時(shí)觸發(fā)VT1和VT3。由于VT3的導(dǎo)通，使電源電壓（C11兩端的）能經(jīng)C12，VS2等加到VU2兩端，并通過RP2、RP3、R9等對(duì)C8（或C9、C10）充電，充電電壓達(dá)到VU2的峰壓值時(shí)VU2導(dǎo)通，從而在TI2中產(chǎn)生另一觸發(fā)脈沖信號(hào)，并從TI2的二次繞組輸出，經(jīng)VD8觸發(fā)VT2導(dǎo)通，使VT1被強(qiáng)迫關(guān)斷。

C5（C5或、C5）的充電時(shí)間為

t1=(RRP1+R8)C5ln1/（1-η）（5-1）式中η—單結(jié)晶體管的分壓比。C8（

或C9、C10）的充電時(shí)間為

t2=[RRP2R10/(RRP2+R10)+RRP2+R9]C8ln1/（1-η）(5-2)如圖5-15所示為觸發(fā)電路中主要電壓波形。從圖中可知：脈沖電流的周期T即為t1，而脈沖寬度則為t2。改變觸發(fā)電路中的SA1和SA2（兩者是聯(lián)動(dòng)的），可改變C5和C8的大小，從而可粗調(diào)脈沖頻率；圖5-15觸發(fā)電路波形圖a)c5~7電壓波形b)VT1、VT3的觸發(fā)脈沖c)c8~10電壓波形d)VT2的觸發(fā)脈沖e)脈沖電源電流波形改變RP1和RP2（兩者聯(lián)動(dòng)），可細(xì)調(diào)脈沖頻率，改變RP3，可在脈沖頻率不變的情況下細(xì)調(diào)脈沖寬度。SA1和SA2、RP1和RP1聯(lián)動(dòng)，是為了使在脈沖頻率改變時(shí)其脈沖寬度比總是保持在10％～90％之間。（4）同步關(guān)斷控制電路它的主要作用是使主晶閘管VT1的每一次觸發(fā)導(dǎo)通都跟隨一次VT2的延遲觸發(fā)，使VT1導(dǎo)通后延遲一定時(shí)間而關(guān)斷，從而獲得一定寬度的脈沖電流。該電路由VT3、VD6、R2和C2等元件組成，如圖5-12（4）所示。同步作用是通過觸發(fā)VT1的同時(shí)而觸發(fā)VT3來實(shí)現(xiàn)的。VT3控制著VT2的觸發(fā)電路與總電源的通斷，只有當(dāng)VT3與VT1同時(shí)觸發(fā)后電源才對(duì)VT2的觸發(fā)電路供電，產(chǎn)生延遲的VT2的觸發(fā)信號(hào)，使VT2觸發(fā)導(dǎo)通而強(qiáng)迫VT1和VT3關(guān)斷，并為下一循環(huán)作好準(zhǔn)備。3．主要特點(diǎn)（1）電源為單電源式用一臺(tái)直流弧焊電源提供基本電流和脈沖電流，不但提高了電源的利用率，降低了成本，而且簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。但是調(diào)節(jié)參數(shù)不太方便，參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍較小，并在R1上有較大能量消耗。（2）采用電容關(guān)斷型關(guān)斷電路為此省掉了輔助電源，使結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化。關(guān)斷電路直接利用VT1導(dǎo)通時(shí)電流瞬變值在L2上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)向C1充電，將關(guān)斷VT1所需能量?jī)?chǔ)存起來，C1中的能量隨脈沖電流幅值增大而增加，正好與關(guān)斷VT1所需相適應(yīng)。（3）輸出脈沖電流波形為方波并帶有休止尖峰（圖5-16a）這個(gè)尖峰的產(chǎn)生可見圖5-16c所示，即由于VT2被觸發(fā)后，C1在給VT1加上反向電壓的同時(shí)，經(jīng)過L3→VT2→L1→Rh→L→直流電源→E→C1回路放電。此時(shí)，在放電回路中UC1與E1串聯(lián)，一起加在電弧上，使電壓大于電源電壓，所以在C1放電的瞬間，即VT1關(guān)斷前，通過電弧的電流波形出現(xiàn)了尖峰。這一尖峰電流，對(duì)促進(jìn)熔滴過渡和提高電弧燃燒穩(wěn)定性均有好處。圖5-16脈沖電流休止尖峰的形成帶脈沖休止尖峰的矩形波b)脈沖電流接通時(shí)的等效電路c)形成尖峰電流時(shí)的等效電路（4）接入了環(huán)流二極管VD2這樣一來，使直流斷續(xù)器的工作更加穩(wěn)定，并進(jìn)一步改善了脈沖電流波形。如圖5-17所示，當(dāng)焊接主回路中的電感（L、L1等）值較大時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電源電壓相疊加，使VT1不能可靠關(guān)斷，影響直流斷續(xù)器的穩(wěn)定工作。接入VD2后，改變了回路電感上L和L1在VT1關(guān)斷瞬時(shí)所產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e、e1的釋放通路。如圖5-17所示，在L→VD2→L1→電弧→L回路形成環(huán)流，從而降低了VT1上所加的峰壓，提高了VT1關(guān)斷的可靠性。

圖5-18加環(huán)流二級(jí)管VD2對(duì)脈沖電流波形的影響a)不加VD2時(shí)脈沖電流波形b)流過VD2的電流波形c)加VD2后脈沖電流波形另外，接入VD2后，還使脈沖電流波形進(jìn)一步改善，如圖5-18所示。從圖中可以看出，不加VD2時(shí)，脈沖電流休止尖峰后跟隨著一個(gè)反向脈沖峰值電流，影響電弧穩(wěn)定燃燒，加VD2后，不僅消除了這一反向脈沖峰值電流，而且使脈沖電流休止時(shí)的正向脈沖尖峰電流提高，穩(wěn)定了電弧燃燒，并且改善了工藝效果。【綜合訓(xùn)練】一、簡(jiǎn)答題答案（略）二、實(shí)踐部分采用晶閘管直流斷續(xù)器式脈沖弧焊電源，實(shí)施不熔化極氬弧焊、熔化極氬弧焊等焊接操作，在老師的指導(dǎo)下學(xué)會(huì)晶閘管直流斷續(xù)器式脈沖弧焊電源的安裝、調(diào)試以及脈沖電流的調(diào)節(jié)。綜合知識(shí)模塊五

晶體管式脈沖弧焊電源

晶體管式脈沖弧焊電源的基本工作原理如圖5-19所示

圖5-19晶體管式脈沖弧焊電源框圖這種電源由變壓器TC降壓，再經(jīng)整流器UR整流，然后在直流主回路中串入大功率晶體管組V。從本質(zhì)上來說，大功率晶體管組在主回路中既可以起到線性放大器的作用，也可以起到電子開關(guān)的作用。根據(jù)晶體管組的工作方式不同，常把前者稱為模擬式晶體管弧焊電源，后者稱為開關(guān)式晶體管弧焊電源。晶體管弧焊電源的控制電路，從主電路中的輸出檢測(cè)器M中取出反饋信號(hào)（電壓反饋信號(hào)mUh和電流反饋信號(hào)nIh），與給定值信號(hào)i=f1(t)和u=f2(t)分別在N1、N2比較放大后得出控制信號(hào)，經(jīng)比例加法器N3綜合放大后，輸入控制晶體管組V的基極，從而可以獲得所需的外特性。晶體管弧焊電源的上述兩種形式，既可輸出平穩(wěn)的直流電壓、電流，也可以輸出脈沖電壓、電流。但是，輸出的脈沖電壓、電流更能體現(xiàn)它的優(yōu)越性。因此在實(shí)際應(yīng)用中較多采用脈沖電壓、電流輸出。通常把這類弧焊電源稱為脈沖晶體管弧焊電源。模擬式晶體管脈沖弧焊電源

1．主電路組成圖如圖5-20所示能力知識(shí)點(diǎn)1圖5-20模擬式晶體管脈沖弧焊電源基本原理圖主電路由三相變壓器TC、整流器UR、濾波電容器C、大功率晶體管組V、分流器RS、分壓電位器RP等組成。三相變壓器將電源電壓降至幾十伏的交流電壓后，經(jīng)整流器UR整流、電容C濾波后得到所需直流空載電壓。串入主回路的晶體管組V工作在放大狀態(tài)，起可變電阻的作用，以控制外特性形狀、調(diào)節(jié)輸出參數(shù)和電流波形。電容器組C除了濾波作用之外，主要是為輸出脈沖電流時(shí)保證三相負(fù)擔(dān)均衡。2．外特性的控制如圖5-20所示，由指令器、運(yùn)算放大器N1~3、積分器、分流器RS和分壓電位器RP等組成反饋控制電路。它的主要作用是對(duì)大功率晶體管組V實(shí)現(xiàn)有電壓、電流反饋的閉環(huán)控制，以控制外特性形狀和調(diào)節(jié)輸出?？刂齐娐返墓ぷ鳎瑢?shí)際上是把反饋信號(hào)（mUh和nIh）與指令器給出的給定值信號(hào)（Ug和Ig）進(jìn)行比較放大后，輸出控制信號(hào)去控制晶體管組。如果控制電路只引入電壓反饋mUh，則mUh與Ug被送入N1相比較放大，并將其差值（Ug-mUh）信號(hào)再送入N3放大，放大后的信號(hào)加在主回路的大功率晶體管組V上。這樣，就相當(dāng)于一個(gè)電壓“有差自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)”，其輸出電壓為：

Uh=K

（Ug-mUh）（5-3）由式（5-3）可推導(dǎo)出：Uh=[K/(1+Km)]Ug由于系統(tǒng)的總放大倍數(shù)足夠大，即K?1，所以Uh≈Ug/m可見，Uh與Ug、m有關(guān)。當(dāng)m調(diào)定時(shí)，Uh只取決于Ug，而與其它因素?zé)o關(guān)。當(dāng)Ug不變時(shí)，Uh恒定，電源輸出為平（恒壓）特性，如圖5-21曲線1所示；改變Ug，則曲線上、下平移，可調(diào)節(jié)Uh的大小。調(diào)定m，改變Ug也可調(diào)節(jié)Uh的大小。同理，可以導(dǎo)出：Ih≈Ig/n（5-4）由此可見，Ih取決于Ig和n。當(dāng)n調(diào)定時(shí)，Ih只決定于Ig。當(dāng)Ig調(diào)定時(shí)，Ih恒定不變，外特性為恒流特性（垂直下降），如圖5-21曲線2所示。如果減

小Ig，曲線左移，從而使Ih減?。辉龃驣g，則曲線右移，Ih增大。同理，改變n也可調(diào)節(jié)輸出電流。如果同時(shí)引入電壓和電流反饋，外特性則界于上述兩者之間，為下降的外特性。下降的斜率為dUh/dIh=-K2n/K1m（5-5）即電流外特性的斜率由n/m和K2/K1決定，改變n/m和K2/K1的比值，均可獲得任意斜率的外特性，如圖5-21中曲線3、4所示。如果調(diào)節(jié)Ug、

Ig的大小，就可調(diào)節(jié)輸出參數(shù)。綜上所述，對(duì)K2、K1進(jìn)行適當(dāng)控制，可獲得任意形狀的外特性，能適應(yīng)多種焊接工藝的需要。3．焊接電流波形的控制晶體管反應(yīng)靈敏，便于精確控制，通過它可獲得各種輸出電流波形。如前所述，晶體管的輸出量受控于控制電路中指令器給定的Ig、Ug

，給定值的波形就決定了大功率晶體管組基極電流的波形，從而可獲得與其相同波形的輸出電流波形。除可獲得平穩(wěn)的直流電流外，還可獲得多種形狀的波形，如圖5-22所示。圖5-22模擬式脈沖弧焊電源電流波形圖4．特點(diǎn)及產(chǎn)品介紹（1）特點(diǎn)1）可以在很寬的頻帶內(nèi)獲得任意波形的輸出脈沖電流。2）控制靈活，調(diào)節(jié)精度高，對(duì)微機(jī)控制的適應(yīng)性較好。3）通過電子控制電路控制的數(shù)值，可以獲得十分理想的動(dòng)特性，減小飛濺。4）電源外特性可任意調(diào)節(jié)，因而適應(yīng)范圍廣。其缺點(diǎn)是功耗大，晶體管上消耗40％以上的電能，因而效率低。這樣，既浪費(fèi)電能，也使晶體管的散熱系統(tǒng)較復(fù)雜，因而其應(yīng)用受到一定限制。（2）產(chǎn)品介紹下面以NJGC-150型為例加以介紹。電路原理見圖5-23。

圖5-23NJGC-150模擬式晶體管弧焊電源原理圖由圖5-23可見，電路主要由主變壓器TC，三相整流橋UR1、晶體管組V1、輸出電抗器L、以及V6、V7組成的差動(dòng)放大器、反饋電路等組成。KM為交流接觸器（控制電路未畫出），其主觸頭控制主電路的通斷。L用來調(diào)節(jié)動(dòng)特性，減小飛濺。V1（由25只3DF2013組成），用來控制輸出特性。為了獲得足夠的控制功率，采用多級(jí)復(fù)合管V2~5放大控制信號(hào)。電容C2并聯(lián)在V1輸出端，起濾波和保護(hù)V1的作用。R2為限流電阻，可防止充電瞬時(shí)電流太大損壞V1，工作時(shí)由接觸器輔助觸頭短接R2。C1起濾波作用，也能吸收浪涌電壓，保護(hù)V1。C3、C4是防止產(chǎn)生高頻振蕩的電容。VD為續(xù)流二極管，在電路中可防止感性回路過渡過程的過電壓損壞晶體管組．X、Y點(diǎn)為短路故障保護(hù)信號(hào)輸出點(diǎn)，當(dāng)電壓低于16V時(shí)切斷電源變壓器的供電，使晶體管組不會(huì)因過電流損壞。由圖5-23還可以看出，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)只引入了電壓反饋的閉環(huán)控制電路，由V6、V7組成差動(dòng)放大電路。V6的基極由穩(wěn)壓管VS1~2提供穩(wěn)定的給定電壓，而V7的基極則由輸出電壓USY經(jīng)過RP和R3、R4分壓后提供反饋電壓UAY，調(diào)節(jié)RP可改變UAY的大小。RP調(diào)定不變時(shí)，由于外界因素（如網(wǎng)壓波動(dòng)等）影響，引起Uh降低時(shí)UAY也相應(yīng)降低，而(UHY-

UAY)

則加大。這一差值信號(hào)經(jīng)V6、V7后使Q點(diǎn)電位上升，復(fù)合管V2~5的基極電位增大。V2~5與V1接成射極輸出形式，因而V1的輸出增大，S點(diǎn)電位上升，Uh得以恢復(fù)。反之，當(dāng)外界因素引起Uh上升時(shí)，Q點(diǎn)電位下降，使S點(diǎn)電位下降復(fù)原，顯然這種有差自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)使弧焊電源獲得穩(wěn)定的水平外特性。由上可知，UHY=

UAY（穩(wěn)壓管壓降），UHY是由VS給定的電壓，即為Ug；而UAY=mUh，其中m取決于RP的分壓比（即位置）。由于Uh=K(Uvs-mUh)（5-6）而電源總的放大倍數(shù)K很大，故Uvs-mUh≈0則Uh=Uvs/m（5-7）Uvs由VS管的參數(shù)決定。當(dāng)VS選定時(shí)Uvs為定值，所以調(diào)節(jié)m（即調(diào)RP）即可改變輸出電壓。如果將給定電壓UHY改為一脈沖電壓，則輸出電壓也隨之變?yōu)槊}沖電壓，輸出電壓波形與給定電壓相同，就成為脈沖弧焊電源。開關(guān)式晶體管脈沖弧焊電源1．基本原理和特點(diǎn)由于模擬式晶體管弧焊電源的大功率晶體管組工作在放大狀態(tài)，因而功耗大，效率低。為解決這一問題，可使晶體管組工作在開關(guān)狀態(tài)，這就出現(xiàn)了開關(guān)式晶體管脈沖弧焊電源。圖5-24為開關(guān)式晶體管脈沖弧焊電源原理框圖，它的晶體管組工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)它“開”（飽和導(dǎo)通）時(shí)，輸出電流很大，管壓降近似為零，當(dāng)它“關(guān)”（截止）時(shí)，管壓降高而輸出電流近似為零。能力知識(shí)點(diǎn)2兩種狀態(tài)下晶體管的功耗都很小，因而效率高，能更好地滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。

開關(guān)式晶體管脈沖弧焊電源有如下特點(diǎn)；（1）大功率晶體管組工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗小，效率高，而且單位電流用晶體管少，造價(jià)低。（2）開關(guān)頻率約為10~30kHz，在工作過程中頻率不變，通過調(diào)節(jié)脈沖占空比來控制參數(shù)和獲得所需外特性。濾波環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)不宜太大，否則會(huì)降低動(dòng)態(tài)性能。（3）通過脈沖調(diào)制可獲得低頻脈沖電流，但受晶體管開關(guān)頻率的限制，調(diào)節(jié)范圍較小，且有較大內(nèi)脈動(dòng)。2．開關(guān)式晶體管弧焊電源的種類開關(guān)式晶體管脈沖弧焊電源按開關(guān)頻率的給定方式，可分為指令式和電流截止反饋式兩種。（1）指令式主電路見圖5-25所示圖5-25指令式開關(guān)晶體管弧焊電源由圖5-25，它由變壓器TC、整流器UR、濾波電容C、開關(guān)晶體管組V以及分流器RS等組成。交流電壓經(jīng)輸入變壓器降壓，整流器整流及電容濾波后，得到恒定直流電壓（見波形①、②）。由指令器經(jīng)電子控制電路放大后提供給晶體管組，作為開關(guān)信號(hào)。經(jīng)晶體管組開關(guān)控制后輸出脈沖直流電（見波形③），脈沖頻率約為20Hz。開關(guān)頻率由給定值決定，而脈沖占空比則受反饋信號(hào)（包括nIh、mUh）控制，輸出電壓（電流）平均值大小由占空比來調(diào)節(jié)。當(dāng)長(zhǎng)脈沖短間歇時(shí)，則為高電壓（大電流）；而短脈沖長(zhǎng)間歇時(shí)，則為低電壓（小電流），見圖5-26所示。圖5-26開關(guān)式脈沖弧焊電源輸出電壓波形圖a)高電壓輸出b)低電壓輸出只引入電壓反饋（mUh）時(shí)，使占空比不受外界其它因素影響，則可獲得平的外特性。同時(shí)引入電流反饋（nIh），使占空比隨輸出電流變化而變化，則可以獲得任意斜率的外特性。由于大功率晶體管難以完全截止，故總有較小的維弧電流通過。（2）電流截止反饋式電流截止反饋開關(guān)晶體管脈沖弧焊電源原理如圖5-27所示。

這類晶體管弧焊電源由TC將交流電網(wǎng)電壓降低，經(jīng)UR和C1后成為幾十伏的平穩(wěn)直流電壓，再經(jīng)V5的開關(guān)控制后輸出矩形脈沖直流電壓。該電路工作時(shí)，作為驅(qū)動(dòng)管V4的基極受運(yùn)算放大器N控制。N接成正反饋，工作在繼電器狀態(tài)。門坎電壓Ue=αUA，α=R1/(R1+R2)為反饋系數(shù)。它能自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，其過程如下：當(dāng)N輸出UA為負(fù)時(shí)，V1~3都截止，V4承受-8V偏壓，V5關(guān)斷。當(dāng)N輸出UA為