晶闸管弧焊整流器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第三级,*,第五章 晶闸管弧焊整流器,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,G,P,N,P,N,A,G N N,P P,K,P,N,一个晶闸管等效为两个三极管。,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）。,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,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,一、三相桥式半控整流电路,电阻性负载,电阻电感性负载,1、 电阻性负载,= 0,= 60,VT1、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。,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,= 0,60,后便会发生波形不连续了,。,U,fz,控制角,= 60,三个晶闸管导通情况,t1,时，三个共阴极晶闸管中,VT,1,阳极电位,Ua,最高，,VT,1,导通，其电位钳位到,VT,3,、VT,5,的阴极，使,VT,5,的阴极电位比阳极电位高而截止。,t,1,至,t,3,中点处之后，出现,UbUa，,但仍然是,VT,1,导通，是因为此时尽管,Ub,最大，但,VT,3,触发端没加触发脉冲，故仍截止。,t,3,时，,VT,3,阳极电位,Ub,最高，且控制极加触发脉冲，,VT,3,导通；,VT,3,导通后阳极电位钳位到,VT,1,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,t,2,时，,Uc,最低，对应的二极管,VD,6,导通，导通后,Uc,钳位到,VD,2,、VD,4,阳极使,VD,2,、VD,4,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：,U,fz,= 1.17 U,2,( 1 + cos ),U,2,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。,VD,7,2 、 电阻电感性负载,L,足够大时，负载电压,U,f z,为零时，负载电流减少产生自感电势,，i,f z,不中止。在,VT,1,、,VD,6,继续导通。至,t3,时，虽然,U,ac,=0，,但二极管中由,VD,6,自然换相为,VD,2,导通，于是,L、R,fz,、VD,2,和,VT,1,之间构成回路，由,L,上的自感电动势继续为,VT,1,提供正向电压使其不能及时关断。,VT,1,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,VT,3,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,VD,7,，,这样当整流电压间断时，由,L、R,fz,和,VD,7,构成回路续流，既使,i,fz,不中止，又使晶闸管按时关断。,二、三相桥式全控整流电路,电阻性负载,电阻电感性负载,电阻性负载,控制角,= 0 ,各晶闸管分别导通,120,控制角,=0,时的触发脉冲信号,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。,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。,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：,U,d,= 2.34 U,2,cos,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。,电阻性负载,=0,相电压,60,时为自然换相点。,六个管子轮流导通各,60,。,b,u,fz,-c,a,-b,-b,c,-a,a,t,0,-c,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,t,1,t,2,a,）,u,fz,波形,6,1,2,3,4,5,6,1,2,b,）晶闸管导,电顺序,图,6-20 a=0,时六相半波可控整流波形,=60,时,六相半波可控整流波形,60,后,便会发生波形不连续了,。,=120,时，,输出电压,U,fz,=0,（ 2）电阻电感性负载,六相半波整流电路的负载电压平均值：,U,d,=1.35U,2,cos ,=0,时，,U,fz,=1.35U,2,；,=90,时，,U,fz,= 0,四、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,VT1,、,3,、,5,VT4,、,6,、,2,VT1、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,（ 1）,将,LB,短接,成六相半波整流电路。,=,0,，,t,1,+,时,U,a,最高，,U,-b,次高，,VT,1,导通后因,U,a,U,-b,，,故,VT,6,承受反向电压而截止。,平衡电抗器,LB,的作用,（2）接入,LB,t,1,+,时,U,a,最高，,VT,1,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。,U,OM,与,U,a,极性相反，使,VT,1,的阳极电位降低了,U,OM,；,而,U,ON,与,U,-b,极性相同，使,VT,6,的阳极电位提高了,U,ON,。,从而使,VT,I,、VT,6,阳极电位相同而同时导通。,U,ON,=U,OM,=（U,a,-U,-b,）/2,VT1,、,3,、,5,VT4,、,6,、,2,t,2,+,时,当,Ua,过了峰值之后至,wt,2,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,wt,2,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,VT,1,阳极电位，而降低了,N,点与,VT,2,阳极电位，使二者阳极电位趋于相等。因而,VT,1,继续导通。直到过了,U,-c,的峰值之后，则正极性组中,U,b,电压最高，于是,VT,3,导通，,VT,1,关断，由,VT,3,与,VT,2,同时导通。,特 点：,1）每个整流元件最大导通角为120度，负载电流,I,fz,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。,4、不同控制角情况下波形图,= 3,0,= 6,0,u,MP,t,a,b,c,d,u,NP,-a,-c,-b,t,-c,a,-b,= 9,0,带平衡电抗器双反星形整流电路的负载电压平均值：,U,d,=1.17U,2,cos ,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。,晶闸管弧焊整流器主电路比较,30,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,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090度；三相桥式半控整流电路触发脉冲移相范围为0180度。,二、需要的触发电路套数,1. 六套,移相范围为090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。,2. 三套,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,Ug,1,出现时，,Ua,最负，使,VT,1,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。VT,5,、VT,3,承受反向压降而截止。因而,VT,阳极不与,VT,3,、5,的阴极相通。,VT,承受相隔120度的一系列脉冲触发。在,wt,1,+,时,VT,触发脉冲1使,VT,导通，从而使,VT,1,控制极承受其阳极电压,ua,的一部分，也导通。,VT,1,一旦导通，其正向压降只有1,V,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。,wt,2,+,时，脉冲2触发,VT，u,b,最负，,VT,3,导通。最后,VT,5,导通,Q,三、单结晶体管触发电路,1. 单结晶体管,一个,PN,结，两个基极。,B,2,R,B2,E,R,B1,B,1,B,2,B,1,E,单结晶体管导通原理,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,脉冲产生与移相原理,当,U,k,输入负值时，晶体管,V,3,、V,4,导通，,C,4,、C,5,充电，到达,VU,1,、VU,2,的峰值电压时，,VU,1,、VU,2,导通。由于,C,4,和,VU,1,、C,5,和,VU,2,组成驰骋振荡电路，,C,4,、C,5,不断的进行充放点，在脉冲变压器,T,4,、T,3,两端产生两套触发脉冲。,移相原理：,U,k,越负，则,C,4,、C,5,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,U,k,的大小就控制了脉冲的移相。,U,k,值确定控制角的大小,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,C,4,、C,5,两端各并联一个晶体管,V,1,、V,2,，,控制,C,4,、C,5,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,C,4,、C,5,瞬即放完电，起清零作用，以便在同步点后按,U,k,确定的速度从零开始充电。这样产生第一个有效脉冲。,1）,T,2,三相次极电压信号,U,a,、U,b,、U,c,经,R,1-3,分压，,VS,1-6,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,C,1-3,、R,58,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,R,58,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,VD,1,、VD,4,连接到,V,1,的基极；负脉冲经,VD,3,、VD,2,连接到,V,2,的基极，控制,V,1,、V,2,的导通，从而满足同步要求。,四、晶体管触发电路,（同步电压为正弦波的触发电路）,V,1,（,开关）、,V,2,（,跟随器）、,V,3,（,功放），,T,I,（,脉冲变压器）,U,y,（,直流电源电压），,U,k,（,直流控制电压），,U,t,（,同步电压）,（1） 触发脉冲的产生原理,（2） 脉冲的移相,（3） 同步电压的产生,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,晶闸管式弧焊整流器开环控制框图,控制电压,U,k,系统传递函数,电源的等效内阻,R,f,为负载电阻,晶闸管式弧焊整流器的闭环特性,f,=,0,k,-,f,0,外特性控制方程：,U,k,= U,k,u,+ U,k,i,= A,m,（,U,g,u,- m U,f,）,+ A,n,（,U,gi,- n I,f,）,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,不同外特性控制原理：,（,1）恒流外特性：,只采用电流负反馈,A,n,（U,g i, n I,f,）= 0,I,f,= U,g i,（2）,恒压外特性：,只采用电压负反馈,A,m,（ U,g u, m U,f,）= 0,U,f,= U,g u,（3）,混合反馈：,1）,采用电流与电压联合反馈,A,m,( U,g u, m U,f,) + A,n,( U,g i,- n I,f,) = 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。,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,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,U,k,= - R,1,/ R,2,( U,gi,- U,fi,),电流采样反馈控制电路（陡降外特性）,U,k,= - k,（,U,gi, n I,f,）,电压反馈控制电路（,平特性控制电路）,电流负反馈带截止,145点与接地之间接有稳压管,VS,7,，,使电流负反馈带截止。,I,f,很小时，|,U,k,|很大，若|,U,k,|大于,VS,7,的稳压值，145点与接地间的电压将维持为,VS,7,的稳压值，即电流负反馈作用被截止。只有在,I,f,达到某个临界电流值之后，使|,U,k,|小于,VS,7,的稳压值时，145点与接地的电压才与,nI,f,有关，才有电流负反馈作用。,电流截止负反馈,U,k,= A,m,（,U,g,u,- m U,f,）,+ A,n,（,U,gi,- n I,f,）,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。,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,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。,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,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。,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,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。,第五节 晶闸管式弧焊整流器典型产品介绍,ZX,5,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。,图,5-66 ZX5-400,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,图,5-67,控制电路简化图,晶闸管移项触发电路,U,K,送至图,5-30,中产生触发脉冲分别触发图,5-66,中,V,7,与,V,8,外特性控制电路,从,RS,上获得电流反馈控制信号，经,N,3,放大后与,U,g,相加、放大、输出，起电流截止负反馈。,引弧控制电路,电弧推力控制电路,A,接弧焊电源正的输出端,ZX5-250,型晶闸管式弧焊整流器外特性,ZX5,的脉冲,产生与移相电路,M,N,P,Q,单结晶体管导通原理,电源,U,C,通过,R,p,、,R,E,对电容充电，当充电电压,U,E,达到,U,p,时,管子导通，之后随,I,E,增大，,U,E,下降，当,U,E,下降到,U,v,时管子恢复截止。该过程中在,R,B,两端可获得一个电压脉冲信号,U,g,，该信号可用来作为晶闸管控制极的触发信号。,电容,C,反复充、放电，,单结晶体管周期性,导通，由此获得一个个控制信号,。调节,R,p,上,抽头位置可,改变对电容的充电速度,，,从而改变触发信号的相位。,负阻区,饱和区,截止区,I,E,U,E,U,p,U,V,R,p,U,E,R,E,R,B1,R,B2,U,BB,I,E,D,R,B,U,g,U,C,单结晶体管,本章结束,第五章 思考题,1,、试分析比较晶闸管弧焊整流器四种不同形式主电路的特点，并指出带平衡电抗器的双反星形主电路的优点。,2,、阐述晶闸管弧焊整流器对与主电路相配的触发电路的要求；触发电路的套数有哪几种选择？选用两套触发电路的主电路应该是什么型式，触发脉冲如何分配？,3,、参照图,5,30,回答下列问题：,1,）该图是什么类型触发电路，图中包括几套触发脉冲发生单元？,2,）图中元件,VS,7,和控制电压,U,k,的作用分别是什么？,U,k,值是怎样得到的？,3,）该电路是如何实现触发脉冲同步的？,4,）图中,TP,1,、,TP,2,输出的脉冲是如何加到主电路晶闸管上的？,4,、试画出弧焊电源外特性的闭环控制原理框图，并回答下列问题：,1,）列出此类弧焊电源的外特性方程通式；,2,）外特性的控制方式通常有几种选择，分别画出其外特性曲线；,3,）说明药皮焊条手弧焊应采取何种控制方式；,4,）这类弧焊电源是如何获得脉冲电流输出的？,5,、试述矩形波交流弧焊电源的获得方法和原理、用途。,