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1、佳木斯大学弧焊电源电路课程设计说明书弧焊电源电路课程设计说明书设计题目题目晶闸管触发电路的设计及仿真学 院材料科学与工程年 级2012级专 业焊接技术与工程学生姓名魏海峰学 号12089940535指导教师杨文杰佳木斯大学目 录1 电源触发电路课程设计目的和内容11.1 电源电路课程设计目的11.2 电源电路课程设计的内容及要求12 弧焊电源触发电路课程设计文献综述23 主电路形式及触发电路设计43.1 三相桥式半控电路43.1.1 电阻性负载53.1.2 带平衡电抗器双反星形可控整流电路63.2 晶闸管触发电路应满足一下要求：8(1) 触发脉冲相位必须与加在晶闸管上的阳极电压同步。83.3触
2、发脉冲应有足够功率信号极性要求门极为正，阴极为负83.2.1 用六套触发电路83.2.2 用三套触发电路93.2.3 用两套触发电路93.3 无论用六套触发电路、三套触发电路，还是两套触发电路，对于前一部分的积分微分电路都是一样的104 触发电路设计及触发电路工作原理分析124.1 要求我们组选择二套触发电路，电路图如下：124.1.1 积分电路RC串联输入矩形脉冲电压，在电容上输出电压，积分电路的条件为125 弧焊电源触发电路的仿真检测14参 考 文 献17不要删除行尾的分节符，此行不会被打印1 电源触发电路课程设计目的和内容1.1 电源电路课程设计目的本设计将理论教学、实践教学与仿真实践相
3、结合，提高教学质量、培养优秀人才,通过弧焊电源电路课程设计这一具体教学活动，首先对学生进行科学精神教育，其次是培养学生的严谨科学的态度与道德，最后是进行科学方法的训练，以达到培养学生具有综合能力的目的。1.2 电源电路课程设计的内容及要求1 晶闸管弧焊电源主电路形式、原理及晶闸管触发电路综述；2 常用集成电路等电子器件的性能及使用；3 主要仿真仪器仪表的性能及使用方法；4 晶闸管触发电路的设计及仿真；1) 电压比较器的设计与使用；2) 三相交流同步正弦波信号正负半波的检测与波形变换电路设计；3) 倍频整形电路的设计；4) 锯齿波同步信号发生电路的设计；5) 可移相的触发尖脉冲的获得及其整形电路
4、设计；6) 两套、三套或六套双窄脉冲晶闸管触发电路的设计；7) 两套、三套或六套双窄脉冲晶闸管触发电路的仿真及测试。2 弧焊电源触发电路课程设计文献综述 弧焊逆变器具有高效、节能、体积小、质量轻、多功能、多用途等优点，且具有良好的动、静特性和工艺特性。因而，自其问世以来，就受到了较高的重视，发展迅猛，在各种焊接法的焊接电源中得到了广泛应用12。电子开关器件是弧焊逆变器的核心之一，对弧焊逆变器的电路设计、性能有很大影响。电子开关器件的不断发展和完善为弧焊逆变器的更新换代提供了保证；电子开关器件的多样化发展为开发各种容量、特性的逆变焊机提供了丰富的选择。性能好、可靠性高的电子开关器件可大大简化逆变
5、电源的电路设计，解决大功率逆变焊机的设计难点，提高逆变电源的可靠性。电子开关器件的发展水平是研究弧焊逆变器的主要考虑因素之一1.弧焊逆变器的基本工作原理弧焊逆变器主要由供电系统、电子功率系统(逆变主电路)、电子控制系统、给定与反馈电路、焊接电弧等组成，如图 1 所示。供电系统将工频交流电变成直流电，为电子功率系统供电。经逆变主电路的大功率电子开关器件(晶闸管、晶体管、场效应管、IGBT等)组 VT 的交换开关作用，变成几千至几万赫兹的中高频高压电，再经高中频变压器降至适合于焊接的几十伏低电压，并借助于电子控制系统的控制驱动电路和给定与反馈电路，以及焊接回路的阻抗来获得弧焊工艺所需的外特性和动特
6、.2. 弧焊逆变器电子开关器件应用现状弧焊逆变器的应用首先依赖于电子开关器件的发展和成熟。电子器件的大功率化、性能稳定化以及控制性能的优化是弧焊逆变器应用焊接设备的前提和基础。1972 年美国首先研制出一台 300 A 晶闸管式逆变焊机。随着电力电子技术和器件的发展，大功率电子开关器件不断出现，逆变焊机经历了晶闸管晶体管场效应管IGBT 四个阶段。我国逆变焊机研制始于 20 世纪 80 年代，1982 年研制出第一台场效应管式逆变焊机，1990 年研制出第一台 IGBT 逆变焊机6。21 晶闸管的应用晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称，1957 年美国通用电气公司开发出世界上第一只
7、晶闸管。由于晶闸管容量大、耐压高、功耗小，特别适合制作弧焊电源。因此在 20 世纪 60 年代初期，便出现了晶闸管式弧焊整流器，在 20 世纪 70 年代末期又出现了以晶闸管为开关元件的弧焊逆变器并主要应用于TIG 和焊条电弧焊，后来推广到 CO2、MIG 等焊接方法和切割。但 20 世纪 80 年代后期，由于它的频率偏低、控制性能欠佳、有噪声干扰等以及新型弧焊逆变器的出现，应用比例逐渐减少。新型晶闸管(静电感应晶闸管 SITH、场控晶闸管 MCT 等)的出现，将有利于它的继续发展和应用。22 功率晶体管的应用功率晶体管(GTR)始于 20 世纪 70 年代，是一种双极型大功率电力电子器件。作
8、为功率开关器件，具有以下特点：(1)容量大，已达到 400A1200V、1000A400 V，甚至更大，耗散功率达到 3 kW 以上；(2)工作在开关状态，工作状态由基极电流控制，电流动态响应快，需要较大的电流驱动，不利于控制；(3)具有自关断能力、开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。由于功率晶体管是双极型器件，关断过程中存在载流子复合，需一定时间来完成，限制了弧焊逆变器开关频率的提高，逆变频率约20 kHz。晶体管有二次击穿现象、负温度系数等问题，这也限制了晶体管式弧焊逆变器的发展。但由于 GTR 实现高频化、模块化、廉价化，它在逆变电源中仍有竞争力。23 MOSFET的应用为了克服
9、晶体管的二次击穿和需要较大电流驱动(电流控制型)等不足，20 世纪 70 年代末研制了功率场效应管(MOSFET)。功率场效应管属于电压控制型器件，输入阻抗较大，只需要控制驱动电压和极微小的瞬间电流，就能实现功率场效应管的开关控制，控制性能较好。MOSFET 只有一种载流子，在关断过程中不存在两种载流子的复合，故其开关速度快，开关频率高，可达500 kHz7，有利于实现逆变焊机的高频率化。一般 MOSFET 式弧焊逆变器的频率为 4050 kHz，但也有 50 kHz 以上。另外，功率场效应管还具有热稳定性好和抗干扰能力强的优点。24 IGBT的应用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)出现于 20
10、世纪 80图1 弧焊逆变器主要组成及基本工作原理专题综述张士亮等：弧焊逆变器的电子开关器件应用现状及趋势 第 12 期 9年代，是目前发展最快的一种混合型电力电子器件，它既有 MOSFET 的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快、开关损耗小的优点，又具有双极型功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点，在高压、大电流、高速三方面是其他功率器件不能比拟的89，因而在逆变焊接电源领域得到了广泛应用，是目前弧焊逆变器研究的热点之一。其不足之处是高压 IGBT 内阻大、导通损耗大，并且过电压、过热、抗冲击、抗干扰等承受力较弱，往往需要附加保护电路。3 弧焊逆变器电子开关器件应
11、用趋势弧焊逆变器总的发展趋势是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展，并以提高可靠性、可控性和拓宽用途为核心1。高效和高功率密度是弧焊逆变器追求的主要目标之一。高频化和降低主要器件的功耗是实现这一目标的主要技术途径。所以，作为弧焊逆变器核心器件之一的功率电子开关器件，也正朝大功率、模块化、高频化、全控化和多功能化的方向发展。3 主电路形式及触发电路设计根据给定的晶闸管弧焊电源主电路形式、工作原理及给定的常用集成电路等电子器件的性能及使用要求确定晶闸管触发电路设计方案，说明晶闸管弧焊电源主电路形式原理，触发电路设计方案选择。3.1 三相桥式半控电路电阻性负载其电路如图5-6。图中T为变压
12、器，整流电路由三个晶闸管V1、V3、V5和三个二极管VD2、VD4、VD6组成，Rf为负载，其中三个晶闸管构成共阴极，三个二极管构成共阳极。当晶闸管控制角=时波形分析如图5-7所示。分别在自然换向点t1、t3、t5，触发三只晶闸管，使其轮流导通。而二极管则在自然换向点t2、t4、t6处自然换向。图5-7 0三相桥式半控整流电路电阻负载波形a) 相电压 b) 负载电压 c)触发电压d) 管子导通顺序当30时，如图5-8所示，t1时刻V1管触发导通，电源电压uab通过V1和VD6加于负载Rf两端。在t2时，共阳极组整 流二极管VD2与VD6自然换向，所以在t2之后，VD2导通，电源电压uac通过V
13、1、VD2加于负载，一直到t3时刻，V3管导通后使V1承受反压而关断，电路转换为V3与VD2导通。Rf两端电压是ubc。依此类推。从输出电压波形看每个周期有六次脉动，且脉动是不均匀的。当60时，即在滞后于自然换相点60处触发晶闸管得到的负载波形如图5-8所示。其特点是，在触发晶闸管时正值二极管的自然换相点，因而晶闸管与二极管同时换相。 3.1.1 电阻性负载其电路如图5-11所示，六只晶闸管：V1、V3、V5接成共阴极组，V2、V4、V6接成共阳极组。现讨论电阻性负载时的工作情况，先将输出电抗器L短路起来。要使负载中流过电流，必需让上述二组晶闸管中各有一个同时导通。与其它全波整流电路一样，由于
14、管子压降可以忽略，负载上承受的是线电压。工作过程中，共阳极组和共阴极组的晶闸管都在不断相换，换相时刻取决于产生触发脉冲的相位。为了获得一周有六个波峰的负载电压波形，则需同时触发两组晶闸管。即要求同组各晶闸管的触发电压互差120，二组之间互差60。如图5-12所示是，即在自然换点t16上，由互差60的ug16按序触发对应的晶闸管VH16的波形。 图5-12 a0三相桥式全控整流电路电阻负载波形a) 相电压 b) 负载电流、电压c) 触发电压 d) 管子导通顺序3.1.2 带平衡电抗器双反星形可控整流电路其基本电路，如图5-16所示，可接成图5-16a、b形式，其工作原理及组成是一样的。其结构由六
15、个晶闸管，一个平衡电抗器LB和一个主变压器组成。主变压器是三相的，二次有两组绕组，各以相反极性联成星形，故称“双反星形”。 带平衡电抗器双反星形整流电路，相当于正极性和反极性两组三相半波整流电路的并联。各组输出电压波形如图5-21a、b中实线所示，是各相电压的包络线。任何瞬时，正、反极性组均有一支电路导通工作，故可将该电路简化成如5-22所示。图中ua、ub各为某瞬时同时导通的正、反极性支路的变压器相电压瞬时值，晶闸管的正向压降略去不计 。平衡电抗器是维持两组三相半波电路互不干扰各自正常工作所必需的。 图5-21带平衡电抗器双反星形整流电路波形图(a0时)电阻负载波形a) 正极性组的整流电压波
16、形图 b) 反极性组的整流电压波形图 c) 负载电压波形 d) 平衡电抗器两端电压波形 e) 整流元件导通顺序当0时。其波形如图5-21d所示，频率为电网电压的三倍、近似于三角波形，其幅值为相电压幅值的1/2倍。 当30时，正、反极性组整流电压uMP和uMP波形如图5-23所示。 图5-24为60时的波形，正、反极性组整流电压uMP、uNP波形如图5-24a、b所示。 图5-25为60时的波形，这时uMP、uNP都对称于横轴，它们的平均值皆为零。 通过以上分析可知，带平衡电抗器双反星形整流器在电路中要有足够大的电感，与上述其他电路相比它具有以下特点： 1）它相当于两组三相半波整流电路并联。它的
17、各相电流流通时间可延长至120，而六相半波整流电路每相电流流通时间只有60，显然前者的整流变压器和整流元件的利用率较高。该电路中，同时有两个晶闸管并联导电，每管分担1/6负载电流。而三相桥式整流电路相当于两个三相半波整流电路的串联，同时有二个整流元件串联导电，每个晶闸管分担1/3负载电流，后者所用晶闸管的额定电流也就要求较大。同时后者要考虑两倍的管子压降，因而效率较低。因而，一般地说，带平衡电抗器的双反星形整流电路更适合于作弧焊电源，因为弧焊电源要求大电流低电压。 2）有六个晶闸管，触发电路比三相桥式半控整流电路的要复杂，但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
18、动程度比三相桥式半控电路的小，最低谐波为六次，要求输出的电感量及体积都较小。 4）需用平衡电抗器，且为保证电路能正常工作，其铁心不宜饱和。为此，应避免该铁心被直流成分所磁化，要求其抽头两边线圈的直流安匝相互抵消，即两组整流电路的参数（主要是变压器的匝数和漏感）应基本对称。（5）多路触发脉冲之间应有电气隔离尤其是在三相全控整流电路中各路触发脉冲必须在电气上隔离。 晶闸管触发电路晶闸管是半控型器件，它最重要的特性是正向导通的可控性，当阳极加上一定的正向电压后，还必须在门极和阴极之间加上足够的正向控制电压、电流即触发电压、电流,以及达到维持晶闸管导通的维持电流时，晶闸管才能从阻断转化为导通。晶闸管导
19、通后，门极控制信号就失去了控制作用，直到电源过零时，其阳极电流小于维持电流，晶闸管才自行关断。根据这一特性，触发电压、电流可以是交流、直流或短暂的脉冲电压、电流，为减少门极损耗与触发功率，常用脉冲电压、电流触发晶闸管。3.2 晶闸管触发电路应满足一下要求： (1) 触发脉冲相位必须与加在晶闸管上的阳极电压同步。（2）、触发脉冲应有足够功率信号极性要求门极为正，阴极为负。（3） 触发脉冲可以移相且能够达到所要求的移相范围为了调节焊接规范和控制电源的外特性形状，需要改变晶闸管的控制角，即通过移相触发电路改变触发脉冲相位。（4）触发脉冲应有一定宽度脉冲前沿应尽可能陡，以使晶闸管导通后阳极电流迅速上升
20、，超过擎住电流而维持可靠导通。 触发脉冲相位必须与加在晶闸管上的阳极电压同步。3.3触发脉冲应有足够功率信号极性要求门极为正，阴极为负3.2.1 用六套触发电路由于该整流电路中有六只晶闸管，每只晶闸管需要一套触发电路，总共需要六套。各相晶闸管的触发互不牵制，允许触发脉冲的移相范围大，可达180。不过这个优点在这种弧焊整流器中得不到发挥，因为从空载到短路只需触发脉冲移相90即可。这种方案的缺点是触发电路套数太多，各套电路参数难以达到一致，因此难以保证三相电路平衡；同时又增加了电路产生故障的可能性。3.2.2 用三套触发电路用三套触发电路 该触发电路由正、反极性两组三相半波电路组成，见图5-26a
21、。a与a相、b与b相、c与c相的晶闸管的阳极电压刚好相反，完全可以共用一套触发电路3.2.3 用两套触发电路 把主电路接成图5-16b的形式即共阳极接法，各晶闸管在负半周导通），则可以采用两套触发电路。用一套触发电路去触发一组三相半波可控整流电路中的晶闸管。图5-27所示阴影部分是各相触发脉冲的移相范围。由图可见见，各相所要求的移相范围是互不重叠的。所以完全可以采用一套触发电路依次触发各相晶闸管。 用两套触发电路 把主电路接成图5-16b的形式即共阳极接法，各晶闸管在负半周导通），则可以采用两套触发电路。用一套触发电路去触发一组三相半波可控整流电路中的晶闸管。图5-27所示阴影部分是各相触发脉
22、冲的移相范围。由图可d、 一套触发电路产生的脉冲 3.3 无论用六套触发电路、三套触发电路，还是两套触发电路，对于前一部分的积分微分电路都是一样的如上电路图中，左半部分是积分电路，右半部分是微分电路，对R1进行计算，首先对电路进行分析，当R、C前面的二极管不导通时，直流电源对电容进行充电，则12V=UR+UC, 由于数值较大,充电过程进行缓慢，UC UR，于是有12VUR=iR而 i=Cd UC /dt所以 UC =1/R1C12dt当充电结束的瞬间，UC=10V,所以 RC=t，而2t=1/f f=50Hz C=0.47uf所以 R1=20K对R2进行计算，在后面的电容放电， UC持续下降，
23、直到降到0V，这段时间在理论上要经过无限长时间UC才衰减为零值。但工程上一般认经过35时间完成，暂态结束。则有 （35）=5ms而 =R2C C=0.47uf所以 R2=10K因此，有下列仿真电路：图2-三套仿真电路图3-六套仿真电路4 触发电路设计及触发电路工作原理分析4.1 要求我们组选择二套触发电路，电路图如下： 4.1.1 0积分电路RC串联输入矩形脉冲电压，在电容上输出电压，积分电路的条件为1、 取电容两端电压为输出电压。2、时间常数远大于矩形脉冲宽度t。在电子技术中常需要将矩形脉冲信号变为锯齿波信号，作为扫描电压使用。当输入矩形脉冲电压由零跳变到U时，电容器开始充电，由于时间常数
24、很大，电容器两端电压UC在0t这段时间内缓慢增长，UC还没有达到U，矩形脉冲电压已由U跳变到0，电容器通过电阻缓慢放电，UC逐渐下降，在输出端得到一个近似锯齿形波的电压。波形如上图中的U4和U5。微分电路与积分电路条件相反，RC串联输入矩形脉冲电压，在电阻上输出电压，矩形脉冲电压的幅值为U，脉冲宽度为t，脉冲周期为T。 在t=0至t这段时间内，电源对电容充电；t在下一段时间内，电容通过电阻放电。RC微分电路必须满足以下两个条件：1、 在电阻上输出电压。2、 RC充放电时间常数远小于矩形脉冲宽度t。由于电容两端电压不能突变，且t，则U0UR=U,则在t之前，电容充电过程很短，即电容两端电压很快为
25、U，电阻两端电压很快下降到0；在时间t时刻，电容通过电阻放电，同样，由于很小，在下一个脉冲电压到来之前，电容放电很快结束，输出电压为两个极性相反的尖端脉冲电压。在脉冲电路中，常应用微分电路把举行脉冲转变为尖脉冲，常常作为触发信号。波形如上图中U8和U9。5 弧焊电源触发电路的仿真检测两套、三套或六套双窄脉冲晶闸管触发电路的仿真及测试(1) 仿真检测仪器的选择(2) 各点检测结果1点（黑）2点（橘）3点（黑） 4点（橘）5点（黑）6点（橘）7点（黑）8点（橘）9点（黑）10点（橘）11点输出端晶闸管弧焊整流器具有以下主要特点：（1）、控制性能好 晶闸管可以用较小功率的触发信号，实现对大功率整流器
26、的输出控制。与弧焊发电机、磁放大器式弧焊整流器相比，其电流电压控制范围大，有利于对焊接参数进行控制，保证参数稳定。（2）、动特性好，响应速度快 它与弧焊发电机和磁放大器式弧焊整流器相比，内部电感要小得多，系统时间常数可达十几毫秒，具有电磁惯性小、响应速度快的特点。其动态特性可以采用电子电抗器加以控制调节。（3）、调节特性好 晶闸管弧焊整流器通过不同的反馈方式，实现对弧焊电源外特性形状的任意控制，焊接电流、电压可在较宽的范围内进行调节，并易于实现网压补偿。而且与磁放大器式弧焊整流器相比，可输出较小的焊接电流，易于实现脉冲焊接与薄板焊接。（4）、节能、省材 与弧焊发电机和磁放大器式硅弧焊整流器相比
27、，可以节省材料、减轻质量、节约能源。 晶闸管式弧焊整流器的输出电压、电流存在脉动和谐波问题，随着输出电压的降低，波形脉动和谐波成分将愈来愈大。但是我们可以采取并联高压引弧电源、并联二极管和限流电阻构成维弧电路、采用直流电抗器、选择合适的整流电路等加以解决。晶闸管电路是电力电子电路常用电路之一，也是电焊机中的重要元件，在生产，生活中应用非常广泛，是一弱强电电路的过渡的桥梁。要使晶闸管开始导通，必须有足够能量的触发脉冲，在晶闸管电路中必须有触发电路。用于晶闸管可控整流电路等相控电路的驱动控制，即晶闸管的触发电路。本课题针对晶闸管的触发电路进行设计，其电路的主要组成部分有移相控制电路，触发脉冲形成电
28、路， 同步电压环节，脉冲形成，整形放大和输出环节等电路环节组成，涉及触发电路的方案选择以及选择方案后电路的设计，包括电路的工作原理和电路工作过程中的输出波形。由于知识有限，此次课题设计并不全面，有待于进一步完善。参 考 文 献1 刘国钧，陈绍业，王凤翥图书馆目录第1版北京：高等教育出版社，19572 傅承义，陈运泰，祁贵中地球物理学基础北京：科学出版社，1985, 4473 华罗庚，王元论一致分布与近似分析中国科学，1973, 4: 339-3574 张筑生微分半动力系统的不变集研究：博士学位论文，北京：数学系统学研究所，19835 Borko H, Bernier C L. Indexing concepts and methods. New York: Academic Press, 19786 Dudek M R, Gouyet J F, Kolb M. Q+1 state Potts model of late stage sintering. Surface Science, 1998, 401: 220226第 17 页
