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1、1,晶闸管式弧焊逆变器,第六章 弧焊逆变器,2,晶闸管式弧焊逆变器,以快速晶闸管(SCR)为逆变主电路的大功率高压开关管，通过其触发角来进行控制的弧焊逆变器，通常称为晶闸管式弧焊逆变器。它是以触发角来控制的，也可称为触发角控制式弧焊逆变器。,早在70年代末就有晶闸管式弧焊逆变器的研究成果，并有报道。80年代初中期它有较大发展，从中等容量到大容量；从焊条电弧焊到CO2/MAG焊、埋弧焊和电阻焊；从直流焊到矩形波交流焊；从电子控制到微机、数字化控制等，应用领域也不断发展，逆变频率从几千赫兹到数万赫兹。,到了80年代后期，由于它的频率毕竟偏低，控制性能欠佳，有噪声干扰等，而逐渐为后起之秀“场效应管式
2、、IGBT式弧焊逆变器”所代替。它应用的比例逐渐减少，但在世界上仍有一定地位。这里应指出，新型晶闸管类，例如静电感应晶闸管(SITH)和场控晶闸管(MCT)等的出现，将会改变它的地位，有利于它的继续发展和推广。,第六章 弧焊逆变器,3,一、主要组成与基本原理,输入整流器（单相或三相整流桥），把50Hz（或60Hz）工频电压变成直流电压。,输入滤波器，由带间隙的普通电抗器和电容器组成，使输入直流变得比较平滑。,大功率快速晶闸管组VH，作为大功率高压电子开关，把直流电压(电流)逆变成为数千赫兹的中频电压(电流)。,中频变压器，把高压小电流转变为符合焊接工艺需要的低电压大电流输出。它的铁心材料常用铁
3、氧体或用非晶态合金、微晶、高值硅钢片。,输出快速整流器，把低电压中频交流电整流为直流电。,输出滤波器，使脉动系数较大的直流电变得比较平滑，需采用中频滤波器。,触发控制驱动电路：用于产生晶闸管组VH的触发控制驱动脉冲信号。,稳压电源和操作电路：为触发控制驱动电路、操作电路和给定-反馈比较电路提供稳压电源。,反馈比较电路：从输出电路按一定比例取出电弧电压、电流的负反馈信号，与给定(标准)电压进行比较和放大，为触发驱动电路提供控制信号，以便改变输出电压、电流。,第六章 弧焊逆变器,4,二、逆变主电路的形式与基本原理,晶闸管式弧焊逆变器将快速晶闸管用于逆变器，成熟程度高、容量大，但本身的开关速度较慢。
4、与其它类型的逆变器相比，具有如下特点：单管的容量大、价格低，驱动功率低；工作可靠性高，控制电路比较简单；逆变频率低、功率因数小、效率低、冲击电流大。,第六章 弧焊逆变器,5,逆变主电路的基本形式逆变主电路的换流原理串联式逆变主电路并联(全桥)式逆变主电路逆变主电路的工作原理,第六章 弧焊逆变器,6,1 逆变主电路的基本形式,弧焊逆变器是工作在焊接电弧这样的特殊负载下。在焊接过程中电弧电流变化幅度大、频率高，特别是在空载起动、短路引弧和熔滴过渡时，弧焊逆变器处在“空载一短路一负载”等频繁变化的复杂状态，每秒钟内这种周期性变化达几十次以上，而逆变器本身的工作频率又有几千赫兹。因此需对弧焊逆变器提出
5、特殊要求。必须根据弧焊方法、容量大小、直流输入电压和工作频率等各种参数来选择和设计逆变主电路。,第六章 弧焊逆变器,7,图6-8 晶闸管式弧焊逆变器的逆变主电路基本型式,串联不对称半桥式电路,串联对称半桥式电路,串联对称半桥式电路,串联对称桥式电路,并联式全波电路,并联式麦克默利电路,第六章 弧焊逆变器,8,2 逆变主电路的换流原理 在逆变主电路中，使晶闸管由导通转为关断的方法不能像晶闸管弧焊整流器那样依靠交流各相相位的高低变化产生反压关断来进行换相，其晶闸管的换流方法为：(1)自然换流 它利用负载回路中电阻、电容和电感所形成的振荡特性，使电流自动过零，只要负载电流超前于电压的时间大于晶闸管的
6、关断时间，就能保证晶闸管自然关断，再触发另一路晶闸管导通，使电流换流。,(2)强迫换流 在电路中设置电感、电容等元件构成换流回路。换流时，让辅助晶闸管或另一只主晶闸管导通，使换流回路产生一个脉冲电压，反向施加于原先导通的晶闸管上，强迫其电流迅速下降到零，其持续时间必须大于管子的关断时间，使之关断，故称为强迫换流，或称脉冲换流。,第六章 弧焊逆变器,9,图6-9 强迫换流电路和串联式逆变主电路原理图a)强迫换流电路 b)串联式逆变主电路,3 串联式逆变主电路 换向电容与负载串联的逆变主电路称为串联式逆变主电路，也称串联式谐振逆变主电路,三种工作状态,第六章 弧焊逆变器,10,4 并联(全桥)式逆
7、变主电路,换流电容与负载电路并联。它的换流方式是基于并联谐振的原理，故称为并联式谐振逆变主电路，简称并联式逆变主电路，也常称全桥逆变主电路。,图6-11并联式(全桥)逆变主电路,第六章 弧焊逆变器,11,并联式逆变主电路工作过程示意图,第六章 弧焊逆变器,12,5.逆变主电路的工作原理,第六章 弧焊逆变器,13,图6-16 晶闸管逆变器波形图,图6-15 晶闸管逆变器简化图,第六章 弧焊逆变器,14,为了实现弧焊逆变器的外特性、调节性能、动特性及波形的控制和调节，通常采用时间比例控制技术中定频调宽调制(PWM)、定脉宽调脉频调制(PFM)及两者混合调制等三种调制方式。晶闸管式弧焊逆变器采用定脉
8、宽脉频调制控制(PFM)方式。,第六章 弧焊逆变器,15,三、触发控制电路主要形式与工作原理,晶闸管类和晶体管类逆变器的驱动电路有着不同的特点和要求。对晶闸管类逆变器驱动电路的要求如下：（1）触发脉冲信号应有足够的功率(电压和电流)。（2）触发脉冲信号应有足够的宽度，保证触发的晶闸管可靠导通。（3）触发脉冲形式应有助于晶闸管的导通。在大电流晶闸管并联电路中，要求并联的元件同一时刻导通，使开关管在允许的范围内。同时又必须保证在大电流工作的晶闸管能可靠的关断。,第六章 弧焊逆变器,16,1 外特性的获得方法,晶闸管弧焊逆变器的外特性形状，是通过弧焊电流(或弧焊电压)给定值与电流、电压负反馈比较和放
9、大，以改变频率来控制的。例如，从图6-14的分流器RS的e、f取电流负反馈信号，送到电子控制电路，再由电子控制电路的a-b和c-d输出端口把触发脉冲输给晶闸管，用于轮流触发两个串联工作的晶闸管VT1、VT2。,若取弧焊电流反馈信号，随着焊接电流的增大，当它增大到接近給定值之后，使逆变器的工作频率（和电弧电压）迅速降低，从而获得恒流外特性。若取弧焊电压反馈信号，随着焊接电流的增大，弧焊电压基本不变，从而获得恒压特性。同理，欲获得其它形状的外特性，只要采用相应的反馈，控制逆变器相应的工作频率变化规律即可。晶闸管弧焊逆变器的外特性如图6-18a、b、c、d所示。,第六章 弧焊逆变器,17,图6-18
10、 晶闸管弧焊逆变器的外特性曲线,第六章 弧焊逆变器,18,2 调节特性的获得方法,通常，晶闸管式弧焊逆变器是采用“定脉宽调频率”的调节方法来调节规范参数，即通过改变晶闸管的开关频率(即逆变器的工作频率)来进行的。晶闸管开关频率愈高，图6-16中的34，910时间间隔减小，于是焊接电流或电压也就愈大。电流的均匀调节是通过改变逆变器的工作频率f，以“定脉宽调频率”方式进行的。为了拓宽调节范围，还需辅以分档粗调。这可通过换向电容的换档来实现。例如在图6-14中，由触点K1、K2将c5、c7断开，使换向电容容量减小，于是f0提高。这时，可在高档范围改变f，使对应的焊接规范在大档范围均匀调节。反之亦然。
11、为了晶闸管的安全工作，在空载状态时，电子控制电路使逆变器的工作频率自动降至几赫兹，即采用弱规范引弧，以免在短路接触引弧时出现过大的冲击电流。在焊接过程中，若短路时间超过一秒，或在产生断弧时，工作频率都会自动降低。,第六章 弧焊逆变器,19,3 直流脉冲和矩形波交流输出的获得方法,1)直流脉冲输出的获得方法 对于薄板和热敏感大的金属材料的焊接，以及进行全位置焊接等场合，一般需用直流脉冲电流焊接。对串联逆变弧焊电源的电流调节是控制“恒定脉宽发生器”输入电位改变逆变频率达到输出电流的调节。若在“恒定脉宽发生器”的输入端接一方波发生器，方波发生器的频率、占空比、脉冲峰值均可调，其原理见右图。,图6-1
12、9 方波发生器原理图,第六章 弧焊逆变器,20,2)矩形波交流波输出的获得方法,通常采用工频正弦波交流电源对铝及其合金进行钨极氩弧焊接。但是，这种弧焊电源的电弧稳定性较差，正、负半波通电时间比不可调，还需增设消除直流分量的装置。特别是对于一些要求较高的焊接工作，如铝薄件小电流焊接、单面焊双面成形，高强度铝合金焊接等，很难得到满意的焊缝质量。此外，普通交流弧焊电源不能用于一般的碱性焊条手工弧焊。随着大功率半导体元件和电子技术的发展，近二十年来首先在国外，继而又在国内，研究成功和应用了矩形波交流钨极氩弧焊工艺，并研制和生产出相应的弧焊电源。矩形波交流弧焊电源还可以应用于碱性焊条手工弧焊，可使电弧稳
13、定、飞溅小。把它用于埋弧自动焊时，焊接过程稳定，焊缝成形良好，提高了焊接接头的机械性能。因此近几年来，矩形波交流弧焊电源的研制和生产有了很大的发展，应用范围也日益广泛。,第六章 弧焊逆变器,21,矩形波交流晶闸管式逆变器主电路图,电流波形正、负半波通电时间比示意图,a）50：50,c）30：70,b）70：30,第六章 弧焊逆变器,22,矩形波交流的获得原理 逆变器式矩形波交流弧焊电源主电路由变压器、晶闸管整流器、晶闸管逆变器等组成。工频正弦波交流电压经主变压器降压和晶闸管整流的整流，成为几十伏的直流电压，再通过晶闸管逆变器的开关转换，成为矩形波交流电流。实质上它是通过“ACDCACDCAC”
14、的逆变体制来获得矩形波交流电流输出的。外特性控制和规范调节 这种类型的矩形波交流弧焊电源，实质上是由通用弧焊电源（含弧焊逆变器）与矩形波交流发生器(即晶闸管逆变器)所组成。其外特性形状的控制和矩形波交流电流幅值的调节，是通过直流弧焊电源来实现的,第六章 弧焊逆变器,23,四、特点和应用（典型产品）,1 特点 1)采用大功率品闸管作为开关元件在较早的时候己能生产出大容量、耐高电压和性能好的大功率晶闸管，一般只要用一只或一对管子，其成本较低。但是由于受管子关断时间的限制。在一般情况下，逆变器的额定工作频率仅为2000Hz至5000Hz。在此频率范围，噪声较大，特别是在交流弧焊时，其电弧噪声对人体有一定影响。2)具有一般弧焊逆变器共同的特点 它与弧焊发电机和弧焊整流器比较，具有高效节能、重量轻体积小、功率因数高和弧焊工艺性能好等优点，,
