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1、 弧焊电源 IWS-1/1.410/101 前言对于焊接监督管理人员而言，在采购和焊接电源投入使用前，首先遇到的问题是电源的选择： 所选择的电源的特性曲线，电流形式（直流，交流，脉冲电流）是否与所选择的焊接方法相适应。 焊接特性引弧干扰量的调解电源的动特性焊接结果的质量要求。 功率，满足相应焊接的调解范围要求。 应用范围，关于电气危险性，有关空载电压的规定。 短路电流值，满足相应网路安全值（选择相适应的插座） 自动化加工（机器人的采用）相应地数据编程 质量监督测量数据的编程校核的可能性2 技术数据（电源铭牌）重要的“技术数据”应按IEC标准给出，并在电源的铭牌上以缩写形式标记。图1 焊条电弧焊
2、焊接变压器铭牌铭牌包括电特性值，并符合ISO EN 60974-1（相应地IEC974-1或VDE0544-1）标准。铭牌应包括以下3部分内容：1）上部分：制造厂家名称，编号及其它重要标记；2）中间部分：焊接电源电路数据；3）下部分：网路数据。3 电源结构形式（概要）弧焊电源结构形式概要见表1表1 电源结构型式（概要）焊接变压器抽头式变压器动铁芯式变压器磁放大器式变压器 焊接整流器抽头式整流器动铁芯式整流器磁放大器式整流器可控硅整流器模拟式整流器晶体管电源一次脉冲电源二次脉冲电源（逆变电源）焊接变流器三相电动发电机内燃发电机图2 焊接变压器在铭牌上的标记（举例）4 电源电特性焊条电弧焊时电源外
3、特性调解说明如图3，即改变二次线圈的阻抗确定电源外特性曲线位置图3 当焊条直径为=2mm时电源电路示意图某一简化的二次电流电路是由二个电阻串联在电路中，电源的内部电阻，例如感抗另一部分电阻为电弧电阻，改变铡刀位置即可改变感抗（内部电阻），亦即改变了电源外特性斜率并确定了焊接电流和大小（见图4，图5） 图4 电源外特性曲线 图5 二次电感的变化方式短电弧长电弧长电弧如果改变电弧长度，实际上它使焊接电路中总电阻发生变化，如图6所示，在电弧长度较短时，使总电阻减小，从而得到较大的焊接电流。短电弧图6 不同电弧长度时的电阻等级的位置5 焊接变压器一般情况下，网路电压在单相时（L1+N+PE）为230V
4、，三相时的相间电压（例如L1+L2）为400V，焊接变压器应满足下面三个条件：1）网路电压和焊接电压的关系USUN以及ISIN2）满足最佳焊接特性良好的起弧性能，最小的飞溅3）工作安全空载电压80V AC！焊接变压器在工作时应通过标准插座（保险管）对网路进行安全保护，防止网路过热而引起事故发生，一般插座等级为16，32或63A。当采用E、TIG、MSG方法时，焊接变压器可采用下降或平外特性。 图7 下降特性标记 图8 平特性标记焊接电流IS与焊接电源输出电压UK和电弧电阻RL有关：焊接变压器输出端电压UK的调解可有如下几种方式：U1=一次电压U2=二次电压N1=一次侧线圈匣数N2=二次侧线圈匣
5、数1）分接开关：改变变压器的变压比，如图9所示图9 分接开关2）可调解电抗的电抗器，如图10所示。UK=U2-UD=U2-（ISXL）UK=电源输出端电压UD=电抗器电压降XL=电感电阻图10 电抗器3）漏磁通：变压器二次电压U2是由于磁通量N2而产生，如图11所示，由于漏磁通中s的作用将使总磁通呈中gesamt减少，将使中N2减少，所以调解s将改变二次电压U2U2=4.44N2fN24.44=磁通量f=频率N2=二次侧线圈数可调解的的漏磁漏磁通s总磁通量图11 漏磁通4）磁放大器 前面所叙述的三种功率转变型式是通过某种机械变换（分接开关，漏磁铁芯的位置）使变压器的输出电压符合某一焊接工艺的要
6、求，磁放大器是一辅助线圈（如图12所示），可通过一控制的直流电产生一磁通，当这一外加磁通达到饱和状态时将产生很高的电阻，使通过U2的线圈中的磁通减小，这种磁放大器可利用较小功率达到控制较大功率的目的，故称为磁放大器（或称饱和电抗器）。图12 磁放大器6 焊接整流器图13 铭牌的标记三相变压器 焊接整流器由一变压器和整流堆组成，整流堆将交流电转换成直流电，所产生的波纹度根据整流性质决定，例如三相整流波形波纹度为4%，而单相整流几乎是50%。图14中的滤波扼流圈对焊接特性起着重要作用（引弧，飞溅的形成）。整流堆滤波扼流圈图14 整流电源原理图滤波电压整流电压二次电压网路电压整流堆滤波扼流圈三相变压
7、器图15 整流电源方框图 某些抽头式MSG电源因为简单而耐用，现在仍在广泛地应用，有的抽头很多（例如35级）可以得到更细地调节以满足焊接要求，较大功率电源调节范围为： 60A/17V至500A/39V（350A 100%ED） 功率因数cos为0.90.95，热效率可达0.7-0.8。7 焊接电源的电气控制原理这里可分为以下二大类：1）网路同步调解（晶闸管电源）2）电子电路电源（晶体管电源）7.1晶闸管电源 晶闸管电源即晶闸管弧焊整流器，它包括变压器、整流桥和输出电抗器，通过变压器将网路电压降为几十伏特的电压，同时借助整流桥对晶闸管的整流和控制，经输出电抗器滤波和调节动特性，从而输出所需用的直
8、流焊接电压和电流，通过对电路电子触发控制可获得平特性、下降特性等各种形状外特性，这种电源至今广泛用于焊条电弧焊、TIG焊和气体保护焊。7.2晶体管电源 晶体管作为半导体组件在焊接电源的功率控制部分已广泛采用，它有三种基本形式：1）晶体管（双极的）2）MOSFET（单极晶体管）3）IGBT，它可作为开关晶体管（数字），亦可作为可变电阻开关或大功率开关管。整流器功率分配器变压器整流器电抗器图16 带有电子执行机构的几种电源的方框图 电源电子执行机构有以下五种形式 1) 模拟式电子控制电源 2) 一次脉冲电源（逆变） 3) 二次脉冲电源 4) 混和形式 5) 一次和二次脉冲综合形式7.2.1模拟式电
9、子控制电源图17 模拟式电子控制电源在铭牌上的标记 如图18所示串联在回路中的功率控制器，可以把它看作可变电阻与电弧连接，它的实际作用还包括动态过程控制（起电抗器作用）。网路电压二次交变电压直流电压脉冲电流焊接变压器整流器功率分配器图18 模拟式电子控制电源方框图 该控制电路中的功率调解器（晶体管）可使焊接电流的数值和形式在数个毫秒内得到改变，反应时间在40s50s内，所预设的脉冲电流或者MSG工艺的喷射过渡电流可以满足所需的工艺要求，与此优点相反，晶体管存在较高的功率损失，占所一次输出能量的50%，这需要电源配置方面的冷却循环系统，使设备体积增大，作为系列电源它并没有大批生产，另外，它的价格
10、亦较高。 7.2.2二次脉冲电源图19 二次脉冲电源在铭牌上的标记由网路变压器和整流器组成的二次脉冲电源成为一控制环节和晶体管转换开关，它的工作状态只有导通和关断。a）“导通”开关闭合较小的导通电阻电流导通800Ab）“关断”开关开启较大的阻断电阻电流阻断10-6A当今制造的开关电源的脉冲频率在50KHz200 KHz，即频率为网路频率的10004000倍。因而动态调解速度得到提高，这在脉冲焊接工艺中表现特别明显，电效率根据变压器，滤波器（电感，电容）的损耗以及整流元件（半导体，晶体管）的损耗而定。这些损耗主要产生在电路的导通和关断的过程中。但总的电效率仍在85%以上。滤波电流整流电压二次电压
11、网路电压滤波器功率分配器焊接变压器整流桥图20 二次脉冲电源方框图电源的调节原理根据导通和关断的占空比（脉冲宽度的调节），由此可产生同样高度而宽度各不相同的脉冲，经滤波器即获得相应的占空比的直流脉冲电流，按照脉冲频率调节时间在100s以内，脉冲电源主要适用于那些对焊接方法有特殊要求的场合（例如薄板Al合金）。MSG脉冲焊接电源的调节范围如下：10A/12V至550A/47V（500A 100%ED），脉冲电流最高幅值约800A，脉冲斜率100s。7.2.3一次脉冲电源图21 一次脉冲电源在铭牌上的标记一次脉冲电源与二次脉冲电源在原理上主要区别是它首先将网路电压转换成直流电压，然后按照二次脉冲程
12、序将这种方波电压经变压器再转换成符合焊接工艺要求的波形，再经过滤波器产生直流电压和电流，电路中采用逆变器可使开关电路的体积和重量显著减小和减轻，但费用相对较高（见图22）图22 两种脉冲电源变压器的比较当脉冲频率在100KHz以上时，手动焊接机的重量在4kg以下，而焊接电流可达150A，该种设备已成批生产。滤波器整流桥焊接变压器整流桥功率分配器图23 一次脉冲电源方框图对所有一次脉冲晶体管电源都适用的原则是：在接通网路输入端的整流桥采用阻尼电容连接形式，因为功率因数cos仅适用于50Hz范围内（常用数值0.95）。这里提出了EMV-测试框架中的功率因数，它更适用于较高频率范围，通过该特殊安排的
13、电路形式可以使正弦波形式得到转换，电源可接通单相网路，网路电压在230V时可使电源功率达到4KW以上，该电源作为MSG电源时其调解范围如下：25A/15V460A/34V（400A100%ED）脉冲电流可达600A以上，该电源重量约80kg，与相同功率的抽头式电源相比较，它的重量约200kg以上。7.2.4混合式电源在混合式电源中大功率晶体管位于二次侧，功率调节器瞬时工作点的导通，处于模拟运行或脉冲振荡状态，这类电源综合了脉冲电源的高效率和模拟电源的良好稳定性。7.2.5一次脉冲和二次脉冲电源的综合形式由于焊接技术的精密度要求越来越高，同时要求电源重量和热损耗尽可能的小，这种综合形式电源便产生了，它可以使焊接电流调节速度达到4000A/ms。图24 一次/二次脉冲WIG电源在铭牌上的标记8 焊接变流机它是由电动机或内燃机带动发电机而产生焊接电流，故称为焊接变流机。 图25 三相电动机变流标记 图26 内燃机变流标记直流焊接发电机是最老
