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1、第四单元 晶闸管式弧焊整流器学习目标：（1）熟悉晶闸管式弧焊整流器的组成、主要特点和应用范围；（2）掌握晶闸管式弧焊整流器主电路的形式及工作原理、触发电路的形式及工作原理、外特性控制电路及其工作原理；（3）了解ZDK-500型和ZX5-400型晶闸管式弧焊整流器的主电路及工作原理；（4）掌握ZDK-500型和ZX5-400型晶闸管式弧焊整流器的外特性及调节特性；（5）能对晶闸管式弧焊整流器的简单故障进行排除综合知识模块一 晶闸管式弧焊整流器概述 n 随着大功率晶闸管在20世纪60年代的问世、弧焊电源相应地出现了晶闸管式弧焊整流器。由于其本身具有良好的可控性，因而对电源外特性形状的控制、焊接工艺
2、参数的调节都可以通过改变晶闸管的导通角来实现，而不需要用磁饱和电抗器，它的性能更优于磁饱和电抗器式弧焊电源。国产晶闸管式弧焊整流器主要有ZDK系列和ZX5系列。能力知识点 1 晶闸管式弧焊整流器的组成 n 晶闸管式弧焊整流器的组成如图4-1所示。 图4-1 晶闸管式弧焊整流器的组成能力知识点 2 晶闸管式弧焊整流器的主要特点 n （1）动特性好n （2）控制性能好 n （3）节能n （4）省料n （5）电路复杂n （6）存在整流波形脉动问题能力知识点 3 晶闸管式弧焊整流器的应用范围 n （1）平特性晶闸管弧焊整流器 适用于熔化极气体保护焊、埋弧焊以及对控制性能要求较高的数控焊，还可作为弧焊机
3、器人的电源。n （2）下降特性晶闸管弧焊整流器 适用于焊条电弧焊、钨极氩弧焊和等离子弧焊。综合知识模块二 晶闸管式弧焊整流器的主电路 能力知识点 1 三相半波可控整流电路 n 1纯电阻性负载 n 其电路见图4-2。变压器一次绕组为三角形联结，二次绕组为星形联结 ，它的零点o就是整流电压的负极。晶闸管VT1、VT2、VT3接成共阴极组，晶闸管导通的条件除了阳极电位高于阴极电位外，同时还必须在门极上存在触发脉冲。Rh为负载 n 通过控制角 、 情况下的分析，得知：n （1）当 时，整流电路的工作情况和负载上电压、电流波形与不可控整流电路相同，称为全导通状态。此时，整流电压最大。随着控制角的增大，整
4、流电压相应减小。所以这种整流电路若用于电弧焊中，从空载至短路时要求的触发电压移相范围为 。n （2）当 时，负载电流连续，各相晶闸管每周期导电 ，即导通角 。n （3）负载电流在一个周期只有三个波峰，脉动较大，且当 时， 不连续，各晶闸管导电时间小于 ， 。n 因此，得出结论：这种整流电路在实际电弧焊中是不适用的。n 2电阻电感性负载 n 其电路如图4-3所示n 图中L为输出电抗器。令L的电感量足够大，当负载电流减小时，在电感上就产生感应电动势eL，它是阻止电流减小的。所以eL的极性如图4-3中所示。 n 以a相为例，当a相电压瞬时值降到零甚至变为负值时，回路中加在负载Rh上的电压为(ua+e
5、L) 仍可以为正，因此a相晶闸管继续导通。直至b相晶闸管触发导通为止。即当 时，仍然能使各相的晶闸管导通 ，而不是 ，从而使整流电流是连续的。虽然此时整流电压的脉动很大，而且电压出现负值，但整流电流的脉动减小，如图4-3所示的波形。当然这一结论的适用条件是输出电抗器L必须足够大，电流波形中的阴影部分是靠感应电动势eL维持导通的。n 在电流连续情况下，可以导出负载电压平均值与控制角的关系如下： （4-1） 由式（4-1）可以看出，当 时 最大， 。当 时， 。所以电阻电感性负载三相半波可控整流电路用于电弧焊中，从空载至短路，要求触发电压移相范围为 。n 三相半波可控整流电路中只用三只晶闸管和三个
6、触发单元，因此线路简单、可靠、经济、易于调试，其整流变压器为普通三相降压变压器，易于制造。但是，在输出为低电压或小电流情况下，波形脉动比较明显。所以，目前很少用这种整流电路作为晶闸管式弧焊整流器的主电路。能力知识点 2 六相半波可控整流电路n 六相半波整流电路如图4-5所示。图中T为三相变压器，铁心有三个心柱，每一心柱上绕有一相的一个一次绕组和两个二次绕组，分别为a、-a，b、-b及c、-c。 n 每相的两个二次绕组联结方式是：一个绕组（如a绕组）的同名端与另一个绕组（如-a绕组）的非同名端接在一起，极性相反，然后再将三相六个二次绕组接成星形，这样即可输出互差 的六相电压，其相位关系如图4-6
7、所示。每个二次绕组各串联一晶闸管， 六只晶闸管接成共阴极形 式。这样，六相半波整流 电路在任何时刻总是由阳 极电压最高并且加了触发 脉冲的那只晶闸管导通。 负载串接在阴极与变压器 中点o之间。n 1纯电阻性负载 将图4-5中的电抗器短接，只让负载电阻Rh接入电路，即为纯电阻性负载六相半波整流电路。六相半波整流电路在任一时刻只要有一只晶闸管导通，即可将这一相的电压加在负载两端在忽略晶闸管管压降情况下，负载两端承受的就是这一相的相电压。所以，负载Rh两端电压uh波形可由六相相电压波形求得。 当 时，整流输出波形分析如图4-7所示。图4-7a中虚线所示为六相相电压波形，分别在 的各自然换相点触发晶闸
8、管VT16，令VT16轮换导通。例如，过了 后 最高，且加触发脉冲电压 ，晶闸管 触发导通，其余五只晶闸管因承受反压而关断，则负载两端电压 。过了 变成 最高，且加触发脉冲电压 ，经过换相由 代替 导通，依此类推，六只晶闸管在自然换相点 处依次触发导通，各导电 。晶闸管 导通顺序见图4-7b。 的波形为相电压的包络线，如图4-7a中粗黑线所示。由于为纯电阻性负载，所以负载电流 波形与 同相位。每周有六个波峰。当 时，整流输出波形分析如图4-8所示。由图可知， 为 连续的临界值。 继续增大，则负载电压 和电流 波形将出现不连续。随着 增大，负载电压平均值 减小；当 时， 即要求移相脉冲电压范围为
9、 。n 2电阻电感性负载 如图4-5所示即为电阻电感性负载的六相半波整流电路。接入电感后，即使负载电压 不连续，负载电流 波形也可以比较平稳。电感值 越大， 波形越平稳。当相电压为负时，电感电动势 （ 极性见图4-5中所示）仍可维持晶闸管继续导通。在电感 足够大使负载电流连续的条件下， 与 的关系式为： （4-2）n 当 时， ，整流输出电压平均值最大；当 时， 。所以电阻电感性负载六相半波整流电路要求触发脉冲移相范围为 。n 六相半波整流电路与三相半波可控整流电路相比，前者虽然整流波形每周有六个波峰，其脉动性比后者小，但是六相半波整流电路中每只晶闸管在一周内最多导电 ，通电时间短，电流峰值高
10、，并且一只晶闸管导通时其余五只均截止，因而变压器和晶闸管利用率较低。故一般也很少采用。能力知识点 3 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 n 基本电路如图4-9所示n 图4-9所示，主变压器是三相的，其二次每相有两个匝数相同的绕组，分别接成两组三相半波整流电路，即a、b、c一组和-a、-b、-c一组。a与-a，b与-b，c 与-c各绕在同一个铁心柱上，且极性相反，或者说电压电位差1800，如图4-9中表示同名端的“”所示。图中VT1、3、5构成的三相半波整流电路， 称为正极性组， VT2、4、6构成者称为反极性组。正极性组与反极性组间由平衡电抗器LB联接。平衡电抗器是带有中心抽头的电感，抽头O
11、两侧的匝数相等。n 电路中若电感足够大（如图4-9中接有输出电抗器L），则带平衡电抗器的双反星形可控整流电路有以下特点： （1）接入平衡电抗器LB，双反星形整流电路相当于两组三相半波整流电路并联。 （2）将平衡电抗器LB两端短接即为六相半波整流电路。 总之，带平衡电抗器的双反星形可控整流电路，具有输出电压脉动小、移相范围窄（900）、触发电路设置方便、变压器二次绕组利用率高、设备容量小、整流元件承载能力强等特点，因而被广泛用于象弧焊电源这样要求低电压、大电流的场合。 综合知识模块三 晶闸管式弧焊整流器的触发电路能力知识点 1 对触发电路的要求 n （1）触发脉冲应有足够的功率 为了使晶闸管可靠
12、导通，触发电压、电流的脉冲信号宽度应足够。n （2）触发脉冲上升前沿要陡 为了使触发时间准确，缩短元件开通时间，减少开通时的功率损耗，要求触发脉冲上升前沿具有一定陡度。n （3）触发脉冲与施于晶闸管的电源电压必须同步 为了使每一周波重复在相同的相位上触发，即各周期中控制角 不变，触发脉冲必须与电源电压同步，即触发脉冲与加于晶闸管的电源电压保持固定的相位关系。 （4）触发脉冲应能移相并达到要求的移相范围 为了使电路能在给定范围内工作，必须保证触发脉冲能在相应范围内进行移相。晶闸管式弧焊整流器是工作于电阻电感性负载的条件下，其输出电压从最大值调至零（由空载至短路）对应的控制角可调范围，即为所要求的
13、触发脉冲移相范围。对于三相半波可控、六相半波和带平衡电抗器的双反星形可控整流电路，在电阻电感性负载条件下都要求触发脉冲移相范围为090。能力知识点 2 触发电路的套数 n 对于带平衡电抗器的双反星形可控整流电路可采用六套、三套或二套触发电路。n （1）六套触发电路 该整流电路中晶闸管数目总共有六只，可用一套触发电路触发一个管子而共需六套。其优点是触发脉冲移相范围大（可达1800）；缺点是触发电路数目多，校正困难。n （2）三套触发电路 每套触发电路可先后触发两只晶闸管。其特点是脉冲移相范围宽，触发电路套数少，调试方便，节省元件。n （3）二套触发电路 即只用一套触发电路可触发一组三相半波可控整
14、流电路中的三只晶闸管，ZX5系列整流电源中采用这种方案。其触发脉冲分配电路见图4-12an 由图4-12a可以看出，触发脉冲分配电路由晶闸管VT、二极管VD1、VD3、VD5和电阻R组成。其作用是将由触发电路送来间隔1200的触发脉冲，由VT轮流分配给VT1、3、5三只晶闸管的控制极使其导通。例如，在 时，由触发电路来的触发脉冲 送到VT的控制极，即VT导通。此时由图4-12b可知 最负，即VT1阴极电位最负，以致VD3、VD5 均承受反向电压而截止。依次类推，只要一套每隔1200发出一个脉冲的触发电路，通过脉冲分配电路即能依次触发晶闸管 VT1、3、5。n 两套触发电路其优点是触发电路套数最少，线路简化。缺点是触发脉冲移相范围窄，理论上移相为1200
