弧焊電源課程設計--晶閘管觸發(fā)電路的設計

1、<p>　　弧焊電源課程電路設計綜述報告</p><p>　　《弧焊電源課程設計》</p><p>　　課題名稱： 晶閘管觸發(fā)電路的設計 </p><p>　　學 院: 材料科學有工程學院 </p><p>　　班 級： 焊接三班 &

2、lt;/p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p><b>　　一、引言</b></p>

3、<p>　　自從1956年美國貝爾實驗室發(fā)明晶閘管，1957年美國通用電氣公司發(fā)出世界上第一只晶閘管以后，從此揭開了電力電子技術發(fā)展和應用的序幕。由于晶閘管容量大、耐壓高、功耗小、具有良好的可控性，因此很適合制作弧焊電源。在20世紀60年代初期，便出現(xiàn)了以晶閘管為整流元件的弧焊電源——晶閘管弧焊整流器。它采用小功率信號改變晶閘管的導通角來實現(xiàn)對弧焊電源外特性的控制以及焊接參數(shù)的調節(jié)。目前在各種弧焊電源中，晶閘管弧焊整流器的

4、應用較為廣泛。</p><p>　　二、晶閘管弧焊電源主電路形式及原理</p><p>　　晶閘管式弧焊整流器主電路主要有三種：三相橋式半控電路、三相橋式全控電路以及 帶平衡電抗器雙反星形電路。</p><p>　　2.1、三相橋式半控電路</p><p>　　電阻性負載　　其電路如圖5-6。圖中T為變壓器，整流電路由三個晶閘管V1、V3、V

5、5和三個二極管VD2、VD4、VD6組成，Rf為負載，其中三個晶閘管構成共陰極，三個二極管構成共陽極。當晶閘管控制角α=時波形分析如圖5-7所示。分別在自然換向點ωt1、ωt3、ωt5，觸發(fā)三只晶閘管，使其輪流導通。而二極管則在自然換向點ωt2、ωt4、ωt6處自然換向。</p><p>　　圖5-7 α＝0°三相橋式半控整流電路電阻負載波形</p><p><b>　

6、　a) 相電壓 </b></p><p><b>　　b) 負載電壓 </b></p><p><b>　　c)觸發(fā)電壓</b></p><p><b>　　d) 管子導通順序</b></p><p>　　當α＝30°時，如圖5-8所示，ωt1時刻V1

7、管觸發(fā)導通，電源電壓uab通過V1和VD6加于負載Rf兩端。在ωt2時，共陽極組整 流二極管VD2與VD6自然換向，所以在ωt2之后，VD2導通，電源電壓uac通過V1、VD2加于負載，一直到ωt3時刻，V3管導通后使V1承受反壓而關斷，電路轉換為V3與VD2導通。Rf兩端電壓是ubc。依此類推。從輸出電壓波形看每個周期有六次脈動，且脈動是不均勻的。</p><p>　　當α＝60°時，即在滯后于自然換

8、相點60°處觸發(fā)晶閘管得到的負載波形如圖5-8所示。其特點是，在觸發(fā)晶閘管時正值二極管的自然換相點，因而晶閘管與二極管同時換相。</p><p>　　2.2、三相橋式全控整流電路</p><p>　　當α＝60°時，三相橋式半控整流電路的整流電壓波形每周只有三個波峰脈動較大。如果將其三個二極管VD2、VD4、VD 6換成三個晶閘管，就變成了三相橋式全控整流電路，如圖5-

9、11所示，其輸出電壓波形較好。</p><p><b>　　1.電阻性負載</b></p><p>　　其電路如圖5-11所示，六只晶閘管：V1、V3、V5接成共陰極組，V2、V4、V6接成共陽極組。現(xiàn)討論電阻性負載時的工作情況，先將輸出電抗器L短路起來。要使負載中流過電流，必需讓上述二組晶閘管中各有一個同時導通。與其它全波整流電路一樣，由于管子壓降可以忽略，負載上承

10、受的是線電壓。工作過程中，共陽極組和共陰極組的晶閘管都在不斷相換，換相時刻取決于產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的相位。為了獲得一周有六個波峰的負載電壓波形，則需同時觸發(fā)兩組晶閘管。即要求同組各晶閘管的觸發(fā)電壓互差120º，二組之間互差60º。如圖5-12所示是，即在自然換點ωt1～6上，由互差60º的ug1～6按序觸發(fā)對應的晶閘管VH1～6的波形。 </p><p>　　圖5-12 a＝0°

11、三相橋式全控整流電路電阻負載波形a) 相電壓 b) 負載電流、電壓c) 觸發(fā)電壓 d) 管子導通順序</p><p>　　2.3、帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路</p><p>　　其基本電路，如圖5-16所示，可接成圖5-16a、b形式，其工作原理及組成是一樣的。其結構由六個晶閘管，一個平衡電抗器LB和一個主變壓器組成。主變壓器是三相的，二次有兩組繞組，各以相反極性聯(lián)成星形，故稱“雙反

12、星形”。 </p><p>　　帶平衡電抗器雙反星形整流電路，相當于正極性和反極性兩組三相半波整流電路的并聯(lián)。各組輸出電壓波形如圖5-21a、b中實線所示，是各相電壓的包絡線。任何瞬時，正、反極性組均有一支電路導通工作，故可將該電路簡化成如5-22所示。圖中ua、ub各為某瞬時同時導通的正、反極性支路的變壓器相電壓瞬時值，晶閘管的正向壓降略去不計 。平衡電抗器是維持兩組三相半波電路互不干擾各自正常工作所必需的。&

13、lt;/p><p>　　圖5-21帶平衡電抗器雙反星形整流電路波形圖(a＝0°時)電阻負載波形a) 正極性組的整流電壓波形圖 b) 反極性組的整流電壓波形圖 c) 負載電壓波形 d) 平衡電抗器兩端電壓波形 e) 整流元件導通順序</p><p>　　當α＝0°時。其波形如圖5-21d所示，頻率為電網(wǎng)電壓的三倍、近似于三角波形，其幅值為相電壓幅值的1/2倍。 </p&

14、gt;<p>　　當α＝30°時，正、反極性組整流電壓uMP和uMP波形如圖5-23所示。 </p><p>　　圖5-24為α＝60°時的波形，正、反極性組整流電壓uMP、uNP波形如圖5-24a、b所示。 </p><p>　　圖5-25為α＝60°時的波形，這時uMP、uNP都對稱于橫軸，它們的平均值皆為零。 </p><

15、;p>　　通過以上分析可知，帶平衡電抗器雙反星形整流器在電路中要有足夠大的電感，與上述其他電路相比它具有以下特點： </p><p>　　1）它相當于兩組三相半波整流電路并聯(lián)。它的各相電流流通時間可延長至120°，而六相半波整流電路每相電流流通時間只有60°，顯然前者的整流變壓器和整流元件的利用率較高。該電路中，同時有兩個晶閘管并聯(lián)導電，每管分擔1/6負載電流。而三相橋式整流電路相當于兩

16、個三相半波整流電路的串聯(lián)，同時有二個整流元件串聯(lián)導電，每個晶閘管分擔1/3負載電流，后者所用晶閘管的額定電流也就要求較大。同時后者要考慮兩倍的管子壓降，因而效率較低。因而，一般地說，帶平衡電抗器的雙反星形整流電路更適合于作弧焊電源，因為弧焊電源要求大電流低電壓。</p><p>　　2）有六個晶閘管，觸發(fā)電路比三相橋式半控整流電路的要復雜，但比三相橋式全控整流電路的簡單。</p><p>

17、　　3）整流電壓波形為每個周波六個波峰，其脈動程度比三相橋式半控電路的小，最低諧波為六次，要求輸出的電感量及體積都較小。</p><p>　　4）需用平衡電抗器，且為保證電路能正常工作，其鐵心不宜飽和。為此，應避免該鐵心被直流成分所磁化，要求其抽頭兩邊線圈的直流安匝相互抵消，即兩組整流電路的參數(shù)（主要是變壓器的匝數(shù)和漏感）應基本對稱。</p><p><b>　　三、晶閘管觸發(fā)電

18、路</b></p><p>　　晶閘管是半控型器件，它最重要的特性是正向導通的可控性，當陽極加上一定的正向電壓后，還必須在門極和陰極之間加上足夠的正向控制電壓、電流即觸發(fā)電壓、電流,以及達到維持晶閘管導通的維持電流時，晶閘管才能從阻斷轉化為導通。晶閘管導通后，門極控制信號就失去了控制作用，直到電源過零時，其陽極電流小于維持電流，晶閘管才自行關斷。根據(jù)這一特性，觸發(fā)電壓、電流可以是交流、直流或短暫的脈沖

19、電壓、電流，為減少門極損耗與觸發(fā)功率，常用脈沖電壓、電流觸發(fā)晶閘管。</p><p>　　3.1晶閘管觸發(fā)電路應滿足一下要求：</p><p>　　（1）、觸發(fā)脈沖相位必須與加在晶閘管上的陽極電壓同步。</p><p>　　（2）、觸發(fā)脈沖應有足夠功率　　信號極性要求門極為正，陰極為負。</p><p>　?。?） 觸發(fā)脈沖可以移相且能夠達到

20、所要求的移相范圍　　為了調節(jié)焊接規(guī)范和控制電源的外特性形狀，需要改變晶閘管的控制角，即通過移相觸發(fā)電路改變觸發(fā)脈沖相位。</p><p>　?。?）觸發(fā)脈沖應有一定寬度　　脈沖前沿應盡可能陡，以使晶閘管導通后陽極電流迅速上升，超過擎住電流而維持可靠導通。 </p><p>　　（5）多路觸發(fā)脈沖之間應有電氣隔離　　尤其是在三相全控整流電路中各路觸發(fā)脈沖必須在電氣上隔離。</p>

21、<p>　　3.2 移相觸發(fā)電路的套數(shù) </p><p>　　a、用六套觸發(fā)電路　 由于該整流電路中有六只晶閘管，每只晶閘管需要一套觸發(fā)電路，總共需要六套。各相晶閘管的觸發(fā)互不牽制，允許觸發(fā)脈沖的移相范圍大，可達180°。不過這個優(yōu)點在這種弧焊整流器中得不到發(fā)揮，因為從空載到短路只需觸發(fā)脈沖移相90°即可。這種方案的缺點是觸發(fā)電路套數(shù)太多，各套電路參數(shù)難以達到一致，因此難以保證

22、三相電路平衡；同時又增加了電路產(chǎn)生故障的可能性。</p><p>　　用三套觸發(fā)電路 該觸發(fā)電路由正、反極性兩組三相半波電路組成，見圖5-26a。a與－a相、b與－b相、c與－c相的晶閘管的陽極電壓剛好相反，完全可以共用一套觸發(fā)電路。如下圖 </p><p>　　用兩套觸發(fā)電路 把主電路接成圖5-16b的形式即共陽極接法，各晶閘管在負半周導通），則可以采用兩套觸發(fā)電路。用一套觸發(fā)

23、電路去觸發(fā)一組三相半波可控整流電路中的晶閘管。圖5-27所示陰影部分是各相觸發(fā)脈沖的移相范圍。由圖可見，各相所要求的移相范圍是互不重疊的。所以完全可以采用一套觸發(fā)電路依次觸發(fā)各相晶閘管。 </p><p>　　d、 一套觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖 </p><p>　　3.3 移相觸發(fā)電路的電阻</p><p>　　無論用六套觸發(fā)電路、三套觸發(fā)電路，還是兩套觸發(fā)電路，對

24、于前一部分的積分微分電路都是一樣的，電路圖如下：</p><p><b>　　圖1-仿真電路</b></p><p>　　如上電路圖中，左半部分是積分電路，右半部分是微分電路，對R1進行計算，首先對電路進行分析，當R、C前面的二極管不導通時，直流電源對電容進行充電，則15V=UR+UC, 由于τ數(shù)值較大,充電過程進行緩慢，UC<< UR，于是有</p

25、><p><b>　　15V≈UR=iR</b></p><p>　　而 i=Cd UC /dt</p><p>　　所以 UC =1/R1C∫15dt</p><p>　　當充電結束的瞬間，UC

26、=15V,所以 RC=t，而2t=1/f f=50Hz C=0.22uf</p><p>　　所以 R1=100KΩ</p><p>　　對R2進行計算，在后面的電容放電， UC持續(xù)下降，直到降到0V，這段時間在理論上要經(jīng)過無限長時間UC才衰減為零值。但工程上一般認經(jīng)過3~5τ時間完成，暫態(tài)結束。</p><p>　　則有

27、 （3~5）τ=5ms</p><p>　　而 τ=R2C C=0.22uf</p><p>　　所以 R2=2KΩ</p><p>　　因此，有下列仿真電路：</p><p><

28、b>　　圖2-三套仿真電路</b></p><p><b>　　圖3-六套仿真電路</b></p><p><b>　　圖4-二套仿真電路</b></p><p><b>　　四、電路選擇及原理</b></p><p>　　要求我們組選擇三套觸發(fā)電路，電路圖如

29、下：</p><p><b>　　圖5電路原理圖</b></p><p>　　圖6理論觸發(fā)脈沖波形圖</p><p>　　積分電路RC串聯(lián)輸入矩形脈沖電壓，在電容上輸出電壓，積分電路的條件為：</p><p>　　取電容兩端電壓為輸出電壓。</p><p>　　2、時間常數(shù)τ遠大于矩形脈沖寬度t。

30、</p><p>　　在電子技術中常需要將矩形脈沖信號變?yōu)殇忼X波信號，作為掃描電壓使用。</p><p>　　當輸入矩形脈沖電壓由零跳變到U時，電容器開始充電，由于時間常數(shù) τ很大，電容器兩端電壓UC在0~t這段時間內緩慢增長，UC還沒有達到U，矩形脈沖電壓已由U跳變到0，電容器通過電阻緩慢放電，UC逐漸下降，在輸出端得到一個近似鋸齒形波的電壓。波形如上圖中的U4和U5。</p>

31、;<p>　　微分電路與積分電路條件相反，RC串聯(lián)輸入矩形脈沖電壓，在電阻上輸出電壓，矩形脈沖電壓的幅值為U，脈沖寬度為t，脈沖周期為T。</p><p>　　在t=0至t這段時間內，電源對電容充電；t在下一段時間內，電容通過電阻放電。RC微分電路必須滿足以下兩個條件：</p><p><b>　　在電阻上輸出電壓。</b></p><

32、;p>　　RC充放電時間常數(shù)τ遠小于矩形脈沖寬度t。</p><p>　　由于電容兩端電壓不能突變，且τ<<t，則U0≈UR=U,則在t之前，電容充電過程很短，即電容兩端電壓很快為U，電阻兩端電壓很快下降到0；在時間t時刻，電容通過電阻放電，同樣，由于τ很小，在下一個脈沖電壓到來之前，電容放電很快結束，輸出電壓為兩個極性相反的尖端脈沖電壓。在脈沖電路中，常應用微分電路把舉行脈沖轉變?yōu)榧饷}沖，常常

33、作為觸發(fā)信號。波形如上圖中U8和U9。</p><p>　　下面是我模擬的電路中個點的波形如圖：</p><p>　　圖7-1點處電路仿真波形</p><p>　　圖8-2點處電路仿真波形</p><p>　　圖9-3點處電路仿真波形</p><p>　　圖10-4點處電路仿真波形</p><p&g

34、t;　　圖11-5點處電路仿真波形</p><p>　　圖12-6點處電路仿真波形</p><p>　　圖13-7點處電路仿真波形</p><p>　　圖14-8點處電路仿真波形</p><p>　　圖15-9點處電路仿真波形</p><p>　　圖16 a+輸出電路仿真波形</p><p>　

35、　圖17 a-輸出電路仿真波形</p><p>　　圖18-a+a-c+c-的輸出</p><p>　　b、c的仿真電路與a的相同，a、b、c之間波形相位相差120?。</p><p><b>　　五、報告總結</b></p><p>　　晶閘管弧焊整流器具有以下主要特點：</p><p>　?。?/p>

36、1）、控制性能好 晶閘管可以用較小功率的觸發(fā)信號，實現(xiàn)對大功率整流器的輸出控制。與弧焊發(fā)電機、磁放大器式弧焊整流器相比，其電流電壓控制范圍大，有利于對焊接參數(shù)進行控制，保證參數(shù)穩(wěn)定。</p><p>　?。?）、動特性好，響應速度快 它與弧焊發(fā)電機和磁放大器式弧焊整流器相比，內部電感要小得多，系統(tǒng)時間常數(shù)可達十幾毫秒，具有電磁慣性小、響應速度快的特點。其動態(tài)特性可以采用電子電抗器加以控制調節(jié)。</p&

37、gt;<p>　?。?）、調節(jié)特性好 晶閘管弧焊整流器通過不同的反饋方式，實現(xiàn)對弧焊電源外特性形狀的任意控制，焊接電流、電壓可在較寬的范圍內進行調節(jié)，并易于實現(xiàn)網(wǎng)壓補償。而且與磁放大器式弧焊整流器相比，可輸出較小的焊接電流，易于實現(xiàn)脈沖焊接與薄板焊接。</p><p>　　（4）、節(jié)能、省材 與弧焊發(fā)電機和磁放大器式硅弧焊整流器相比，可以節(jié)省材料、減輕質量、節(jié)約能源。 </p>

38、<p>　　晶閘管式弧焊整流器的輸出電壓、電流存在脈動和諧波問題，隨著輸出電壓的降低，波形脈動和諧波成分將愈來愈大。但是我們可以采取并聯(lián)高壓引弧電源、并聯(lián)二極管和限流電阻構成維弧電路、采用直流電抗器、選擇合適的整流電路等加以解決。</p><p>　　晶閘管電路是電力電子電路常用電路之一，也是電焊機中的重要元件，在生產(chǎn)，生活中應用非常廣泛，是一弱強電電路的過渡的橋梁。要使晶閘管開始導通，必須有足夠能量的