1、4.1 直流弧焊發(fā)電機的基本原理和分類4.2 典型直流弧焊發(fā)電機4.3 硅弧焊整流器的組成和分類4.4 普通硅弧焊整流器4.5 磁放大器式弧焊整流器4.6 交直流兩用及脈沖式硅弧焊整流器1主要內(nèi)容本章介紹直流弧焊發(fā)電機、硅弧焊整流器的組成和分類，結(jié)構(gòu)特點，基本工作原理，重點分析它們?nèi)绾潍@得的外特性形狀和調(diào)節(jié)特性。簡介內(nèi)燃驅(qū)動的弧焊發(fā)電機、簡單的硅弧焊整流器、交直流兩用式和脈沖式硅弧焊整流器及有關(guān)典型產(chǎn)品等。2 硅弧焊整流器的特點： 硅弧焊整流器在單相或三相變壓器的基礎(chǔ)上，以硅二極管作為整流元，將交流電整流成直流電。它與直流弧焊發(fā)電機相比有以下優(yōu)點： （1）易造好修、節(jié)省材料、減輕重量、降低成本

2、、提高效率。 （2）無動力機和發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)動部分，噪聲小。 （3）磁放大器式硅弧焊整流器改變了機械調(diào)節(jié)方式，采用電磁控制方式。 （4）易于獲得不同形狀的外特性，以滿足不同焊接工藝的要求。同時，也可以實現(xiàn)交直流兩用和脈沖焊接。34.1.1 基本原理 通常稱之為直流弧焊電機的，是指由一臺電動機(或柴油、汽油驅(qū)動的其他原動機)和弧焊發(fā)電機組成的機組。在弧焊電源學(xué)習(xí)中，主要討論它的發(fā)電機部分。它基于一般發(fā)電機原理，為滿足弧焊工藝要求而有其特殊結(jié)構(gòu)和電氣性能。 目前弧焊發(fā)電機主要用于焊條電弧焊、埋弧焊和鎢極氬弧焊，因此需具有下降的外特性。此外，也需具有良好的調(diào)節(jié)性能和動特性。 獲得下降外特性有以下幾種

3、辦法: 1. 在電樞電路中串聯(lián)鎮(zhèn)定電阻 如圖4-1所示，Rz即鎮(zhèn)定電阻器，發(fā)電機本身外特性是近于平的，即 UaEU0。負(fù)載電壓Uf與負(fù)載電流If(亦即電樞電流Ia)的關(guān)系是 由上式可知，當(dāng)If增大將引起電阻壓降增大，并Uf使小而得到下降外特性。改變Rz值可調(diào)節(jié)外特性。這種方法的缺點是能量損耗大，只用于多站式直流弧焊發(fā)電機。例如AP-1000型多站弧焊發(fā)電機本身具有平的外特性，配備6個鎮(zhèn)定電阻箱則可供6名焊工同時施焊。Uf=U0-IfRz=E-If(Ra+Rz)=U0-If(Ra+Rz)圖4-1 串聯(lián)鎮(zhèn)定電阻的電路 2改變磁極磁通 由式（4-1）可知，電樞電動勢E與成正比，因而只要設(shè)法讓隨I的增

4、大而減小，就可獲得下降外特性。 只要去磁作用與負(fù)載電流成正比，就可以等效為在電樞串聯(lián)了電阻。這樣既可獲得下降外特性又不增加能量損耗。 4.1.2 分類 1. 根據(jù)產(chǎn)生去磁磁通的不同方法分類 （1）差復(fù)勵式（用串聯(lián)繞組去磁）。 （2）裂極式（用電樞反應(yīng)去磁）。 （3）換向極去磁式（用換向極繞組去磁）。 2. 按原動機不同分類 （ 1 ）直流弧焊發(fā)電機 它以三相異步電動機為原動機。電動機與發(fā)電機同軸共殼組成一體化結(jié)構(gòu)。例如AX1-500型弧焊發(fā)電機，其外形如圖4-2所示。 ( 2 ) 直流弧焊柴(汽)油發(fā)電機 它用柴油機或汽油機驅(qū)動發(fā)電機，可組裝成汽車式，用汽車的發(fā)動機驅(qū)動一臺或兩臺發(fā)電機。如圖4

5、-3所示為AXQ2-2250型直流弧焊汽油發(fā)電機的外形照片，它由輕便型越野車驅(qū)動兩臺弧焊發(fā)電機。圖4-2 AX1-500型弧焊發(fā)電機外形圖圖4-3 AXQ2-2250型直流弧焊汽油發(fā)電機外形圖4.1 直流弧焊發(fā)電機的基本原理和分類4.2 典型直流弧焊發(fā)電機4.3 硅弧焊整流器的組成和分類4.4 普通硅弧焊整流器4.5 磁放大器式弧焊整流器4.6 交直流兩用及脈沖式硅弧焊整流器8 本節(jié)介紹差復(fù)勵式及換向極式弧焊發(fā)電機的基本原理，結(jié)構(gòu)、性能特點、電流調(diào)節(jié)方式及應(yīng)用。差復(fù)勵式弧焊發(fā)電機一般用串聯(lián)去磁繞組以獲得下降外特性，但勵磁繞組有它勵與并勵之分，將分述于下。另外，簡單介紹新型內(nèi)燃機驅(qū)動的直流弧焊發(fā)

6、電機等發(fā)展。 4.2.1 它勵差復(fù)勵式弧焊發(fā)電機4.2.1.1 工作原理 它的原理如圖4-4所示。 為它勵繞組，WE 為串聯(lián)去磁繞組、二者產(chǎn)生的磁通與方向是相反的。 圖4-4 它勵差復(fù)勵式弧焊發(fā)電機原理圖 (4-5) （3）短路 這時Uf=0，If=Iwd ，根據(jù)上面對空載和負(fù)載狀態(tài)的分析，可得到 實際上，可以認(rèn)為 ，故得 （4-6）4.2.1.2 規(guī)范調(diào)節(jié) 由于 （1）改變Ip 只要調(diào)節(jié)圖4-4它勵電路中的電阻Rp即可改變Ip，U0和If，外特性的變化如圖4-5所示。此種調(diào)節(jié)方法可作為細(xì)調(diào)。 （2）改變Rb 即改變串聯(lián)繞組的匝數(shù)NE。當(dāng)NE增大，串聯(lián)繞組去磁作用增強，外特性變陡而空載電壓不變

7、，見圖4-6。此種調(diào)節(jié)方法只能作為粗調(diào)。 只用前一方法時，If 減小，伴隨著U0的降低將不利于引弧和穩(wěn)弧，以致調(diào)節(jié)范圍有限，故需配合以后一方法來擴大電流調(diào)節(jié)范圍。圖4-5 改變Ip的外特性 圖4-6 改變NE的外特性 可知調(diào)節(jié)電流的方法有：4.2.2 內(nèi)燃驅(qū)動的新型弧焊發(fā)電機簡介 傳統(tǒng)的電動機驅(qū)動的弧焊發(fā)電機已經(jīng)逐漸遭到淘汰，特別是在沒有電網(wǎng)和野外環(huán)境下，內(nèi)燃驅(qū)動弧焊發(fā)電機成為主要的應(yīng)用。從本質(zhì)而言，兩者只是原動機的不同，其它部分的原理是相同的。隨著近年來技術(shù)的發(fā)展，燃油（汽、柴油）驅(qū)動的新型弧焊發(fā)電機得到了迅速發(fā)展。如圖4-7所示，為這種新型弧焊電源產(chǎn)品。 圖4-7新型內(nèi)燃驅(qū)動弧焊發(fā)電機 在

8、這類新型弧焊發(fā)電機產(chǎn)品中，原動機為柴油或汽油發(fā)動機，發(fā)電機則為平特性，即采用普通發(fā)電機原理。通過整流、斬波或逆變、直流濾波輸出等環(huán)節(jié)，以滿足焊接工藝要求。外特性和參數(shù)調(diào)節(jié)都是通過電子控制實現(xiàn)的，大大降低了整機的重量和體積，提高了效率?？梢缘玫较陆岛推降牟煌馓匦暂敵?，不僅能用于直流焊接，也能用于交流和脈沖電流焊接。 表4-1給出了一種內(nèi)燃驅(qū)動H700管道焊接工作站的技術(shù)參數(shù),它具備焊條電弧焊、TIG焊和氣體保護(hù)焊功能,可供兩個單元焊接。注意,它可以單獨或同時使用,輸出電流分別為500A和350A。電源焊接方式焊條電弧焊氬弧焊半自動焊空載電壓/V707070焊接電壓/V單2240/雙2234單1

9、230/雙1224單16.539/雙16.531.5焊接電流/A單50500/雙50350單50500/雙50350單50500/雙50350負(fù)載持續(xù)率60%發(fā)電機功率40kW勵磁方式無刷勵磁輸出電壓交流380V頻率50Hz相數(shù)三相/單相發(fā)動機燃油柴油功率額定功率45kW/最大功率50kW額定轉(zhuǎn)速/(r/min)1500起停方式智能控制系統(tǒng)報警方式水溫/ 油壓/ 柴油機轉(zhuǎn)速/ 燃油油位表4-1內(nèi)燃驅(qū)動H700管道焊接工作站油箱容量/L70冷卻方式水冷整機尺寸/m量/kg1250防護(hù)/絕緣級別IP23/B搬運方式頂部吊鉤/底部叉車插槽4.1 直流弧焊發(fā)電機的基本原理和分

10、類4.2 典型直流弧焊發(fā)電機4.3 硅弧焊整流器的組成和分類4.4 普通硅弧焊整流器4.5 磁放大器式弧焊整流器4.6 交直流兩用及脈沖式硅弧焊整流器154.3.1 硅弧焊整流器的組成 為了獲得脈動小，較平穩(wěn)的直流電，以及使電網(wǎng)三相負(fù)荷均衡，通常都采用三相整流電路。其組成，如圖4-8所示。 圖4-8 硅弧焊整流器的組成16 1. 主變壓器 它的作用是降壓，把三相380V電壓降至所要求的空載電壓。 2. 電抗器 可以是交流電抗器或磁放大器（磁飽和電抗器）。當(dāng)主變壓器為增強漏磁式或當(dāng)要求得到平外特性時，則可不用電抗器。它是用以控制外特性形狀并調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)的。 3. 整流器 其作用是把三相交流電

11、整流成直流，常采用三相橋式電路。 4. 輸出電抗器 它是接在直流焊接電路中的直流電感（由帶空氣隙的鐵心和線圈構(gòu)成）。其作用主要是改善和控制動特性，其次是濾波。174.3.2 硅弧焊整流器的分類 根據(jù)在其中有無電抗器，可分為兩類：無電抗器的硅弧焊整流器和有電抗器的硅弧焊整流器。1. 無電抗器的硅弧焊整流器 按主變壓器的結(jié)構(gòu)不同又可分為： （1）主變壓器為正常漏磁 這類電源的外特性是近于水平的，主要用于CO2氣體保護(hù)焊及其它熔化極氣體保護(hù)焊。按調(diào)節(jié)空載電壓的方法不同又分為：抽頭式、輔助變壓器式和調(diào)壓器式。 （2）主變壓器為增強漏磁 這類電源由于主變壓器增強了漏磁，因而無需外加電抗器即可獲得下降外特

12、性并調(diào)節(jié)焊接參數(shù)。按增強漏磁的方法不同，可分為動線圈式、動鐵心式和抽頭式。182. 有電抗器的硅弧焊整流器 這類硅弧焊整流器所用的電抗器都是磁放大器式的。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點不同又可分為： （1）無反饋磁放大器（或稱為磁飽和電抗器）式硅弧焊整流器； （2）有反饋磁放大器式硅弧焊整流器。 根據(jù)磁放大器的反饋形式，后者又主要包括外反饋磁放大器式、全部內(nèi)反饋磁放大器（自飽和電抗器）式和部分內(nèi)反饋磁放大器（內(nèi)橋自飽和電抗器）式硅弧焊整流器等。19 從硅弧焊整流器的組成分析中可知，無電抗器的硅弧焊整流器是在弧焊變壓器的原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，屬于比較簡單的硅弧焊整流器。而有電抗器的硅弧焊整流器，磁放大器式部分是

13、我們所不熟悉的，因而將作為本章的重點進(jìn)行討論。同時,前者對焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)屬于機械控制方法，往往需要通過調(diào)節(jié)動鐵心、動線圈或者抽頭實現(xiàn)；后者則屬于電磁控制方法，對其外特性、參數(shù)調(diào)節(jié)和電流波形控制的靈活性有所發(fā)展。4.1 直流弧焊發(fā)電機的基本原理和分類4.2 典型直流弧焊發(fā)電機4.3 硅弧焊整流器的組成和分類4.4 普通硅弧焊整流器4.5 磁放大器式弧焊整流器4.6 交直流兩用及脈沖式硅弧焊整流器20 這一類所謂普通硅弧焊整流器指的是無交流電抗器（磁放大器）的硅弧焊整流器。雖然磁放大器式弧焊整流器比其他形式的弧焊整流器具有控制方便的特點，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且重量大、用料多。因此生產(chǎn)中也常用這種簡單的的

14、硅弧焊整流器。4.4.1 動鐵心式弧焊整流器 21 國內(nèi)的三相動鐵心式弧焊整流器，型號為ZX-320，只有少數(shù)廠家生產(chǎn)。ZX-320弧焊整流器的電路原理如圖4-9所示。它主要由三相鐵心式主變壓器T、硅整流元件組VD16及輸出電抗器LK組成。圖4-9中MF是風(fēng)扇電動機，H是指示燈，RS和A是分流器和直流電流表，C16和R16對元件起到過電壓保護(hù)作用。 主變壓器示意圖如圖4-10所示。它采用三柱式鐵心，在窗口中放入兩個動鐵心，可在窗口內(nèi)移進(jìn)或移出。動鐵心的作用與弧焊變壓器中的相同，即增加漏磁，獲得下降特性，如圖4-11所示。它適合作焊條電弧焊直流電源等。圖4-9 ZX-320動鐵心式弧焊整流器電路

15、原理圖 22圖4-10 ZX-320動鐵心式主變壓器 圖4-11 ZX-320電源外特性 23 輸出回路中串聯(lián)有輸出電抗器LK，為帶鐵心的電抗繞組，其作用是：第一，減小輸出電流的脈動，起濾波作用；第二，限制短路電流增長速度，減小瞬態(tài)短路電流峰值，即改善動特性的作用。 由于主變壓器三相漏磁條件不同，存在三相電流的不平衡，有振動和噪音問題。三相對稱磁分路動鐵心式變壓器制造比較復(fù)雜，難于保證三相電壓和電流平衡，因而有的動鐵式弧焊整流器只好采用單相動鐵式弧焊變壓器和橋式整流，并用輸出電抗器濾波。 主要由增強漏磁的三相動繞組式弧焊變壓器和三相橋式整流器組成，國產(chǎn)動線圈式弧焊整流器有ZXG1型和ZXG6型

16、。由于弧焊變壓器漏抗很大。故可獲得下降外特性。調(diào)節(jié)一、二次繞組之間的距離，即可改變漏抗的大小，從而調(diào)節(jié)電流。由于外特性較為陡降，動繞組式弧焊整流器適用于手弧焊、鎢極氬弧焊、等離子弧焊。244.4.2 動繞組式弧焊整流器 三相動繞組式弧焊變壓器的結(jié)構(gòu)如圖4-12所示。圖a所示為鐵心，三個心柱和上下軛構(gòu)成三棱柱形。這種立體結(jié)構(gòu)優(yōu)于一般平面結(jié)構(gòu)，其三相磁路平衡，可使三相電流平衡，從而整流電流平穩(wěn)。圖b所示為可移動繞組及其傳動機構(gòu)，一般是移動一次繞組，因其導(dǎo)線比二次的細(xì)、軟。搖動手柄則一次繞組沿絲杠移動，即可調(diào)節(jié)電流。其二次繞組是靜止不動的。 圖4-12三相動線圈式弧焊變壓器 a) 鐵心b) 繞組及其

17、傳動機構(gòu)25圖4-13 ZXG1-400弧焊整流器電路 圖4-14 ZXG1-400電源外特性 與磁放大器式相比，它的結(jié)構(gòu)及線路簡單，節(jié)省原材料，質(zhì)量較輕。其電磁慣性與弧焊變壓器相近，動特性很好，飛濺較少，因而一般可不用輸出電抗器。它的缺點是：由于繞組可動，使用時有輕微的振動和噪聲，不易于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)，不便于進(jìn)行電網(wǎng)電壓補償?shù)取?國產(chǎn)動線圈式弧焊整流器有ZXG1型和ZXG6型，例如ZXG1-160、ZXGl-250和ZXGl-400型。ZXG6-300型鐵心為三角形，結(jié)構(gòu)與ZXG1有所不同?，F(xiàn)以ZXGl-400型為例介紹，電路如圖4-13所示。當(dāng)將一、二次繞組靠近而調(diào)到大電流時，可讓二次繞組

18、部分套入一次繞組。這樣可擴大電流調(diào)節(jié)范圍而不必分檔，又可減小繞組之間的最大推斥力。弧焊電源外特性如圖4-14所示。 該弧焊電源裝有獨特的“浪涌電路”，由變壓器的繞組、二極管VD7，和電阻R2組成，并聯(lián)在焊機的輸出端。繞組兩端的電壓為14V，低于弧焊電源的空載電壓和工作時的電弧電壓，故在空載和焊接時VD7能被反向偏置，使電路對焊接無影響。當(dāng)引弧和熔滴過渡而使弧隙短路時，VD7導(dǎo)通，繞組向弧隙輸出浪涌電流，以助引弧和熔滴過渡。浪涌電流分弱、中、強三檔，供不同焊接位置、不同焊條直徑時選用。274.4.3 抽頭式弧焊整流器 其基本電路見圖4-15，由主變壓器T、整流器UR和輸出電抗器LK組成。與前述弧

19、焊整流器相比，其主變壓器有所不同，它是正常漏磁的一般三相降壓變壓器。所以漏抗很小，可以獲得近于水平的外特性，如圖4-16所示。為了調(diào)節(jié)輸出電壓，在一次繞組上設(shè)有許多抽頭，以便改變一次繞組匝數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在抽頭式弧焊整流器中，輸出電抗器是必不可少的。抽頭式弧焊整流器的特點和應(yīng)用范圍是： (1) 結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省材料，易于制造，使用可靠。 (2) 具有平外特性，空載電壓較低與電弧電壓近于相等，有時難以引弧。 (3) 調(diào)節(jié)電壓是有級的，且不宜在負(fù)載的情況下調(diào)節(jié)，也不能遙調(diào)。 (4) 對電網(wǎng)電壓波動的影響不能采取補償措施。 這種弧焊電源主要用于細(xì)絲CO2焊。因其簡易、經(jīng)濟(jì)、可靠而易于推廣，得到了廣泛應(yīng)用。

20、國內(nèi)外都有這種類型產(chǎn)品，弧焊電源簡單，只是要與送絲電路等配合使用即可。 28圖4-15 抽頭式弧焊整流器的組成圖4-16 抽頭式弧焊整流器的外特性2930 在抽頭式弧焊整流器中，輸出電抗器是必不可少的。因為這種弧焊整流器主要用于二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，要用輸出電抗器控制短路電流增長速度，以減少金屬熔滴的飛濺和改善焊縫成形。 抽頭式弧焊整流器的特點和應(yīng)用范圍是: 1) 結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省材料，易于制造，使用可靠。 2) 具有平的外特性，空載電壓較低并與電弧電壓近于相等，有時難以引弧。 3) 調(diào)節(jié)電壓是有級的，且不宜在負(fù)載的情況下調(diào)節(jié)，也不能遙調(diào)。 4) 對電網(wǎng)電壓波動的影響不能采取補償措施。 這種弧焊電

21、源主要用于細(xì)絲二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，因其簡易、經(jīng)濟(jì)、可靠而易于推廣，得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外都有這種類型產(chǎn)品，電源簡單，只是要與送絲電路等配合使用即可。例如國產(chǎn)的NBC-250B型號的某種抽頭式CO2焊機，其一次繞組采用一個三相組合開關(guān)配合換檔，調(diào)節(jié)級數(shù)為9級，空載電壓為2142V，焊接電壓為1727V，功率8.1kVA，可適用直徑0.81.2mm焊絲焊接。4.1 直流弧焊發(fā)電機的基本原理和分類4.2 典型直流弧焊發(fā)電機4.3 硅弧焊整流器的組成和分類4.4 普通硅弧焊整流器4.5 磁放大器式弧焊整流器4.6 交直流兩用及脈沖式硅弧焊整流器32 磁放大器是一種常用的電磁控制元件。在磁放大器式硅弧焊

22、整流器中，磁放大器是其中的一個主要部件，利用它可以使弧焊整流器獲得所需要的外特性(下降特性或平特性) ，并用來相應(yīng)地控制和調(diào)節(jié)焊接電流或焊接電壓，因而對弧焊整流器的性能有重要的影響。本節(jié)首先介紹磁放大器的基本原理，然后對無反饋磁放大器式弧焊整流器進(jìn)行分析，并著重說明其具有下降特性的原理。4.5.1 磁放大器原理1. 磁放大器的基本單元 眾所周知，鐵磁材料的磁化曲線（BH曲線）具有非線性，如圖4-17所示。磁導(dǎo)率不是常數(shù)，而是隨磁場強度H的變化而變化。實際上，磁放大器就是利用鐵磁材料的這種特性來實現(xiàn)電流放大和控制作用的。 最簡單的單鐵心式磁放大器結(jié)構(gòu)如圖4-18所示，由鐵心、直流控制繞組WC和交

23、流工作繞組WA所組成。圖4-17 磁化曲線 圖4-18 磁放大器的基本單元 交流繞組加上交流電壓U后，經(jīng)過負(fù)載流過電流I a，其有效值可表示為 式中，U為交流電壓有效值；R 為交流電路總電阻；Z 為交流電路總阻 ；X為交流繞組的感抗X=L,為角頻率，L為交流繞組的電感。感抗X可用下式計算 式中，N為交流繞組匝數(shù)；S為磁路面積；lm為磁路平均長度；為導(dǎo)磁率。圖4-19 單鐵心磁放大器的交流電路 在磁放大器式硅弧焊整流器中，利用磁放大器可以控制電源外特性，這又是如何實現(xiàn)的呢？其實原理相同，以圖4-19所示的具有單鐵心磁放大器的交流電路說明。如4-24所示，交流電路的平衡方程式是： 式中，是交流電流

24、iA(在這里iA=if)通過WA時在鐵心內(nèi)產(chǎn)生的交變磁通。如圖4-19所示,交流電路的平衡方程式是 Uf =U0-UL (4-13) 式中，U0為電源交變電壓；Uf為負(fù)載電壓；UL為WA兩端的感抗壓降。 當(dāng)If增大時，如果(A的變化幅值)和UL成正比地增大，使Uf隨之減小而獲得陡降外特性；反之，如果和UL保持一定值而不明顯增大，則Uf不隨If變化而獲得平特性。 根據(jù)鐵磁材料的磁化曲線，當(dāng)磁場強度H增大時，鐵心將由不飽和漸漸變得飽和，即由大變小，磁阻則由小變大，因而交流繞組的等效電感減小。只要控制鐵心的磁狀態(tài)，即令其工作于磁化曲線的不同線段上，以致在相同的iANA作用下產(chǎn)生不同的和電壓降，從而可

25、以控制外特性。 鐵心的磁狀態(tài)控制。由磁放大器結(jié)構(gòu)得知，它是由交流磁動勢iANA和直流磁動勢IcNc共同磁化的。IcNc確定了在磁化曲線上起始工作點，再疊加上不同波形、不同幅值的交流磁勢iANA,即確定了在磁化曲線上的工作范圍。Uf=U0-UL圖4-20 磁放大器對外特性的控制2. 雙鐵心式磁放大器 只用一個磁放大器基本單元時，會產(chǎn)生如下問題： （1）交變電流會在匝數(shù)較多控制繞組中感應(yīng)出較高電勢，影響磁放大器正常工作。 （2）交流磁通在正負(fù)半波分別與直流控制磁通相加或相減，使交流電流波形發(fā)生畸變，會產(chǎn)生直流分量，增加變壓器的激磁電流。 因此在結(jié)構(gòu)上有必要改進(jìn)，通常采用雙鐵心式磁放大器可以解決上述

26、問題。 如圖4-21所示為其結(jié)構(gòu)圖，圖4-21a為兩個單鐵心式磁放大器，其WA及WC各自串聯(lián)，圖b的不同之處僅在于WA是并聯(lián)聯(lián)接。它們聯(lián)接的原則都是當(dāng)采用兩個鐵心與繞組后，在直流繞組中的交流感應(yīng)電動勢相互抵消。圖4-21 無反饋雙鐵心式磁放大器原理圖a）交流繞組串聯(lián) b）交流繞組并聯(lián) 雙鐵心式磁放大器除有4-21圖所示的結(jié)構(gòu)形式之外，還可將兩個鐵心并在一起共用一個控制繞組WC，WA的接法如圖4-22所示。此時，由于WA采用同名端“頭頭”或“尾尾”相連的接法，兩個鐵心中的A以相反的方向穿過WC，所以在WC中也不會有交流電勢。雙鐵心式磁放大器在電路中的作用同單鐵心式。圖4-22 控制繞組共繞的磁放

27、大器4.5.2 典型磁放大器式硅弧焊整流器1. 無反饋磁放大器式硅弧焊整流器 無反饋磁放大器式弧焊整流器的原理電路如圖4-23所示，它主要由三相正常漏磁式平特性變壓器、三相無反饋磁放大器、硅整流元件和輸出電抗器組成。與普通三相全波整流電路的不同，就是在電路中設(shè)置有磁放大器（AM）。每相的兩個交流工作繞組是串聯(lián)接法(當(dāng)然也可以接成并聯(lián))。圖4-23 無反饋磁放大器式硅弧焊整流器原理圖圖4-24 三相無反饋磁放大器結(jié)構(gòu)圖 每相可以各有一個WC繞組，這時各相的結(jié)構(gòu)及繞組接法將如圖4-24所示。但也可以如圖4-29所示的控制繞組三相共繞，使結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省銅線。 在不同控制電流下和負(fù)載變化下面通過分析每

28、相交流繞組工作情況，主要是鐵心磁化曲線上起始工作點和工作范圍的變化，來說明其原理。 (1) 當(dāng)Ic=0時 控制電流Ic=0時，無控制磁通，即C=0。兩個鐵心中只有交流繞組電流產(chǎn)生的磁通A ，由于兩鐵心材料、尺寸和匝數(shù)相同，所以兩個基本單元的工作情況完全相同。圖4-25所示為鐵心的磁化曲線，鐵心起始工作點為原點。在負(fù)載電阻Rf 較大、負(fù)載電流If很小時，交流繞組的電流幅值也很小，此時鐵心不飽和。因此，兩個鐵心中的磁通變化幅度隨著Rf減小、If 增加，而迅速增加，交流繞組上的壓降將隨之增加，因而Uf迅速降低，外特性曲線很陡，如圖4-26所示的外特性曲線1。隨著Rf的進(jìn)一步減小，負(fù)載電流和交流繞組電

29、流進(jìn)一步增加，直到鐵心接近飽和后，由于磁化曲線的非線性使磁通變化較慢，因而Uf降低也較慢，故外特性出現(xiàn)一定的外拖緩降段。 (2) 當(dāng)Ic0時 Ic0時由磁動勢IcNc產(chǎn)生控制磁通C，磁化曲線上鐵心起始工作點為P0。如每相交流正半波時在兩個鐵心中分別產(chǎn)生磁通：1=A+C,2 =A-C；負(fù)半波時則反之?？傊?，上半波在某一鐵心中出現(xiàn)的情況，下半波在另一鐵心中重現(xiàn)。因此，可通過研究某一半波中兩個鐵心磁通的變化量，得知輸出電壓與電流的關(guān)系。圖4-25 無反饋磁放大器的磁狀態(tài)圖4-26 無反饋磁放大器的外特性 當(dāng)Rf較大，交流繞組中的工作電流較小時，磁放大器兩個鐵心的工作點分別從P0點移動到a1和b1，但

30、仍都處于飽和區(qū)，因而對應(yīng)的磁通變化總量1很小，兩交流繞組總壓降也較少，這段外特性也就較平緩，如圖4-26所示的外特性曲線2平頂段。若Rf 減小，負(fù)載電流增加，交流繞組電流也增加，相應(yīng)地引起磁通變化量增加。當(dāng)Rf進(jìn)一步減小，電流增大，則磁放大器鐵心在磁化曲線上的工作段左端點向非飽和區(qū)深入(圖4-25中a1和a3，對應(yīng)于去磁鐵心)，磁通變化總量和感抗壓降隨之顯著增大，使外特性曲線很陡。當(dāng)負(fù)載短路時，整流輸出電壓為零，弧焊電源空載電壓將全部降落在兩交流繞組中。 再設(shè)Ic繼續(xù)增大，則起始工作點P0往右移，即更加深入飽和區(qū)，則只有更大的If才能使工作段跨入非飽和區(qū)，而使外特性轉(zhuǎn)入陡降段，故在圖4-26中

31、外特性的陡降段往右移，如曲線3。由此可知，無反饋磁放大器交流繞組感抗壓降隨著負(fù)載電流的增加而增加。當(dāng)負(fù)載電流增加到兩個鐵心中的去磁鐵心脫離飽和狀態(tài)后，如果負(fù)載電流再繼續(xù)稍有增加，磁通變化和感抗壓降顯著增加，輸出電壓急劇下降。因此，這種電源的外特性曲線是很陡的。 正常工作時,該弧焊電源工作于外特性曲線的陡降部分上，是兩個交流繞組中鐵心不飽和的在起作用。又假定磁放大器鐵心材料的磁化曲線接近于理想化曲線，磁化曲線非飽和區(qū)的安匝很小，故有下面等安匝關(guān)系 Ic Nc-If NA0 ( 4-14) If = Ic Nc/NA (4-15) 上式即為無反饋磁放大器的控制特性或稱調(diào)節(jié)特性。上述關(guān)系表示為圖4-

32、27所示的直線1，即If隨Ic直線增大。其斜率即比值Nc/NA稱為電流放大倍數(shù)KI。 KI=Nc /NA (4-16)圖4-27 無反饋磁放大器的調(diào)節(jié)特性 國產(chǎn)的無反饋磁放大器式硅弧焊整流器有ZXG7-300、ZXG7-500型,用于焊條電弧焊。還有ZXG7-300-1型，用于鎢極氬弧焊和焊條電弧焊。無反饋磁放大器式弧焊整流器可獲得陡降的外特性，適合鎢極氬弧焊機應(yīng)用。但由于短路電流太小，引弧不易，不宜用于焊條電弧焊，故其應(yīng)用范圍有限。此外，電流放大倍數(shù)較小，以致控制電流太大而不便于控制。 為解決上述問題以獲得平緩的外特性，可采用有反饋的磁放大器。常用的有焊接電流正反饋和電弧電壓負(fù)反饋。反饋又有

33、外反饋和內(nèi)反饋之分，前者通過外加反饋繞組對直流輸出電流或電壓進(jìn)行反饋，后者則由交流工作繞組兼起反饋作用。以下只介紹應(yīng)用較廣的全部內(nèi)反饋式和部分內(nèi)反饋式的磁放大器。2. 全部內(nèi)反饋磁放大器式弧焊整流器 無反饋磁放大器式硅弧焊整流器在輸出范圍內(nèi)之所以是陡降外特性，是因為每相兩個鐵心中有一個鐵心工作總是在不飽和狀態(tài)。如果使鐵心達(dá)到飽和狀態(tài)，保持感抗壓降為一定值，與負(fù)載電流無關(guān)，則余下的輸出電壓即焊接電壓也是定值，因而形成平特性。全部內(nèi)反饋磁放大器就是利用內(nèi)反饋使鐵心達(dá)到自飽和，從而獲得平特性的。因此，這樣的磁放大器也稱為自飽和電抗器。 全部內(nèi)反饋磁放大器式硅弧焊整流器的原理電路和各相磁放大器結(jié)構(gòu)，如

34、圖4-28所示。它與無反饋式有相同之處，都由鐵心、WC和WA組成；二者的差別主要在于WA的接法不同。各相磁放大器的兩個WA繞組的非同名端接在一起后再接交流電源，另兩端則各接一個整流元件再接負(fù)載，連接的原則是使A與C的方向一致。這樣使正半周交流電流通過一側(cè)WA繞組，而負(fù)半周則通過另一側(cè)WA繞組，每個WA繞組中的電流是方向不變的半波脈動電流。A由輸出電流If流過WA所產(chǎn)生，其作用是加強C，于是交流工作繞組WA就兼起電流正反饋繞組的作用。圖4-28 全反饋磁放大器式硅弧焊整流器的原理電路 全反饋磁放大器由于工作繞組串有二極管，使電流只能由同名端進(jìn)去，當(dāng)每相電流交變一周時每個工作繞組WA中只有半周時間

35、通電流，且所產(chǎn)生的A與C同向只起加磁作用。由于每相同時只有一個繞組通電，因而磁通變化量m應(yīng)指一個WA繞組導(dǎo)電期間電流由零增至If 時鐵心中的磁通增量。以磁化曲線上工作點狀態(tài)來定性地分析全反饋磁放大器作為控制和調(diào)節(jié)元件時能得到的外特性，結(jié)果如圖4-29和圖4-30所示。 (1) 當(dāng)Ic=0時起始工作點p0在原點，若交流工作繞組中電流If較小，則在If NA的磁化下工作于非飽和區(qū)，隨If增大，m顯著增大，電壓降很大，對應(yīng)的外特性為陡降線段。若If達(dá)到If1，使工作點最大達(dá)到a點，產(chǎn)生1m；進(jìn)一步增大If，則工作區(qū)右端點進(jìn)入飽和區(qū)，磁通變化和電壓降隨著增加得很少，使外特性轉(zhuǎn)入平緩線段。從而得到如圖4

36、-30中曲線2所示的外特性。 (2)當(dāng)Ic0時起始工作點在p 0，它較靠近磁化曲線的飽和區(qū)，當(dāng)If達(dá)到比If1為小的I f1時，工作段右端即達(dá)到a點，這時產(chǎn)生了 1m。與Ic=0的情況相比，則外特性在更小的電流下由陡降轉(zhuǎn)為平緩，如圖4-30中的曲線1所示。圖4-29 全反饋磁放大器鐵心中磁通變化圖4-30 全反饋磁放大器式硅弧焊整流器外特性 (3)當(dāng)Ic0時起始工作點在p 0，它離正向飽和區(qū)較遠(yuǎn)，要在較大的If1NA加磁之下，工作段右端才達(dá)到a點，這時的磁通變化幅度是 1m。即要在較大的電流值才產(chǎn)生外特性的轉(zhuǎn)折，如圖4-30所示的曲線3所示。 顯然,這樣就獲得了“L”形的平的外特性輸出。Ic0

37、時Uf值較大。為保證Uf能有一定的調(diào)節(jié)范圍，通常使Ic=0時外特性平緩段的Uf值約為空載電壓U0的1/2。這種平特性的弧焊整流器只用于等速送絲的熔化極氣體保護(hù)焊，焊接電流是由送絲速度來確定的，而調(diào)節(jié)弧焊電源外特性的結(jié)果是調(diào)節(jié)了電弧電壓。 全部內(nèi)反饋磁放大器整流器的控制特性(或調(diào)節(jié)特性)是指它的輸出電壓Uf與控制電流Ic的關(guān)系，即Uf=f(Ic)。前已講過，改變Ic可以改變外特性水平段電壓的大小，即調(diào)節(jié)U f 。不難理解，在一定的負(fù)載下，Uf與Ic的關(guān)系調(diào)節(jié)特性將如圖4-31中曲線1所示。 在此要注意的是，這種弧焊整流器在實際焊接應(yīng)用中工作點是取在外特性的平緩段上，而有IfNAIcNc，即不存在

38、無反饋磁放大器中的等安匝關(guān)系，不能用之以求If與Ic之間的關(guān)系。很有用的是，可以以很小的控制電流來控制很大的負(fù)載電流，即電流放大倍數(shù)KI=If/Ic比無反饋式大得多，只要空載工作點在磁化曲線的非飽和區(qū)就可以實現(xiàn)。圖4-31 全反饋磁放大器式硅弧焊整流器的調(diào)節(jié)特性圖4-32 有偏移繞組的全反饋磁放大器 全部內(nèi)反饋磁放大器式硅弧焊整流器，可用于二氧化碳或惰性氣體、混合氣體保護(hù)下的熔化極電弧焊，在國內(nèi)外都有應(yīng)用。國內(nèi)定型產(chǎn)品有ZPG1-500、ZPG1-1500、ZPG2-500和GB-500等型號。4.6.2 部分內(nèi)反饋磁放大器式弧焊整流器 這里所用的磁放大器是一類介于無反饋和全反饋之間的磁放大器

39、。按反饋方法不同，又有電阻內(nèi)橋式、繞組橋式和短路橋式之分。下面僅以電阻內(nèi)橋式為典型進(jìn)行討論。 如圖4-33所示為其基本電路，與全反饋磁放大器的差別僅在于，在兩交流工作繞組之間連接了電阻內(nèi)橋。其接線原則不變，即各相也是令A(yù)與C的方向一致，只是多3個電阻內(nèi)橋。這里仍然來定性分析這種整流器的外特性曲線形狀，即通過對各相電路的分析進(jìn)而推知三相情況，而在各相中通過分析磁放大器繞組電流，了解磁化曲線工作點、磁通和感抗壓降變化，認(rèn)識對外特性的控制作用。圖4-33 電阻內(nèi)橋部分反饋磁放大器式硅弧焊整流器當(dāng)a相電壓交變時，在正負(fù)半波內(nèi)該相各支路中電流的變化情況，如圖4-34所示。 圖4-34 每個交流繞組中電流

40、的變化情況 a)VD1導(dǎo)通時b)VD1和VD2都不導(dǎo)通時c)VD2導(dǎo)通時 圖4-34a所示為VDl導(dǎo)通的情況。這時ia分兩路:一路經(jīng)WA1形成iA1；另一路經(jīng)Rn和WA2為In，同時In=iA2。由于后一支路阻抗比前一支路的大，所以iA2小于iA1。 圖4-34b所示為VD1、VD2都不導(dǎo)通階段，這時ia=0，由WAl及WA2內(nèi)自感電勢維持In，它經(jīng)WA2、Rn、WA1構(gòu)成回路，同時In=iA1=iA2。 圖4-34c所示是VD2導(dǎo)通情況，這時ia反向并亦分兩路：一路經(jīng)WA2構(gòu)成iA2；另一路經(jīng)Rn和WAl為In，同時In=iA1。由于前一支路阻抗比后一支路的大，所以iA2大于iA1。 按照每

41、相電路的連接，正半波時，iA1使鐵心增磁,iA2使鐵心去磁，且iA2=In；負(fù)半波時，iA2使鐵心增磁，iA1使鐵心去磁，且iA1=In。因此，每個交流繞組在全波周期中的加磁電流為(If-In)，去磁電流為In，電流的變化顯然在介于無反饋與全反饋之間，內(nèi)橋電流始終存在并總是起去磁作用(負(fù)反饋)。因此，交流繞組上的磁通變化和電壓降也介于無反饋與全反饋之間，因而獲得下降特性。圖4-35 內(nèi)橋式磁放大器磁狀態(tài)圖圖4-36 內(nèi)橋磁放大器式硅弧焊整流器外特性 每相的兩個交流繞組中，在任意半波總有一個因去磁作用傾向于使鐵心不飽和。如圖4-35所示，在鐵心磁化曲線上，Ic Nc決定起始工作點。如Ic較小時，

42、起始工作點工作在非飽和區(qū)，負(fù)載電流增加時，磁通變化和電壓降較大，獲得較陡的下降特性。如Ic較大時，起始工作點工作在過渡區(qū)(接近飽和區(qū))，如負(fù)載電流較小，過渡區(qū)磁通變化仍較為顯著而獲得較陡的下降特性；隨著負(fù)載電流的增加，右邊工作點進(jìn)入了飽和區(qū)，左邊工作點仍在過渡區(qū)，獲得較為平緩的外特性；負(fù)載電流很大時，則左邊工作點進(jìn)入非飽和區(qū)，獲得較陡降的外特性。實際外特性是比較平滑的，如圖4-36所示。圖4-37 調(diào)節(jié)特性的比較 這類部分內(nèi)反饋磁放大器式硅弧焊整流器，國內(nèi)定型產(chǎn)品有ZXG-300、ZXG-400及ZXG-500等型號，以上產(chǎn)品具有下降外特性，可用作焊條電弧焊和鎢極氬弧焊(TIG焊)的直流電源。

43、另外還有可兼獲下降和平外特性的多特性弧焊整流器，定型產(chǎn)品有ZDG-500-1、ZDG-1000R、ZPG-1000等型號,可用于焊條電弧焊、埋弧焊、自動/半自動CO2焊等。 調(diào)節(jié)特性如圖4-37所示的曲線1。部分內(nèi)反饋式磁放大器中IA為不對稱交流，正半周幅值為(IfIn)，負(fù)半周幅值為In；內(nèi)橋起到負(fù)反饋去磁作用，負(fù)載電流正反饋不及全反饋式的強烈，故為部分內(nèi)反饋，其電流放大倍數(shù)也就介于無反饋和全反饋之間。曲線2為無反饋式磁放大器的調(diào)節(jié)特性。曲線1和曲線2相比，前者的變化率大和空載電流較大。通常，為擴大調(diào)節(jié)范圍和避免將Ic反向，也要采用偏移繞組。4.5.3 磁放大器式硅弧焊整流器小結(jié) 磁放大器在

44、硅弧焊整流器中是作為控制和調(diào)節(jié)元件，通過它控制外特性形狀、調(diào)節(jié)外特性，從而調(diào)節(jié)電弧電流或電弧電壓。我們知道，平特性的變壓器串聯(lián)一普通交流電抗器可得到下降的外特性。然而，同樣的變壓器串聯(lián)不同形式的磁放大器，卻可得到各種形狀的外特性。這是什么道理呢?其本質(zhì)在于一般交流電抗器磁路中有空氣隙，其磁導(dǎo)率和感抗為線性參數(shù)，而磁放大器磁路中不設(shè)空氣隙，且鐵心由交流和直流磁勢共同磁化。各種磁放大器均用控制繞組在磁化曲線的不同區(qū)域設(shè)置靜態(tài)工作點，再加上用不同波形交流電流(半波、全波、不對稱交流)的共同磁化作用，使各種磁放大器在磁化曲線上的工作區(qū)、磁狀態(tài)不同，感抗為非線性參數(shù)，因而所得外特性各異?，F(xiàn)將無反饋、全反

45、饋、內(nèi)橋內(nèi)反饋三種形式磁放大器的特點列于表4-1中，以便比較。 磁放大器式弧焊整流器在動特性方面曾存在以下問題：短路電流上升率和峰值較大，而衰減較饅，造成引弧沖擊大和熔滴飛濺嚴(yán)重；此外，從短路到負(fù)載時瞬態(tài)負(fù)載電流最小值較低，從而降低了電弧穩(wěn)定性并減弱了電弧的“挺度”和穿透力。表4-2不同磁放大器式弧焊整流器特點比較無反饋式全反饋式部分內(nèi)反饋式單相電路圖當(dāng)WA串聯(lián)時內(nèi)橋電阻Rn=0當(dāng)WA并聯(lián)時Rn=Rn為較小值無反饋式全反饋式部分內(nèi)反饋式交流繞組中電流波形示意圖反饋系數(shù)Kf=0Kf=10Kf1磁狀態(tài)示意圖（續(xù)） 磁放大器式硅弧焊整流器在動特性方面曾存在以下問題：短路電流上升率和峰值較大，而衰減較

46、慢，造成引弧沖擊大和熔滴飛濺嚴(yán)重；此外，從短路到負(fù)載時瞬態(tài)負(fù)載電流最小值較低，從而降低了電弧穩(wěn)定性并減弱了電弧的“挺度”和穿透力。原因在于磁放大器中有多個繞組，電磁慣性較大所致。為此需采取措施加以改善。其中最主要的是在主回路中串接直流輸出電抗器，用它抑制電流的變化以減小上述電流的沖擊和下跌。再加上精心設(shè)計，使上述問題得到緩解。它曾經(jīng)是一種較先進(jìn)的弧焊電源，可以滿足一般焊接工藝的要求。但由于制造時耗材多，重量和體積偏大，已愈來愈多地被逆變式等新型弧焊電源替代。電源外特性調(diào)節(jié)特性4.1 直流弧焊發(fā)電機的基本原理和分類4.2 典型直流弧焊發(fā)電機4.3 硅弧焊整流器的組成和分類4.4 普通硅弧焊整流器

47、4.5 磁放大器式弧焊整流器4.6 交直流兩用及脈沖式硅弧焊整流器63 在硅弧焊整流器類焊接電源中，不僅可以進(jìn)行直流焊接，還可以得到交流和脈沖的輸出電流波形。下面將介紹較簡單的單相交直流兩用硅弧焊整流器、單相整流式脈沖電源和磁放大器式脈沖弧焊電源。4.6.1 交直流兩用硅弧焊整流器 交直流兩用硅弧焊整流器既可以輸出直流電，也可以輸出交流電，具有下降外特性，是焊條電弧焊和鎢極氬弧焊的一種兩用電源，用來焊接碳鋼、不銹鋼及鋁、鈦等有色金屬。它的基本電路如圖4-38所示，其中T是具有下降特性的交流弧焊變壓器，UR是單相橋式整流器，LK是電抗器。64圖4-38 交直流兩用硅弧焊整流器示意圖 圖4-39

48、輸出交流焊接電流波形 用直流（DC）焊接時，把交流（AC）輸出端1、2短接，從直流輸出端提供焊接電流。 用交流（AC）焊接時，把直流（DC）輸出端短接，從1、2兩端輸出交流電。此時由于電抗器L的串入，而且L總是通直流電，對電流有濾波作用，因而使焊接電流呈梯形波。如圖4-39中所示，波形1為普通交流焊接波形，波形2為接近梯形波的焊接電流波形。過零點附近的時間很短，故容易再引弧，又因焊接電流半波接近于恒定直流，所以電弧較穩(wěn)定。國內(nèi)外都有這種交直流兩用式硅弧焊整流器。國產(chǎn)型號包括ZXG3-300-型、ZXG9-150、300、500型等。 654.6.2 單相整流式脈沖弧焊電源 單相整流式脈沖弧焊電源，常用的有并聯(lián)式、可調(diào)并聯(lián)式和阻抗不平衡式等三種。這里僅概要介紹前兩種的原理。 1. 并聯(lián)式單相整流脈沖弧焊電源 這是一種最為簡單的脈沖弧焊電源。它用一臺普通的直流弧焊電源提供基本電流，用另一臺變壓器有中心油頭的單相半波或全波整流器與其相并聯(lián)，提供脈沖電流。其電路原理示意圖，如圖4-40所示。 提供脈沖電流的單相變壓器的二次電壓通常僅為3545V，便可滿足使用的要求。半波整流的脈沖電流頻率為50Hz。當(dāng)開關(guān)S合上成為全波整流時，脈沖電流的頻率為l00Hz。如果采用晶閘管整流，還可以調(diào)節(jié)內(nèi)脈沖寬