第6章晶閘管式弧焊整流器

晶閘管式弧焊整流器是目前實(shí)際工程中應(yīng)用最多的電子控制弧焊電源之一。既有下降外特性的晶閘管式弧焊整流器，也有平緩?fù)馓匦缘木чl管式弧焊整流器。既可以用于焊條電弧焊、鎢極氬弧焊，也可以用于CO2氣體保護(hù)焊、熔化極氬弧焊等弧焊方法。本章主要內(nèi)容：1、晶閘管式弧焊整流器的構(gòu)成；2、常用的晶閘管可控整流主電路結(jié)構(gòu)及工作原理；3、晶閘管觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)及工作原理；4、實(shí)例介紹。1編輯ppt6.1概述

在20世紀(jì)60年代初，隨著大功率晶閘管的問世，出現(xiàn)了以晶閘管為整流元件的直流弧焊電源—晶閘管式弧焊整流器。晶閘管弧焊整流器由電子功率系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)組成，如圖6-1所示。電子功率系統(tǒng)又稱弧焊電源的主電路，它是由主變壓器T、晶閘管整流器UR和直流輸出電感L組成。AT為晶閘管的觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路，C為電子控制電路?？刂齐娐吠綀D6-1晶閘管弧焊整流器AT為晶閘管的觸發(fā)電路。當(dāng)要求得到下降外特性時(shí)，觸發(fā)脈沖的相位由給定電壓Ugi和電流反饋信號(hào)Ufi確定；當(dāng)要求得到平外特性時(shí)，觸發(fā)脈沖相位則由給定電壓Ugu和電壓反饋信號(hào)Ufu確定。2編輯ppt晶閘管弧焊整流器輸出電壓和電流的大小決定于整流器中晶閘管的導(dǎo)通角，晶閘管的導(dǎo)通角越大，電源輸出電壓和電流越大。晶閘管導(dǎo)通角的大小是由其觸發(fā)脈沖的相位所決定的，而觸發(fā)脈沖的相位是由電流給定信號(hào)Ugi、電壓給定信號(hào)Ugu和電流、電壓反饋信號(hào)Ufi、Ufu通過電子控制電路C得到的控制信號(hào)Uk所確定的。Uk決定著晶閘管觸發(fā)脈沖的相位，也就決定了晶閘管導(dǎo)通角的大小。Uk的變化規(guī)律決定了弧焊電源輸出電壓和電流的變化規(guī)律，通過對Uk的控制，可以控制晶閘管式弧焊整流器的輸出特性。電壓電流電流的相位時(shí)間即為觸發(fā)延遲角，電流相位可能在一個(gè)半波內(nèi)，若有電感作用就有可能超過半波，極限情況應(yīng)是3編輯ppt晶閘管式弧焊整流器具有以下特點(diǎn)：動(dòng)特性好：它與弧焊發(fā)電機(jī)和磁放大器式弧焊整流器相比，內(nèi)部電感要小得多，具有電磁慣性小、反應(yīng)速度快的特點(diǎn)?？刂菩阅芎茫河捎谒梢杂煤苄〉挠|發(fā)功率來控制整流器的輸出，并具有電磁慣性小的特點(diǎn)，因而易于控制。節(jié)能：與弧焊發(fā)電機(jī)相比，它沒有機(jī)械損耗，而且其空載電壓可以較低，其效率、功率因數(shù)較高，輸入功率較小，因而可節(jié)約電能。省料：與弧焊發(fā)電機(jī)相比，它沒有原動(dòng)機(jī)。與磁放大器式硅弧焊整流器相比，它沒有磁放大器，因而可以節(jié)省材料，減輕重量。噪聲?。号c弧焊發(fā)電機(jī)相比，因其無旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部分，噪聲明顯減小。電路較復(fù)雜：除主電路之外，還有觸發(fā)電路，使用的電子元器件較多。因而，元器件的質(zhì)量、組裝的水平等對電源使用的可靠性有很大影響。同時(shí)，這種電源對調(diào)試及維修的技術(shù)水平要求也較高。相對于弧焊變壓器和弧焊發(fā)電機(jī)而言4編輯ppt6.2三相可控整流主電路晶閘管式弧焊電源一般采用三相變壓器及晶閘管整流電（交直流兩用的晶閘管式弧焊電源大多采用單相變壓器及其整流電路）?；『刚髌鞅仨毺峁┑碗妷?、大電流，具有一定形狀的外特性，輸出的電流或電壓值要有較寬的調(diào)節(jié)范圍，波形應(yīng)連續(xù)，且脈動(dòng)要小。常用主電路結(jié)構(gòu)形式：1、三相半控橋式整流電路；2、三相全控橋式整流電路；3、六相半波可控整流電路；4、帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路。5編輯ppt6.2.1三相半控橋式整流電路圖6-2電阻性負(fù)載的三相半控橋式整流電路1.電阻性負(fù)載整流電路如圖6-2所示，具有如下的電路特點(diǎn)：1）共陰極組的晶閘管必須觸發(fā)才能導(dǎo)通；2）共陽極組的整流二極管總是在自然換相點(diǎn)（三相電源電壓的交點(diǎn)，在相電壓的交點(diǎn)ωt1、ωt2、ωt3處，均出現(xiàn)了二極管換相，即電流由一個(gè)二極管向另一個(gè)二極管轉(zhuǎn)移或稱為自然換流點(diǎn)）；3）變壓器的二次側(cè)在任何時(shí)刻總是由變壓器的兩個(gè)二次繞組、一個(gè)陽極電位最高而且由出發(fā)脈沖觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管和一個(gè)陰極電位最低的整流二極管串聯(lián)構(gòu)成電路。6編輯ppt（1）三相半控橋式電阻性負(fù)載觸發(fā)角=0o時(shí)的整流波形，如圖6-3所示（由于是電阻性負(fù)載，所以u(píng)f=ud）。相電壓波形負(fù)載電壓波形觸發(fā)脈沖時(shí)序SCR導(dǎo)通順序注意α=0o的相位與單相整流電路的區(qū)別：從自然換相點(diǎn)開始（自然換相點(diǎn)是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻，將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角

α

的起點(diǎn)，即α=0o）。圖6-3=0o電阻性負(fù)載三相半控橋式整流波形與三相不可控橋式整流電路相同，稱為全導(dǎo)通狀態(tài)。ud、id每個(gè)周期內(nèi)有6個(gè)波峰（脈動(dòng)較小，且均勻），SCR的導(dǎo)通角為120o，整流電壓平均值最大，為2.34U2（U2為T二次側(cè)相電壓的有效值）。7編輯ppt（2）三相半控橋式電阻性負(fù)載觸發(fā)角=30o時(shí)的波形，如圖6-4所示。相電壓波形負(fù)載電壓波形觸發(fā)脈沖時(shí)序SCR導(dǎo)通順序圖6-4=30o電阻性負(fù)載三相半控橋式整流波形ud、id每個(gè)周期內(nèi)有6次較大的脈動(dòng)，而且脈動(dòng)是不均勻的。8編輯ppt相電壓波形負(fù)載電壓波形觸發(fā)脈沖時(shí)序SCR導(dǎo)通順序（3）三相半控橋式電阻性負(fù)載觸發(fā)角=60o時(shí)的波形，如圖6-5所示。=60o是該電路整流電壓ud、電流波形id連續(xù)的臨界點(diǎn)，若繼續(xù)增大，則由于某一線電壓（例如uac）為零時(shí)，前一晶閘管（VH1）已關(guān)斷，而后一晶閘管（VH3）尚未受到觸發(fā)而不能導(dǎo)通，這就使波形間斷，直至下一觸發(fā)脈沖（ug3）到來時(shí)，晶閘管（VH3）才又繼續(xù)接通整流電路，ud、id恢復(fù)輸出波形?？梢?，隨著的增大，只要將圖6-5b波形圖中的垂直線部分往右移動(dòng)，即可得到不同時(shí)的波形。圖6-5=60o電阻性負(fù)載三相半控橋式整流波形9編輯ppt相電壓波形負(fù)載電壓波形觸發(fā)脈沖時(shí)序SCR導(dǎo)通順序三相半控橋式整流電阻性負(fù)載時(shí)輸出電壓平均值ud與觸發(fā)延遲角的關(guān)系為：圖6-5=60o電阻性負(fù)載三相半控橋式整流波形隨增大，ud減?。划?dāng)=0o時(shí)，ud=2.34U2；當(dāng)=180o時(shí)，ud=0。由此可見，三相半控橋式整流電路的觸發(fā)脈沖移相范圍為180o。三相橋式半控橋式整流電路在電阻性負(fù)載情況下≥60o時(shí)，ud、id波形在一個(gè)周期內(nèi)只有3個(gè)波峰，脈動(dòng)頻率f=150Hz，脈動(dòng)較大，甚至?xí)霈F(xiàn)不連續(xù)。10編輯ppt2.三相半控橋電阻電感性負(fù)載要求增加續(xù)流二極管VD7，而且只有在>60o時(shí)，續(xù)流二極管才起作用。電阻電感性負(fù)載時(shí)的三相半控橋式整流電路如圖6-6所示。其中L為直流濾波電感，而且L的電感量足夠大。該電路更接近于實(shí)際的弧焊電源整流電路。圖6-6電阻電感性負(fù)載三相半控橋式整流電路11編輯ppt三相半控橋式整流電路的特點(diǎn)：1、只用三只晶閘管和三個(gè)觸發(fā)脈沖單元，因而線路比較簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)和較易調(diào)試；2、整流變壓器為普通的三相降壓變壓器，易于制造。3、其主要缺點(diǎn)是調(diào)至低電壓或小電流時(shí)（≥60o時(shí)）波形脈動(dòng)較明顯。4、為了滿足對直流弧焊電源規(guī)定的脈動(dòng)系數(shù)的要求，需配備較大電感量的輸出電抗器。改進(jìn)方案為了解決晶閘管三相半控橋式整流電路輸出電流脈動(dòng)大和不連續(xù)的問題，除了加大輸出電抗器L外，還可以在三相半控橋式整流電路主回路中附加電路，如圖6-7所示。例如，附加不可控的三相橋式整流維弧電路AI以及高壓引弧電路AV。圖6-7附加電路的三相半控橋式整流電路12編輯ppt6.2.2三相全控橋式整流電路圖6-9三相橋式全控整流電路13編輯ppt與三相半控整流電路有什么區(qū)別呢？三相半控觸發(fā)頻率150Hz，此處為300Hz，意味著動(dòng)特性提高了?。?！圖6-10α＝0o電阻負(fù)載三相全控橋式整流電路波形a）相電壓b）負(fù)載電壓c）觸發(fā)脈沖d）管子導(dǎo)通順序三相橋1.電阻性負(fù)載14編輯ppt圖6-11三相橋式全控整流電路觸發(fā)方式雙窄脈沖出發(fā)單寬脈沖觸發(fā)15編輯ppt圖6-12α＝60o電阻負(fù)載三相全控橋式整流波形16編輯ppt圖6-13α＝90o電阻負(fù)載三相全控橋式整流波17編輯ppt當(dāng)0≤α≤π/3時(shí)，輸出電壓ud波形連續(xù)，此時(shí)有：當(dāng)α＞π/3時(shí)，輸出電壓波形發(fā)生間斷，此時(shí)有：當(dāng)α＝0o即全導(dǎo)通時(shí)，ud=2.34U2；隨著α增大，則ud減小，當(dāng)α＝120o時(shí)，ud=0?？梢姡嗳貥蚴秸麟娐吩陔娮栊载?fù)載情況下，要求觸發(fā)脈沖的移相范圍為120o。18編輯ppt圖6-14α＝90o電阻電感性負(fù)載三相全控橋式整流電壓波形2.電阻電感性性負(fù)載在0o≤α≤60o范圍內(nèi)，其工作情況及ud波形與電阻性負(fù)載時(shí)相同。但由于有L的濾波作用，id波形變得平穩(wěn)，與ud不成比例。當(dāng)電感量L較大時(shí)，id波形趨于一條水平線。在α>60o時(shí)，在電阻性負(fù)載情況下，ud、id波形都要出現(xiàn)間斷。在電阻電感性負(fù)載情況下，當(dāng)線電壓過零變負(fù)時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢仍可為已觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管提供正向陽極電壓，使其不致關(guān)斷。只要電感足夠大，已導(dǎo)通的晶閘管就可繼續(xù)導(dǎo)通，直到觸發(fā)下一個(gè)晶閘管換相觸發(fā)，而使ud波形連續(xù)，如圖6-14所示。19編輯ppt在電感足夠大使負(fù)載電流連續(xù)的條件下，ud與α之間關(guān)系為：1、三相橋式全控整流電路的輸出電壓每周有六個(gè)波峰，脈動(dòng)較小，所需配用的輸出電感的電感量也較小。2、三相全控橋式整流電路是兩組三相半波可控整流電路的串聯(lián)，其變壓器的利用率高，無直流磁化問題，但整流電流要流過兩個(gè)整流元件，有兩個(gè)管子壓降損耗，使效率降低。2、其缺點(diǎn)是要用六個(gè)晶閘管，且觸發(fā)電路復(fù)雜，增加了調(diào)試和維修的難度。3、該電路是目前應(yīng)用較多的電路之一，美國米勒公司生產(chǎn)的焊機(jī)以及國內(nèi)ZX5－400B型晶閘管弧焊整流器都采用了此電路。特點(diǎn)及應(yīng)用當(dāng)α＝0o時(shí)，ud=2.34U2；當(dāng)α＝90o時(shí)，ud=0?？梢姡嗳貥蚴秸麟娐吩陔娮桦姼行载?fù)載情況下，要求觸發(fā)脈沖的移相范圍為90o。20編輯ppt6.2.3六相半波可控整流電路電路結(jié)構(gòu)圖6-15六相半波可控整流電路21編輯ppt1.電阻性負(fù)載圖6-17α＝0o時(shí)六相半波可控整流波形

a）ud波形b）晶閘管導(dǎo)通順序22編輯ppt觸發(fā)頻率300Hz，意味著動(dòng)特性與三相全控整流電路基本相同圖6-18α＝60o時(shí)六相半波可控整流波形

a）ud波形b）ug波形=60o是該電路整流電壓ud、電流波形id連續(xù)的臨界點(diǎn)，若繼續(xù)增大，ud、id波形將出現(xiàn)不連續(xù)。23編輯ppt當(dāng)0≤α≤π/3時(shí)，輸出電壓ud波形連續(xù)，此時(shí)有：當(dāng)α＞π/3時(shí)，輸出電壓波形發(fā)生間斷，此時(shí)有：可見，輸出電壓平均值隨α增大而減小。當(dāng)α＝120o時(shí)，ud=0，即六相半波電阻性負(fù)載可控整流電路要求觸發(fā)脈沖的移相范圍為120o。24編輯ppt2.電阻電感性負(fù)載圖6-19α＝90o時(shí)六相半波可控整流波形接入L后，由于L的自感電動(dòng)勢的影響，在較大時(shí)，輸出電壓ud不連續(xù)，而輸出電流id也可以連續(xù)，即當(dāng)變壓器二次相電壓為負(fù)時(shí)，L產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢仍可維持已經(jīng)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通。L的電感越大，id波形越平。在L足夠大使負(fù)載電流連續(xù)的條件下，式（6-5）仍然適用。當(dāng)=0o時(shí)，ud=1.35U2cos；當(dāng)α=90o時(shí)，ud=0，即在大電感電阻性負(fù)載條件下，六相半波電阻電感性性負(fù)載可控整流電路要求觸發(fā)脈沖的移相范圍為90o。（6-5）25編輯ppt1、六相半波可控整流電路與三相橋式全控整流電路一樣，都要用六只晶閘管，整流波形也相似，每周有六個(gè)波峰。2、前者觸發(fā)電路比較復(fù)雜，每個(gè)晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)最多只導(dǎo)通60o，而后者為120o，因而六相半波可控整流電路的變壓器和晶閘管利用率較低。3、該電路在功率較大的弧焊電源中得到了應(yīng)用。例如，美國林肯公司生產(chǎn)的DC-600晶閘管式弧焊整流器就是采用的六相半波可控整流電路。特點(diǎn)及應(yīng)用26編輯ppt6.2.4帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路圖6-20帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路a）共陰極接法b）共陽極接法三相全控橋式整流電路是兩組三相半波可控整流電路的串聯(lián)，其變壓器的利用率高，無直流磁化問題，但整流電流要流過兩個(gè)整流元件，有兩個(gè)管子壓降損耗，使效率降低。六相半波可控整流電路，每個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)整流元件導(dǎo)通，其變壓器和晶閘管的利用效率較低。為了克服上述整流電路的缺陷，可以采用圖6-20所示的帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路。27編輯ppt圖6-20帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路a）共陰極接法b）共陽極接法圖6-20所示的帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路有共陰極和共陽極連接兩種形式，其電路結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同。電路組成：三相主變壓器T、平衡電抗器LB（相間變壓器）和六個(gè)晶閘管。三相變壓器與六相半波可控整流電路中的變壓器相同，每一相的二次都有兩個(gè)繞組，各以反極性聯(lián)成星形，故稱為雙反星形。電路的實(shí)質(zhì)：通過平衡電抗器LB并聯(lián)了兩個(gè)三相半波可控整流電路。正極性組：a、b、c相，VH1、VH3、VH5。反極性組：-a、-b、-c相，VH2、VH4、VH6。平衡電抗器LB：是一個(gè)帶有中心抽頭的鐵心線圈，抽頭O兩側(cè)的線圈匝數(shù)相等，則兩邊的電感量相等。在任一側(cè)線圈中有交流電流過時(shí)，抽頭O兩側(cè)的線圈中均會(huì)感應(yīng)出大小相等，方向一致的感應(yīng)電動(dòng)勢。28編輯ppt1．平衡電抗器的工作原理沒有平衡電抗器時(shí)等效于六相半波整流，如圖6-21所示。每個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)管子導(dǎo)通，利用率低。在ωt1+δt1時(shí)刻，ua相電壓最高，u-b相次高。此時(shí)up=ua，沒有平衡電抗器時(shí)uM=uN，故，VH6陰極電位比陽極電位高，即使觸發(fā)它也不能導(dǎo)通。ωt1+δt1欲使VH6與VH1同時(shí)導(dǎo)通，只有設(shè)法將N點(diǎn)電位相對于M點(diǎn)提高ua-u-b，此時(shí)VH6的陽極電位與VH1的陽極電位相等，這樣就可以實(shí)現(xiàn)VH6與VH1同時(shí)導(dǎo)通了。ωt1+δt2圖6-21六相半波可控整流波形29編輯ppt為了提高N點(diǎn)的電位，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)晶閘管的同時(shí)導(dǎo)通，在六相半波可控整流電路中引入了平衡電抗器LB。將LB接到M點(diǎn)與N點(diǎn)之間，如圖6-22b所示。在ωt1+時(shí)刻，ua最高，VH1導(dǎo)通，電流通過LB的MO流至負(fù)載，在MO上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢極性是右正左負(fù)，uOM與ua極性相反，使VH1的陽極電位降低了uOM；由于O點(diǎn)是LB的中心抽頭，故ON與MO的感應(yīng)電動(dòng)勢相等且極性一致，即uON=uOM，這樣就提高了N點(diǎn)電位，而且uON與u－b極性相同，將VH6的陽極電位提高了uON，從而使VH6能與VH1同時(shí)導(dǎo)通。圖6-22有無平衡電抗器的比較a）無平衡電抗器b）有平衡電抗器

30編輯ppt當(dāng)ua過了其峰值之后至ωt2之前，反極性組中u－c高于u－b，于是VH2導(dǎo)通而VH6關(guān)斷，該階段VH1又與VH2同時(shí)導(dǎo)通。過了ωt2，u-c電壓最高，VH2繼續(xù)導(dǎo)通且該支路電流較大，于是LB的感應(yīng)電動(dòng)勢極性如下圖所示，借助于它提高了M點(diǎn)和VH1陽極的電位，降低了N點(diǎn)和VH2陽極的電位，使二者陽極電位趨于相等，因而VH1能繼續(xù)導(dǎo)通，直到過了u-c的峰值之后，正極性組中ub電壓最高，于是VH3導(dǎo)通而VH1關(guān)斷，VH3和VH2同時(shí)導(dǎo)通。六個(gè)晶閘管的導(dǎo)電順序可依此類推，見圖6-24e。圖6-24為α＝0o時(shí)的波形。31編輯ppt圖6-24帶平衡電抗器雙反星形整流器波形圖（α＝0o）a）正極性組的整流電壓b）反極性組的整流電壓c）輸出電壓波形d）平衡電抗器兩端電壓e）晶閘管導(dǎo)通次序32編輯ppt由上述分析可知：1）帶平衡電抗器雙反星形整流電路，相當(dāng)于正極性和反極性兩組三相半波可控整流電路的并聯(lián)。各組輸出電壓波形如圖6-24a、b中實(shí)線所示，是各相電壓的包絡(luò)線。每個(gè)晶閘管的最大導(dǎo)通角為120o，輸出電流id同時(shí)由兩個(gè)晶閘管和兩個(gè)變壓器二次繞組供給，提高了其利用率。因?yàn)槊總€(gè)晶閘管只負(fù)擔(dān)1/6的Id，所以該可控整流電路適用于輸出大電流的場合。2）任何瞬時(shí)，正、反極性組均有一支電路導(dǎo)通工作，輸出電壓瞬時(shí)值等于兩個(gè)半橋瞬時(shí)值的平均值。即：根據(jù)相電壓波形可求出ud的波形，如圖6-24c中實(shí)線所示，每周有六個(gè)波峰。由于該電路相當(dāng)于兩組三相半波可控整流電路的并聯(lián)，所以整流電壓平均值與三相半波可控整流電路的相等。3）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須的。LB的兩端應(yīng)承受的電壓uMN=uMP－uNP。當(dāng)α＝0o時(shí)，其波形如圖6-24d所示，頻率為電網(wǎng)的三倍，近似于三角形波，其幅值為相電壓幅值的1/2倍。33編輯ppt圖6-25帶平衡電抗器雙反星形整流電路α＝30o時(shí)整流電壓波形正極性組電壓波形b)反極性組電壓波形c)輸出電壓波形圖6-25為帶平衡電抗器雙反星形整流電路電阻性負(fù)載α＝30o時(shí)整流電壓波形圖。由圖6-25b可見，對于電阻性負(fù)載，α＝30o時(shí)是uMP、uNP，波形連續(xù)的臨界點(diǎn)，α>30o時(shí)，uMP、uNP波形將不連續(xù)。34編輯ppt圖6-26帶平衡電抗器雙反星形整流電路

α＝60o時(shí)整流電壓波形正極性組電壓波形b)反極性組電壓波形c)輸出電壓波形圖6-26為電阻電感性負(fù)載條件下，帶平衡電抗器雙反星形整流電路α＝60o時(shí)整流電壓波形圖。由于電路有電感，所以在uMP、uNP為負(fù)值時(shí)，晶閘管還能繼續(xù)導(dǎo)通，ud波形如圖6-26c所示。由圖可見，對于電阻電感性負(fù)載，α＝60o為臨界值，繼續(xù)增大α，ud波形將不連續(xù)。只有電路中的電感足夠大，id波形波形才連續(xù)、平穩(wěn)，甚至是接近于水平線形狀。35編輯ppt圖6-27帶平衡電抗器雙反星形整流電路電阻電感性負(fù)載α＝90o時(shí)整流電壓波形正極性組電壓波形b)反極性組電壓波形c)輸出電壓波形圖6-27為電阻電感性負(fù)載條件下，帶平衡電抗器雙反星形整流電路α＝90o時(shí)整流電壓波形圖。這時(shí)的uMP、uNP都對稱于橫軸，它們的平均值皆為零，那么負(fù)載電壓ud的平均值也就等于零。36編輯ppt通過分析可知，對于電阻負(fù)載，當(dāng)α<30o時(shí)，ud波形連續(xù)，其輸出電壓平均值ud為：0o≤α≤30o（6-7）可見隨α增大，ud減小，當(dāng)α=120o時(shí)，ud為零，即電阻負(fù)載條件下，帶平衡電抗器雙反星形整流電路要求觸發(fā)脈沖的移相范圍為120o。對于電阻電感負(fù)載，當(dāng)α≤60o時(shí)，ud波形與電阻負(fù)載時(shí)的ud波形相同，所以可以繼續(xù)使用式（6-8）計(jì)算其輸出電壓平均值ud。當(dāng)α>30o時(shí)，ud波形斷續(xù)，其輸出電壓平均值ud為：30o<α≤120o（6-8）可見隨α增大，

當(dāng)α=90o時(shí)，ud=0，即電阻電感負(fù)載條件下，帶平衡電抗器雙反星形整流電路要求觸發(fā)脈沖的移相范圍為90o。該整流電路用于弧焊整流電源時(shí)，α只需從0o至90o，即可實(shí)現(xiàn)空載至短路的調(diào)節(jié)。

由于所要求的α調(diào)節(jié)范圍小，所以給觸發(fā)電路的設(shè)置帶來了方便。當(dāng)60o<α<90o時(shí)，ud波形負(fù)值部分，其輸出電壓平均值ud為：60o<α<90o（6-9）37編輯ppt應(yīng)該注意的是，若負(fù)載電流小于某一定值（稱為臨界電流，約為額定負(fù)載電流的2%～5%），而達(dá)不到LB鐵心中建立上述三角波電壓所需磁通的勵(lì)磁電流時(shí)，則LB上的電壓達(dá)不到所要求值，這樣將不能維持兩組三相半波電路并聯(lián)工作。在極限情況下，LB失去作用，電路工作于六相半波整流狀態(tài)。其輸出的電壓平均值也就升高至1.35U2，即為空載電壓值。平衡電抗器的電感量可由下式?jīng)Q定：Lp：平衡電抗器電感量（mH）；U2：變壓器二次繞組電壓（V）；Idmin：最小輸出電流值（A）。此外，由于輸出電流脈動(dòng)大，在帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路中應(yīng)有足夠大的直流濾波電感L，才能滿足弧焊工藝的要求。38編輯ppt與其它可控整流電路相比，該電路具有以下特點(diǎn)：1）它相當(dāng)于兩組三相可控半波整流電路并聯(lián)。它的各相電流流通時(shí)間可延長至120°2）有六個(gè)晶閘管，觸發(fā)電路比三相半控橋式整流電路的要復(fù)雜，比三相全控橋式整流電路的簡單。3）整流電壓波形為每個(gè)周波六個(gè)波峰，其脈動(dòng)程度比三相半控橋式電路的小，最低諧波為六次，要求輸出電感的電感量及體積都較小。4）需用平衡電抗器，為保證電路能正常工作，其鐵心不能飽和。為此，應(yīng)避免該鐵心被直流成份所磁化，從而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(yīng)對稱，這就對變壓器等的制造和元件的挑選提出更高的要求。帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路在我國、日本等國家的弧焊整流電源中得到了廣泛的應(yīng)用，例如國產(chǎn)ZX5系列晶閘管弧焊整流器采用了這種整流電路形式。39編輯ppt以上幾種晶閘管整流電路的比較見表6-1。40編輯ppt41編輯ppt晶閘管整流焊機(jī)命名法ZX(或D或P)5－×××額定電流晶閘管X-下降特性D-多種特性P-平特性整流焊機(jī)42編輯ppt6.3晶閘管移相觸發(fā)電路晶閘管是半控型器件，它最重要的特性是正向?qū)ǖ目煽匦裕?dāng)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(dá)到維持晶閘管導(dǎo)通的維持電流時(shí)，晶閘管才能從阻斷轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后，門極控制信號(hào)就失去了控制作用，直到電源過零時(shí)，其陽極電流小于維持電流，晶閘管才自行關(guān)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。43編輯ppt1．對觸發(fā)脈沖的要求（1）觸發(fā)脈沖應(yīng)具有足夠的功率：為了保證可靠地觸發(fā)晶閘管，需有一定大小和寬度的電壓、電流觸發(fā)脈沖信號(hào)。（2）觸發(fā)脈沖與加于晶閘管的電源電壓必須同步：保持同相位或具有固定的相位差。（3）觸發(fā)脈沖應(yīng)能移相并達(dá)到要求的移相范圍：根據(jù)整流主電路的特點(diǎn)確定。2．對觸發(fā)電路套數(shù)的要求以帶平衡電抗器雙反星形整流電路為例，對所需要用的觸發(fā)電路套數(shù)進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，可以舉一反三分析其它整流電路對觸發(fā)電路套數(shù)的需求。（1）用六套觸發(fā)電路每一個(gè)晶閘管采用一套觸發(fā)電路進(jìn)行觸發(fā)，各個(gè)晶閘管的觸發(fā)互不牽制，允許觸發(fā)脈沖移相的范圍大，可達(dá)180o。由于觸發(fā)電路套數(shù)過多，電路復(fù)雜，電路調(diào)試?yán)щy，增加了電路故障的可能性。6.3.1對觸發(fā)電路的要求44編輯ppt（2）用三套觸發(fā)電路正、反極性組的正、負(fù)半波的晶閘管陽極電壓剛好是反相的，可以共用一套觸發(fā)電路。因此，用三套產(chǎn)生互差120o（各套本身每隔180o產(chǎn)生一次脈沖）的觸發(fā)電路，各自觸發(fā)一相的晶閘管即可。與采用六套觸發(fā)電路相比，同樣允許大的觸發(fā)脈沖移相范圍，而觸發(fā)電路套數(shù)卻減少一半，從而提高了電路的可靠性，簡化了電路調(diào)試工作。（3）用兩套觸發(fā)電路如果帶平衡電抗器雙反星形整流電路采用共陽極接法，即各晶閘管在負(fù)半波導(dǎo)通，可以用兩套觸發(fā)電路，分別觸發(fā)正極性、反極性組晶閘管。每一個(gè)組可以看成是一個(gè)三相半波可控整流電路的形式。當(dāng)濾波電感量足夠大時(shí)，三相半波可控整流電路的輸出電壓從空載調(diào)至短路，相應(yīng)的觸發(fā)延遲角α的調(diào)節(jié)范圍是0o～90o。各相所要求的移相范圍是互不重疊的，完全可以用一套觸發(fā)電路，輪流分配觸發(fā)各相的晶閘管。ZX5系列整流電源中采用這種方案，其正極性組觸發(fā)脈沖分配電路見圖6-29a所示（反極性組的情況類似）。45編輯ppt圖6-29一套觸發(fā)電路觸發(fā)一組晶閘管時(shí)脈沖的分配a）電路圖b）相電壓波形c）觸發(fā)脈沖波形由圖6-29a可以看出，觸發(fā)脈沖分配電路由晶閘管VH、二極管VD1、VD3、VD5和電阻R組成。其作用是將由觸發(fā)電路送來間隔1200的觸發(fā)脈沖，由VH輪流分配給VH1、VH3、VH5三只晶閘管的控制極使其導(dǎo)通。VH的陽極與VH1、VH3、VH5的陽極連接在一起，它的陰極經(jīng)R、VD1、VD3、VD5中之一以及VH1、VH3、VH5中陰極電位最負(fù)的控制極通向該管的陰極。46編輯ppt圖6-29一套觸發(fā)電路觸發(fā)一組晶閘管時(shí)脈沖的分配a）電路圖b）相電壓波形c）觸發(fā)脈沖波形在圖6-29b中ωt1+時(shí)刻ua最負(fù)，即VH1陰極電位最負(fù)，這時(shí)VH陰極即經(jīng)R、VD1、到達(dá)VH1的控制極。因?yàn)榇藭r(shí)ua最負(fù)使VD1導(dǎo)通，它的正向壓降可以忽略，且與其串聯(lián)的電阻阻值又很小，故O點(diǎn)電位近似等于ua，以致VD3、VD5都承受反向電壓而不能導(dǎo)通，所以VH陰極不與VH3、VH5的陰極相通。即此時(shí)VH只令VH1觸發(fā)導(dǎo)通，而VH3、VH5未能獲得觸發(fā)脈沖。VH由圖6-29c所示的相隔120o的一系列脈沖去觸發(fā)。

在ωt1+時(shí)刻，VH因有ug1的脈沖1觸發(fā)而導(dǎo)通，VH1也導(dǎo)通。

VH1一旦導(dǎo)通其正向壓降只有1V左右，不足以維持VH繼續(xù)導(dǎo)通而使其關(guān)斷，為觸發(fā)令一晶閘管做好準(zhǔn)備。在ωt2+時(shí)刻，

ug1的脈沖2觸發(fā)VH，此時(shí)ub最負(fù)，即VH3的電位最低而被觸發(fā)。依此類推，只要有一套能每隔120o產(chǎn)生一個(gè)脈沖的觸發(fā)電路，通過脈沖分配即能依次觸發(fā)整流電路同極性組中的各個(gè)晶閘管。同理，只要用與ug1相位上滯后180o的ug2即可完成對反極性組的觸發(fā)。采用兩套觸發(fā)電路的方法，所需觸發(fā)電路套數(shù)量少，既可靠方便，又經(jīng)濟(jì)。其主要缺點(diǎn)是允許的觸發(fā)脈沖移相范圍較小，理論上為120o，但這已經(jīng)足夠滿足弧焊整流電源的要求。ZX5系列整流電源中采用這種方案，但是該方法不能用于其它類型的可控整流電路。47編輯ppt三套觸發(fā)電路的脈沖時(shí)序圖120o120o120o180ougabcug-a-b-cugaug-augcug-cugbug-b120o180o120o180o180o兩套觸發(fā)電路的脈沖時(shí)序圖48編輯ppt6.3.2晶閘管的移相觸發(fā)電路門極控制電路稱為觸發(fā)電路。一般它由同步電路、脈沖形成電路、脈沖移相和放大電路等組成。按觸發(fā)電路使用的元件可分為單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶體管觸發(fā)電路、數(shù)字式觸發(fā)電路和集成觸發(fā)電路等幾種。晶閘管移相觸發(fā)電路有多種電路形式，但就其實(shí)質(zhì)而言，可分為切割式及積分式兩類。1．切割式基本原理：將控制電壓信號(hào)與同步電壓信號(hào)進(jìn)行比較，在控制電壓與同步電壓相等處（即在控制電壓與同步電壓的切割點(diǎn)上），產(chǎn)生所需的移相觸發(fā)脈沖?？刂菩盘?hào)是一個(gè)直流電壓信號(hào)，同步信號(hào)是與整流電路輸入交流電壓保持同相或固定相位差的正弦波或鋸齒波電壓信號(hào)。根據(jù)同步電壓信號(hào)的不同類型可分為正弦波同步和鋸齒波同步兩種類型。49編輯pptut為同步信號(hào)，由同步變壓器得到，與電源電壓保持同相或固定相位差，一般為幾伏至十幾伏。Uk為控制信號(hào)，是一個(gè)直流電壓信號(hào)。電路原理：當(dāng)ut>Uk時(shí)，ua=0；當(dāng)ut<Uk時(shí)，ua≈+UCC；在的ua上升沿和下降沿（經(jīng)RC微分電路的作用）分別產(chǎn)生正、負(fù)脈沖信號(hào)up。晶體管VT起放大作用，當(dāng)up為正脈沖時(shí)，VT導(dǎo)通，通過脈沖變壓器，向晶閘管輸出觸發(fā)脈沖。在同步電壓的m－n范圍內(nèi)，觸發(fā)脈沖隨Uk的大小而變化，其理論移相范圍為180o。（1）正弦波同步圖6-30正弦波同步移相觸發(fā)電路a）電路圖b）波形圖a）b）50編輯ppt為了保證觸發(fā)脈沖的相位隨Uk的大小而線性變化，同步信號(hào)ut與主電路中晶閘管的陽極電位u2之間一般要求有90o的相位差，如圖6-31所示。原因：當(dāng)ut與u2相位差90o時(shí)，u2的半個(gè)波正好處于正弦曲線的m－n之間，由于ut在m－n之間具有單調(diào)近似線性，因此保證了切割點(diǎn)可以在此范圍內(nèi)連續(xù)變化，使理論移相范圍達(dá)到180o。例如，三相可控整流的弧焊電源，晶閘管的移相范圍是從自然換相點(diǎn)（u2的30o處）算起，由于在u2的30o～120o正是m－n區(qū)段內(nèi)線性度較好的一段，因此，切割該同步信號(hào)產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖信號(hào)原則上可用于所有的晶閘管弧焊整流器。51編輯ppt1）變壓器變換移相同步信號(hào)ut與主電路中晶閘管的陽極電位u2之間要滿足90o的相位差，一般有兩種類型的移相電路。注意：主變壓器與同步變壓器有嚴(yán)格的相序要求ua→utc；ub→uta；

uc→utb。需要相序檢測電路，否則電路無法可靠工作。52編輯ppt2）阻容移相電路原理：uta、utb、utc為同步變壓器TS的輸出電壓，通過RC電路，使電容C上的電壓u'ta、u'tb、u'tc滯后于uta、utb、utc，其滯后角度即為移相角度：φ=arctgωRC。φ由電路的RC參數(shù)決定。當(dāng)RC→∞時(shí)，φ達(dá)到90o，實(shí)際上φ<90o，通常取φ=80o。由圖6-37可知，此移相角度可以滿足觸發(fā)脈沖移相范圍內(nèi)進(jìn)行近似線性調(diào)節(jié)的要求。特點(diǎn)：無相序要求，且電路具有濾波作用，提高了電路的可靠性。但是，要求阻容參數(shù)一致，否則會(huì)導(dǎo)致輸出電壓波動(dòng)，甚至引起電路振蕩。53編輯ppt（2）鋸齒波同步圖6-38鋸齒波同步電路a）電路圖b）波形圖a）b）將正弦波同步信號(hào)通過轉(zhuǎn)換電路變?yōu)殇忼X波同步信號(hào)，電路工作原理如圖6-38所示。54編輯ppt電路原理：正弦波同步信號(hào)u經(jīng)過零檢測電路ZP得到與過零點(diǎn)相對應(yīng)的同步脈沖um；當(dāng)um出現(xiàn)時(shí)，K瞬時(shí)閉合，C迅速放電，ut=0；當(dāng)um消失后，K斷開，C在恒流源電流I的作用下充電，使ut線性上升，循環(huán)往復(fù)，形成鋸齒波信號(hào)。由圖可知，ut與um和u保持同步，從而保證了與主電路電壓的同步關(guān)系。Uk切割um產(chǎn)生觸發(fā)脈沖：當(dāng)ut>Uk時(shí)，ua≈+UCC；當(dāng)ut<Uk時(shí)，ua=0；通過微分電路在ua的下降沿和上升沿分別產(chǎn)生正、負(fù)脈沖信號(hào)up。晶體管VT起放大作用，當(dāng)up為正脈沖時(shí)，VT導(dǎo)通，通過脈沖變壓器，向晶閘管輸出觸發(fā)脈沖。55編輯ppt典型的鋸齒波同步信號(hào)產(chǎn)生電路分析（見圖6-39）：N1為過零比較器，將正弦波ut1轉(zhuǎn)換為方波uR，經(jīng)過與非門D1、D2，產(chǎn)生兩路互差180的方波信號(hào)uD1和uD2。經(jīng)過阻容微分電路R1C1和R2C2在uD1和uD2的下降沿產(chǎn)生負(fù)脈沖uR1和uR2。與非門D3、D4組合形成與門邏輯，并起到輸出緩沖的作用，

D4輸出的負(fù)脈沖與ut1的過零點(diǎn)相對應(yīng)。比較D1和D4的輸出，可以看到，uD4的負(fù)脈沖頻率是uD1的兩倍，所以稱為倍頻電路。R3C3構(gòu)成充電電路，若VD2的陰極電位高于陽極電位，則VD2截止，此時(shí)電容C3通過電阻R3充電。當(dāng)uD4為低電平時(shí)，即ut1的過零點(diǎn)時(shí)，VD2的陽極電位高于陰極電位，故VD2導(dǎo)通，此時(shí)電容C3上的電荷通過VD2、VD4放電，從而形成ut2的鋸齒波。電路工作原理和各點(diǎn)的電壓波形如圖6-39和6-40所示。56編輯ppt2．積分式（1）模擬式積分基本原理：將控制信號(hào)通過同步積分電路與固定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)積分電路的輸出達(dá)到該基準(zhǔn)電壓時(shí)，產(chǎn)生所需要的移相脈沖?？刂菩盘?hào)一般為一個(gè)直流電壓信號(hào)，同步積分就是對積分電路進(jìn)行同步清零，其同步點(diǎn)與整流電路的交流電源電壓保持同步或固定相位差，積分電路中，電流對電容充電是模擬式積分，如果用計(jì)數(shù)器對脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，則稱為數(shù)字式積分。在數(shù)字式積分中須將控制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)。電路特點(diǎn)：與鋸齒波同步移相觸發(fā)電路相似，不同點(diǎn)在于，對電容C進(jìn)行充電的不是恒流源，而是由控制電壓信號(hào)Uk控制的壓控電壓源?？芍篿k越大，uc的上升沿斜率越大。57編輯ppt電路原理：ik越大，uc的上升沿斜率越大。當(dāng)uc<ub（ub為預(yù)先設(shè)定的固定電壓）時(shí)，N1輸出低電平；當(dāng)uc>ub時(shí)，N1輸出高電平（比較器的電源電壓）?？梢?，uA為一矩形波脈沖，繼而通過微分電路和功率放大電路得到觸發(fā)脈沖up。（up產(chǎn)生于uc=ub的時(shí)刻）。其中，過零檢測電路ZP將正弦波同步信號(hào)變?yōu)槊}沖信號(hào)，控制開關(guān)K，對電容C進(jìn)行同步放電，使每次對電容C的充電都從uc=0開始。這樣uc=ub的時(shí)間就由ik的大小所決定，而ik又是由Uk控制的。設(shè)ik=βUk，β為轉(zhuǎn)換系數(shù)，則可得uc=ub的時(shí)間T與Uk的關(guān)系為：可見，Uk上升，T下降，觸發(fā)脈沖提前；Uk下降，T上升，觸發(fā)脈沖滯后。此式由積分關(guān)系得來，該電路稱為積分式。58編輯ppt單結(jié)晶體管移相觸發(fā)電路：是積分式移相觸發(fā)電路。電路的核心元件是單結(jié)晶體管，其結(jié)構(gòu)為一個(gè)PN結(jié)，兩個(gè)基極。

B2

RB2

E

RB1

B1B2B1E59編輯pptVA=[rb1/(rb1+rb2)]Vbb=ηVbb分壓比η

由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的常數(shù)，一般為0.3~0.9，一般在0.5以上。60編輯ppt單結(jié)晶體管導(dǎo)通原理電源UCC通過Rp、RE對電容充電，當(dāng)充電電壓UE

達(dá)到Up

時(shí)管子導(dǎo)通，之后隨IE增大，UE下降，當(dāng)UE下降到Uv時(shí)管子恢復(fù)截止。該過程中在RB兩端可獲得一個(gè)電壓脈沖信號(hào)Ug，該信號(hào)可用來作為晶閘管控制極的觸發(fā)信號(hào)。電容C反復(fù)充、放電，單結(jié)晶體管周期性導(dǎo)通，由此獲得一個(gè)個(gè)控制信號(hào)。調(diào)節(jié)Rp上抽頭位置可改變對電容的充電速度，從而改變觸發(fā)信號(hào)的相位。負(fù)阻區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)IEUEUpUVRpUERERB1RB2UBBIEDRBUgUCC單結(jié)晶體管61編輯ppt單結(jié)晶體管移相觸發(fā)電路的典型電路如圖6-42所示，包括單結(jié)晶體管VU、晶體管VT1、VT2、電容C等。其觸發(fā)脈沖如圖6-44所示。62編輯ppt單結(jié)晶體管移相觸發(fā)電路的基本工作原理分析：當(dāng)直流控制信號(hào)Uk=0時(shí)，晶體管VT1、VT2均截止，其集—射極之間的等效電阻很大，電容C的充電時(shí)間常數(shù)很大。當(dāng)Uk為一正電壓信號(hào)時(shí)，VT1基極電位升高，Ib1增大，VT1工作在放大區(qū)，Ib2也增加，VT2也工作在放大區(qū)，其集—射極之間的等效電阻減小，電容C的充電時(shí)間常數(shù)減小，此時(shí)，直流電源VCC通過電阻R3、晶體管VT2對電容C充電，其充電電流為Ic2。電容C上的電壓uc隨時(shí)間增加而上升，而uc作用在單結(jié)晶體管VU的發(fā)射極，即uc=ue。在uc<Up時(shí)，Ie=0，單結(jié)晶體管工作在截止區(qū)，電容電壓uc與控制電壓Uk呈積分關(guān)系隨時(shí)間增加而上升。當(dāng)uc增加到uc=Up，即ue=Up時(shí)，單結(jié)晶體管由截止變?yōu)閷?dǎo)通，電容上的電壓uc不能突變，只能是單結(jié)晶體管電流Ie突變，其工作點(diǎn)由峰點(diǎn)P跳到谷點(diǎn)V。電容上開始通過單結(jié)晶體管的eb1結(jié)迅速向脈沖變壓器TM放電，放電電流在脈沖變壓器二次端感應(yīng)出觸發(fā)脈沖up。63編輯ppt隨著電容的放電，uc下降，當(dāng)uc<UV，即ue<UV時(shí)，單結(jié)晶體管從導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂梗娙軨又開始新的充電過程。循環(huán)往復(fù)，電路形成振蕩，產(chǎn)生一系列的觸發(fā)脈沖。圖6-44為電路各點(diǎn)的電壓波形圖。64編輯ppt電路中的ZP起同步作用，在同步信號(hào)ut的作用下，同步點(diǎn)使同步開關(guān)ZP連通，電容C被同步開關(guān)電路強(qiáng)迫放電，使uc=0，然后ZP關(guān)斷，電容C開始充電。也就是說，每次從同步點(diǎn)，電容都是由0電平開始充電，從而保證每個(gè)晶閘管所需要的觸發(fā)脈沖相位都相同。在產(chǎn)生第一個(gè)觸發(fā)脈沖以后，電容充電過程可能達(dá)不到Up，電容C就可能被同步開關(guān)ZP強(qiáng)迫放電（見圖6-44），或者又有若干個(gè)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生，但是只有同步點(diǎn)以后的第一個(gè)脈沖為晶閘管觸發(fā)的有效脈沖，該脈沖與同步點(diǎn)之間的時(shí)間即為整流電路中晶閘管的觸發(fā)延遲角α，其余脈沖對晶閘管不起作用。而Uk越大，晶體管VT2的集—射極