第4章直流弧焊发电机与硅弧焊整流器

第4章直流弧焊发电机与硅弧焊整流器4.1直流弧焊发电机的基本原理和分类4.2典型的直流弧焊发电机4.3硅弧焊整流器的组成和分类4.4普通硅弧焊整流器4.5磁放大器式弧焊整流器4.6有反馈磁放大器式弧焊整流器4.7交直流两用及脉冲式硅弧焊整流器内容提要本章介绍直流弧焊发电机、硅弧焊整流器的组成和分类，结构特点，基本工作原理，重点分析它们如何获得的外特性形状和调节特性。简介内燃驱动的弧焊发电机、简单的硅弧焊整流器、交直流两用式和脉冲式硅弧焊整流器及有关典型产品等。硅弧焊整流器的特点：硅弧焊整流器在单相或三相变压器的基础上，以硅二极管作为整流元件，将交流电整流成直流电。它与直流弧焊发电机相比有以下优点：1）易造好修，节省材料，减轻重量，降低成本，提高效率。2）无动力机和发电机的机械转动部分，噪声小。3）磁放大器式硅弧焊整流器改变了机械调节方式，采用电磁控制方式。4）易于获得不同形状的外特性，以满足不同焊接工艺的要求。同时，也可以实现交直流两用和脉冲焊接。4.1弧焊发电机的基本原理和分类4.1.1基本原理通常称之为直流弧焊机的，是指由一台电动机（或柴油、汽油驱动的其他原动机）和弧焊发电机组成的机组。在弧焊电源学习中，主要讨论发电机部分，它基于一般发电机原理，为满足弧焊工艺要求而有其特殊结构和电气性能。目前弧焊发电机主要用于焊条电弧焊、埋弧焊和钨极氩弧焊，因此需具有下降的外特性。此外，也需具有良好的调节性能和动特性。获得下降外特性有以下几种办法：1．在电枢电路中串联镇定电阻如图4-1所示，Rz即镇定电阻器，发电机本身外特性近于平的，即Ua≈E≈U0。负载电压Uf与负载电流If（亦即电枢电流Ia）的关系是Uf＝U0－IfRz=E－If(Ra+Rz)=Uo－If(Ra+Rz)由上式可知，当If增大将引起电阻压降增大，并使Uf减小而得到下降外特性。改变Rz值可调节外特性。这种方法的缺点是能量损耗大，只用于多站式直流弧焊发电机。例如AP-1000型多站弧焊发电机本身具有平的外特性，配备6个镇定电阻箱则可供6名焊工同时施焊。图4-1串联镇定电阻的电路2．改变磁极磁通Φ由式（4-1）可知，电枢电动势E与Φ成正比，因而只要设法让Φ随If的增大而减小就可获得下降外特性。只要去磁作用与负载电流成正比，就可以等效为在电枢串联了电阻。这样既可获得下降外特性又不增加能量损耗。4.1.2分类1.根据产生去磁磁通的不同方法分类1）差复励式（用串联绕组去磁）。2）裂极式（用电枢反应去磁）。3）换向极去磁式（用换向极绕组去磁）。2.按原动机不同分类（1）直流弧焊发电机它以三相异步电动机为原动机。电动机与发电机同轴共壳组成一体化结构。例如AX1-500型弧焊发电机，其外形如图4-2所示。(2)直流弧焊柴(汽)油发电机它用柴油机或汽油机驱动发电机，可组装成汽车式，用汽车的发动机驱动一台或两台发电机。如图4-3所示为AXQ2-2×250型直流弧焊汽油发电机的外形照片，它由轻便型越野车驱动两台弧焊发电机。图4-2AX1-500型弧焊发电机外形图图4-3AXQ2-2×250型直流弧焊汽油发电机外形图4.2典型的直流弧焊发电机本节介绍差复励式及换向极式弧焊发电机的基本原理、结构、性能特点、电流调节方式及应用。差复励式弧焊发电机一般用串联去磁绕组以获得下降外特性，但励磁绕组有它励与并励之分，将分述于下。另外，简单介绍新型内燃机驱动的直流弧焊发电机等发展。4.2.1它励差复励式弧焊发电机4.2.1.1工作原理它的原理如图4-4所示。为它励绕组，WE为串联去磁绕组，二者产生的磁通与方向是相反的。pW图4-4它励差复励式弧焊发电机原理图1．空载这时If=0，=0，空载电压只由来建立EpppmppNIRKKKU0(4-2-1)2．负载这时有负载电流If流过WE产生了ΦE。在磁路不饱和的情况下，电枢反应去磁作用可以不计。根据式(4-1-3)有：Uf=U0—IfRb式中，EbmEKNRR，它考虑了串联绕组的去磁作用(RmE为ΦE磁路的磁阻)。该发电机就是靠这种作用获得下降外特性的。3．短路这时Uf＝0，If＝Iwd，根据上面对空载和负载状态的分析，可得到ppE0wdmpmEKINKNUIRR实际上，可以认为，故得mEmpRRppwdE0ININppwdEININ（4-2-2）4.2.1.2参数调节由于0ffbUUIR可知调节电流的方法有：（1）改变Ip只要调节图4-4它励电路中的电阻Rp即可改变Ip、U0和If，外特性的变化如图4-5所示。此种调节方法可作为细调。（2）改变Rb即改变串联绕组的匝数NE。当NE增大，串联绕组去磁作用增强，外特性变陡而空载电压不变，见图4-6。此种调节方法只能作为粗调。只用前一方法时，If减小，伴随着U0的降低将不利于引弧和稳弧，以致调节范围有限，故需配合以后一方法来扩大电流调节范围。图4-5改变Ip时的外特性图4-6改变NE时的外特性4.2.2并励差复励式弧焊发电机4.2.2.1工作原理如图4-7所示为其原理图。WH为并励绕组，但它不是接在两个主电刷a和b之间。因为Uab会随着If的增大而下降，如果用Uab为并励电源电压将不利于稳弧。为避免这种弊病而在发电机加辅助电刷c，励磁绕组WH接在a、c电刷之间。图中WE是串联去磁绕组。图4-7并励差复式弧焊发电机原理图1．空载HH0HmHKINUKR式中，IHNH为并励绕组的磁势；RmH为并励磁路磁阻。（4-2-3）2．负载If流过WE和电枢绕组产生磁通ΦE和Φa，电枢导体切割各磁通产生以下电压：后极尖对应的电枢导体上的电压为1()acacHEa2UEK式中的系数l／2，是考虑后极尖对应的电枢串联导体数是一个极所对应的一半。由于磁路设计得不饱和，ΦE、Φa都与If成正比，可令其相互抵消，则有acH12UK（4-2-4）同理，前极尖所对应的电枢导体上电压为cbbcHEa12UEK输出电压为fEf00fbmEKINUUUIRR因此，还是靠串联绕组去磁获得下降外特性。Uac、Ucb、Uab与If的关系如图4-8所示。图4-8外特性曲线的构成4.2.3换向极式弧焊发电机4.2.3.1结构特点这种发电机原理图如图4-9所示，设有它励绕组Wp和利用换向极磁通去磁作用而获得下降外特性。换向极本是用以改善换向条件的，为何对主磁场有去磁作用呢？这是由于采取了特殊结构。如图4-10所示，除有普通形状的四个主磁极N－S－N－S之外，还有四个特殊形状的NM－SM－NM－SM。换向极极掌较宽且不对称，前极尖大而后极尖小，极端面歪斜换向极使前极尖处与电枢之间的空气隙小而后极尖处的大；而且换向极被安置得与相邻异名主磁极靠得较近，如图4-11所示。图4-9换向极式弧焊发电机电路原理图图4-10AX4-300型弧焊发电机内部结构图图4-11换向极式焊机磁极磁场分布4.2.3.2工作原理1.空载与其他它励机一样，空载电压为pp0mMKINUR2.负载这时If通过换向极绕组产生磁通fMMmMINR式中，RmM为换向极磁通所经磁路的磁阻。ppfMdf0fbmpmM()ININUKUIRRR（4-2-6）式中，MdbmMKNRR3.短路这时Uf=0，If=Iwd，并设Rmp＝RmM，由式（4-2-6）可得ppwdMdININ4.2.3.3参数调节根据式(4-2-6)可知，改变Ip及NMd即可调节外特性和电流。1.改变Ip当增大Rp则Ip、U0减小，从而If也随着减小；反之，则If增大。借此可作均匀调节。2.改变NMd这是通过移动电刷位置实现的。当顺电枢旋转方向移动电刷，由图4-11b可见面积2增大而面积3减小，故换向极磁通去磁作用增强，相当于NMd增大，于是Rb增大而If减小。反之将电刷逆电枢旋转方向移动一定角度，如图4-11c所示，则能使If增大。4.2.3.4产品介绍国产的这类弧焊电源有AX3-300、AX3-500、AX3-300-1及AX4-300型。4.2.4内燃驱动的新型弧焊发电机简介传统的电动机驱动的弧焊发电机已经逐渐遭到淘汰，特别是在没有电网和野外环境下，内燃驱动弧焊发电机成为主要的应用。从本质而言，两者只是原动机的不同，其他部分的原理是相同的。但是，随着近年来技术的发展，出现了更新换代的产品。燃油（汽、柴油）驱动的新型弧焊发电机得到了迅速发展。如图4-12所示，为这种新型电源产品。在这类新型弧焊发电机产品中，原动机为柴油或汽油发动机，发电机则为平特性，即采用普通发电机原理。然后，通过电路实现整流、斩波或逆变、直流滤波输出等环节，以满足焊接工艺要求。外特性和参数调节都是通过电子控制实现的。采用功率晶体管变换技术（斩波或逆变，在本书后面的章节详述其原理），大大降低了整机的重量和体积，提高了效率。同时，还能够获得优越的电源控制性能和品质。通常这样的产品具有多种功能，可以得到下降和平的不同外特性输出，不仅能用于直流焊接，也能用于交流和脉冲电流焊接。在应急情况下，它可以作为发电机满足照明需要，还能够进行蓄电池充电等。图4-12新型内燃驱动弧焊发电机4.3硅弧焊整流器的组成和分类从本节开始介绍硅弧焊整流器的组成和分类，简单的硅弧焊整流器、磁放大器式硅弧焊整流器、交直流两用式和脉冲式硅弧焊整流器等，分析各种硅弧焊整流器的结构、所获得的外特性形状和调节特性，并介绍有关典型产品。4.3.1硅弧焊整流器的组成为了获得脉动小，较平稳的直流电，以及使电网三相负荷均衡，通常都采用三相整流电路。其组成，如图4-13所示图4-13硅弧焊整流器的组成1.主变压器它的作用是降压，把三相380V电压降至所要求的空载电压。2.电抗器可以是交流电抗器或磁放大器（磁饱和电抗器）。当主变压器为增强漏磁式或当要求得到平外特性时，则可不用电抗器。它是用以控制外特性形状并调节焊接工艺参数的。3.整流器其作用是把三相交流电整流成直流，常采用三相桥式电路。4.输出电抗器它是接在直流焊接电路中的直流电感（由带空气隙的铁心和线圈构成）。其作用主要是改善和控制动特性，其次是滤波。4.3.2硅弧焊整流器的分类根据在其中有无电抗器，可分为两类：无电抗器的硅弧焊整流器和有电抗器的硅弧焊整流器。4.3.2.1无电抗器的硅弧焊整流器按主变压器的结构不同又可分为：1.主变压器为正常漏磁这类电源的外特性是近于水平的，主要用于CO2气体保护焊及其他熔化极气体保护焊。按调节空载电压的方法不同又分为：抽头式、辅助变压器式和调压器式。2.主变压器为增强漏磁这类电源由于主变压器增强了漏磁，因而无需外加电抗器即可获得下降外特性并调节焊接参数。按增强漏磁的方法不同，可分为动线圈式、动铁心式和抽头式。4.3.2.2有电抗器的硅弧焊整流器这类硅弧焊整流器所用的电抗器都是磁放大器式的。根据其结构特点不同又可分为：1.无反馈磁放大器（或称为磁饱和电抗器）式硅弧焊整流器2.有反馈磁放大器式硅弧焊整流器根据磁放大器的反馈形式，后者又主要包括外反馈磁放大器式、全部内反馈磁放大器（自饱和电抗器）式和部分内反馈磁放大器（内桥自饱和电抗器）式硅弧焊整流器等。4.4普通硅弧焊整流器这一类所谓普通硅弧焊整流器指的是无交流电抗器（磁放大器）的硅弧焊整流器。虽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点，但结构比较复杂且质量大、用料多。因此生产中也常用这种简单的的硅弧焊整流器。4.4.1动铁心式弧焊整流器国内的三相动铁心分磁式弧焊整流器，型号为ZX-320，只有少数厂家生产。ZX-320弧焊整流器的电路原理示于图4-14中。它主要由三相铁分磁式主变压器T、硅整流元件组VD1～6及输出电抗器LK组成。图中MF是风扇电动机，H是指示灯，FL和A是分流器和直流电流表，C1～6和R1～6对元件起到过压保护作用。一次侧接成星形，二次接成三角形，是弧焊整流器中常用的接法。因为这是一种降压变压器，一次侧接成星形，每相绕组的相电压只有线电压的1/√3，绕组匝数可以减少，绝缘要求可以降低。二次绕组电流比较大，采用三角形接法时，相电流只是