晶闸管弧焊整流器

晶闸管弧焊整流器主要内容5.1概述5.2晶闸管式弧焊整流器主电路5.3晶闸管移相触发电路5.4晶闸管式弧焊整流器外特性的控制方法5.5晶闸管式脉冲波及矩形波交流弧焊电源5.1概述晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又被称为可控硅整流器（SiliconControlledRectified---SCR），以前简称可控硅。在电力二极管开始应用后不久，1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司开发出世界上第一只晶闸管，从此揭开了电力电子技术发展和应用的序幕。晶闸管容量大、耐压高、功耗小，具有良好的可控性，很适合制作弧焊电源，它采用小功率信号改变晶闸管的导通角来实现对弧焊电源外特性的控制以及焊接规范的调节。目前在各种弧焊电源中，晶闸管式弧焊整流器的应用最为广泛。关于晶闸管的导通和关断导通条件1.在晶闸管两端加正向电压；2.在控制极和阴极之间加触发信号。关断条件当晶闸管两端加的正向电压等于零或小于零时，晶闸管自然关断。阳极阴极控制极5.1.1晶闸管弧焊整流器的主要组成晶闸管式弧焊整流器基本原理框图一般晶闸管式弧焊整流器的组成，如图5-1所示。主电路由三相主变压器T、晶闸管整流器V和输出直流电感L组成。二极管组VD和限流电阻R构成维弧电路。控制电路由给定电路、检测电路、比较电路和触发电路组成。图5-1晶闸管式弧焊整流器基本原理图5.1.2主要特点控制性能好晶闸管可以用较小功率的触发信号，实现对大功率整流器的输出控制。动特性好，反映速度快它与磁放大器式弧焊整流器相比，内部电感要小得多，系统时间常数只有十几个毫秒（一般磁放大器式的时间常数为150～200毫秒），具有电磁惯性小、响应速度快的特点。其动态特性可以采用电子电抗器加以控制和调节。调节特性好晶闸管式弧焊整流器通过不同的反馈方式，实现对弧焊电源外特性形状的任意控制，焊接电流、电压可在较宽的范围内进行调节，并易于实现网压补偿。节能、省材与磁放大器式硅弧焊整流器相比，可以节省材料、减轻质量、节约能源。5.1.3晶闸管整流波形的脉动问题闸管式弧焊整流器的输出电流和电压是通过调节晶闸管的导通角来实现的，因此它的电流电压波形脉动问题比硅弧焊整流器要大。尤其是当小规范焊接时，导通角较小，整流波形的脉动加剧，甚至会出现波形不连续，引起电弧不稳定。如图5-2，三相半波整流电路控制角60°，电阻负载时整流电流电压波形，图中波形出现不连续。图5-2三相半波纯电阻电路α＝60°时整流电压波形a）整流电压波形b）触发脉冲1、晶闸管式弧焊整流器的波形脉动问题可以采取以下措施：并联高压引弧电源其基本电路见图5-3。其中变压器T、三相半控桥式整流器组VD2、电抗器L、电阻R2构成晶闸管弧焊整流器的基本电源；变压器T、不可控桥式整流器组VD1、电阻R1构成高压引弧电源，与基本电源并联。基本电源与并联引弧电源的外特性如图5-4。图5-4并联高压引弧电路外特性图5-3并联高压引弧电路R2R1并联二极管和限流电阻构成维弧电路如图5-5所示，在可控整流电路中，并联六只二极管组成VD1～6组，其后串联电阻R及晶体管V构成维弧电路。二极管组作为不可控整流之用，电阻R起限流作用，晶体管V起开关作用。在晶闸管导通期间，维弧电路不工作；在晶闸管截止期间，维弧电路提供维弧电流，以维持电弧稳定燃烧。维弧电流约为5-10A。图5-5小电流维弧电路采用直流电抗器尽管导通角很小时晶闸管式弧焊整流器输出波形不连续，但经过L滤波后，负载上的电流电压波形是连续的。选择合适的整流电路不同的整流电路其输出波形的脉动程度不同，如三相半控桥式整流电路波形脉动程度比三相全桥整流电路大。选择合适的整流电路可以减小脉动程度。5.2晶闸管式弧焊整流器主电路晶闸管式弧焊整流器主电路主要有四种1.三相桥式半控电路2.三相桥式全控电路3.带平衡电抗器双反星形电路4.六相全控整流电路5.2.1三相桥式半控电路电阻性负载其电路如图5-6。图中T为变压器，整流电路由三个晶闸管V1、V3、V5和三个二极管VD2、VD4、VD6组成，Rf为负载，其中三个晶闸管构成共阴极，三个二极管构成共阳极。当晶闸管控制角时波形分析见图5-7所示。分别在自然换向点ωt1、ωt3、ωt5，触发三只晶闸管，使其轮流导通。而二极管则在自然换向点ωt2、ωt4、ωt6处自然换向。图5-7α＝0°三相桥式半控整流电路电阻负载波形a)相电压b)负载电压c)触发电压d)管子导通顺序0当时，如图5-8所示，ωt1时刻V1管触发导通，电源电压uab通过V1和VD6加于负载Rf两端。在ωt2时，共阳极组整流二极管VD2与VD6自然换向，所以在ωt2之后，VD2导通，电源电压uac通过V1、VD2加于负载，一直到ωt3时刻，V3管导通后使V1承受反压而关断，电路转换为V3与VD2导通。Rf两端电压是ubc。依此类推。从输出电压波形看每个周期有六次脉动，且脉动是不均匀的。30图5-8＝30°三相桥式半控整流电路电阻负载波形a)相电压b)负载电压c)触发电压d)管子导通顺序60当时，即在滞后于自然换相点60°处触发晶闸管得到的负载波形如图5-8所示。其特点是，在触发晶闸管时正值二极管的自然换相点，因而晶闸管与二极管同时换相。图5-9＝60°三相桥式半控整流电路电阻负载波形a)相电压b)负载电压c)触发电压d)管子导通顺序5.2.2三相桥式全控整流电路当时，三相桥式半控整流电路的整流电压波形每周只有三个波峰脉动较大。如果将其三个二极管VD2、VD4、VD6换成三个晶闸管，就变成了三相桥式全控整流电路，如图5-11所示，其输出电压波形较好。601、电阻性负载其电路如图5-11所示，六只晶闸管：V1、V3、V5接成共阴极组，V2、V4、V6接成共阳极组。现讨论电阻性负载时的工作情况，先将输出电抗器L短路起来。要使负载中流过电流，必需让上述二组晶闸管中各有一个同时导通。与其它全波整流电路一样，由于管子压降可以忽略，负载上承受的是线电压。工作过程中，共阳极组和共阴极组的晶闸管都在不断相换，换相时刻取决于产生触发脉冲的相位。为了获得一周有六个波峰的负载电压波形，则需同时触发两组晶闸管。即要求同组各晶闸管的触发电压互差120º，二组之间互差60º。如图5-12所示是，即在自然换点ωt1～6上，由互差60º的ug1～6按序触发对应的晶闸管VH1～6的波形。图5-12＝0°三相桥式全控整流电路电阻负载波形a)相电压b)负载电流、电压c)触发电压d)管子导通顺序为使电路起动及在负载电流断续时能正常工作，每当触发一晶闸管时，务必同步触发与其串联导通的另一晶闸管。因此，应按管子同时导通的顺序成对地给以触发电压。为此可用两种触发方式：（1）采用双窄脉冲触发如图5-13a所示触发电压的宽度小于60º，谓之窄脉冲。（2）采用单宽脉冲触发如图5-13b所示，触发脉冲的宽度大于60º谓之宽脉冲。关于触发方式：图5-13三相桥式全控整流电路触发方式a)双窄脉冲触发b)单宽脉冲触发单宽脉冲触发负载电压波形图5-14电阻负载三相桥式全控整流电路不同α角时负载电压波形a)＝60°b)＝90°2、电阻电感性负载将图5-11中输出电抗器L接入电路，即构成带电阻电感负载的三相桥式全控整流电路。在范围内，其工作情况和ud波形与电阻性负载时相同。但id波形不与ud波形成比例，由于有电感的滤波作用而变得平稳，当L→∞时，Id波形也趋于水平。在后，在电阻性负载的情况下ud、id波形都要出现断续。在电阻电感性负载情况下，当线电压过零变负时，电感电势仍可为晶闸管提供正向阳极电压，使其不致关断。只要L的电感足够大，已导通的晶闸管就可以继续导通至下一次触发换相，而使ud波形连续。图5-15所示为时的ud波形，其正负部分对称，Ud＝0。所以，要求其触发脉冲移相范围为。6006090图5-15α＝90°时三相桥式全控整流电路负载电压波形5.2.3带平衡电抗器双反星形可控整流电路其基本电路，如图5-16所示，可接成图5-16a、b形式，其工作原理及组成是一样的。其结构由六个晶闸管，一个平衡电抗器LB和一个主变压器组成。主变压器是三相的，二次有两组绕组，各以相反极性联成星形，故称“双反星形”。实际上，它只不过是通过平衡电抗器LB，并联起来的两组三相半波可控整流电路。图中，－a、－b、－c点的电压各与图5-16带平衡电抗器双反星形整流电路a、b、c点的电压反相，平衡电抗器是带有中心抽头的电感，抽头O两侧的线圈匝数相等。于是，当ωt1时ua最高，V1导通，电流通过LB的MO流至负载，在MO上产生一感应电动势极性。由于0点是LB的中心抽头，故ON段上感应电动势与MO段相等且极性一致。这样就提高了N点电位。反极性组中ub电压最高，故V6能与V1同时导通。当ua过了其峰值之后至ωt2之前，反极性组中uc高于ub，于是V2导通而V6关断，则该阶段由V1与V2同时导通。过了ωt2是uc电压最高，V2是能导通的，此时借它提高了M点的电位使V1得以继续导通。直到过了uc的峰值之后，则正极性组中是ub电压最高，于是V3导通而V1关断，由V3与V2同时导通。六个晶闸管的导电顺序可依此类推。由上述分析可以看出带平衡电抗器双反星形整流电路，相当于正极性和反极性两组三相半波整流电路的并联。各组输出电压波形如图5-21a、b中实线所示，是各相电压的包络线。任何瞬时，正、反极性组均有一支电路导通工作，故可将该电路简化成如5-22所示。图中ua、ub各为某瞬时同时导通的正、反极性支路的变压器相电压瞬时值。平衡电抗器是维持两组三相半波电路互不干扰各自正常工作所必需的。图5-22简化电路图5-21带平衡电抗器双反星形整流电路波形图(＝0°时)电阻负载波形a)正极性组的整流电压波形图b)反极性组的整流电压波形图c)负载电压波形d)平衡电抗器两端电压波形e)整流元件导通顺序当时。其波形如图5-21d所示，频率为电网电压的三倍、近似于三角波形，其幅值为相电压幅值的1/2倍。0图5-23带平衡电抗器双反星形整流电路＝30°时整流电压a)正极性组电压波形b)反极性组电压波形c)负载电压波形30当时，正、反极性组整流电压uMP和uMP波形如图5-23所示。图5-24为时的波形，正、反极性组整流电压uMP、uNP波形如图5-24a、b所示。60图5-24带平衡电抗器双反星形整流电路＝60°时整流电压a)正极性组电压波形b)反极性组电压波形c)负载电压波形图5-25为时的波形，这时uMP、uNP都对称于横轴，它们的平均值皆为零。90图5-25带平衡电抗器双反星形整流电路＝90°时整流电压a)正极性组电压波形b)反极性组电压波形c)负载电压波形带平衡电抗器双反星形整流器在电路中要有足够大的电感，与上述其他电路相比它具有以下特点：（1）它相当于两组三相半波整流电路并联。它的各相电流流通时间可延长至120°，整流变压器和整流元件的利用率较高。该电路中，同时有两个晶闸管并联导电，每管分担六分之一负载电流。而三相桥式整流电路相当于两个三相半波整流电路的串联，同时有二个整流元件串联导电，每个晶闸管分担三分之一负载电流，后者所用晶闸管的额定电流也就要求较大。同时后者要考虑两倍的管子压降，因而效率较低。因而，一般地说，带平衡电抗器的双反星形整流电路更适合于作弧焊电源，因为弧焊电源要求大电流低电压。（2）有六个晶闸管，触发电路比三相桥式半控整流电路的要复杂，但比三相桥式全控整流电路的简单。（3）整流电压波形为每个周波六个波峰，其脉动程度比三相桥式半控电路的小，最低谐波为六次，要求输出的电感量及体积都较小。（4）需用平衡电抗器，且为保证电路能正常工作，其铁心不宜饱和。为此，应避免该铁心被直流成分所磁化，要求其抽头两边线圈的直流安匝相互抵消，即两组整流电路的参数（主要是变压器的匝数和漏感）应基本对称。5.3晶闸管移相触发电路晶闸管是半控型器件，它最重要的特性是正向导通的可控性，当阳极加上一定的正