李永江弧焊电源课程设计

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1、弧焊电源课程电路设计综述报告弧焊电源课程设计 课题名称： 晶闸管触发电路的设计 学 院: 材料科学有工程学院 班 级： 焊接三班 姓 名： 李永江 学 号： 1007074308 指导教师： 杨文杰 一、引言自从1956年美国贝尔实验室发明晶闸管，1957年美国通用电气公司发出世界上第一只晶闸管以后，从此揭开了电力电子技术发展和应用的序幕。由于晶闸管容量大、耐压高、功耗小、具有良好的可控性，因此很适合制作弧焊电源。在20世纪60年代初期，便出现了以晶闸管为整流元件的弧焊电源晶闸管弧焊整流器。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参数的调节。目前在各种弧焊电源中，

2、晶闸管弧焊整流器的应用较为广泛。二、晶闸管弧焊电源主电路形式及原理晶闸管式弧焊整流器主电路主要有三种：三相桥式半控电路、三相桥式全控电路以及 带平衡电抗器双反星形电路。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=时波形分析如图5-7所示。分别在自然换向点t1、t3、t5，触发三只晶闸管，使其轮流导通。而二极管则在自然换向点t2、t4、t6处自然换向。图5-7 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

3、 c)触发电压d) 管子导通顺序当30时，如图5-8所示，t1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t2时，共阳极组整 流二极管VD2与VD6自然换向，所以在t2之后，VD2导通，电源电压uac通过V1、VD2加于负载，一直到t3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。当60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。2.2、三相桥式全控整流电路当6

4、0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、VD 6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。1.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

5、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120，二组之间互差60。如图5-12所示是，即在自然换点t16上，由互差60的ug16按序触发对应的晶闸管VH16的波形。 图5-12 a0三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”。 带平衡电抗器双反星形整流电路，相当

6、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，晶闸管的正向压降略去不计 。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5-21带平衡电抗器双反星形整流电路波形图(a0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0时。其波形如图5-21d所示，频率为电网电压

7、的三倍、近似于三角波形，其幅值为相电压幅值的1/2倍。 当30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60时的波形，正、反极性组整流电压uMP、uNP波形如图5-24a、b所示。 图5-25为60时的波形，这时uMP、uNP都对称于横轴，它们的平均值皆为零。 通过以上分析可知，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，而六相半波整流电路每相电流流通时间只有60，显然前者的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

8、管分担1/6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1/3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

9、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。三、晶闸管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向电压后，还必须在门极和阴极之间加上足够的正向控制电压、电流即触发电压、电流,以及达到维持晶闸管导通的维持电流时，晶闸管才能从阻断转化为导通。晶闸管导通后，门极控制信号就失去了控制作用，直到电源过零时，其阳极电流小于维持电流，晶闸管才自行关断。根据这一特性，触发电压、电流可以是交流、直流或短暂的脉冲电压、电流，为减少门极损耗与触发功率，常用脉冲电压、电流触发晶闸管。3.1晶闸管触发电路应满足一

10、下要求：（1）、触发脉冲相位必须与加在晶闸管上的阳极电压同步。（2）、触发脉冲应有足够功率信号极性要求门极为正，阴极为负。（3） 触发脉冲可以移相且能够达到所要求的移相范围为了调节焊接规范和控制电源的外特性形状，需要改变晶闸管的控制角，即通过移相触发电路改变触发脉冲相位。（4）触发脉冲应有一定宽度脉冲前沿应尽可能陡，以使晶闸管导通后阳极电流迅速上升，超过擎住电流而维持可靠导通。 （5）多路触发脉冲之间应有电气隔离尤其是在三相全控整流电路中各路触发脉冲必须在电气上隔离。3.2 移相触发电路的套数 a、用六套触发电路 由于该整流电路中有六只晶闸管，每只晶闸管需要一套触发电路，总共需要六套。各相晶闸

11、管的触发互不牵制，允许触发脉冲的移相范围大，可达180。不过这个优点在这种弧焊整流器中得不到发挥，因为从空载到短路只需触发脉冲移相90即可。这种方案的缺点是触发电路套数太多，各套电路参数难以达到一致，因此难以保证三相电路平衡；同时又增加了电路产生故障的可能性。b、 用三套触发电路 该触发电路由正、反极性两组三相半波电路组成，见图5-26a。a与a相、b与b相、c与c相的晶闸管的阳极电压刚好相反，完全可以共用一套触发电路。如下图 c、 用两套触发电路 把主电路接成图5-16b的形式即共阳极接法，各晶闸管在负半周导通），则可以采用两套触发电路。用一套触发电路去触发一组三相半波可控整流电路中的晶闸管

12、。图5-27所示阴影部分是各相触发脉冲的移相范围。由图可见，各相所要求的移相范围是互不重叠的。所以完全可以采用一套触发电路依次触发各相晶闸管。 d、 一套触发电路产生的脉冲 3.3 移相触发电路的电阻无论用六套触发电路、三套触发电路，还是两套触发电路，对于前一部分的积分微分电路都是一样的，电路图如下：图1-仿真电路如上电路图中，左半部分是积分电路，右半部分是微分电路，对R1进行计算，首先对电路进行分析，当R、C前面的二极管不导通时，直流电源对电容进行充电，则15V=UR+UC, 由于数值较大,充电过程进行缓慢，UC UR，于是有15VUR=iR而 i=Cd UC /dt所以 UC =1/R1C

13、15dt当充电结束的瞬间，UC=15V,所以 RC=t，而2t=1/f f=50Hz C=0.22uf所以 R1=100K对R2进行计算，在后面的电容放电， UC持续下降，直到降到0V，这段时间在理论上要经过无限长时间UC才衰减为零值。但工程上一般认经过35时间完成，暂态结束。则有 （35）=5ms而 =R2C C=0.22uf所以 R2=2K因此，有下列仿真电路：图2-三套仿真电路图3-六套仿真电路图4-二套仿真电路四、电路选择及原理要求我们组选择三套触发电路，电路图如下：图5电路原理图图6理论触发脉冲波形图积分电路RC串联输入矩形脉冲电压，在电容上输出电压，积分电路的条件为：1、 取电容两

14、端电压为输出电压。2、时间常数远大于矩形脉冲宽度t。在电子技术中常需要将矩形脉冲信号变为锯齿波信号，作为扫描电压使用。当输入矩形脉冲电压由零跳变到U时，电容器开始充电，由于时间常数 很大，电容器两端电压UC在0t这段时间内缓慢增长，UC还没有达到U，矩形脉冲电压已由U跳变到0，电容器通过电阻缓慢放电，UC逐渐下降，在输出端得到一个近似锯齿形波的电压。波形如上图中的U4和U5。微分电路与积分电路条件相反，RC串联输入矩形脉冲电压，在电阻上输出电压，矩形脉冲电压的幅值为U，脉冲宽度为t，脉冲周期为T。 在t=0至t这段时间内，电源对电容充电；t在下一段时间内，电容通过电阻放电。RC微分电路必须满足

15、以下两个条件：1、 在电阻上输出电压。2、 RC充放电时间常数远小于矩形脉冲宽度t。由于电容两端电压不能突变，且t，则U0UR=U,则在t之前，电容充电过程很短，即电容两端电压很快为U，电阻两端电压很快下降到0；在时间t时刻，电容通过电阻放电，同样，由于很小，在下一个脉冲电压到来之前，电容放电很快结束，输出电压为两个极性相反的尖端脉冲电压。在脉冲电路中，常应用微分电路把举行脉冲转变为尖脉冲，常常作为触发信号。波形如上图中U8和U9。下面是我模拟的电路中个点的波形如图：图7-1点处电路仿真波形图8-2点处电路仿真波形图9-3点处电路仿真波形图10-4点处电路仿真波形图11-5点处电路仿真波形图1

16、2-6点处电路仿真波形图13-7点处电路仿真波形图14-8点处电路仿真波形图15-9点处电路仿真波形图16 a+输出电路仿真波形图17 a-输出电路仿真波形图18-a+a-c+c-的输出b、c的仿真电路与a的相同，a、b、c之间波形相位相差120。五、报告总结晶闸管弧焊整流器具有以下主要特点：（1）、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。与弧焊发电机、磁放大器式弧焊整流器相比，其电流电压控制范围大，有利于对焊接参数进行控制，保证参数稳定。（2）、动特性好，响应速度快 它与弧焊发电机和磁放大器式弧焊整流器相比，内部电感要小得多，系统时间常数可达十几毫秒，具有电

17、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调节。（3）、调节特性好 晶闸管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。而且与磁放大器式弧焊整流器相比，可输出较小的焊接电流，易于实现脉冲焊接与薄板焊接。（4）、节能、省材 与弧焊发电机和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。 晶闸管式弧焊整流器的输出电压、电流存在脉动和谐波问题，随着输出电压的降低，波形脉动和谐波成分将愈来愈大。但是我们可以采取并联高压引弧电源、并联二极管和限流电阻构成维弧电路、采用直流电抗器、选择合适的整流电路等加以解决。晶闸管电路是电力电子电路常用电路之一，也是电焊机中的重要元件，在生产，生活中应用非常广泛，是一弱强电电路的过渡的桥梁。要使晶闸管开始导通，必须有足够能量的触发脉冲，在晶闸管电路中必须有触发电路。用于晶闸管可控整流电路等相控电路的驱动控制，即晶闸管的触发电路。本课题针对晶闸管的触发电路进行设计，其电路的主要组成部分有移相控制电路，触发脉冲形成电路， 同步电压环节，脉冲形成，整形放大和输出环节等电路环节组成，涉及触发电路的方案选择以及选择方案后电路的设计，包括电路的工作原理和电路工作过程中的输出波形。由于知识有限，此次课题设计并不全面，有待于进一步完善。