《焊接电源》课程讲义第6章晶闸管式弧焊整流器

1 第6章晶闸管式弧焊整流器 晶闸管式弧焊整流器是目前实际工程中应用最多的电子控制弧焊电源之一 既有下降外特性的晶闸管式弧焊整流器 也有平缓外特性的晶闸管式弧焊整流器 既可以用于焊条电弧焊 钨极氩弧焊 也可以用于CO2气体保护焊 熔化极氩弧焊等弧焊方法 本章主要内容 1 晶闸管式弧焊整流器的构成 2 常用的晶闸管可控整流主电路结构及工作原理 3 晶闸管触发电路结构及工作原理 4 实例介绍 2 6 1概述 在20世纪60年代初 随着大功率晶闸管的问世 出现了以晶闸管为整流元件的直流弧焊电源 晶闸管式弧焊整流器 晶闸管弧焊整流器由电子功率系统和电子控制系统组成 如图6 1所示 电子功率系统又称弧焊电源的主电路 它是由主变压器T 晶闸管整流器UR和直流输出电感L组成 AT为晶闸管的触发脉冲驱动电路 C为电子控制电路 控制电路 同步 图6 1晶闸管弧焊整流器 AT为晶闸管的触发电路 当要求得到下降外特性时 触发脉冲的相位由给定电压Ugi和电流反馈信号Ufi确定 当要求得到平外特性时 触发脉冲相位则由给定电压Ugu和电压反馈信号Ufu确定 3 晶闸管弧焊整流器输出电压和电流的大小决定于整流器中晶闸管的导通角 晶闸管的导通角越大 电源输出电压和电流越大 晶闸管导通角的大小是由其触发脉冲的相位所决定的 而触发脉冲的相位是由电流给定信号Ugi 电压给定信号Ugu和电流 电压反馈信号Ufi Ufu通过电子控制电路C得到的控制信号Uk所确定的 Uk决定着晶闸管触发脉冲的相位 也就决定了晶闸管导通角的大小 Uk的变化规律决定了弧焊电源输出电压和电流的变化规律 通过对Uk的控制 可以控制晶闸管式弧焊整流器的输出特性 电压 电流 电流的相位时间即为触发延迟角 电流相位可能在一个半波内 若有电感作用就有可能超过半波 极限情况应是 4 晶闸管式弧焊整流器具有以下特点 动特性好 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 具有电磁惯性小 反应速度快的特点 控制性能好 由于它可以用很小的触发功率来控制整流器的输出 并具有电磁惯性小的特点 因而易于控制 节能 与弧焊发电机相比 它没有机械损耗 而且其空载电压可以较低 其效率 功率因数较高 输入功率较小 因而可节约电能 省料 与弧焊发电机相比 它没有原动机 与磁放大器式硅弧焊整流器相比 它没有磁放大器 因而可以节省材料 减轻重量 噪声小 与弧焊发电机相比 因其无旋转运动的部分 噪声明显减小 电路较复杂 除主电路之外 还有触发电路 使用的电子元器件较多 因而 元器件的质量 组装的水平等对电源使用的可靠性有很大影响 同时 这种电源对调试及维修的技术水平要求也较高 相对于弧焊变压器和弧焊发电机而言 5 6 2三相可控整流主电路 晶闸管式弧焊电源一般采用三相变压器及晶闸管整流电 交直流两用的晶闸管式弧焊电源大多采用单相变压器及其整流电路 弧焊整流器必须提供低电压 大电流 具有一定形状的外特性 输出的电流或电压值要有较宽的调节范围 波形应连续 且脉动要小 常用主电路结构形式 1 三相半控桥式整流电路 2 三相全控桥式整流电路 3 六相半波可控整流电路 4 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 6 6 2 1三相半控桥式整流电路 图6 2电阻性负载的三相半控桥式整流电路 1 电阻性负载 整流电路如图6 2所示 具有如下的电路特点 1 共阴极组的晶闸管必须触发才能导通 2 共阳极组的整流二极管总是在自然换相点 三相电源电压的交点 在相电压的交点 t1 t2 t3处 均出现了二极管换相 即电流由一个二极管向另一个二极管转移或称为自然换流点 3 变压器的二次侧在任何时刻总是由变压器的两个二次绕组 一个阳极电位最高而且由出发脉冲触发导通的晶闸管和一个阴极电位最低的整流二极管串联构成电路 7 1 三相半控桥式电阻性负载触发角 0 时的整流波形 如图6 3所示 由于是电阻性负载 所以uf ud 相电压波形 负载电压波形 触发脉冲时序 SCR导通顺序 注意 0 的相位与单相整流电路的区别 从自然换相点开始 自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻 将其作为计算各晶闸管触发角 的起点 即 0o 图6 3 0 电阻性负载三相半控桥式整流波形 与三相不可控桥式整流电路相同 称为全导通状态 ud id每个周期内有6个波峰 脉动较小 且均匀 SCR的导通角为120 整流电压平均值最大 为2 34U2 U2为T二次侧相电压的有效值 8 2 三相半控桥式电阻性负载触发角 30 时的波形 如图6 4所示 相电压波形 负载电压波形 触发脉冲时序 SCR导通顺序 图6 4 30 电阻性负载三相半控桥式整流波形 ud id每个周期内有6次较大的脉动 而且脉动是不均匀的 9 相电压波形 负载电压波形 触发脉冲时序 SCR导通顺序 3 三相半控桥式电阻性负载触发角 60 时的波形 如图6 5所示 60 是该电路整流电压ud 电流波形id连续的临界点 若继续增大 则由于某一线电压 例如uac 为零时 前一晶闸管 VH1 已关断 而后一晶闸管 VH3 尚未受到触发而不能导通 这就使波形间断 直至下一触发脉冲 ug3 到来时 晶闸管 VH3 才又继续接通整流电路 ud id恢复输出波形 可见 随着 的增大 只要将图6 5b波形图中的垂直线部分往右移动 即可得到不同时的波形 图6 5 60 电阻性负载三相半控桥式整流波形 10 相电压波形 负载电压波形 触发脉冲时序 SCR导通顺序 三相半控桥式整流电阻性负载时输出电压平均值ud与触发延迟角 的关系为 图6 5 60 电阻性负载三相半控桥式整流波形 随 增大 ud减小 当 0 时 ud 2 34U2 当 180 时 ud 0 由此可见 三相半控桥式整流电路的触发脉冲移相范围为180 三相桥式半控桥式整流电路在电阻性负载情况下 60 时 ud id波形在一个周期内只有3个波峰 脉动频率f 150Hz 脉动较大 甚至会出现不连续 11 2 三相半控桥电阻电感性负载 要求增加续流二极管VD7 而且只有在 60 时 续流二极管才起作用 电阻电感性负载时的三相半控桥式整流电路如图6 6所示 其中L为直流滤波电感 而且L的电感量足够大 该电路更接近于实际的弧焊电源整流电路 图6 6电阻电感性负载三相半控桥式整流电路 12 三相半控桥式整流电路的特点 1 只用三只晶闸管和三个触发脉冲单元 因而线路比较简单 可靠 经济和较易调试 2 整流变压器为普通的三相降压变压器 易于制造 3 其主要缺点是调至低电压或小电流时 60 时 波形脉动较明显 4 为了满足对直流弧焊电源规定的脉动系数的要求 需配备较大电感量的输出电抗器 改进方案 为了解决晶闸管三相半控桥式整流电路输出电流脉动大和不连续的问题 除了加大输出电抗器L外 还可以在三相半控桥式整流电路主回路中附加电路 如图6 7所示 例如 附加不可控的三相桥式整流维弧电路AI以及高压引弧电路AV 图6 7附加电路的三相半控桥式整流电路 13 6 2 2三相全控桥式整流电路 图6 9三相桥式全控整流电路 14 与三相半控整流电路有什么区别呢 三相半控触发频率150Hz 此处为300Hz 意味着动特性提高了 图6 10 0 电阻负载三相全控桥式整流电路波形a 相电压b 负载电压c 触发脉冲d 管子导通顺序三相桥 1 电阻性负载 15 图6 11三相桥式全控整流电路触发方式双窄脉冲出发单宽脉冲触发 16 图6 12 60 电阻负载三相全控桥式整流波形 17 图6 13 90 电阻负载三相全控桥式整流波 18 当0 3时 输出电压ud波形连续 此时有 当 3时 输出电压波形发生间断 此时有 当 0 即全导通时 ud 2 34U2 随着 增大 则ud减小 当 120 时 ud 0 可见 三相全控桥式整流电路在电阻性负载情况下 要求触发脉冲的移相范围为120 19 图6 14 90 电阻电感性负载三相全控桥式整流电压波形 2 电阻电感性性负载 在0 60 范围内 其工作情况及ud波形与电阻性负载时相同 但由于有L的滤波作用 id波形变得平稳 与ud不成比例 当电感量L较大时 id波形趋于一条水平线 在 60 时 在电阻性负载情况下 ud id波形都要出现间断 在电阻电感性负载情况下 当线电压过零变负时 产生的感应电动势仍可为已触发导通的晶闸管提供正向阳极电压 使其不致关断 只要电感足够大 已导通的晶闸管就可继续导通 直到触发下一个晶闸管换相触发 而使ud波形连续 如图6 14所示 20 在电感足够大使负载电流连续的条件下 ud与 之间关系为 1 三相桥式全控整流电路的输出电压每周有六个波峰 脉动较小 所需配用的输出电感的电感量也较小 2 三相全控桥式整流电路是两组三相半波可控整流电路的串联 其变压器的利用率高 无直流磁化问题 但整流电流要流过两个整流元件 有两个管子压降损耗 使效率降低 2 其缺点是要用六个晶闸管 且触发电路复杂 增加了调试和维修的难度 3 该电路是目前应用较多的电路之一 美国米勒公司生产的焊机以及国内ZX5 400B型晶闸管弧焊整流器都采用了此电路 特点及应用 当 0 时 ud 2 34U2 当 90 时 ud 0 可见 三相全控桥式整流电路在电阻电感性负载情况下 要求触发脉冲的移相范围为90 21 6 2 3六相半波可控整流电路 电路结构 图6 15六相半波可控整流电路 22 1 电阻性负载 图6 17 0 时六相半波可控整流波形a ud波形b 晶闸管导通顺序 23 触发频率300Hz 意味着动特性与三相全控整流电路基本相同 图6 18 60 时六相半波可控整流波形a ud波形b ug波形 60 是该电路整流电压ud 电流波形id连续的临界点 若继续增大 ud id波形将出现不连续 24 当0 3时 输出电压ud波形连续 此时有 当 3时 输出电压波形发生间断 此时有 可见 输出电压平均值随 增大而减小 当 120 时 ud 0 即六相半波电阻性负载可控整流电路要求触发脉冲的移相范围为120 25 2 电阻电感性负载 图6 19 90 时六相半波可控整流波形 接入L后 由于L的自感电动势的影响 在 较大时 输出电压ud不连续 而输出电流id也可以连续 即当变压器二次相电压为负时 L产生的感应电动势仍可维持已经触发导通的晶闸管继续导通 L的电感越大 id波形越平 在L足够大使负载电流连续的条件下 式 6 5 仍然适用 当 0 时 ud 1 35U2cos 当 90 时 ud 0 即在大电感电阻性负载条件下 六相半波电阻电感性性负载可控整流电路要求触发脉冲的移相范围为90 6 5 26 1 六相半波可控整流电路与三相桥式全控整流电路一样 都要用六只晶闸管 整流波形也相似 每周有六个波峰 2 前者触发电路比较复杂 每个晶闸管在一个周期内最多只导通60 而后者为120 因而六相半波可控整流电路的变压器和晶闸管利用率较低 3 该电路在功率较大的弧焊电源中得到了应用 例如 美国林肯公司生产的DC 600晶闸管式弧焊整流器就是采用的六相半波可控整流电路 特点及应用 27 6 2 4带平衡电抗器双反星形可控整流电路 图6 20带平衡电抗器双反星形可控整流电路a 共阴极接法b 共阳极接法 三相全控桥式整流电路是两组三相半波可控整流电路的串联 其变压器的利用率高 无直流磁化问题 但整流电流要流过两个整流元件 有两个管子压降损耗 使效率降低 六相半波可控整流电路 每个时刻只有一个整流元件导通 其变压器和晶闸管的利用效率较低 为了克服上述整流电路的缺陷 可以采用图6 20所示的带平衡电抗器双反星形可控整流电路 28 图6 20带平衡电抗器双反星形可控整流电路a 共阴极接法b 共阳极接法 图6 20所示的带平衡电抗器双反星形可控整流电路有共阴极和共阳极连接两种形式 其电路结构和工作原理基本相同 电路组成 三相主变压器T 平衡电抗器LB 相间变压器 和六个晶闸管 三相变压器与六相半波可控整流电路中的变压器相同 每一相的二次都有两个绕组 各以反极性联成星形 故称为双反星形 电路的实质 通过平衡电抗器LB并联了两个三相半波可控整流电路 正极性组 a b c相 VH1 VH3 VH5 反极性组 a b c相 VH2 VH4 VH6 平衡电抗器LB 是一个带有中心抽头的铁心线圈 抽头O两侧的线圈匝数相等 则两边的电感量相等 在任一侧线圈中有交流电流过时 抽头O两侧的线圈中均会感应出大小相等 方向一致的感应电动势 29 1 平衡电抗器的工作原理 没有平衡电抗器时等效于六相半波整流 如图6 21所示 每个时刻只有一个管子导通 利用率低 在 t1 t1时刻 ua相电压最高 u b相次高 此时up ua 没有平衡电抗器时uM uN 故 VH6阴极电位比阳极电位高 即使触发它也不能导通 t1 t1 欲使VH6与VH1同时导通 只有设法将N点电位相对于M点提高ua u b 此时VH6的阳极电位与VH1的阳极电位相等 这样就可以实现VH6与VH1同时导通了 t1 t2 图6 21六相半波可控整流波形 30 为了提高N点的电位 实现两个晶闸管的同时导通 在六相半波可控整流电路中引入了平衡电抗器LB 将LB接到M点与N点之间 如图6 22b所示 在 t1 时刻 ua最高 VH1导通 电流通过LB的MO流至负载 在MO上产生的感应电动势极性是右正左负 uOM与ua极性相反 使VH1的阳极电位降低了uOM 由于O点是LB的中心抽头 故ON与MO的感应电动势相等且极性一致 即uON uOM 这样就提高了N点电位 而且uON与u b极性相同 将VH6的阳极电位提高了uON 从而使VH6能与VH1同时导通 图6 22有无平衡电抗器的比较a 无平衡电抗器b 有平衡电抗器 31 当ua过了其峰值之后至 t2之前 反极性组中u c高于u b 于是VH2导通而VH6关断 该阶段VH1又与VH2同时导通 过了 t2 u c电压最高 VH2继续导通且该支路电流较大 于是LB的感应电动势极性如下图所示 借助于它提高了M点和VH1阳极的电位 降低了N点和VH2阳极的电位 使二者阳极电位趋于相等 因而VH1能继续导通 直到过了u c的峰值之后 正极性组中ub电压最高 于是VH3导通而VH1关断 VH3和VH2同时导通 六个晶闸管的导电顺序可依此类推 见图6 24e 图6 24为 0 时的波形 32 图6 24带平衡电抗器双反星形整流器波形图 0 a 正极性组的整流电压b 反极性组的整流电压c 输出电压波形d 平衡电抗器两端电压e 晶闸管导通次序 33 由上述分析可知 1 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可控整流电路的并联 各组输出电压波形如图6 24a b中实线所示 是各相电压的包络线 每个晶闸管的最大导通角为120 输出电流id同时由两个晶闸管和两个变压器二次绕组供给 提高了其利用率 因为每个晶闸管只负担1 6的Id 所以该可控整流电路适用于输出大电流的场合 2 任何瞬时 正 反极性组均有一支电路导通工作 输出电压瞬时值等于两个半桥瞬时值的平均值 即 根据相电压波形可求出ud的波形 如图6 24c中实线所示 每周有六个波峰 由于该电路相当于两组三相半波可控整流电路的并联 所以整流电压平均值与三相半波可控整流电路的相等 3 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须的 LB的两端应承受的电压uMN uMP uNP 当 0 时 其波形如图6 24d所示 频率为电网的三倍 近似于三角形波 其幅值为相电压幅值的1 2倍 34 图6 25带平衡电抗器双反星形整流电路 30 时整流电压波形正极性组电压波形b 反极性组电压波形c 输出电压波形 图6 25为带平衡电抗器双反星形整流电路电阻性负载 30 时整流电压波形图 由图6 25b可见 对于电阻性负载 30 时是uMP uNP 波形连续的临界点 30 时 uMP uNP波形将不连续 35 图6 26带平衡电抗器双反星形整流电路 60 时整流电压波形正极性组电压波形b 反极性组电压波形c 输出电压波形 图6 26为电阻电感性负载条件下 带平衡电抗器双反星形整流电路 60 时整流电压波形图 由于电路有电感 所以在uMP uNP为负值时 晶闸管还能继续导通 ud波形如图6 26c所示 由图可见 对于电阻电感性负载 60 为临界值 继续增大 ud波形将不连续 只有电路中的电感足够大 id波形波形才连续 平稳 甚至是接近于水平线形状 36 图6 27带平衡电抗器双反星形整流电路电阻电感性负载 90 时整流电压波形正极性组电压波形b 反极性组电压波形c 输出电压波形 图6 27为电阻电感性负载条件下 带平衡电抗器双反星形整流电路 90 时整流电压波形图 这时的uMP uNP都对称于横轴 它们的平均值皆为零 那么负载电压ud的平均值也就等于零 37 通过分析可知 对于电阻负载 当 30 时 ud波形连续 其输出电压平均值ud为 0 30 6 7 可见随 增大 ud减小 当 120 时 ud为零 即电阻负载条件下 带平衡电抗器双反星形整流电路要求触发脉冲的移相范围为120 对于电阻电感负载 当 60 时 ud波形与电阻负载时的ud波形相同 所以可以继续使用式 6 8 计算其输出电压平均值ud 当 30 时 ud波形断续 其输出电压平均值ud为 30 120 6 8 可见随 增大 当 90 时 ud 0 即电阻电感负载条件下 带平衡电抗器双反星形整流电路要求触发脉冲的移相范围为90 该整流电路用于弧焊整流电源时 只需从0 至90 即可实现空载至短路的调节 由于所要求的 调节范围小 所以给触发电路的设置带来了方便 当60 90 时 ud波形负值部分 其输出电压平均值ud为 60 90 6 9 38 应该注意的是 若负载电流小于某一定值 称为临界电流 约为额定负载电流的2 5 而达不到LB铁心中建立上述三角波电压所需磁通的励磁电流时 则LB上的电压达不到所要求值 这样将不能维持两组三相半波电路并联工作 在极限情况下 LB失去作用 电路工作于六相半波整流状态 其输出的电压平均值也就升高至1 35U2 即为空载电压值 平衡电抗器的电感量可由下式决定 Lp 平衡电抗器电感量 mH U2 变压器二次绕组电压 V Idmin 最小输出电流值 A 此外 由于输出电流脉动大 在带平衡电抗器的双反星形可控整流电路中应有足够大的直流滤波电感L 才能满足弧焊工艺的要求 39 与其它可控整流电路相比 该电路具有以下特点 1 它相当于两组三相可控半波整流电路并联 它的各相电流流通时间可延长至120 2 有六个晶闸管 触发电路比三相半控桥式整流电路的要复杂 比三相全控桥式整流电路的简单 3 整流电压波形为每个周波六个波峰 其脉动程度比三相半控桥式电路的小 最低谐波为六次 要求输出电感的电感量及体积都较小 4 需用平衡电抗器 为保证电路能正常工作 其铁心不能饱和 为此 应避免该铁心被直流成份所磁化 从而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 应对称 这就对变压器等的制造和元件的挑选提出更高的要求 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路在我国 日本等国家的弧焊整流电源中得到了广泛的应用 例如国产ZX5系列晶闸管弧焊整流器采用了这种整流电路形式 40 以上几种晶闸管整流电路的比较见表6 1 41 42 晶闸管整流焊机命名法ZX 或D或P 5 额定电流 晶闸管 X 下降特性D 多种特性P 平特性 整流焊机 43 6 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 44 1 对触发脉冲的要求 1 触发脉冲应具有足够的功率 为了保证可靠地触发晶闸管 需有一定大小和宽度的电压 电流触发脉冲信号 2 触发脉冲与加于晶闸管的电源电压必须同步 保持同相位或具有固定的相位差 3 触发脉冲应能移相并达到要求的移相范围 根据整流主电路的特点确定 2 对触发电路套数的要求 以带平衡电抗器双反星形整流电路为例 对所需要用的触发电路套数进行分析 在此基础上 可以举一反三分析其它整流电路对触发电路套数的需求 1 用六套触发电路每一个晶闸管采用一套触发电路进行触发 各个晶闸管的触发互不牵制 允许触发脉冲移相的范围大 可达180 由于触发电路套数过多 电路复杂 电路调试困难 增加了电路故障的可能性 6 3 1对触发电路的要求 45 2 用三套触发电路正 反极性组的正 负半波的晶闸管阳极电压刚好是反相的 可以共用一套触发电路 因此 用三套产生互差120 各套本身每隔180 产生一次脉冲 的触发电路 各自触发一相的晶闸管即可 与采用六套触发电路相比 同样允许大的触发脉冲移相范围 而触发电路套数却减少一半 从而提高了电路的可靠性 简化了电路调试工作 3 用两套触发电路如果带平衡电抗器双反星形整流电路采用共阳极接法 即各晶闸管在负半波导通 可以用两套触发电路 分别触发正极性 反极性组晶闸管 每一个组可以看成是一个三相半波可控整流电路的形式 当滤波电感量足够大时 三相半波可控整流电路的输出电压从空载调至短路 相应的触发延迟角 的调节范围是0 90 各相所要求的移相范围是互不重叠的 完全可以用一套触发电路 轮流分配触发各相的晶闸管 ZX5系列整流电源中采用这种方案 其正极性组触发脉冲分配电路见图6 29a所示 反极性组的情况类似 46 图6 29一套触发电路触发一组晶闸管时脉冲的分配a 电路图b 相电压波形c 触发脉冲波形 由图6 29a可以看出 触发脉冲分配电路由晶闸管VH 二极管VD1 VD3 VD5和电阻R组成 其作用是将由触发电路送来间隔1200的触发脉冲 由VH轮流分配给VH1 VH3 VH5三只晶闸管的控制极使其导通 VH的阳极与VH1 VH3 VH5的阳极连接在一起 它的阴极经R VD1 VD3 VD5中之一以及VH1 VH3 VH5中阴极电位最负的控制极通向该管的阴极 47 图6 29一套触发电路触发一组晶闸管时脉冲的分配a 电路图b 相电压波形c 触发脉冲波形 在图6 29b中 t1 时刻ua最负 即VH1阴极电位最负 这时VH阴极即经R VD1 到达VH1的控制极 因为此时ua最负使VD1导通 它的正向压降可以忽略 且与其串联的电阻阻值又很小 故O点电位近似等于ua 以致VD3 VD5都承受反向电压而不能导通 所以VH阴极不与VH3 VH5的阴极相通 即此时VH只令VH1触发导通 而VH3 VH5未能获得触发脉冲 VH由图6 29c所示的相隔120 的一系列脉冲去触发 在 t1 时刻 VH因有ug1的脉冲1触发而导通 VH1也导通 VH1一旦导通其正向压降只有1V左右 不足以维持VH继续导通而使其关断 为触发令一晶闸管做好准备 在 t2 时刻 ug1的脉冲2触发VH 此时ub最负 即VH3的电位最低而被触发 依此类推 只要有一套能每隔120 产生一个脉冲的触发电路 通过脉冲分配即能依次触发整流电路同极性组中的各个晶闸管 同理 只要用与ug1相位上滞后180 的ug2即可完成对反极性组的触发 采用两套触发电路的方法 所需触发电路套数量少 既可靠方便 又经济 其主要缺点是允许的触发脉冲移相范围较小 理论上为120 但这已经足够满足弧焊整流电源的要求 ZX5系列整流电源中采用这种方案 但是该方法不能用于其它类型的可控整流电路 48 三套触发电路的脉冲时序图 两套触发电路的脉冲时序图 49 6 3 2晶闸管的移相触发电路 门极控制电路称为触发电路 一般它由同步电路 脉冲形成电路 脉冲移相和放大电路等组成 按触发电路使用的元件可分为单结晶体管触发电路 晶体管触发电路 数字式触发电路和集成触发电路等几种 晶闸管移相触发电路有多种电路形式 但就其实质而言 可分为切割式及积分式两类 1 切割式 基本原理 将控制电压信号与同步电压信号进行比较 在控制电压与同步电压相等处 即在控制电压与同步电压的切割点上 产生所需的移相触发脉冲 控制信号是一个直流电压信号 同步信号是与整流电路输入交流电压保持同相或固定相位差的正弦波或锯齿波电压信号 根据同步电压信号的不同类型可分为正弦波同步和锯齿波同步两种类型 50 ut为同步信号 由同步变压器得到 与电源电压保持同相或固定相位差 一般为几伏至十几伏 Uk为控制信号 是一个直流电压信号 电路原理 当ut Uk时 ua 0 当ut Uk时 ua UCC 在的ua上升沿和下降沿 经RC微分电路的作用 分别产生正 负脉冲信号up 晶体管VT起放大作用 当up为正脉冲时 VT导通 通过脉冲变压器 向晶闸管输出触发脉冲 在同步电压的m n范围内 触发脉冲随Uk的大小而变化 其理论移相范围为180 1 正弦波同步 图6 30正弦波同步移相触发电路a 电路图b 波形图 a b 51 为了保证触发脉冲的相位随Uk的大小而线性变化 同步信号ut与主电路中晶闸管的阳极电位u2之间一般要求有90 的相位差 如图6 31所示 原因 当ut与u2相位差90 时 u2的半个波正好处于正弦曲线的m n之间 由于ut在m n之间具有单调近似线性 因此保证了切割点可以在此范围内连续变化 使理论移相范围达到180 例如 三相可控整流的弧焊电源 晶闸管的移相范围是从自然换相点 u2的30 处 算起 由于在u2的30 120 正是m n区段内线性度较好的一段 因此 切割该同步信号产生的触发脉冲信号原则上可用于所有的晶闸管弧焊整流器 52 1 变压器变换移相 同步信号ut与主电路中晶闸管的阳极电位u2之间要满足90 的相位差 一般有两种类型的移相电路 注意 主变压器与同步变压器有严格的相序要求ua utc ub uta uc utb 需要相序检测电路 否则电路无法可靠工作 53 2 阻容移相 电路原理 uta utb utc为同步变压器TS的输出电压 通过RC电路 使电容C上的电压u ta u tb u tc滞后于uta utb utc 其滞后角度即为移相角度 arctg RC 由电路的RC参数决定 当RC 时 达到90 实际上 90 通常取 80 由图6 37可知 此移相角度可以满足触发脉冲移相范围内进行近似线性调节的要求 特点 无相序要求 且电路具有滤波作用 提高了电路的可靠性 但是 要求阻容参数一致 否则会导致输出电压波动 甚至引起电路振荡 54 2 锯齿波同步 图6 38锯齿波同步电路a 电路图b 波形图 a b 将正弦波同步信号通过转换电路变为锯齿波同步信号 电路工作原理如图6 38所示 55 电路原理 正弦波同步信号u经过零检测电路ZP得到与过零点相对应的同步脉冲um 当um出现时 K瞬时闭合 C迅速放电 ut 0 当um消失后 K断开 C在恒流源电流I的作用下充电 使ut线性上升 循环往复 形成锯齿波信号 由图可知 ut与um和u保持同步 从而保证了与主电路电压的同步关系 Uk切割um产生触发脉冲 当ut Uk时 ua UCC 当ut Uk时 ua 0 通过微分电路在ua的下降沿和上升沿分别产生正 负脉冲信号up 晶体管VT起放大作用 当up为正脉冲时 VT导通 通过脉冲变压器 向晶闸管输出触发脉冲 56 典型的锯齿波同步信号产生电路分析 见图6 39 N1为过零比较器 将正弦波ut1转换为方波uR 经过与非门D1 D2 产生两路互差180的方波信号uD1和uD2 经过阻容微分电路R1C1和R2C2在uD1和uD2的下降沿产生负脉冲uR1和uR2 与非门D3 D4组合形成与门逻辑 并起到输出缓冲的作用 D4输出的负脉冲与ut1的过零点相对应 比较D1和D4的输出 可以看到 uD4的负脉冲频率是uD1的两倍 所以称为倍频电路 R3C3构成充电电路 若VD2的阴极电位高于阳极电位 则VD2截止 此时电容C3通过电阻R3充电 当uD4为低电平时 即ut1的过零点时 VD2的阳极电位高于阴极电位 故VD2导通 此时电容C3上的电荷通过VD2 VD4放电 从而形成ut2的锯齿波 电路工作原理和各点的电压波形如图6 39和6 40所示 57 2 积分式 1 模拟式积分 基本原理 将控制信号通过同步积分电路与固定的基准电压进行比较 当积分电路的输出达到该基准电压时 产生所需要的移相脉冲 控制信号一般为一个直流电压信号 同步积分就是对积分电路进行同步清零 其同步点与整流电路的交流电源电压保持同步或固定相位差 积分电路中 电流对电容充电是模拟式积分 如果用计数器对脉冲数进行计数 则称为数字式积分 在数字式积分中须将控制电压信号转换为频率信号 电路特点 与锯齿波同步移相触发电路相似 不同点在于 对电容C进行充电的不是恒流源 而是由控制电压信号Uk控制的压控电压源 可知 ik越大 uc的上升沿斜率越大 58 电路原理 ik越大 uc的上升沿斜率越大 当ucub时 N1输出高电平 比较器的电源电压 可见 uA为一矩形波脉冲 继而通过微分电路和功率放大电路得到触发脉冲up up产生于uc ub的时刻 其中 过零检测电路ZP将正弦波同步信号变为脉冲信号 控制开关K 对电容C进行同步放电 使每次对电容C的充电都从uc 0开始 这样uc ub的时间就由ik的大小所决定 而ik又是由Uk控制的 设ik Uk 为转换系数 则可得uc ub的时间T与Uk的关系为 可见 Uk上升 T下降 触发脉冲提前 Uk下降 T上升 触发脉冲滞后 此式由积分关系得来 该电路称为积分式 59 单结晶体管移相触发电路 是积分式移相触发电路 电路的核心元件是单结晶体管 其结构为一个PN结 两个基极 60 VA rb1 rb1 rb2 Vbb Vbb 分压比 由管子内部结构决定的常数 一般为0 3 0 9 一般在0 5以上 61 单结晶体管导通原理电源UCC通过Rp RE对电容充电 当充电电压UE达到Up时管子导通 之后随IE增大 UE下降 当UE下降到Uv时管子恢复截止 该过程中在RB两端可获得一个电压脉冲信号Ug 该信号可用来作为晶闸管控制极的触发信号 电容C反复充 放电 单结晶体管周期性导通 由此获得一个个控制信号 调节Rp上抽头位置可改变对电容的充电速度 从而改变触发信号的相位 UCC 单结晶体管 62 单结晶体管移相触发电路的典型电路如图6 42所示 包括单结晶体管VU 晶体管VT1 VT2 电容C等 其触发脉冲如图6 44所示 63 单结晶体管移相触发电路的基本工作原理分析 当直流控制信号Uk 0时 晶体管VT1 VT2均截止 其集 射极之间的等效电阻很大 电容C的充电时间常数很大 当Uk为一正电压信号时 VT1基极电位升高 Ib1增大 VT1工作在放大区 Ib2也增加 VT2也工作在放大区 其集 射极之间的等效电阻减小 电容C的充电时间常数减小 此时 直流电源VCC通过电阻R3 晶体管VT2对电容C充电 其充电电流为Ic2 电容C上的电压uc随时间增加而上升 而uc作用在单结晶体管VU的发射极 即uc ue 在uc Up时 Ie 0 单结晶体管工作在截止区 电容电压uc与控制电压Uk呈积分关系随时间增加而上升 当uc增加到uc Up 即ue Up时 单结晶体管由截止变为导通 电容上的电压uc不能突变 只能是单结晶体管电流Ie突变 其工作点由峰点P跳到谷点V 电容上开始通过单结晶体管的eb1结迅速向脉冲变压器TM放电 放电电流在脉冲变压器二次端感应出触发脉冲up 64 随着电容的放电 uc下降 当uc UV 即ue UV时 单结晶体管从导通转变为截止 电容C又开始新的充电过程 循环往复 电路形成振荡 产生一系列的触发脉冲 图6 44为电路各点的电压波形图 65 电路中的ZP起同步作用 在同步信号ut的作用下 同步点使同步开关ZP连通 电容C被同步开关电路强迫放电 使uc 0 然后ZP关断 电容C开始充电 也就是说 每次从同步点 电容都是由0电平开始充电 从而保证每个晶闸管所需要的触发脉冲相位都相同 在产生第一个触发脉冲以后 电容充电过程可能达不到Up 电容C就可能被同步开关ZP强迫放电 见图6 44 或者又有若干个触发脉冲产生 但是只有同步点以后的第一个脉冲为晶闸管触发的有效脉冲 该脉冲与同步点之间的时间即为整流电路中晶闸管的触发延迟角 其余脉冲对晶闸管不起作用 而Uk越大 晶体管VT2的集 射极之间的等效电阻越小 充电电流Ic2越大 电容C的充电时间常数减小 达到uc Up的时间越短 触发脉冲