第三单元--硅弧焊整.ppt

学习目标：（1）熟悉硅弧焊整流器的组成和分类；（2）了解各类无电抗器式硅弧焊整流器的基本电路及特点；（3）理解各类有电抗器式硅弧焊整流器的基本工作原理；（4）掌握常用硅弧焊整流器的工艺参数调节及典型产品；（5）学会对常用硅弧焊整流器的使用维护和一般故障排除,综合知识模块一,硅弧焊整流器的组成及分类,硅弧焊整流器的组成,硅弧焊整流器是将50Hz的工频单相或三相电网电压，利用降压变压器将高电压降为焊接时所需的低电压，经整流器整流和输出电抗器滤波，从而获得直流电，对焊接电弧提供电能。为了获得脉动小、较平稳的直流电，以及使电网三相负载均衡，通常采用三相整流电路。硅弧焊整流器的电路一般由主变压器、电抗器、整流器、输出电抗器等几部分组成。图3-1为硅弧焊整流器组成的框图。,能力知识点1,硅弧焊整流器组成框图,图3-1硅弧焊整流器的组成,（1）主变压器其作用是把三相380V的交流电变换成几十伏的三相交流电。（2）电抗器可以是交流电抗器或磁饱和电抗器（磁放大器）。当主变压器为增强漏磁式或要求得到平外特性时，则可不用电抗器。其作用是使硅弧焊整流器获得形状合适、并且可以调节的外特性，以满足焊接工艺的要求。,（3）整流器其作用是把三相交流电变换成直流电。通常采用三相桥式整流电路。（4）输出电抗器它是接在直流焊接回路中的一个带铁心并有气隙的电感线圈，其作用主要是改善硅弧焊整流器的动特性和滤波。此外，硅弧焊整流器中都装有风扇和指示仪表。风扇用以加强对上述各部分、特别是硅二极管的散热，仪表用以指示输出电流或电压值。,硅弧焊整流器的分类,硅弧焊整流器可按有无电抗器分为两类：无电抗器的硅弧焊整流器和有电抗器的硅弧焊整流器。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的这类电源的外特性是近于水平的，主要用于CO2气体保护焊及其它熔化极气体保护焊。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式。,能力知识点1,（2）主变压器为增强漏磁的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工艺参数。按增强漏磁的方法不同可分为动圈式、动铁式和抽头式。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饱和电抗器式的。根据其结构特点不同又可分为：,（1）无反馈磁饱和电抗器式硅弧焊整流器。（2）有反馈磁饱和电抗器式硅弧焊整流器根据磁饱和电抗器的反馈形式，可分为外反馈磁饱和电抗器式、全部内反馈磁饱和电抗器式和部分内反馈磁饱和电抗器式硅弧焊整流器等。从硅弧焊整流器的组成分析中可知，无电抗器的硅弧焊整流器是在弧焊变压器原理的基础上发展起来的，属于比较简单的硅弧焊整流器。,综合知识模块二,无电抗器的硅弧焊整流器,动圈式硅弧焊整流器,1结构动圈式弧焊整流器由增强漏磁的三相动线圈式弧焊变压器T、三相桥式硅整流元件组UR和输出电抗器L组成，其基本电路如图3-2所示。,能力知识点1,图3-2三相动圈式弧焊整流器基本电路图,（1）三相动圈式弧焊变压器一、二次绕组多采用Y/D接法。这是由于此变压器为一种降压变压器，一次绕组接成星形后，一次相电压只是线电压的倍，每相绕组匝数可以减少，绝缘要求可以降低。二次绕组接成三角形，则相电流只有线电流的倍，这样可以减小导线的截面积，采用较细导线；既容易绕制，又省铜，并可减小体积。其铁心绕组结构特点分述如下：,1）铁心三相动圈式变压器的铁心有对称Y形和三角形两种。铁心柱布置在等边三角形三个顶点上，铁心柱的截面为矩形，这种立体结构优于一般平面形铁心（日字形）。因其三相磁路平衡，可使三相电流平衡，从而使整流电流比较平稳。2）绕组其一次绕组可以移动，二次绕组固定不动。摇动手柄则一次绕组线圈可沿铁心柱上下移动，从而调节焊接电流。,（2）硅整流元件组由大功率硅二极管VD16组成三相桥式整流电路，其工作原理见图3-2。图中，VD1、3、5组成一组，其阴极联在一起；VD2、4、6组成另一组，其阳极联在一起。每一组中三管轮流导通。前一组中阳极电位最高者导通，后一组中阴极电位最低者导通，同一时间有两个二极管导通。如图3-3中，在0t1期间，uab为负值，即b点电位高于a点电位，于是二极管VD3和VD2导通。由于VD3导通，m则点电位近似等于b点电位，VD1和VD5被反向截止。,而VD2导通，又使得n点电位近似等于a点的电位，故VD4和VD6也截止。在这段时间内的电流通路为：bVD3L焊接电弧VD2a。同理可以分析在t1t2期间，电流通路为：cVD5L焊接电弧VD2a。在t2t3期间，电流通路为：cVD5L焊接电弧VD4b。依次类推，可以列出图3-3中所示的二极管导通顺序。如果不考虑输出电抗器L的滤波作用，则整流输出电压波形如图3-3c所示。,二极管导通顺序及波形见图3-3所示：,图3-3动圈式弧焊整流器波形图a)主变压器二次输出的三相电压波形b)二极管导通顺序c)三相桥式整流输出波形,2.特点动圈式弧焊整流器与磁饱和电抗器式弧焊整流器相比，其结构及线路简单，材料消耗少，重量较轻，电磁惯性与弧焊变压器相近，动特性比较好，电流冲击小，飞溅少，一般可不用输出电抗器。输出电压和电流受电网电压和温升影响也较小。缺点是：由于一次绕组可动，工作时有轻微的振动和噪声，没有网路电压补偿，不易实现远距离调节。,3典型产品介绍国产动圈式弧焊整流器有ZXG1-160、ZXG1-250、ZXG1-400、ZXG3-500型和ZXG6-300型。前面四种主要适用于焊条电弧焊，后一种适用于焊条电弧焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊。,现以ZXG1-400型为例介绍如下：其电路原理图如图3-4所示,图3-4ZXG1-400型弧焊整流器电路图,该弧焊整流器设置有独特的“浪涌装置”。其目的在于增加小电流焊接时熔滴过渡推力。其电路结构由变压器的绕组、二极管VD7和电阻R2组成，并联在焊机的输出端。浪涌装置的作用原理是：绕组两端交流电压有效值为14V，峰值为20V，而弧焊整流器的输出电压。因此，其输出电压大于浪涌绕组的峰值电压，VD7被反向截止。,当熔滴使电弧间隙短路时，输出电压为零，VD7导通，浪涌装置发出瞬时浪涌电流，增加熔滴过渡的推力，以利于引弧和熔滴过渡。熔滴一旦消散，浪涌装置就停止工作。浪涌装置分弱、强两档，根据焊接要求用转换开关SA进行调节。弧焊整流器中电风扇M用以冷却电器部件特别是硅整流二极管。电容用于抑制瞬时过电压峰值保护硅二极管VD16不被电压击穿。电阻用于防止电容与电路电感发生振荡。,动铁心式弧焊整流器,国内三相动铁心式弧焊整流器型号为ZX-320，其电路原理如图3-5所示。,能力知识点2,图3-5ZX-320动铁心式弧焊整流器电路原理图,由图3-5可以看出。主要由三相动铁心式主变压器T、硅整流元件组VD16及输出电抗器LK组成。图中MF是风扇电动机，H是指示灯，RS和A是分流器和直流电流表，C16和R16对元件起过压保护作用。和动圈式弧焊整流器一样，主变压器的一、二次绕组也采用Y/D接法。其结构是采用三柱式铁心，在窗口中放置两个动铁心，并在窗口内可以移进或移出。动铁心的作用和弧焊变压器中的相同，即起磁分路的作用，增加漏磁，获得下降的外特性。因此这类弧焊整流器很适合作为焊条电弧焊的电源。,输出回路中所串联的输出电抗器LK为带铁心的电抗绕组，它的作用一是减小输出电流的脉动，起滤波作用；二是限制短路电流增长速度，减小瞬态短路电流峰值，即有改善动特性的作用。动铁心式弧焊整流器由于主变压器三相漏磁条件不同，存在三相电流的不平衡，有振动和噪声问题。三相对称磁分路动铁心式变压器制造比较复杂，难于保证三相电压和电流平衡，因而有的动铁心式弧焊整流器只好采用单相动铁心式变压器，并用输出电抗器滤波。,抽头式弧焊整流器,1电路及工作原理基本电路如图3-7所示。,能力知识点3,由图3-7可以看出。主要由主变压器T、三相桥式硅整流器UR和输出电抗器L组成。主变压器是正常漏磁的一般三相降压变压器，漏磁很小，可以获得近于水平的外特性。一次绕组设有若干抽头，供调节输出电压之用。抽头式弧焊整流器通过换接一次或二次绕组的可改变弧焊整流器的空载电压，从而可得到若干条平行的外特性曲线，即改变初、次级绕组的匝数可调节输出电压。由于一次绕组导线较细，设置抽头比较容易，故常采用一次绕组抽头调节输出电压。有时为了扩大输出电压调节范围，也配合以二次绕组抽头，作为粗调。这种配合调节方式为有级调节。,2特点及应用范围该弧焊整流器的结构简单，节省材料，容易制造，工作可靠；但其空载电压低，近似等于电弧电压，故有时难以引弧；另外，不能补偿电网电压波动对输出电压的影响。这种弧焊整流器主要用于细丝、二氧化碳气体保护焊，因其简单、经济、可靠，因而得到广泛推广应用。目前国内型号有CD200、ZPG200、NBC3200、ZPG8250型等。,综合知识模块三,有电抗器的硅弧焊整流器,磁饱和电抗器的结构及工作原理,铁磁材料的磁化曲线如图3-8所示。,能力知识点1,图3-8铁磁材料的磁化曲线,1单铁心式磁饱和电抗器（1）单铁心式磁饱和电抗器的结构如图3-9所示,图3-9单铁心磁饱和电抗器的交流电路,（2）单铁心式磁饱和电抗器的工作原理如图3-10所示,单铁心磁饱和电抗器有如下缺点。1）单铁心磁饱和电抗器的铁心是由直流磁动势和交流磁动势共同磁化的，而任意时刻控制磁通的方向始终不变。则在正半波时，铁心饱和；负半波时，铁心不饱和。这样，正负半波时铁心的磁导率不同，将会引起负载电流正负半波不对称，的波形发生畸变，不利于焊接。2）负载电流是交变的，在铁心中产生的交变磁,通既穿过也穿过，会在中感应出交变电动势，在控制绕组中产生交变环流。它会影响磁饱和电抗器的正常工作，增加损耗，带来一系列不良后果。由于存在以上缺点，单铁心式磁饱和电抗器是不实用的，必须要在结构上加以改进。一般采用的方法是用两个单铁心式磁饱和电抗器通过合适的接线方式组合而成，即采用双铁心式磁饱和电抗器，它可以克服上述单铁心式存在的缺点。,2双铁心式磁饱和电抗器双铁心式磁饱和电抗器的结构如图3-11所示,这种联接方式使两个铁心磁状态具有以下特点：如图3-11a所示为交流电某一半周的情况，铁心1中的与方向相同，总磁通，处于较饱和状态；而铁心2中与方向相反，总磁通，处于不很饱和状态。在交流电的另一半周，两铁心的磁状态互易。而不同铁心上两个绕组是互相串联或并联使用的，对于某一半周来说总是由一较饱和的和另一个不很饱和的磁饱和电抗器相串联或并联，所以总的负载电流的波形正负半周是对称的，避免了畸变。,3磁饱和电抗器的反馈反馈就是将输出量的部分或全部回输到输入端用以增强（或削弱）输入量。反馈有正反馈和负反馈、电流反馈和电压反馈、内反馈和外反馈等多种形式。磁饱和电抗器一般都是内正反馈，即输出量经过整流后通过交流绕组本身实现反馈，并且反馈量电流（或电压）在铁心中产生的附加磁通与控制电流产生的磁通方向一致，增强了控制电流的励磁作用。根据反馈形式与结构特点的不同，可将磁饱和电抗器式硅弧焊整流器分为无反馈、全反馈、部分内反馈三种主要类型。,无反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器,1结构基本电路如图3-12所示,能力知识点2,2工作原理（1）外特性单相原理及接线见图3-13,(a)原理图(b)接线图图3-13单相无反馈磁饱和电抗器,推广到三相，无反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器具有陡降的外特性，如图3-14所示。,图3-14无反馈磁饱和电抗器整流器的外特性,（2）调节特性调节特性是指焊接电流与控制电流之间的关系。该电源实际的调节特性如图3-15的曲线2,图3-15无反馈磁饱和电抗器弧焊整流器的调节特性,3产品介绍国产的无反馈式磁饱和电抗器式弧焊整流器有ZXG7-300、ZXG7-500及ZXG7-300-1型，这三种都可用于焊条电弧焊，最后一种还可用于钨极氩弧焊。无反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器的缺点是电流放大倍数小，控制电流较大，故该电源在国内应用很少。现以ZXG7-300型弧焊整流器为例加以介绍。,ZXG7-300型弧焊整流器电路如图3-16所示。,图3-16ZXG7-300弧焊整流器电路图,由图3-16可以看出，其主变压器与无反馈磁饱和电抗器做成一体，组成主变压器-磁饱和电抗器组。主变压器为三相变压器，其二次端部较长，延伸到磁饱和电抗器铁心上，兼起交流工作绕组的作用。这种结构比较紧凑，可以减轻重量和节省材料。并且这个组件的内感抗比较大，可以不用输出电抗器。焊接时，合上开关SA，接触器KM吸合，主变压器T接通电源，风扇电动机M转动并压合风压开关SW，使继电器KA吸合，指示灯HL亮，调压器TV通电，控制绕组接通，可以进行焊接。,调压器TV用以调节控制电流，从而调节焊接电流。风压开关SW起保护作用：当风扇因故障而停转时，风压开关自动断开，继电器KA释放，控制电流降为零，焊接电流也降到趋于零，因而保护了弧焊整流器。电阻、起过电压保护作用。这种弧焊整流器的外特性是近于垂直陡降的，当弧长变化时，焊接电流变化很小，适用于薄板焊条电弧焊、钨极氩弧焊。这种弧焊整流器的缺点是所采用的磁饱和电抗器没有反馈，电流放大倍数较小，控制电流较大。,全部内反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器,1结构基本电路如图3-18所示,能力知识点3,图3-18全反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器基本电路图,2工作原理（1）外特性单相原理与接线如图3-19所示,推广到三相，其外特性如图3-21所示。,图3-21全反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器的外特性,（2）调节特性全部内反馈式磁饱和电抗器式弧焊整流器的外特性是水平的，即输出电压基本保持不变。如何调节输出电压的高低，就是该电源的调节特性。其调节特性将如图3-22中的曲线1所示。,图3-22全反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器的调节特性,由该图可看出，当输出电压由最高调到最低时，就要将由调至，即不仅需要调节的大小，还要改变方向，这将给控制带来不便。为此需设法避免改变的方向。只要在磁饱和电抗器铁心上加一偏移绕阻，如图3-23,图3-23偏移绕组的接线,加偏移绕组后的调节特性如图3-22中曲线2所示。3产品介绍全部内反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器国内定型产品有ZPG1-500、ZPG1-1500、ZPG2-500、GD-500等型号。这种弧焊整流器适用于二氧化碳或惰性气体及混和气体保护下的熔化极电弧焊。ZPG1-500型弧焊整流器可用于焊丝直径为0.82.0mm的二氧化碳气体保护焊或混合气体保护焊等。它的电弧自调性能良好,输出电压可以远距离无级调节，而且可以补偿网路电压的波动，使工作电压比较稳定。,部分内反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器,1结构基本电路如图3-24所示,能力知识点4,图3-24部分内反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器基本电路图,比较图3-12、图3-18与图3-24，无反馈式、全部内反馈式与部分内反馈式在结构上的差别，主要是磁饱和电抗器中的交流绕阻之间m、n两点的接法不同。无反馈式的m、n两点是短路连接，全部内反馈式m、n两点是开路，部分内反馈式m、n两点间接了一个内桥电阻。,2工作原理（1）外特性根据上述三种电源的结构对比可知，无反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器、全反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器、只是部分内反馈磁饱和电抗器弧焊整流器的两种特殊情况。当部分内反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器中的=0时，即m、n两点用导线短接，就相当于是无反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器，据前可知，它的外特性是陡降的。当=，即m、n两点断开，就相当于全部内反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器，它的外特性是水平的。,可推断，部分内反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器的外特性介于两者之间，即具有缓降的外特性（如图3-25所示），并且随着内桥电阻由零逐渐增大时，外特性将由陡降逐渐趋于平缓。,图3-25部分内反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器的外特性,（2）内桥形式内桥为小电阻如图3-24所示，它通常用康铜丝制成，阻值很小。内桥电阻应可分段调节以获取不同数值的内桥电流；内桥为一根导线，如图3-26所示，在两个交流绕组的抽头处用一根导线将部分交流绕组短接起来。短接部分可看成是无反馈式磁饱和电抗器；未短接部分可看成全部内反馈式磁饱和电抗器。显然，占的比例越大，得到的外特性越陡。若将全部短接，就变成了无反馈式磁饱和电抗器。选择合适的短接点，就可以得到满意的下降外特性。,图3-27部分内反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器的调节特性,图3-26短接部分交流绕组的内桥,（3）调节特性见图3-27,3产品介绍部分内反馈磁饱和电抗器式弧焊整流器，国内定型产品有ZXG-300、ZXG-400及ZXG-500等型号，以上产品具有下降外特性，可用作焊条电弧焊和钨极氩弧焊的直流电源。另外还有可兼获下降和平外特性的多特性弧焊整流器，定型产品有ZDG-500-1、ZDG-1000R、ZPG-1000等型号产品。可用于焊条电弧焊、埋弧焊、二氧化碳气体保护电弧焊等。,磁饱和电抗器式弧焊整流器的动特性,在实际焊接中，由于引弧和熔滴过渡，作为弧焊整流器直流电源的负载电弧，变动非常频繁，使电源常常处于动态过程，即由空载短路、负载短路、短路空载等过渡过程，导致电源的动特性不够理想。因而，有必要分析磁饱和电抗器式弧焊整流器动特性欠佳的原因，提出改善动特性的有效方法。,能力知识点5,1动特性存在的问题（1）引弧冲击和飞溅空载时，弧焊整流器交流绕组内没有电流，故没有电压降，即。此时空载电压为。引弧时，弧焊整流器发生由空载短路的过渡过程。由于具有类似电容的性质，其中电压不能突变，短路瞬间仍维持为0V。突然短路时，一方面相当于空载电压被瞬时短路；另一方面负载电阻值约为，因而会产生很大的瞬时短路冲击电流，又因磁饱和电抗器的时间常数大，所以衰减得较慢，故产生长时间的引弧冲击。因此，在对薄板焊接时易被烧穿。,（2）弧飘短路时，负载电压，所以磁饱和电抗器交流绕组电压较高。在突然拉开电弧的瞬间（即由短路至负载），一方面不变，瞬间电弧电压很低；另一方面，负载电阻突然加大，因而产生一个“过小电流”。然后再缓慢增加到正常负载电流值（见图3-28)。这个“过小电流”大大降低了电弧的稳定性并减弱了电弧的“挺度”或穿透力，即引起“弧飘”。,磁饱和电抗器式弧焊整流器出现以上问题的原因，在于磁饱和电抗器上绕有多个线圈，电磁惯性较大，在过渡过程中均有自感作用；另外，磁饱和电抗器是由交直流同时磁化的，因此，铁心上交流绕组和控制绕组之间的互感作用对弧焊整流器的动特性起很大的影响所致。,图3-28短路负载时电流过渡过程,2动特性的改善（1）在焊接主回路中串联直流电感这种方法是改善动特性最常用的方法，大多数硅弧焊整流器都串接有这种直流输出电感。（2）增加交流电感如焊条电弧焊的情况下，用热轧硅钢片制做磁饱和电抗器有利于改善整流电源的动特性。（3）增大主变压器自身漏抗（4）采用电流外正反馈其结构如图3-30所示。,【综合训练】,一、填空题答案1陡降；2直流控制绕组的匝数、交流工作绕组的匝数、；3带有正反馈；4水平、水平；5偏移调节特性、稳定输出电压；6对称、半波整流、不对称二、简答题答案（略）三、实践部分要求见教材,综合知识模块四,硅弧焊整流器的常见故障及排除,硅弧焊整流器的使用与维护,（1）定期检查焊机的绝缘电阻（在用兆欧表测量绝缘电阻前应将硅整流元件的正负极用导线短路）。（2）焊机不得在不通风的情况下进行焊接工作，以免烧毁硅整流元件。安放焊机的附近应有足够的空间使排风良好。（3）焊机切忌剧烈的振动，更不允许对焊机敲击，因这样会损坏磁饱和电抗器的性能，使焊机性能变坏，甚至不能使用。（4）应避免焊条与焊件长时间短路，以免烧毁焊机。（5）保持焊机清洁与干燥，定期用低压干燥的压缩空气进行清扫工作。,能力知识点1,常见故障及排除,硅弧焊整流器常见的故障及其维修方法见表3-1。（见教材）【综合训练】在老师的指导下，按表3-1分析各种硅弧焊整流器常见故障的产生原因，排除各种故障。,能力知识点2,本单元小结,1硅弧焊整流器的电路一般由主变压器、电抗器、整流器、输出电抗器等几部分组成。硅弧焊整流器可按有无电抗器分为两类：无电抗器的硅弧焊整流器和有电抗器的硅弧焊整流器。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的；（2）主变压器为增强漏磁的，按增强漏磁的方法不同