《焊接电源及控制》实验指导书

1、材料科学与工程学院本 科 实 验 指 导 书课程名称： 焊接电源及控制 实验学时： 4 适应专业：焊接技术及工程、高新材料基地班（焊接方向）承担实验室： 焊接实验室 材料科学与工程学院材料工程国家级实验教学示范中心13实 验 须 知1、上实验课前，必须预习课程实验指导书及相关的讲课内容，明确实验目的及步骤，并做好进行实验数据记录的准备（实验指导教师有检查预习情况的责任，对未预习者，不得进行实验）。2、进入实验室后，必须听从实验指导教师及相关人员的指导，遵守实验室有关制度。3、进入实验室后，必须听从实验指导教师或相关人员介绍设备使用情况，待熟悉设备后，经指导教师同意方能开动设备。4、使用实验设备

2、前，必须按照实验指导书中所规定的实验步骤进行相关实验。进行实验时，思想必须集中，要安全操作实验设备，避免实验事故发生。5、实验完毕后，必须整理实验场地（须将实验设备擦拭干净、上油，打扫实验场地等）。6、学生必须爱护国家财产，如有损坏仪器、设备、工具、量具等物情况发生，应立即报告实验指导教师及相关人员。属自然损坏，酌情处理；属故意损坏，除责令其写出检查外，应呈报学院进行处理。7、实验试样原则上不准拿出实验室，如确实因测量未完成或其他情况，须得到实验指导教师同意，方能办理借出手续。8、实验报告内容包括实验目的、步骤、使用仪器设备、工具、模具以及测量数据及其结果分析等各方面。实验数据需用曲线表示出来

3、时，一律用方格纸描绘。9、实验报告一律用学院所规定的统一的实验报告纸撰写，在实验结束后一周内交给实验指导教师。目 录实验一 弧焊电源结构观察1实验二 弧焊电源外特性测定8 实验一 弧焊电源结构观察 一、实验目的： 1 了解弧焊变压器结构，掌握各种弧焊变压器下降外特性的获得方法及焊接参数的调节方法；2 熟悉晶闸管整流主电路的形式和结构，了解移相触发控制电路工作原理，掌握晶闸管弧焊电源外特性、调节特性的控制方法；3 掌握弧焊逆变电源的基本组成、基本原理，熟悉逆变主电路及控制驱动电路、反馈电路、外特性、调节特性以及动态特性的获得方法、特点、分类等。二、实验仪器设备：1 BX1500交流弧焊

4、变压器一台；2 ZX5500弧焊整流器一台3 NB-500 （IGBT） MIG/MAG逆变焊机一台；三、实验原理： 不同类型弧焊电源的结构和组成各不相同，它们的外特性调节方式也不相同。通过实际观察弧焊电源结构，能够获得对不同类型弧焊电源内部结构的直观认识，对理解课堂理论教学内容起到很好的帮助作用。1 弧焊变压器结构组成及工作原理弧焊变压器是一类特殊的变压器，其基本原理与一般电力变压器相同，但为满足弧焊工艺要求又具有自身的特点。弧焊变压器具有下降的外特性，根据获得下降外特性的方法不同分为：串联电抗器式弧焊变压器和增强漏磁式弧焊变压器。1） 串联电抗器式弧焊变压器这类弧焊电源由变压器和

5、电抗器组成。前者为正常漏磁的普通变压器，将电网电压降至所要求的空载电压，变压器本身的外特性是接近于平的，为了得到下降外特性及调节电流需要串联电抗器，电抗器在交流电路中分担一部分电压，通过调整电抗器电抗值的大小，获得所需要的下降外特性和电流。2） 增强漏磁式弧焊变压器这类弧焊电源通过人为地增大变压器的漏抗，而无需再串联电抗器。按增强和调节漏抗的方式不同又可分为以下三种：(1) 动铁心式 在一、二次侧绕组间设置可动的磁分路，以增强和调节漏磁。BX1系列弧焊变压器即属于此类。图1 动铁心式弧焊变压器结构铁心可以移动，进出于铁心I的窗口(在图1中是垂直于纸面移动)以调节漏磁，从而可以获得不同的下降外特

6、性。 (2) 动线圈式 通过增大一、二次恻绕组之间的距离来增强漏磁，改变绕组之间距离来调节。BX3系列弧焊变压器属于此类。如图2所示，通过改变变压器绕组1（下部）和绕组2（上部）之间的距离12，调节漏磁通的大小，从而改变漏抗值的大小，可以获得不同的下降外特性。图2 动线圈式弧焊变压器结构示意图 图3 两心柱抽头式弧焊变压器结构示意图(3) 抽头式 将一、二次绕组分开来增加漏磁，通过绕组抽头来改变绕组匝数以调节漏抗。BX6-120-1型弧焊变压器属于此类。如图3所示，一次侧绕组由W1I和W1II两部分绕组共同组成，通过调整一次侧绕组W1I和W1II在一次绕组中所占的比率，使得一、二次侧绕组耦合程

7、度发生改变，从而起到调节变压器漏磁量的作用，进而获得不同的下降外特性。2 晶闸管弧焊整流器结构及外特性调节原理图4 晶闸管式弧焊整流器基本原理图一般晶闸管式弧焊整流器的组成如图4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。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。晶闸管式弧焊整流器的外特性多种多样，其外特性是采用闭环负反馈控制原理获得的，可以采用电流反馈、电压反馈或电流电压联合反馈获得不同的外特性。3 弧焊逆变器的基本组成及基本工作原理图5 弧焊逆变器主要组

8、成和基本原理方框图弧焊逆变器的主要组成包括：供电系统；电子功率系统；电子控制系统；给定与反馈电路。其基本组成方框图如图5所示。在供电系统中，单相220V（或三相380 V）50Hz的交流网压，经输入整流器整流和滤波器滤波之后，获得逆变主电路所需的平滑直流电压，单相整流约310V（或三相整流约520V）。该直流电压在电子功率系统中经逆变主电路的大功率开关电子器件(晶闸管、晶体管、场效应管或IGBT)组Q的交替开关作用，变成几千至几十万赫兹的中频高压电，再经中频变压器（T）降至适合于焊接的几十伏低电压，并借助于电子控制系统的控制驱动电路和给定与反馈电路(M、G、N等组成)，以及焊接回路的阻抗，获得

9、弧焊工艺所需的外特性和动特性。如果需要采用直流电进行焊接，还需经输出整流器整流和经电抗器L、电容器C的滤波，把高(中)频交流变换成为直流输出。 四、实验内容：1 观察BX1500交流弧焊变压器外观，对照说明书熟悉前面板按钮和旋柄；观察其内部电路，识别电路中的各种元器件。2 观察ZX5500弧焊整流器外观，对照说明书熟悉前面板按钮、旋钮及指示仪表；观察其内部电路，识别电路中的各种元器件，重点掌握主电路的结构组成。3 观察NB-500 IGBT逆变电源外观，对照说明书熟悉前面板按钮、旋钮及显示仪表；观察其内部电路结构，识别电路中的各种元器件。五、实验步骤及注意事项： 1 对BX1500交流弧焊变压

10、器外观仔细观察，对照说明书熟悉前面板按钮、旋柄及其功能；2 拆卸BX1500交流弧焊变压器侧面板和顶盖，认识内部电路结构；通过旋转前面板手柄，观察内部结构变化情况；图6 BX1-500交流弧焊变压器 图7 ZX5-500弧焊整流器3 对ZX5500弧焊整流器外观仔细观察，对照说明书熟悉前面板按钮、旋钮及指示仪表的功能和作用；4 拆卸ZX5500弧焊整流器侧面板和顶盖，观察内部电路结构，辨识焊接电源结构中的三相变压器、三相全控晶闸管整流器、输出电抗器、电子控制线路板、电流反馈传感器、通风机组、接触器等部件或电路系统；5 对NB-500 IGBT逆变电源外观仔细观察，对照说明书熟悉前面板按钮、旋钮

11、及显示仪表的功能和作用；6 拆卸NB-500 IGBT逆变焊机侧面板和顶盖，观察内部电路，区分主电路和控制电路，辨识主电路中的输入整流器、滤波器、IGBT逆变开关组、中频变压器以及控制电路中的控制驱动电路、给定与反馈电路等；并依照逆变器的变流顺序，对照焊机内部电路叙述变流过程；图8 NB-500 IGBT逆变焊机7 认真观察，完成后恢复焊接电源原貌，经指导教师检查后离开实验室。六、实验数据处理：实验过程中仔细观察弧焊电源外观，熟悉面板上各种按钮、旋钮、指示仪表的功能和作用；对弧焊电源内部电路结构认真观察，识别电路中的各种元器件；分析并掌握BX1500型、ZX550型、NB-500 IGBT型三

12、种弧焊电源的工作原理及外特性调节原理。七、实验报告内容：课后独立完成实验报告，此次实验的报告内容主要是绘制观察过的焊接电源的组成结构和电路，叙述三种焊接电源的工作原理和外特性调节原理。指导教师对每一份报告进行批改和评分，评分时考虑实际操作能力。 八、实验思考题：1 弧焊变压器由哪些部分组成？它能实现何种外特性？2 动铁芯式弧焊变压器和动线圈式弧焊变压器各是如何实现下降外特性的？3 晶闸管弧焊整流器主电路由哪些电路（电子元器件）组成？控制电路应包括哪些功能电路？4 弧焊逆变器主电路由哪些电路及元器件组成的？实验二 弧焊电源外特性测定 一、实验目的： 了解晶闸管弧焊整流器的内部

13、结构；理解整流电路的工作原理；加深对触发电路的同步、脉冲发生及触发晶闸管原理的认识；实际测定ZX5500弧焊整流器外特性，验证其下降外特性形状，掌握其外特性获得方法和调节原理。二、实验仪器设备：1 ZX5500弧焊整流器一台2 可变电阻箱一台；3 双踪示波器一台、数字万用表、分流器各一只.三、实验原理：1  晶闸管弧焊整流器结构及外特性调节图1 晶闸管式弧焊整流器基本原理图图1所示为一般晶闸管式弧焊整流器的组成。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。晶闸管式弧焊整流器的输

14、出电流和电压是通过调节晶闸管的导通角来实现的。晶闸管式弧焊整流器的外特性可以是多种多样，其外特性是采用闭环负反馈控制原理，采用电流反馈、电压反馈或电流电压联合反馈获得不同的外特性。2 ZX5500弧焊整流器陡降外特性获得和调节原理ZX5系列弧焊整流器系供单人手工施焊用的晶闸管组整流的直流焊接电源，具有平滑陡降的外特性和良好动特性，从而保证了良好的焊接性能，并适用于各种用途的手工弧焊的需要。陡降外特性，就是当负载电流增加时，负载电压迅速下降的外特性。1）ZX5500弧焊整流器开环外特性ZX5500弧焊整流器的输出电压U0与控制角的关系为： U0=AU2cos式中，A是与主电路结构有关的系数；U2

15、为变压器二次侧相电压；为控制角。当控制角一定时，输出电压U0也一定，所以ZX5500弧焊整流器开环时的外特性为水平特性，如图2所示。虚线所示为理论外特性，实线为实际外特性曲线。实际外特性曲线是略有下降的平特性曲线，是由于主电路中变压器的漏抗以及电路导线电阻等分布参数所引起的压降造成的。若用集中参数R0等效表示，则实际外特性可由下述方程表示： Uf=U0-IfR0 图2 ZX5500弧焊整流器开环外特性 图3 ZX5500弧焊整流器开环控制框图再根据图3所示ZX5500弧焊整流器开环控制框图，可得弧焊电源的输出电压（焊接电压）Uf可由控制电压（系统的输入量）Uk调节。即Uf=A0Uk-IfR0其

16、中A0Uk= U0，为弧焊电源的空载电压。2）ZX5500弧焊整流器闭环外特性图4所示为晶闸管弧焊整流器闭环反馈系统框图。在这个系统中，含有电流、电压反馈。由图可得 Uk=Uku+Uki=Am(Ugu-mUf)+An(Ugi-nIf)所以 Uf=A0Am (Ugu-mUf)+An(Ugi-nIf)-R0If最终得 图4 晶闸管弧焊整流器闭环反馈系统框图在ZX5500弧焊整流器中，其输出电流是通过电流采样环节及放大环节，与给定量进行比较和放大，由此形成控制电压Uk，Uk再作用于移相触发电路和主电路，这样便构成了闭环电流负反馈系统。此时的弧焊整流器外特性将由电流反馈环节所决定，即Uf=A0AnUg

17、i-（nA0An+R0）IfU0=A0AnUgi ， Rn= nA0An+R0对于ZX5500弧焊整流器，通过电流反馈的方法获得陡降特性，实质上是用输出电流通过负反馈控制输出电压，当反馈系统放大倍数很大时（A0An做得很高），只要输出电流有很小的变化，由于强烈的负反馈作用就会使输出电压产生很大的反向变化（电流上升/电压下降，电流下降/电压上升），由此形成了陡降的外特性。晶闸管弧焊整流器的外特性曲线，如图5所示。其中曲线1为开环外特性曲线，曲线2为电流负反馈外特性曲线。ZX5500弧焊整流器的实际外特性为，曲线由U0点至P，然后由P点沿曲线2向下转折到Id点，得U0PId三点构成的折线。这是因为

18、实际的ZX5500弧焊整流器，最高输出电压由开环特性曲线1所限制，控制角=0时，电流反馈实际不起作用。当Uf=A0An（Ugi-nIf）= U0-R0If时，曲线1与曲线2相交于P点。当Uf=A0An（Ugi-nIf）<= U0-R0If时，控制角随控制电压U k变化而变化，电流反馈开始发挥作用，电源特性由开环特性曲线1转向电流负反馈特性曲线2，从而得到折线式陡降的外特性曲线。图5 陡降特性弧焊电源外特性曲线四、实验内容：1 指导教师讲解设备的结构与组成，实验的目地及操作安全规程；2 学生在实际操作前熟悉ZX5500弧焊整流器产品的说明书，了解其主要技术参数，熟悉焊接电源前面板上各个按钮、旋钮及指示仪表的功能和作用； 3 对ZX5-500弧焊整流器的外特性进行试验测定。学生自己动手，独立操作。通过调节在不同的焊接电流下测量对应的焊接电压，获取试验情况下焊接电流/焊接电压数据。五、实验步骤及注意事项： 1 仔细阅读ZX5500弧焊整流器产品说明书，熟悉其主要技术参数；2 将ZX5500弧焊整流器接入电网，仔细检查各部分的接线是否正确，特别是焊接电缆的接头是否拧紧，以防过热或烧损；3 开启电源开关使ZX550