1、4.1 直流弧焊发电机的基本原理和分类4.2 典型直流弧焊发电机4.3 硅弧焊整流器的组成和分类4.4 普通硅弧焊整流器4.5 磁放大器式弧焊整流器4.6 交直流两用及脉冲式硅弧焊整流器1主要内容本章介绍直流弧焊发电机、硅弧焊整流器的组成和分类，结构特点，基本工作原理，重点分析它们如何获得的外特性形状和调节特性。简介内燃驱动的弧焊发电机、简单的硅弧焊整流器、交直流两用式和脉冲式硅弧焊整流器及有关典型产品等。2 硅弧焊整流器的特点：硅弧焊整流器的特点：硅弧焊整流器在单相或三相变压器的基础上，以硅二极管作为整流元，将交流电整流成直流电。它与直流弧焊发电机相比有以下优点：（1）易造好修、节省材料、减
2、轻重量、降低成本、提高效率。（2）无动力机和发电机的机械转动部分，噪声小。（3）磁放大器式硅弧焊整流器改变了机械调节方式，采用电磁控制方式。（4）易于获得不同形状的外特性，以满足不同焊接工艺的要求。同时，也可以实现交直流两用和脉冲焊接。34.1.1 基本原理 通常称之为直流弧焊电机的，是指由一台电动机(或柴油、汽油驱动的其他原动机)和弧焊发电机组成的机组。在弧焊电源学习中，主要讨论它的发电机部分。它基于一般发电机原理，为满足弧焊工艺要求而有其特殊结构和电气性能。目前弧焊发电机主要用于焊条电弧焊、埋弧焊和钨极氩弧焊，因此需具有下降的外特性。此外，也需具有良好的调节性能和动特性。获得下降外特性有以
3、下几种办法:1.1.在电枢电路中串联镇定电阻在电枢电路中串联镇定电阻 如图4-1所示，Rz即镇定电阻器，发电机本身外特性是近于平的，即 UaEU0。负载电压Uf与负载电流If(亦即电枢电流Ia)的关系是 由上式可知，当If增大将引起电阻压降增大，并Uf使小而得到下降外特性。改变Rz值可调节外特性。这种方法的缺点是能量损耗大，只用于多站式直流弧焊发电机。例如AP-1000型多站弧焊发电机本身具有平的外特性，配备6个镇定电阻箱则可供6名焊工同时施焊。Uf=U0-IfRz=E-If(Ra+Rz)=U0-If(Ra+Rz)图4-1 串联镇定电阻的电路 2 2改变磁极磁通改变磁极磁通 由式（4-1）可知
4、，电枢电动势E与成正比，因而只要设法让随I的增大而减小，就可获得下降外特性。只要去磁作用与负载电流成正比，就可以等效为在电枢串联了电阻。这样既可获得下降外特性又不增加能量损耗。4.1.2 4.1.2 分类分类 1 1.根据产生去磁磁通的不同方法分类根据产生去磁磁通的不同方法分类 （1）差复励式（用串联绕组去磁）。（2）裂极式（用电枢反应去磁）。（3）换向极去磁式（用换向极绕组去磁）。2.2.按原动机不同分类按原动机不同分类 （1 1）直流弧焊发电机）直流弧焊发电机 它以三相异步电动机为原动机。电动机与发电机同轴共壳组成一体化结构。例如AX1-500型弧焊发电机，其外形如图4-2所示。(2)(2
5、)直流弧焊柴直流弧焊柴(汽汽)油发电机油发电机 它用柴油机或汽油机驱动发电机，可组装成汽车式，用汽车的发动机驱动一台或两台发电机。如图4-3所示为AXQ2-2250型直流弧焊汽油发电机的外形照片，它由轻便型越野车驱动两台弧焊发电机。图4-2 AX1-500型弧焊发电机外形图图4-3 AXQ2-2250型直流弧焊汽油发电机外形图4.1 直流弧焊发电机的基本原理和分类4.2 典型直流弧焊发电机4.3 硅弧焊整流器的组成和分类4.4 普通硅弧焊整流器4.5 磁放大器式弧焊整流器4.6 交直流两用及脉冲式硅弧焊整流器8 本节介绍差复励式及换向极式弧焊发电机的基本原理，结构、性能特点、电流调节方式及应用
6、。差复励式弧焊发电机一般用串联去磁绕组以获得下降外特性，但励磁绕组有它励与并励之分，将分述于下。另外，简单介绍新型内燃机驱动的直流弧焊发电机等发展。4.2.1 4.2.1 它励差复励式弧焊发电机它励差复励式弧焊发电机4.2.1.1 4.2.1.1 工作原理工作原理 它的原理如图4-4所示。为它励绕组，WE 为串联去磁绕组、二者产生的磁通与方向是相反的。pW图4-4 它励差复励式弧焊发电机原理图(4-5)（3 3）短路短路 这时Uf=0，If=Iwd，根据上面对空载和负载状态的分析，可得到 mEEwdmpppRKNIRNKIU0实际上，可以认为 ，故得 mpmERR0EdppNINIEppdNN
7、II（4-6）4.2.1.2 4.2.1.2 规范调节规范调节 由于 （1 1）改变）改变I Ip p 只要调节图4-4它励电路中的电阻Rp即可改变Ip，U0和If，外特性的变化如图4-5所示。此种调节方法可作为细调。（2 2）改变）改变R Rb b 即改变串联绕组的匝数NE。当NE增大，串联绕组去磁作用增强，外特性变陡而空载电压不变，见图4-6。此种调节方法只能作为粗调。只用前一方法时，If 减小，伴随着U0的降低将不利于引弧和稳弧，以致调节范围有限，故需配合以后一方法来扩大电流调节范围。图4-5 改变Ip的外特性 图4-6 改变NE的外特性 可知调节电流的方法有：4.2.2 内燃驱动的新型
8、弧焊发电机简介 传统的电动机驱动的弧焊发电机已经逐渐遭到淘汰，特别是在没有电网和野外环境下，内燃驱动弧焊发电机成为主要的应用。从本质而言，两者只是原动机的不同，其它部分的原理是相同的。随着近年来技术的发展，燃油（汽、柴油）驱动的新型弧焊发电机得到了迅速发展。如图4-7所示，为这种新型弧焊电源产品。图4-7新型内燃驱动弧焊发电机 在这类新型弧焊发电机产品中，原动机为柴油或汽油发动机，发电机则为平特性，即采用普通发电机原理。通过整流、斩波或逆变、直流滤波输出等环节，以满足焊接工艺要求。外特性和参数调节都是通过电子控制实现的，大大降低了整机的重量和体积，提高了效率。可以得到下降和平的不同外特性输出，
9、不仅能用于直流焊接，也能用于交流和脉冲电流焊接。表4-1给出了一种内燃驱动H700管道焊接工作站的技术参数,它具备焊条电弧焊、TIG焊和气体保护焊功能,可供两个单元焊接。注意,它可以单独或同时使用,输出电流分别为500A和350A。电源电源焊接方式焊接方式焊条电弧焊焊条电弧焊氩弧焊氩弧焊半自动焊半自动焊空载电压/V707070焊接电压/V单2240/双2234单1230/双1224单16.539/双16.531.5焊接电流/A单50500/双50350单50500/双50350单50500/双50350负载持续率60%发电机发电机功率40kW励磁方式无刷励磁输出电压交流380V频率50Hz相数
10、三相/单相发动机发动机燃油柴油功率额定功率45kW/最大功率50kW额定转速/(r/min)1500起停方式智能控制系统报警方式水温/油压/柴油机转速/燃油油位表4-1内燃驱动H700管道焊接工作站油箱容量油箱容量/L/L7070冷却方式冷却方式水冷整机整机尺寸/mm18608501205质量/kg1250防护/绝缘级别IP23/B搬运方式顶部吊钩/底部叉车插槽4.1 直流弧焊发电机的基本原理和分类4.2 典型直流弧焊发电机4.3 硅弧焊整流器的组成和分类4.4 普通硅弧焊整流器4.5 磁放大器式弧焊整流器4.6 交直流两用及脉冲式硅弧焊整流器154.3.1 硅弧焊整流器的组成 为了获得脉动小
11、，较平稳的直流电，以及使电网三相负荷均衡，通常都采用三相整流电路。其组成，如图4-8所示。图4-8 硅弧焊整流器的组成16 1 1.主变压器主变压器 它的作用是降压，把三相380V电压降至所要求的空载电压。2 2.电抗器电抗器 可以是交流电抗器或磁放大器（磁饱和电抗器）。当主变压器为增强漏磁式或当要求得到平外特性时，则可不用电抗器。它是用以控制外特性形状并调节焊接工艺参数的。3 3.整流器整流器 其作用是把三相交流电整流成直流，常采用三相桥式电路。4 4.输出输出电抗器电抗器 它是接在直流焊接电路中的直流电感（由带空气隙的铁心和线圈构成）。其作用主要是改善和控制动特性，其次是滤波。174.3.
12、2 硅弧焊整流器的分类 根据在其中有无电抗器，可分为两类：无电抗器的硅弧焊整流器和有电抗器的硅弧焊整流器。1 1.无无电抗器的硅弧焊整流器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 1）主变压器为正常漏磁）主变压器为正常漏磁 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器式。（2 2）主变压器为增强漏磁）主变压器为增强漏磁 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参数。按增强漏磁的方法不同，可分为动线圈式、动铁心式和抽头式。182.有电抗器的硅弧焊整流
13、器 这类硅弧焊整流器所用的电抗器都是磁放大器式的。根据其结构特点不同又可分为：（1）无反馈磁放大器（或称为磁饱和电抗器）式硅弧焊整流器；（2）有反馈磁放大器式硅弧焊整流器。根据磁放大器的反馈形式，后者又主要包括外反馈磁放大器式、全部内反馈磁放大器（自饱和电抗器）式和部分内反馈磁放大器（内桥自饱和电抗器）式硅弧焊整流器等。19 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的原理基础上发展起来的，属于比较简单的硅弧焊整流器。而有电抗器的硅弧焊整流器，磁放大器式部分是我们所不熟悉的，因而将作为本章的重点进行讨论。同时,前者对焊接参数的调节属于机械控制方法，往往需要通过调节动铁
14、心、动线圈或者抽头实现；后者则属于电磁控制方法，对其外特性、参数调节和电流波形控制的灵活性有所发展。4.1 直流弧焊发电机的基本原理和分类4.2 典型直流弧焊发电机4.3 硅弧焊整流器的组成和分类4.4 普通硅弧焊整流器4.5 磁放大器式弧焊整流器4.6 交直流两用及脉冲式硅弧焊整流器20 这一类所谓普通硅弧焊整流器指的是无交流电抗器（磁放大器）的硅弧焊整流器。虽然磁放大器式弧焊整流器比其他形式的弧焊整流器具有控制方便的特点，但结构比较复杂且重量大、用料多。因此生产中也常用这种简单的的硅弧焊整流器。4.4.1 动铁心式弧焊整流器 21 国内的三相动铁心式弧焊整流器，型号为ZX-320，只有少数
15、厂家生产。ZX-320弧焊整流器的电路原理如图4-9所示。它主要由三相铁心式主变压器T、硅整流元件组VD16及输出电抗器LK组成。图4-9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对元件起到过电压保护作用。主变压器示意图如图4-10所示。它采用三柱式铁心，在窗口中放入两个动铁心，可在窗口内移进或移出。动铁心的作用与弧焊变压器中的相同，即增加漏磁，获得下降特性，如图4-11所示。它适合作焊条电弧焊直流电源等。图4-9 ZX-320动铁心式弧焊整流器电路原理图 22图4-10 ZX-320动铁心式主变压器 图4-11 ZX-320电源外特性 23 输出回路中串联有
16、输出电抗器LK，为带铁心的电抗绕组，其作用是：第一，减小输出电流的脉动，起滤波作用；第二，限制短路电流增长速度，减小瞬态短路电流峰值，即改善动特性的作用。由于主变压器三相漏磁条件不同，存在三相电流的不平衡，有振动和噪音问题。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，因而有的动铁式弧焊整流器只好采用单相动铁式弧焊变压器和桥式整流，并用输出电抗器滤波。主要由增强漏磁的三相动绕组式弧焊变压器和三相桥式整流器组成，国产动线圈式弧焊整流器有ZXG1型和ZXG6型。由于弧焊变压器漏抗很大。故可获得下降外特性。调节一、二次绕组之间的距离，即可改变漏抗的大小，从而调节电流。由于外特
17、性较为陡降，动绕组式弧焊整流器适用于手弧焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊。244.4.2 动绕组式弧焊整流器 三相三相动绕组式弧焊变压器的结构如图动绕组式弧焊变压器的结构如图4-124-12所示。图所示。图a a所示为铁心，三个心柱和所示为铁心，三个心柱和上下轭构成三棱柱形。这种立体结构优于一般平面结构，其三相磁路平衡，可使三上下轭构成三棱柱形。这种立体结构优于一般平面结构，其三相磁路平衡，可使三相电流平衡，从而整流电流平稳。图相电流平衡，从而整流电流平稳。图b b所示为可移动绕组及其传动机构，一般是移所示为可移动绕组及其传动机构，一般是移动一次绕组，因其导线比二次的细、软。摇动手柄则一次绕组沿丝杠
18、移动，即可调动一次绕组，因其导线比二次的细、软。摇动手柄则一次绕组沿丝杠移动，即可调节电流。其二次绕组是静止不动的。节电流。其二次绕组是静止不动的。图4-12三相动线圈式弧焊变压器 a)铁心b)绕组及其传动机构25图4-13 ZXG1-400弧焊整流器电路 图4-14 ZXG1-400电源外特性 与与磁放大器式相比，它的结构及线路简单磁放大器式相比，它的结构及线路简单，节省原材料节省原材料，质量较轻。其电磁惯性质量较轻。其电磁惯性与弧焊变压器相近，动特性很好，飞溅较少，因而一般可不用输出电抗器。它的缺点与弧焊变压器相近，动特性很好，飞溅较少，因而一般可不用输出电抗器。它的缺点是：由于绕组可动，
19、使用时有轻微的振动和噪声，不易于实现远距离调节，不便于进是：由于绕组可动，使用时有轻微的振动和噪声，不易于实现远距离调节，不便于进行电网电压补偿等。行电网电压补偿等。国产动线圈式弧焊整流器有ZXG1型和ZXG6型，例如ZXG1-160、ZXGl-250和ZXGl-400型。ZXG6-300型铁心为三角形，结构与ZXG1有所不同。现以ZXGl-400型为例介绍，电路如图4-13所示。当将一、二次绕组靠近而调到大电流时，可让二次绕组部分套入一次绕组。这样可扩大电流调节范围而不必分档，又可减小绕组之间的最大推斥力。弧焊电源外特性如图4-14所示。该弧焊电源装有独特的“浪涌电路”，由变压器的绕组、二极
20、管VD7，和电阻R2组成，并联在焊机的输出端。绕组两端的电压为14V，低于弧焊电源的空载电压和工作时的电弧电压，故在空载和焊接时VD7能被反向偏置，使电路对焊接无影响。当引弧和熔滴过渡而使弧隙短路时，VD7导通，绕组向弧隙输出浪涌电流，以助引弧和熔滴过渡。浪涌电流分弱、中、强三档，供不同焊接位置、不同焊条直径时选用。274.4.3 抽头式弧焊整流器 其基本电路见图4-15，由主变压器T、整流器UR和输出电抗器LK组成。与前述弧焊整流器相比，其主变压器有所不同，它是正常漏磁的一般三相降压变压器。所以漏抗很小，可以获得近于水平的外特性，如图4-16所示。为了调节输出电压，在一次绕组上设有许多抽头，
21、以便改变一次绕组匝数进行调节。在抽头式弧焊整流器中，输出电抗器是必不可少的。抽头式弧焊整流器的特点和应用范围是：(1)结构简单，节省材料，易于制造，使用可靠。(2)具有平外特性，空载电压较低与电弧电压近于相等，有时难以引弧。(3)调节电压是有级的，且不宜在负载的情况下调节，也不能遥调。(4)对电网电压波动的影响不能采取补偿措施。这种弧焊电源主要用于细丝CO2焊。因其简易、经济、可靠而易于推广，得到了广泛应用。国内外都有这种类型产品，弧焊电源简单，只是要与送丝电路等配合使用即可。28图4-15 抽头式弧焊整流器的组成图4-16 抽头式弧焊整流器的外特性2930 在抽头式弧焊整流器中，输出电抗器是
22、必不可少的。因为这种弧焊整流器主要用于二氧化碳气体保护焊，要用输出电抗器控制短路电流增长速度，以减少金属熔滴的飞溅和改善焊缝成形。抽头式弧焊整流器的特点和应用范围是:1)结构简单，节省材料，易于制造，使用可靠。2)具有平的外特性，空载电压较低并与电弧电压近于相等，有时难以引弧。3)调节电压是有级的，且不宜在负载的情况下调节，也不能遥调。4)对电网电压波动的影响不能采取补偿措施。这种弧焊电源主要用于细丝二氧化碳气体保护焊，因其简易、经济、可靠而易于推广，得到了广泛应用。国内外都有这种类型产品，电源简单，只是要与送丝电路等配合使用即可。例如国产的NBC-250B型号的某种抽头式CO2焊机，其一次绕
23、组采用一个三相组合开关配合换档，调节级数为9级，空载电压为2142V，焊接电压为1727V，功率8.1kVA，可适用直径0.81.2mm焊丝焊接。4.1 直流弧焊发电机的基本原理和分类4.2 典型直流弧焊发电机4.3 硅弧焊整流器的组成和分类4.4 普通硅弧焊整流器4.5 磁放大器式弧焊整流器4.6 交直流两用及脉冲式硅弧焊整流器32 磁放大器是一种常用的电磁控制元件。在磁放大器式硅弧焊整流器中，磁放大器是其中的一个主要部件，利用它可以使弧焊整流器获得所需要的外特性(下降特性或平特性)，并用来相应地控制和调节焊接电流或焊接电压，因而对弧焊整流器的性能有重要的影响。本节首先介绍磁放大器的基本原理
24、，然后对无反馈磁放大器式弧焊整流器进行分析，并着重说明其具有下降特性的原理。4.5.1 磁放大器原理1.磁放大器的基本单元 众所周知，铁磁材料的磁化曲线（BH曲线）具有非线性，如图4-17所示。磁导率不是常数，而是随磁场强度H的变化而变化。实际上，磁放大器就是利用铁磁材料的这种特性来实现电流放大和控制作用的。最简单的单铁心式磁放大器结构如图4-18所示，由铁心、直流控制绕组WC和交流工作绕组WA所组成。图4-17 磁化曲线 图4-18 磁放大器的基本单元 交流绕组加上交流电压U后，经过负载流过电流I a，其有效值可表示为22XRUZUIa 式中，U为交流电压有效值；R 为交流电路总电阻；Z 为
25、交流电路总阻；X为交流绕组的感抗X=L,为角频率，L为交流绕组的电感。感抗X可用下式计算 mlSNLX2 式中，N为交流绕组匝数；S为磁路面积；lm为磁路平均长度；为导磁率。图4-19 单铁心磁放大器的交流电路 在磁放大器式硅弧焊整流器中，利用磁放大器可以控制电源外特性，这又是如何实现的呢？其实原理相同，以图4-19所示的具有单铁心磁放大器的交流电路说明。如4-24所示，交流电路的平衡方程式是：式中，是交流电流iA(在这里iA=if)通过WA时在铁心内产生的交变磁通。如图4-19所示,交流电路的平衡方程式是 Uf =U0-UL (4-13)式中，U0为电源交变电压；Uf为负载电压；UL为WA两
26、端的感抗压降。当If增大时，如果(A的变化幅值)和UL成正比地增大，使Uf随之减小而获得陡降外特性；反之，如果和UL保持一定值而不明显增大，则Uf不随If变化而获得平特性。根据铁磁材料的磁化曲线，当磁场强度H增大时，铁心将由不饱和渐渐变得饱和，即由大变小，磁阻则由小变大，因而交流绕组的等效电感减小。只要控制铁心的磁状态，即令其工作于磁化曲线的不同线段上，以致在相同的iANA作用下产生不同的和电压降，从而可以控制外特性。铁心的磁状态控制。由磁放大器结构得知，它是由交流磁动势iANA和直流磁动势IcNc共同磁化的。IcNc确定了在磁化曲线上起始工作点，再叠加上不同波形、不同幅值的交流磁势iANA,
27、即确定了在磁化曲线上的工作范围。Uf=U0-UL图4-20 磁放大器对外特性的控制2.双铁心式磁放大器 只用一个磁放大器基本单元时，会产生如下问题：（1）交变电流会在匝数较多控制绕组中感应出较高电势，影响磁放大器正常工作。（2）交流磁通在正负半波分别与直流控制磁通相加或相减，使交流电流波形发生畸变，会产生直流分量，增加变压器的激磁电流。因此在结构上有必要改进，通常采用双铁心式磁放大器可以解决上述问题。如图4-21所示为其结构图，图4-21a为两个单铁心式磁放大器，其WA及WC各自串联，图b的不同之处仅在于WA是并联联接。它们联接的原则都是当采用两个铁心与绕组后，在直流绕组中的交流感应电动势相互
28、抵消。图4-21 无反馈双铁心式磁放大器原理图a）交流绕组串联 b）交流绕组并联 双铁心式磁放大器除有4-21图所示的结构形式之外，还可将两个铁心并在一起共用一个控制绕组WC，WA的接法如图4-22所示。此时，由于WA采用同名端“头头”或“尾尾”相连的接法，两个铁心中的A以相反的方向穿过WC，所以在WC中也不会有交流电势。双铁心式磁放大器在电路中的作用同单铁心式。图4-22 控制绕组共绕的磁放大器4.5.2 典型磁放大器式硅弧焊整流器1.无反馈磁放大器式硅弧焊整流器 无反馈磁放大器式弧焊整流器的原理电路如图4-23所示，它主要由三相正常漏磁式平特性变压器、三相无反馈磁放大器、硅整流元件和输出电
29、抗器组成。与普通三相全波整流电路的不同，就是在电路中设置有磁放大器（AM）。每相的两个交流工作绕组是串联接法(当然也可以接成并联)。图4-23 无反馈磁放大器式硅弧焊整流器原理图图4-24 三相无反馈磁放大器结构图 每每相可以各有一个相可以各有一个WCWC绕组，这时各相的结构及绕组接法将如图绕组，这时各相的结构及绕组接法将如图4-244-24所示。但所示。但也可以如图也可以如图4-294-29所示的控制绕组三相共绕，使结构紧凑，节省铜线。所示的控制绕组三相共绕，使结构紧凑，节省铜线。在不同控制电流下和负载变化下面通过分析每相交流绕组工作情况，主要是铁心磁化曲线上起始工作点和工作范围的变化，来说
30、明其原理。(1)当Ic=0时 控制电流Ic=0时，无控制磁通，即C=0。两个铁心中只有交流绕组电流产生的磁通A，由于两铁心材料、尺寸和匝数相同，所以两个基本单元的工作情况完全相同。图4-25所示为铁心的磁化曲线，铁心起始工作点为原点。在负载电阻Rf 较大、负载电流If很小时，交流绕组的电流幅值也很小，此时铁心不饱和。因此，两个铁心中的磁通变化幅度随着Rf减小、If 增加，而迅速增加，交流绕组上的压降将随之增加，因而Uf迅速降低，外特性曲线很陡，如图4-26所示的外特性曲线1。随着Rf的进一步减小，负载电流和交流绕组电流进一步增加，直到铁心接近饱和后，由于磁化曲线的非线性使磁通变化较慢，因而Uf
31、降低也较慢，故外特性出现一定的外拖缓降段。(2)当Ic0时 Ic0时由磁动势IcNc产生控制磁通C，磁化曲线上铁心起始工作点为P0。如每相交流正半波时在两个铁心中分别产生磁通：1=A+C,2=A-C；负半波时则反之。总之，上半波在某一铁心中出现的情况，下半波在另一铁心中重现。因此，可通过研究某一半波中两个铁心磁通的变化量，得知输出电压与电流的关系。图4-25 无反馈磁放大器的磁状态图4-26 无反馈磁放大器的外特性 当Rf较大，交流绕组中的工作电流较小时，磁放大器两个铁心的工作点分别从P0点移动到a1和b1，但仍都处于饱和区，因而对应的磁通变化总量1很小，两交流绕组总压降也较少，这段外特性也就
32、较平缓，如图4-26所示的外特性曲线2平顶段。若Rf 减小，负载电流增加，交流绕组电流也增加，相应地引起磁通变化量增加。当Rf进一步减小，电流增大，则磁放大器铁心在磁化曲线上的工作段左端点向非饱和区深入(图4-25中a1和a3，对应于去磁铁心)，磁通变化总量和感抗压降随之显著增大，使外特性曲线很陡。当负载短路时，整流输出电压为零，弧焊电源空载电压将全部降落在两交流绕组中。再设Ic继续增大，则起始工作点P0往右移，即更加深入饱和区，则只有更大的If才能使工作段跨入非饱和区，而使外特性转入陡降段，故在图4-26中外特性的陡降段往右移，如曲线3。由此可知，无反馈磁放大器交流绕组感抗压降随着负载电流的
33、增加而增加。当负载电流增加到两个铁心中的去磁铁心脱离饱和状态后，如果负载电流再继续稍有增加，磁通变化和感抗压降显著增加，输出电压急剧下降。因此，这种电源的外特性曲线是很陡的。正常工作时,该弧焊电源工作于外特性曲线的陡降部分上，是两个交流绕组中铁心不饱和的在起作用。又假定磁放大器铁心材料的磁化曲线接近于理想化曲线，磁化曲线非饱和区的安匝很小，故有下面等安匝关系 Ic Nc-If NA0 (4-14)If=Ic Nc/NA (4-15)上式即为无反馈磁放大器的控制特性或称调节特性。上述关系表示为图4-27所示的直线1，即If随Ic直线增大。其斜率即比值Nc/NA称为电流放大倍数KI。KI=Nc/N
34、A (4-16)图4-27 无反馈磁放大器的调节特性 国产的无反馈磁放大器式硅弧焊整流器有ZXG7-300、ZXG7-500型,用于焊条电弧焊。还有ZXG7-300-1型，用于钨极氩弧焊和焊条电弧焊。无反馈磁放大器式弧焊整流器可获得陡降的外特性，适合钨极氩弧焊机应用。但由于短路电流太小，引弧不易，不宜用于焊条电弧焊，故其应用范围有限。此外，电流放大倍数较小，以致控制电流太大而不便于控制。为解决上述问题以获得平缓的外特性，可采用有反馈的磁放大器。常用的有焊接电流正反馈和电弧电压负反馈。反馈又有外反馈和内反馈之分，前者通过外加反馈绕组对直流输出电流或电压进行反馈，后者则由交流工作绕组兼起反馈作用。
35、以下只介绍应用较广的全部内反馈式和部分内反馈式的磁放大器。2.全部内反馈磁放大器式弧焊整流器 无反馈磁放大器式硅弧焊整流器在输出范围内之所以是陡降外特性，是因为每相两个铁心中有一个铁心工作总是在不饱和状态。如果使铁心达到饱和状态，保持感抗压降为一定值，与负载电流无关，则余下的输出电压即焊接电压也是定值，因而形成平特性。全部内反馈磁放大器就是利用内反馈使铁心达到自饱和，从而获得平特性的。因此，这样的磁放大器也称为自饱和电抗器。全部内反馈磁放大器式硅弧焊整流器的原理电路和各相磁放大器结构，如图4-28所示。它与无反馈式有相同之处，都由铁心、WC和WA组成；二者的差别主要在于WA的接法不同。各相磁放
36、大器的两个WA绕组的非同名端接在一起后再接交流电源，另两端则各接一个整流元件再接负载，连接的原则是使A与C的方向一致。这样使正半周交流电流通过一侧WA绕组，而负半周则通过另一侧WA绕组，每个WA绕组中的电流是方向不变的半波脉动电流。A由输出电流If流过WA所产生，其作用是加强C，于是交流工作绕组WA就兼起电流正反馈绕组的作用。图4-28 全反馈磁放大器式硅弧焊整流器的原理电路 全反馈磁放大器由于工作绕组串有二极管，使电流只能由同名端进去，当每相电流交变一周时每个工作绕组WA中只有半周时间通电流，且所产生的A与C同向只起加磁作用。由于每相同时只有一个绕组通电，因而磁通变化量m应指一个WA绕组导电
37、期间电流由零增至If 时铁心中的磁通增量。以磁化曲线上工作点状态来定性地分析全反馈磁放大器作为控制和调节元件时能得到的外特性，结果如图4-29和图4-30所示。(1)(1)当当I Ic c=0=0时时起始工作点p0在原点，若交流工作绕组中电流If较小，则在If NA的磁化下工作于非饱和区，随If增大，m显著增大，电压降很大，对应的外特性为陡降线段。若If达到If1，使工作点最大达到a点，产生1m；进一步增大If，则工作区右端点进入饱和区，磁通变化和电压降随着增加得很少，使外特性转入平缓线段。从而得到如图4-30中曲线2所示的外特性。(2)(2)当当I Ic c00时时起始工作点在p 0，它较靠
38、近磁化曲线的饱和区，当If达到比If1为小的I f1时，工作段右端即达到a点，这时产生了 1m。与Ic=0的情况相比，则外特性在更小的电流下由陡降转为平缓，如图4-30中的曲线1所示。图4-29 全反馈磁放大器铁心中磁通变化图4-30 全反馈磁放大器式硅弧焊整流器外特性 (3)(3)当当I Ic c00时时起始工作点在起始工作点在p p 0 0，它它离正向饱和区较离正向饱和区较远远，要要在较大的在较大的I If1f1N NA A加加磁磁之下之下，工作段工作段右端才达到右端才达到a a点点，这时这时的磁通变化幅度是的磁通变化幅度是 1m1m。即要在较大的。即要在较大的电流值才产生外特性的电流值才
39、产生外特性的转折转折，如如图图4-304-30所示的曲线所示的曲线3 3所示。所示。显然,这样就获得了“L”形的平的外特性输出。Ic0时Uf值较大。为保证Uf能有一定的调节范围，通常使Ic=0时外特性平缓段的Uf值约为空载电压U0的1/2。这种平特性的弧焊整流器只用于等速送丝的熔化极气体保护焊，焊接电流是由送丝速度来确定的，而调节弧焊电源外特性的结果是调节了电弧电压。全部内反馈磁放大器整流器的控制特性(或调节特性)是指它的输出电压Uf与控制电流Ic的关系，即Uf=f(Ic)。前已讲过，改变Ic可以改变外特性水平段电压的大小，即调节U f。不难理解，在一定的负载下，Uf与Ic的关系调节特性将如图
40、4-31中曲线1所示。在此要注意的是，这种弧焊整流器在实际焊接应用中工作点是取在外特性的平缓段上，而有IfNAIcNc，即不存在无反馈磁放大器中的等安匝关系，不能用之以求If与Ic之间的关系。很有用的是，可以以很小的控制电流来控制很大的负载电流，即电流放大倍数KI=If/Ic比无反馈式大得多，只要空载工作点在磁化曲线的非饱和区就可以实现。图4-31 全反馈磁放大器式硅弧焊整流器的调节特性图4-32 有偏移绕组的全反馈磁放大器 全部内反馈磁放大器式硅弧焊整流器，可用于二氧化碳或惰性气体、混合气体保护下的熔化极电弧焊，在国内外都有应用。国内定型产品有ZPG1-500、ZPG1-1500、ZPG2-
41、500和GB-500等型号。4.6.2 4.6.2 部分内反馈磁放大器式弧焊整流器部分内反馈磁放大器式弧焊整流器 这里所用的磁放大器是一类介于无反馈和全反馈之间的磁放大器。按反馈方法不同，又有电阻内桥式、绕组桥式和短路桥式之分。下面仅以电阻内桥式为典型进行讨论。如图4-33所示为其基本电路，与全反馈磁放大器的差别仅在于，在两交流工作绕组之间连接了电阻内桥。其接线原则不变，即各相也是令A与C的方向一致，只是多3个电阻内桥。这里仍然来定性分析这种整流器的外特性曲线形状，即通过对各相电路的分析进而推知三相情况，而在各相中通过分析磁放大器绕组电流，了解磁化曲线工作点、磁通和感抗压降变化，认识对外特性的
42、控制作用。图4-33 电阻内桥部分反馈磁放大器式硅弧焊整流器当a相电压交变时，在正负半波内该相各支路中电流的变化情况，如图4-34所示。图4-34 每个交流绕组中电流的变化情况 a)VD1导通时b)VD1和VD2都不导通时c)VD2导通时 图4-34a所示为VDl导通的情况。这时ia分两路:一路经WA1形成iA1；另一路经Rn和WA2为In，同时In=iA2。由于后一支路阻抗比前一支路的大，所以iA2小于iA1。图4-34b所示为VD1、VD2都不导通阶段，这时ia=0，由WAl及WA2内自感电势维持In，它经WA2、Rn、WA1构成回路，同时In=iA1=iA2。图4-34c所示是VD2导通
43、情况，这时ia反向并亦分两路：一路经WA2构成iA2；另一路经Rn和WAl为In，同时In=iA1。由于前一支路阻抗比后一支路的大，所以iA2大于iA1。按照每相电路的连接，正半波时，iA1使铁心增磁,iA2使铁心去磁，且iA2=In；负半波时，iA2使铁心增磁，iA1使铁心去磁，且iA1=In。因此，每个交流绕组在全波周期中的加磁电流为(If-In)，去磁电流为In，电流的变化显然在介于无反馈与全反馈之间，内桥电流始终存在并总是起去磁作用(负反馈)。因此，交流绕组上的磁通变化和电压降也介于无反馈与全反馈之间，因而获得下降特性。图4-35 内桥式磁放大器磁状态图图4-36 内桥磁放大器式硅弧焊
44、整流器外特性 每相的两个交流绕组中，在任意半波总有一个因去磁作用倾向于使铁心不饱和。如图4-35所示，在铁心磁化曲线上，Ic Nc决定起始工作点。如Ic较小时，起始工作点工作在非饱和区，负载电流增加时，磁通变化和电压降较大，获得较陡的下降特性。如Ic较大时，起始工作点工作在过渡区(接近饱和区)，如负载电流较小，过渡区磁通变化仍较为显著而获得较陡的下降特性；随着负载电流的增加，右边工作点进入了饱和区，左边工作点仍在过渡区，获得较为平缓的外特性；负载电流很大时，则左边工作点进入非饱和区，获得较陡降的外特性。实际外特性是比较平滑的，如图4-36所示。图4-37 调节特性的比较 这类部分内反馈磁放大器
45、式硅弧焊整流器，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(TIG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,可用于焊条电弧焊、埋弧焊、自动/半自动CO2焊等。调节特性如图4-37所示的曲线1。部分内反馈式磁放大器中IA为不对称交流，正半周幅值为(IfIn)，负半周幅值为In；内桥起到负反馈去磁作用，负载电流正反馈不及全反馈式的强烈，故为部分内反馈，其电流放大倍数也就介于无反馈和全反馈之间。曲线2为无反馈式磁放大器的调节特性
46、。曲线1和曲线2相比，前者的变化率大和空载电流较大。通常，为扩大调节范围和避免将Ic反向，也要采用偏移绕组。4.5.34.5.3 磁放大器式硅弧焊整流器小结磁放大器式硅弧焊整流器小结 磁放大器在硅弧焊整流器中是作为控制和调节元件，通过它控制外特性形状、调节外特性，从而调节电弧电流或电弧电压。我们知道，平特性的变压器串联一普通交流电抗器可得到下降的外特性。然而，同样的变压器串联不同形式的磁放大器，却可得到各种形状的外特性。这是什么道理呢?其本质在于一般交流电抗器磁路中有空气隙，其磁导率和感抗为线性参数，而磁放大器磁路中不设空气隙，且铁心由交流和直流磁势共同磁化。各种磁放大器均用控制绕组在磁化曲线
47、的不同区域设置静态工作点，再加上用不同波形交流电流(半波、全波、不对称交流)的共同磁化作用，使各种磁放大器在磁化曲线上的工作区、磁状态不同，感抗为非线性参数，因而所得外特性各异。现将无反馈、全反馈、内桥内反馈三种形式磁放大器的特点列于表4-1中，以便比较。磁放大器式弧焊整流器在动特性方面曾存在以下问题：短路电流上升率和峰值较大，而衰减较馒，造成引弧冲击大和熔滴飞溅严重；此外，从短路到负载时瞬态负载电流最小值较低，从而降低了电弧稳定性并减弱了电弧的“挺度”和穿透力。表4-2不同磁放大器式弧焊整流器特点比较 无反馈式无反馈式全反馈式全反馈式部分内反馈式部分内反馈式单相电路图单相电路图当WA串联时内
48、桥电阻内桥电阻Rn=0当WA并联时Rn=Rn为较小值无反馈式无反馈式全反馈式全反馈式部分内反馈式部分内反馈式交流绕组中电交流绕组中电流波形示意图流波形示意图反馈系数反馈系数Kf=0Kf=10Kf1磁状态示意图磁状态示意图（续）磁放大器式硅弧焊整流器在动特性方面曾存在以下问题：短路电流上升率和峰值较大，而衰减较慢，造成引弧冲击大和熔滴飞溅严重；此外，从短路到负载时瞬态负载电流最小值较低，从而降低了电弧稳定性并减弱了电弧的“挺度”和穿透力。原因在于磁放大器中有多个绕组，电磁惯性较大所致。为此需采取措施加以改善。其中最主要的是在主回路中串接直流输出电抗器，用它抑制电流的变化以减小上述电流的冲击和下跌
49、。再加上精心设计，使上述问题得到缓解。它曾经是一种较先进的弧焊电源，可以满足一般焊接工艺的要求。但由于制造时耗材多，重量和体积偏大，已愈来愈多地被逆变式等新型弧焊电源替代。电源外特性电源外特性调节特性调节特性4.1 直流弧焊发电机的基本原理和分类4.2 典型直流弧焊发电机4.3 硅弧焊整流器的组成和分类4.4 普通硅弧焊整流器4.5 磁放大器式弧焊整流器4.6 交直流两用及脉冲式硅弧焊整流器63 在硅弧焊整流器类焊接电源中，不仅可以进行直流焊接，还可以得到交流和脉冲的输出电流波形。下面将介绍较简单的单相交直流两用硅弧焊整流器、单相整流式脉冲电源和磁放大器式脉冲弧焊电源。4.6.1 4.6.1
50、交直流两用硅弧焊整流器交直流两用硅弧焊整流器 交直流两用硅弧焊整流器既可以输出直流电，也可以输出交流电，具有下降外特性，是焊条电弧焊和钨极氩弧焊的一种两用电源，用来焊接碳钢、不锈钢及铝、钛等有色金属。它的基本电路如图4-38所示，其中T是具有下降特性的交流弧焊变压器，UR是单相桥式整流器，LK是电抗器。64图4-38 交直流两用硅弧焊整流器示意图 图4-39 输出交流焊接电流波形 用直流（DC）焊接时，把交流（AC）输出端1、2短接，从直流输出端提供焊接电流。用交流（AC）焊接时，把直流（DC）输出端短接，从1、2两端输出交流电。此时由于电抗器L的串入，而且L总是通直流电，对电流有滤波作用，因
