直流弧焊发电机与硅弧焊整流器.ppt

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1、第4章 直流弧焊发电机与硅弧焊整流器,主要内容4.1 弧焊发电机的基本原理和分类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 无反馈磁放大器式弧焊整流器4.6 有反馈磁放大器式弧焊整流器4.7 交直流两用及脉冲式硅弧焊整流器,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。,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件，将交流电整流成直流电。它与直流弧焊发电机相比有

2、以下优点：（1）易造好修、节省材料、减轻重量、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。,4.1 弧焊发电机的基本原理和分类,4.1.1 基本原理,通常称之为直流弧焊机的，是指由一台电动机（或柴油、汽油驱动的其它原动机）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手工弧焊、埋弧焊和钨极氩弧焊，因此需具有下降

3、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下几种办法：1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UfU0IfRz=EIf(Ra+Rz)=UoIf(Ra+Rz)由上式可知，当If增大将引起电阻压降增大，并使Uf减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，配备六个镇定电阻箱则可供六名焊工同时施焊。,图4-1 串联镇定电阻的电路,2改变磁极磁通 由式（4

4、-1）可知，电枢电动势E与成正比，因而只要设法让随If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 分类,1、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、按原动机不同分类（1）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)直流弧焊柴(汽)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

5、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,4.2 典型的直流弧焊发电机,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。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 它励差复励式弧焊发电机,4.2.1.1 工作原理,它的原理如图4-4所示。为它励绕组，WE为串联去

6、磁绕组、二者产生的磁通与方向是相反的。,图4-4 它励差复励式弧焊发电机原理图,1空载 这时If=0，=0，空载电压只由 来建立,(4-2-1),2负载 这时有负载电流If流过WE产生了E。在磁路不饱和的情况下，电枢反应去磁作用可以不计。根据式(4-1-3)有：,Uf=U0IfRb,式中，,，它考虑了串联绕组的去磁作用(RmE为E磁路的磁阻)。,该发电机就是靠这种作用获得下降外特性的。,3短路 这时Uf0，IfIwd，根据上面对空载和负载状态的分析，可得到,实际上，可以认为，故得,（4-2-2）,4.2.1.2 参数调节,由于,可知调节电流的方法有：（1）改变Ip 只要调节图4-4它励电路中的

7、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）改变Rb 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时的外特性,图4-6 改变NE时的外特性,4.2.2 并励差复励式弧焊发电机,4.2.2.1 工作原理,如图4-7所示为其原理图。WH为并励绕组，但它不是接在两个主电刷a和b之间。因为Uab会随着If的增大而下降，如果用Uab为并励电源电

8、压将不利于稳弧。为避免这种弊病而在发电机加辅助电刷c，励磁绕组WH接在a、c电刷之间。图中WE是串联去磁绕组。,图4-7 并励差复式弧焊发电机原理图,1空载,式中，IH NH为并励绕组的磁势；RmH为并励磁路磁阻。,（4-2-3）,2负载 If流过WE和电枢绕组产生磁通E和a，电枢导体切割各磁通产生以下电压：后极尖对应的电枢导体上的电压为,式中的系数l2，是考虑后极尖对应的电枢串联导体数是一个极所对应的一半。由于磁路设计得不饱和，E、a都与If成正比，可令其相互抵消，则有,（4-2-4）,同理，前极尖所对应的电枢导体上电压为,输出电压为,因此，还是靠串联绕组去磁获得下降外特性。Uac、Ucb、

9、Uab与If的关系如图4-8所示。,图4-8外特性曲线的构成,4.2.3 换向极式弧焊发电机,4.2.3.1 结构特点,这种发电机原理图如图4-9所示，设有它励绕组Wp和利用换向极磁通去磁作用而获得下降外特性。换向极本是用以改善换向条件的，为何对主磁场有去磁作用呢？这是由于采取了特殊结构。如图4-10所示，除有普通形状的四个主磁极NSNS之外，还有四个特殊形状的换向极NMSMNMSM。换向极极掌较宽且不对称，前极尖大而后极尖小，极端面歪斜使前极尖处与电枢之间的空气隙小而后极尖处的大；而且换向极被安置得与相邻异名主磁极靠得较近，如图4-11所示。,图4-9 换向极式弧焊发电机电路原理图,图4-1

10、0 AX4-300型弧焊发电机内部结构图,图4-11 换向极式焊机磁极磁场分布,4.2.3.2 工作原理,1、空载 与其他它励机一样，空载电压为,2、负载 这时If通过换向极绕组产生磁通,式中，RmM为换向极磁通所经磁路的磁阻。,（4-2-6）,式中，,3、短路 这时Uf=0，If=Iwd，并设RmpRmM，由式（4-2-6）可得,4.2.3.3 参数调节,根据式(4-2-6)可知，改变Ip及NMd即可调节外特性和电流。1、改变Ip 当增大Rp则Ip、U0减小，从而If也随着减小；反之，则If增大。借此可作均匀调节。2、改变NMd 这是通过移动电刷位置实现的。当顺电枢旋转方向移动电刷，由图4-

11、11b可见面积2增大而面积3减小，故换向极磁通去磁作用增强，相当于NMd增大，于是Rb增大而If减小。反之将电刷逆电枢旋转方向移动一定角度，如图4-11c所示，则能使If增大。,4.2.3.4 产品介绍,国产的这类弧焊电源有AX3-300、AX3-500、AX3-300-1及AX4-300型。,4.2.4 内燃驱动的新型弧焊发电机简介,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，其他部分的原理是相同的。但是，随着近年来技术的发展，出现了更新换代的产品。燃油（汽、柴油）驱动的新型弧焊发电机得到了迅

12、速发展。如图4-12所示，为这种新型电源产品。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。然后，通过电路实现整流、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。采用功率晶体管变换技术（斩波或逆变，在本书后面的章节详述其原理），大大降低了整机的重量和体积，提高了效率。同时，还能够获得优越的电源控制性能和品质。通常这样的产品具有多种功能，可以得到下降和平的不同外特性输出，不仅能用于直流焊接，也能用于交流和脉冲电流焊接。在应急情况下，它可以作为发电机满足照明需要，还能够进行蓄电池充电等。,图4-12 新型

13、内燃驱动弧焊发电机,4.3 硅弧焊整流器的组成和分类,从本节开始介绍硅弧焊整流器的组成和分类，简单的硅弧焊整流器、磁放大器式硅弧焊整流器、交直流两用式和脉冲式硅弧焊整流器等，分析各种硅弧焊整流器的结构、所获得的外特性形状和调节特性，并介绍有关典型产品。,4.3.1 硅弧焊整流器的组成,为了获得脉动小，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4-13所示,图4-13 硅弧焊整流器的组成,1、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、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

14、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、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、输出电抗器 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。,4.3.2 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。,4.3.2.1 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 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、

15、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。,4.3.2.2 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。,4.4 普通硅弧焊整流器,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）

16、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,国内的三相动铁心分磁式弧焊整流器，型号为ZX-320，只有少数厂家生产。ZX-320弧焊整流器的电路原理示于图4-14中。它主要由三相铁分磁式主变压器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，FL和A是分流器和直流电流表，C16和R16对元件起到过压保护作用。一次侧接成星形，二次接成三角形，是弧焊整流器中常用的接法。因为这是一种降压变压器，一次侧接成星形，每相绕组的相电

17、压只有线电压的1/，绕组匝数可以减少，绝缘要求可以降低。二次绕组电流比较大，采用三角形接法时，相电流只是线电流的1/，可以减小导线截面积，容易绕制。,主变压器示意图如图4-15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4-16所示。它适合作手工弧焊直流电源等。,图4-14 ZX-320动铁心式弧焊整流器电路原理图,图4-15 ZX-320动铁心式主变压器,图4-16 ZX-320电源外特性,输出回路中串联有输出电抗器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

18、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。,4.4.2 动绕组式弧焊整流器,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

19、焊。三相动绕组式弧焊变压器的结构如图4-17所示。图a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，可使三相电流平衡，从而整流电流平稳。图b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移动，即可调节电流。其二次绕组是静止不动的。,与磁放大器式相比，它的结构及线路简单、节省原材料、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。国产动线圈式弧焊整流器有ZXG1型和Z

20、XG6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4-18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4-9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

21、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。,图4-17 三相动绕组式弧焊变压器a）铁心 b）绕组及其传动机构,图4-18 ZXG1-400弧焊整流器电路,图4-19 ZXG1-400电源外特性,4.4.3 抽头式弧焊整流器,其基本电路见图4-20，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4-21所示。为了调节输出电压，在一次绕组上设有许多抽头，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

22、抗器是必不可少的。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溶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。,图4-20 抽头式弧焊整流器的组成,4-21 抽头式

23、弧焊整流器的外特性,4.5 无反馈磁放大器式弧焊整流器4.5.1 磁放大器原理,4.5.1.1 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4-22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4-23所示，由铁心、直流控制绕组WC和交流工作绕组WA所组成。,图4-22 磁化曲线,图4-23 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Ia，其有效值可表示为,式中，U为交流电压有效值；R为交流电路总电阻；Z为交流电路总阻抗；X为交流绕组的

24、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,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4-24 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，我们以图4-24所示的具有单铁心磁放大器的交流电路说明。,图4-25 磁放大器对外特性的控制,如4-24所示，交流电路的平衡方程式是：,式中，U0为电源交变电压；Uf为负载电压；UL为WA两端的感抗压降。当If增大时，如果和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保持一定的值而不明显增大，则Uf 不随If

25、变化就获得平特性。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。因而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。那么，铁心的磁状态又是怎样控制的呢?由磁放大器的结构得知，它是由交流磁势iANA和直流磁势ICNC共同磁化的。ICNC确定了在磁化曲线上的起始工作点（相当于晶体管输出特性上的静态工作点），再叠加上不同波形、不同幅值的交流磁势iANA，即确定了在磁化曲线上的工作范围。,如图4-26所示，如果铁心起始工作点P0在原点，在iANA的

26、磁化作用下工作于磁化曲线的ab段，处于非饱和区，这时磁路磁阻小，一定的IANA产生较大的磁通变化幅度。若IANA增大会使显著增大，而得到较陡的下降外特性。如果控制磁通使起始工作点P0靠近饱和区，则在相同iANA同时磁化下，工作于ab段上，处于较饱和的区域，相应的磁路磁阻大，对应的磁通变化幅度较小。以P0为起始工作点，即使iANA增大，而也增大得不明显，因而对应的外特性段较平缓。由此不难理解，如何利用磁放大器去控制电源输出的电压和外特性形状。,图4-26 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,4.5.1.2 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）

27、交变电流会在匝数较多的控制绕组中感应出较高电势，影响磁放大器的正常工作。（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4-26所示为其结构图，图4-26a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抵消。,4.5.2 无反馈磁放大器式硅弧焊整流器,4.5.2.1 基本电路,无反馈磁放大器式弧焊整流器的原理电路如图4-28所示，它主要由三相正常漏磁

28、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)。每相可以各有一个WC绕组，这时各相的结构及绕组接法将如图4-27所示。但也可以如图4-29所示的控制绕组三相共绕，使结构紧凑，节省铜线。,图4-28无反馈磁放大器式硅弧焊整流器原理图a）交流绕组串联 b）交流绕组并联,图4-29 控制绕组三相共绕的无反馈磁放大器结构图,图4-27 控制绕组共绕的磁放大器,4.5.2.2 工作原理,1、空载 这时磁放大器各相交流绕组WA中无电流，也没有压降产生，其在电路中的作用相

29、当于联接导线，它对整流电路工作情况没有影响。这时图4-28所示的电路与一般三相桥式整流电路一样。空载电压U0为：U0=1.35U2l=2.34U2a 式中，U21、U2a分别各为主变压器一次和二次线电压和相电压。,2、负载 在负载状态下，本质上它是有感的三相桥式整流电路，为了便于分析磁放大器式硅弧焊整流器的外特性，通常可采用简化的方法，即总是从三相磁放大器中取出一相来分析其特性，然后推广到三相。因而其各相磁放大器结构见图4-31。,图4-31 无反馈磁放大器整流器的单相原理图,（1）当Ic=0时 控制电流Ic=0时，无控制磁通，即c=0。两个铁只有交流绕组电流产生的磁通，由于两铁心材料、尺寸和

30、匝数相同，所以两个基本单元的工作情况完全相同。当负载电阻Rf较大时，负载电流If很小，交流绕组的电流幅值也很小，此时铁心不饱和。因此随着Rf减小，If增加，两铁心中的磁通变化幅度将迅速增加，交流绕组上的压降随之增加，因而Uf迅速降低，外特性曲线很陡。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，铁心接近饱和。此后由于磁化曲线的非线性，磁通变化较慢，因而Uf降低也较慢，故外特性出现一定的外拖缓降段。（2）当Ic0时 如图4-32所示铁心的磁化曲线，Ic0时产生控制磁通c，且交流绕组中的电流Ia产生磁通A。如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，即交替

31、工作。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，可以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。由上面分析可知，无反馈磁放大器交流绕组感抗压降随着负载电流的增加而增加。当负载电流增加到这种程度，以致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，这种电源的外特性如图4-33所示,图4-32 无反馈磁放大器的磁状态,图4-33 无反馈磁放大器的外特性,4.5.2.3 控制特性,随着Ic增大，使磁放大器起始工作点更加深入磁化曲线的饱和区、即铁心的饱和程度加深，因此需要If达到更大值时，

32、交流磁势的去磁作用才足以使工作段左端点进入非饱和区，而使外特性转入陡降段。即Ic增大，则外特性陡降部分右移，If增大，通过改变Ic可达到调节If的目的。Ic与If的关系曲线，就是无反馈磁放大器硅弧焊整流器的控制特性或调节特性，可用作图法求得，如图4-34a所示。,图4-34 无反馈磁放大器的控制特性a)无反馈磁放大器硅弧焊整流器控制特性 b）理想和实际控制特性示意图,4.5.2.4 无反馈磁放大器的特点,无反馈磁放大器的特点如下：（1）WA内流过交流电，接线要保证一个铁心内A与c方向一致，另一个铁心内则相反。（2）可用较小的Ic控制较大的IA，电流放大倍数KINcNA，故可适当增大Nc，使KI

33、达几十倍。即使如此，这时Ic往往还要达到数安培，其控制功率仍然比较大。但若过份增大Nc，将又会增大磁放大器的体积、重量，并恶化动特性。（3）如果铁心材料为冷轧硅钢片，其磁化曲线接近于理想磁化曲线，则可获得近于垂直陡降的外特性。（4）无反馈磁放大器式弧焊整流器只能获得较为陡降的外特性。由于短路电流太小，引弧不易，不宜用于手弧焊，故其应用范围有限。,4.5.2.5 产品介绍,国产的无反馈磁放大器式弧焊整流器有ZXG7-300、ZXG7-500型，用于手工弧焊。还有ZXG7-300-1型，用于钨极氩弧焊和手工弧焊。,4.6 有反馈磁放大器式弧焊整流器,无反馈磁放大器式弧焊整流器只能获得较为陡降的外特

34、性。由于短路电流太小，引弧不易，不宜用于手弧焊，故其应用范围有限；并且电流放大倍数较小，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。以下只介绍应用较广的全部内反馈式和部分内反馈磁放大器式弧焊整流器。,4.6.1 全部内反馈磁放大器式弧焊整流器,4.6.1.1 基本电路,全部内反馈磁放大器式弧焊整流器的原理电路和各相磁放大器结构，如图4-35、4-36所示。由图可见，它与无反馈式有相同之处，都由铁心、WC和WA组成；二者的

35、差别主要在于WA的接法不同。各相磁放大器的两个WA绕组的非同名端接在一起后再接交流电源，另二端则各接一个整流元件再接负载。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。其特点是每个WA绕组中的电流是方向不变的半波脉动电流，联接的原则是使A与C的方向一致。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。另外，两个铁心内的Al(由IANA1产生的)及A2(由IANA2产生的)虽是按交流电的正负半周轮流以与c相同的方向穿过直流控制绕组，但由于它们的基波相位相反而可以相互抵消，所以在WA中感生的电动势不大。因为Nfk就是NA本身，I

36、fk也就是If，因而Kfl，故称之为全反馈磁放大器。又由于采用内反馈，所以还可称为自饱和电抗器。,图4-35 全反馈磁放大器式弧焊整流器的原理电路,图4-36 全反馈磁放大器各相结构,4.6.1.2 工作原理,空载时由于WA绕组上无电流、无压降，情况同于一般三相桥式整流电路。负载时是有感的三相桥式整流电路，与无反馈式磁放大器电路相似，对外特性方程的分析在此亦适用。下面分析它的具体特点和与无反馈式的差异之处。这里仍然以讨论无反馈磁放大器所用过的方法，即磁化曲线上工作点状态的分析，来定性分析采用全反馈磁放大器作为控制和调节元件时能得到什么样的外特性，结果如图4-37和图4-38所示。,图4-37

37、全反馈磁放大器铁心中磁通变化,图4-38 全反馈磁放大器弧焊整流器外特性,(1)当Ic0 起始工作点Po在原点，若交流工作绕组中电流If较小，则在IfNA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4-38中曲线2所示的外特性。(2)当Ic0 起始工作点在Po，它较靠近磁化曲线的饱和区，当If达到比If1为小的Ifl时工作段右端即达到a点，这时产生了1m。与Ic0的情况相比，则外特性在更小的电流下由陡

38、降转为平缓，见图4-38中的曲线1。(3)当Ic0 起始工作点在Po，它离正向饱和区较远，要在较大的If1NA加磁之下，工作段右端才达到a点，这时的磁通变化幅度是1m。即要在较大的电流值才产生外特性的转折，如图4-38所示的曲线3。由于1m1m1m，所以Ic0时平缓段的Uf值较小、Ic0时Uf值居中、Ic0时Uf值较大。为保证Uf能有定的调节范围，通常使Ic0时外特性平缓段的Uf值约为Uo的二分之一。,采用全反馈磁放大器获得的外特性与无反馈的截然不同，这是由于二者的磁状态不同。在全反馈磁放大器中，由Ic确定的静态工作点都在非饱和区，工作绕组中电流为整流半波，并且是起正反馈作用。在一定Ic下随着

39、If的增大，工作段从不饱和区逐渐向饱和区伸展，m也随着由增大显著到增大甚微，故形成“L”形外持性。在无反馈磁放大器中，由Ic确定的静态工作点常在饱和区而工作绕组中电流为全波交流；IfNA是一个半波起加磁作用，而另一半波起去磁作用。随着If的增大，在两个交流绕组中，在任意瞬时总有一个绕组的工作点由饱和区逐渐向非饱和区伸展，m由增大甚微到增大显著，因而得到的是“”形外持性。,4.6.1.3 控制特性,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Uff(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Uf。不难理解，在一定的负载下，Uf

40、与Ic的关系调节特性将如图4-39中曲线1所示。由图可以看出，要使Uf能在较宽的范围内调节，就要将Ic由负值调至正值，即不仅需要调节Ic的大小，还要改变其方向，这将给控制带来不便。为此得设法避免改变Ic的方向。如图4-40所示，只要在磁放大器铁心加上偏移绕组WP，让它的磁势IpNp起到去磁作用，即可达到此目的。如此，相当于把调节特性往右位移，故又称位移绕组。,偏移绕组还具有稳定输出电压的作用。接入偏移绕组后，控制绕组电源若采取了稳压措施，则因为偏移绕组产生的磁通与控制磁通相反，当电网电压下降时，一方面引起Uf降低；另一方面导致IpNp减小时，总的直流控制磁势(IcNcIpNp)却是增大的，因此

41、铁心起始工作点向饱和区靠近，使m减小，可以补偿电压下降对Uf的影响。同理，当电网电压升高时也有这种补偿作用。所以偏移绕组可使Uf少受电网电压波动的影响。此外，偏移绕组还有改善焊机动特性的作用。,图4-39 全反馈磁放大器式弧焊整流器的调节特性,图4-40 有偏移绕组的全反馈磁放大器,4.6.1.4 产品介绍,全部内反馈磁放大器式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，在国内外都应用较广。国内定型产品有ZPGl-500、ZPGl-1500、ZPG2-500和GB-500等型号。,4.6.2 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

42、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。,4.6.2.1 基本电路,图4-41是它的基本电路。其与全反馈磁放大器的差别仅在于在两交流工作绕组之间联接了电阻内桥，其余接线原则不变。各相也是令A与c的方向一致，只是多3个电阻内桥。,图4-41 电阻内桥部分反馈磁放大器式弧焊整流器,图4-42 每个交流绕组中电流的变化情况a）VD1导电时 b）VD1和VD2都不导电时 c）VD2导电时,4.6.2.2 工作原理,主要是分析这种整流器的外特性曲线形状。我们这里仍然以讨论无反馈磁放大器所用过的方法，来定性分析这种整流器的外特性曲线形状。即对各相电

43、路进行分析，进而推知三相情况。即分析各相绕组电流，认识磁通和感抗压降变化，了解对外特性的控制作用。图4-42是当a相电压交变时，按正负两个半波，该相各支路中电流的变化情况。图4-42a为VDl导电的情况，这时ia分两路：一路经WA1形成iA1；另一路经Rn和WA2为In，同时IniA2，然而后一支路阻抗比前一支路的大，所以iA2小于iA1。图b为VD1、VD2都不导电阶段，这时ia0，由WAl及WA2内自感电势维持In，它经WA2、Rn、WAl构成回路，同时IniA1iA2。图c是VD2导电的情况，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IniA1。正半

44、波时，iA1使铁心增磁（A与c同向），iA2使铁心去磁，且iA2=In；负半波时，iA2使铁心增磁（A与c同向），iA1使铁心去磁，且iA1=In；由上述分析可见：内桥电流始终存在，总是起去磁作用，因而起负反馈作用。这样，两个交流绕组中，在任意半波总有一个绕组磁化曲线的工作点降低，倾向于使铁心不饱和。而且，In的数值随负载电流的增加而增加，工作点下降越多，磁通的变化量越大，交流绕组的感抗压降也越大。输出电压下降的数值将随着电流的增大而增加，因而获得下降特性。,如图4-43所示，在磁化曲线上，IcNc决定起始工作点，而加磁电流的变化量为（IfIn），去磁电流的变化量为In，电流的变化幅度显然在介

45、于无反馈与全反馈之间。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，获得下降特性。这样，由于加磁电流的增加幅度在无反馈与全反馈之间，外特性与无反馈式相似。如Ic较大时，起始工作点工作在过渡区（接近饱和区），负载电流较小时，磁通的变化较为显著，获得下降的外特性；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，左边工作点进入非饱和区，获得较陡的外特性。获得外特性的原理如图4-44所示。,图4-43 内桥式磁放大器磁状态图,图4-44 内桥磁放大器式弧焊整流器外特性,部分内反馈磁放大器式硅弧焊整流器因为有负半周电

46、流的去磁作用，与无反馈式磁放大器类似，可获得下降外特性，改变内桥电阻阻值，可改变外特性下降的陡度。实际外特性是比较平滑的，如图4-45所示。与全反馈和无反馈式相比，它更具有灵活性。改变内桥电阻阻值，可改变外特性下降的陡度。当Rn，即将内桥断开，则变成全反馈式磁放大器，外特性接近于平的。当Rn0，即内桥为一根导线，则变成了交流绕组并联的无反馈式磁放大器，可获得陡降外特性（但是，交流绕组并联的无反馈式磁放大器存在短路环流，电磁惯性较大，动特性不如串联时好）。各相电流在磁放大器交流绕组和内桥电阻构成的两条支路中，是近似按电阻并联规律分配的。有以下关系式：,式中，RA为交流工作绕组的电阻。,因此，若R

47、n减小，则In增大，即去磁半波电流幅值增大，使磁通变化和感抗压降增加。改变Rn可调节进而改变外特性形状。故可通过适当选择Rn值获得所要求的下降外特性。,部分内反馈磁放大器式硅弧焊整流器因为有负半周电流的去磁作用，与无反馈式磁放大器类似，可获得下降外特性，改变内桥电阻阻值，可改变外特性下降的陡度。与全反馈和无反馈式相比，它更具有灵活性。改变内桥电阻阻值，可改变外特性下降的陡度。当Rn，即将内桥断开，则变成全反馈式磁放大器，外特性接近于平的。当Rn0，即内桥为一根导线，则变成了交流绕组并联的无反馈式磁放大器，可获得陡降外特性（但是，交流绕组并联的无反馈式磁放大器存在短路环流，电磁惯性较大，动特性不

48、如串联时好）。,4.6.2.3 参数的调节,通过改变直流控制绕组电流Ic值来调节电流，调节特性，如图4-46所示的曲线1。内桥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，前者大于后者而具有正反馈作用，但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比无反馈的大。曲线2为无反馈式磁放大器的调节特性。曲线1和曲线2比较，前者的变化率和空载电流较大。通常，为扩大调节范围和避免将Ic反向，也要采用偏移绕组。,图4-45 内桥式磁放大器实际外特性,图4-46 调节特性的比较,4.6.2.4 典型产品介绍,这类部分内反馈磁放大器式弧焊整流器，国内定型产品有ZXG-

49、300、ZXG-400及ZXG-500等型号，以上产品具有下降外特性，可用作手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型等型号产品，可用于手弧焊、埋弧焊、二氧化碳气体保护焊等。,4.6.3 磁放大器式弧焊整流器小结,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

50、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5-1中，以资比较。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