弧焊电源实验指导书

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和焊接参数的调节方法；2、熟悉晶闸管可控整流主电路形式和结构，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、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、实验设备及材料1.BX1－500交流弧焊变压器一台；2.ZX5－500弧焊整流器一台3.NB-500 （IGBT） MIG/MAG逆变焊机一台；三、弧焊电源结构及工作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。

通过实际观察电焊机结构，能够获得对不同类型电焊机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，通过调整电抗器的电抗值的大小，从而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、二次恻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Ⅱ可以移动，进出于铁心I的窗口(在图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性。

(2)动线圈式通过增大一、二次恻绕组之间距离来增强漏磁，改变绕组之间距离来调节。

BX3系列弧焊变压器属于此类。

图2 动线圈式弧焊变压器结构示意图，调节通过改变变压器绕组1（下部）和绕组2（上部）之间的距离δ12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。

(3)抽头式也是将一、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楼抗。

BX6-120型弧焊变压器属于此类。

图3 两心柱抽头式弧焊变压器结构示意图一次侧绕组由W 1I 和W 1II 两部分绕组共同组成，通过调整一次侧绕组W 1I 和W 1II在一次绕组中所占的比率，使得一、二次侧绕组耦合程度发生改变，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。

图4 晶闸管式弧焊整流器基本原理图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。

3、弧焊逆变器的基本组成及基本工作原理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。

图5 弧焊逆变器主要组成和基本原理方框图在供电系统中，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、实验步骤1、观察BX1－500交流弧焊变压器外观，对照说明书熟悉前面板按钮和旋柄；2、拆卸BX1－500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；3、观察ZX5－500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；4、拆卸ZX5－500弧焊整流器侧面板和顶盖，观察内部电路结构，辨识焊机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、观察NB-500 IGBT逆变焊机外观，对照说明书熟悉前面板按钮、旋钮及显示仪表；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五、实验方式与基本要求1、由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、实验小组每组4~5人，学生自己动手，独立操作。

3、要求学生掌握以上三种焊机的内部组成结构、工作及控制原理。

六、考核与报告1、实验中学生要仔细观察、认真记录，观察完后恢复焊机原貌，经指导教师检查后才可离开实验室。

2、学生必须在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机的组成结构和电路，叙述三种焊机的工作原理。

3、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。

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ZX5－500弧焊整流器外特性，验证该类整流电源不同外特性获得方法和调节原理。

二、实验设备1、ZX5－500弧焊整流器一台2、可变电阻箱一台；3、双踪示波器、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一般晶闸管式弧焊整流器的组成，如图1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。

图1 晶闸管式弧焊整流器基本原理图晶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、ZX5－500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）ZX5－500弧焊整流器开环外特性ZX5－500弧焊整流器的输出电压U 0与控制角α的关系为： U 0=AU 2cos α式中，A 是与主电路结构有关的系数；U 2为变压器二次侧相电压；α为控制角。

当控制角α一定时，输出电压U 0也一定，所以ZX5－500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R 0等效表示，则实际外特性可由下述方程表示：U f =U 0-I f R 0图2 ZX5－500弧焊整流器开环外特性 图3 ZX5－500弧焊整流器开环控制框图再根据图3所示ZX5－500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）U f 可由控制电压（系统的输入量）U k 调节。

即U f =A 0U k -I f R 0其中A 0U k = U 0，为弧焊电源的空载电压。

2）ZX5－500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U k =U ku +U ki =A m (U gu -mU f )+A n (U gi -nI f )所以 U f =A 0{A m (U gu -mU f )+A n (U gi -nI f )}-R 0I f最终得图4 晶闸管弧焊整流器闭环反馈系统框图在ZX5－500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U k ，U k 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U f =A 0A n U gi -（nA 0A n +R 0）I f U 0=A 0A n U gi ， R n = nA 0A n +R 0000R A nA U U A A R U U I n f gi n nff +-=-=对于ZX5－500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（A 0A n 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。

ZX5－500弧焊整流器的实际外特性为，曲线由U 0’点至P ，然后由P 点沿曲线2向下转折到I d 点，得U 0’—P —I d 三点构成的折线。

这是因为实际的ZX5－500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α=0时，电流反馈实际不起作用。

当U f =A 0A n （U gi -nI f ）= U 0-R 0I f 时，曲线1与曲线2相交于P 点。

当U f =A 0A n （U gi -nI f ）< U 0-R 0I f 时，控制角α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、ZX5－500弧焊整流器外特性测定实验步骤1、仔细阅读ZX5－500弧焊整流器产品说明书，熟悉其主要技术参数；2、将ZX5－500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ZX5－500弧焊整流器空载运转，首先听其声音是否正常，再检查冷却风扇是否正常鼓风，旋转方向是否正确；4、采用示波器和万用表测量空载输出电压并记录数据。