焊接电路模拟设计模板魏海峰Word下载.docx

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指导教师

杨文杰

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1电源触发电路课程设计目的和内容

1.1电源电路课程设计目的

本设计将理论教学、实践教学与仿真实践相结合，提高教学质量、培养优秀人才,通过弧焊电源电路课程设计这一具体教学活动，首先对学生进行科学精神教育，其次是培养学生的严谨科学的态度与道德，最后是进行科学方法的训练，以达到培养学生具有综合能力的目的。

1.2电源电路课程设计的内容及要求

1晶闸管弧焊电源主电路形式、原理及晶闸管触发电路综述；

2常用集成电路等电子器件的性能及使用；

3主要仿真仪器仪表的性能及使用方法；

4晶闸管触发电路的设计及仿真；

1）电压比较器的设计与使用；

2）三相交流同步正弦波信号正负半波的检测与波形变换电路设计；

3）倍频整形电路的设计；

4）锯齿波同步信号发生电路的设计；

5）可移相的触发尖脉冲的获得及其整形电路设计；

6）两套、三套或六套双窄脉冲晶闸管触发电路的设计；

7）两套、三套或六套双窄脉冲晶闸管触发电路的仿真及测试。

2弧焊电源触发电路课程设计文献综述

弧焊逆变器具有高效、节能、体积小、质量轻、多功能、多用途等优点，且具有良好的动、静特性和工艺特性。

因而，自其问世以来，就受到了较高的重视，发展迅猛，在各种焊接法的焊接电源中得到了广泛应用[1－2]。

电子开关器件是弧焊逆变器的核心之一，对弧焊逆变器的电路设计、性能有很大影响。

电子开关器件的不断发展和完善为弧焊逆变器的更新换代提供了保证；

电子开关器件的多样化发展为开发各种容量、特性的逆变焊机提供了丰富的选

择。

性能好、可靠性高的电子开关器件可大大简化逆变电源的电路设计，解决大功率逆变焊机的设计难点，提高逆变电源的可靠性。

电子开关器件的发展水平是研究弧焊逆变器的主要考虑因素之一1.弧焊逆变器的基本工作原理

弧焊逆变器主要由供电系统、电子功率系统（逆变主电路）、电子控制系统、给定与反馈电路、焊接电弧等组成，如图1所示。

供电系统将工频交流电变成直流电，为电子功率系统供电。

经逆变主电路的大功率电子开关器件（晶闸管、晶体管、场效应管、IGBT等）组VT的交换开关作用，变成几千至几万赫兹的中高频高压电，再经高中频变压器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，以及焊接回路的阻抗来获得弧焊工艺所需的外特性和动特.

2．3MOSFET的应用

为了克服晶体管的二次击穿和需要较大电流驱动（电流控制型）等不足，20世纪70年代末研制了功率场效应管（MOSFET）。

功率场效应管属于电压控制型器件，输入阻抗较大，只需要控制驱动电压和极微小的瞬间电流，就能实现功率场效应管的开关控制，控制性能较好。

MOSFET只有一种载流子，在关断过程中不存在两种载流子的复合，故其开关速度快，开关频率高，可达500kHz[7]，有利于实现逆变焊机的高频率化。

一般MOSFET式弧焊逆变器的频率为40～50kHz，但也有50kHz以上。

另外，功率场效应管还具有热稳定性好和抗干扰能力强的优点。

2．4IGBT的应用

绝缘栅双极性晶体管（IGBT）出现于20世纪80图1弧焊逆变器主要组成及基本工作原理

专题综述张士亮等：

弧焊逆变器的电子开关器件应用现状及趋势第12期·

9·

年代，是目前发展最快的一种混合型电力电子器件，它既有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度快、开关损耗小的优点，又具有双极型功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点，在高压、大电流、高速三方面是其他功率器件不能比拟的[8－9]，因而在逆变焊接电源领域得到了广泛应用，是目前弧焊逆变器研究的热点之一。

其不足之处是高压IGBT内阻大、导通损耗大，并且过电压、过热、抗冲击、抗干扰等承受力较弱，往往需要附加保护电路。

3弧焊逆变器电子开关器件应用趋势

弧焊逆变器总的发展趋势是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展，并以提高可靠性、可控性和拓宽用途为核心[1]。

高效和高功率密度是弧焊逆变器追求的主要目标之一。

高频化和降低主要器件的功耗是实现这一目标的主要技术途径。

所以，作为弧焊逆变器核心器件之一的功率电子开关器件，也正朝大功率、模块化、高频化、全控化和多功

能化的方向发展。

3主电路形式及触发电路设计

根据给定的晶闸管弧焊电源主电路形式、工作原理及给定的常用集成电路等电子器件的性能及使用要求确定晶闸管触发电路设计方案，说明晶闸管弧焊电源主电路形式原理，触发电路设计方案选择。

3.1三相桥式半控电路

电阻性负载　　其电路如图5-6。

图中T为变压器，整流电路由三个晶闸管V1、V3、V5和三个二极管VD2、VD4、VD6组成，Rf为负载，其中三个晶闸管构成共阴极，三个二极管构成共阳极。

当晶闸管控制角α=时波形分析如图5-7所示。

分别在自然换向点ωt1、ωt3、ωt5，触发三只晶闸管，使其轮流导通。

而二极管则在自然换向点ωt2、ωt4、ωt6处自然换向。

图5-7α＝0°

三相桥式半控整流电路电阻负载波形

a）相电压

b）负载电压

c）触发电压

d）管子导通顺序

当α＝30°

时，如图5-8所示，ωt1时刻V1管触发导通，电源电压uab通过V1和VD6加于负载Rf两端。

在ωt2时，共阳极组整流二极管VD2与VD6自然换向，所以在ωt2之后，VD2导通，电源电压uac通过V1、VD2加于负载，一直到ωt3时刻，V3管导通后使V1承受反压而关断，电路转换为V3与VD2导通。

Rf两端电压是ubc。

依此类推。

从输出电压波形看每个周期有六次脉动，且脉动是不均匀的。

当α＝60°

时，即在滞后于自然换相点60°

处触发晶闸管得到的负载波形如图5-8所示。

其特点是，在触发晶闸管时正值二极管的自然换相点，因而晶闸管与二极管同时换相。

3.1.1电阻性负载

其电路如图5-11所示，六只晶闸管：

V1、V3、V5接成共阴极组，V2、V4、V6接成共阳极组。

现讨论电阻性负载时的工作情况，先将输出电抗器L短路起来。

要使负载中流过电流，必需让上述二组晶闸管中各有一个同时导通。

与其它全波整流电路一样，由于管子压降可以忽略，负载上承受的是线电压。

工作过程中，共阳极组和共阴极组的晶闸管都在不断相换，换相时刻取决于产生触发脉冲的相位。

为了获得一周有六个波峰的负载电压波形，则需同时触发两组晶闸管。

即要求同组各晶闸管的触发电压互差120º

，二组之间互差60º

。

如图5-12所示是，即在自然换点ωt1～6上，由互差60º

的ug1～6按序触发对应的晶闸管VH1～6的波形。

图5-12a＝0°

三相桥式全控整流电路电阻负载波形a）相电压b）负载电流、电压c）触发电压d）管子导通顺序

3.1.2带平衡电抗器双反星形可控整流电路

其基本电路，如图5-16所示，可接成图5-16a、b形式，其工作原理及组成是一样的。

其结构由六个晶闸管，一个平衡电抗器LB和一个主变压器组成。

主变压器是三相的，二次有两组绕组，各以相反极性联成星形，故称“双反星形”。

带平衡电抗器双反星形整流电路，相当于正极性和反极性两组三相半波整流电路的并联。

各组输出电压波形如图5-21a、b中实线所示，是各相电压的包络线。

任何瞬时，正、反极性组均有一支电路导通工作，故可将该电路简化成如5-22所示。

图中ua、ub各为某瞬时同时导通的正、反极性支路的变压器相电压瞬时值，晶闸管的正向压降略去不计。

平衡电抗器是维持两组三相半波电路互不干扰各自正常工作所必需的。

图5-21带平衡电抗器双反星形整流电路波形图（a＝0°

时）电阻负载波形a）正极性组的整流电压波形图b）反极性组的整流电压波形图c）负载电压波形d）平衡电抗器两端电压波形e）整流元件导通顺序

当α＝0°

时。

其波形如图5-21d所示，频率为电网电压的三倍、近似于三角波形，其幅值为相电压幅值的1/2倍。

时，正、反极性组整流电压uMP和uMP波形如图5-23所示。

图5-24为α＝60°

时的波形，正、反极性组整流电压uMP、uNP波形如图5-24a、b所示。

图5-25为α＝60°

时的波形，这时uMP、uNP都对称于横轴，它们的平均值皆为零。

通过以上分析可知，带平衡电抗器双反星形整流器在电路中要有足够大的电感，与上述其他电路相比它具有以下特点：

1）它相当于两组三相半波整流电路并联。

它的各相电流流通时间可延长至120°

，而六相半波整流电路每相电流流通时间只有60°

，显然前者的整流变压器和整流元件的利用率较高。

该电路中，同时有两个晶闸管并联导电，每管分担1/6负载电流。

而三相桥式整流电路相当于两个三相半波整流电路的串联，同时有二个整流元件串联导电，每个晶闸管分担1/3负载电流，后者所用晶闸管的额定电流也就要求较大。

同时后者要考虑两倍的管子压降，因而效率较低。

因而，一般地说，带平衡电抗器的双反星形整流电路更适合于作弧焊电源，因为弧焊电源要求大电流低电压。

2）有六个晶闸管，触发电路比三相桥式半控整流电路的要复杂，但比三相桥式全控整流电路的简单。

3）整流电压波形为每个周波六个波峰，其脉动程度比三相桥式半控电路的小，最低谐波为六次，要求输出的电感量及体积都较小。

4）需用平衡电抗器，且为保证电路能正常工作，其铁心不宜饱和。

为此，应避免该铁心被直流成分所磁化，要求其抽头两边线圈的直流安匝相互抵消，即两组整流电路的参数（主要是变压器的匝数和漏感）应基本对称。

（5）多路触发脉冲之间应有电气隔离　　尤其是在三相全控整流电路中各路触发脉冲必须在电气上隔离。

晶闸管触发电路

晶闸管是半控型器件，它最重要的特性是正向导通的可控性，当阳极加上一定的正向电压后，还必须在门极和阴极之间加上足够的正向控制电压、电流即触发电压、电流,以及达到维持晶闸管导通的维持电流时，晶闸管才能从阻断转化为导通。

晶闸管导通后，门极控制信号就失去了控制作用，直到电源过零时，其阳极电流小于维持电流，晶闸管才自行关断。

根据这一特性，触发电压、电流可以是交流、直流或短暂的脉冲电压、电流，为减少门极损耗与触发功率，常用脉冲电压、电流触发晶闸管。

3.2晶闸管触发电路应满足一下要求：

（1）触发脉冲相位必须与加在晶闸管上的阳极电压同步。

（2）、触发脉冲应有足够功率　　信号极性要求门极为正，阴极为负。

（3）触发脉冲可以移相且能够达到所要求的移相范围　　为了调节焊接规范和控制电源的外特性形状，需要改变晶闸管的控制角，即通过移相触发电路改变触发脉冲相位。

（4）触发脉冲应有一定宽度　　脉冲前沿应尽可能陡，以使晶闸管导通后阳极电流迅速上升，超过擎住电流而维持可靠导通。

触发脉冲相位必须与加在晶闸管上的阳极电压同步。

3.3触发脉冲应有足够功率　　信号极性要求门极为正，阴极为负

3.2.1用六套触发电路

　由于该整流电路中有六只晶闸管，每只晶闸管需要一套触发电路，总共需要六套。

各相晶闸管的触发互不牵制，允许触发脉冲的移相范围大，可达180°

不过这个优点在这种弧焊整流器中得不到发挥，因为从空载到短路只需触发脉冲移相90°

即可。

这种方案的缺点是触发电路套数太多，各套电路参数难以达到一致，因此难以保证三相电路平衡；

同时又增加了电路产生故障的可能性。

3.2.2用三套触发电路

用三套触发电路该触发电路由正、反极性两组三相半波电路组成，见图5-26a。

a与－a相、b与－b相、c与－c相的晶闸管的阳极电压刚好相