蔣應田,高學朋,郭淑娟,胡傳順
(遼寧石油化工大學,遼寧撫順113001)
直流弧焊機電氣結構特點與主器件認識
蔣應田,高學朋,郭淑娟,胡傳順
(遼寧石油化工大學,遼寧撫順113001)
直流弧焊機是強、弱電結合的復雜電氣設備,其電路與控制系統越來越復雜。從實現焊接的四項基本功能和三項先進指標的技術出發,以直流焊機的技術發展歷程為主線,介紹直流焊機的基本組成及其電氣結構和器件特點。根據教學總結提出初學者認識直流焊機內部電氣結構的思路和電氣器件識別方法。
直流焊機;電氣結構;逆變電源;器件認識
電弧焊是一種應用廣泛的金屬熔化焊接技術,分為直流電弧和交流電弧,直流電弧在電弧穩定性方面明顯優于交流電弧。直流焊接設備發展經歷了五個時期:①旋轉機械式,以直流弧焊發電機為代表;②機械調節整流式,以普通硅弧焊整流器為代表;③電磁控制式,以磁放大器式硅弧焊整流器為代表;④電子控制型,該類焊機包括晶體管型和晶閘管型整流焊機,是目前工業生產中應用的主流設備之一;⑤逆變式焊機,該類焊機具有高效節能、質量輕、體積小,功率因數高等優點。逆變焊機根據逆變器應用的開關管器件經歷了晶閘管式、晶體管式、場效應管式和IGBT四個時代。當前,逆變焊機的發展趨勢是向雙零逆變和采用其他新型開關器件,如IGCT、IECT等[1]。上述①類焊機早在1991年被國家淘汰[2],②③類焊機也于2012年被國家列入淘汰序列[2-3]。
直流弧焊機必須滿足四個基本要求[4-5]:(1)外特性有工藝要求的外特性曲線;(2)輸出合適的空載電壓;(3)滿足焊接規范的調節特性;(4)滿足一定的動特性要求。
2.1直流弧焊機外特性實現原理及方法
直流弧焊機可以應用于焊條電弧焊、鎢極氬弧
焊、熔化極氬弧焊、活性熔化極氣體保護焊、等離子弧焊以及埋弧焊等。每一種焊接方法的電弧處于不同的電弧靜特性區段,需要焊機輸出相應的外特性曲線和電弧的伏安曲線進行靜或動平衡。例如,焊條電弧焊電源需要陡降的外特性曲線,鎢極氬弧焊和等離子電源需要垂降的外特性曲線,而粗絲的埋弧焊電源需要緩降的外特性曲線,細絲熔化極氣體保護焊則需要平外特性曲線。對于弧焊電源外特性輸出曲線的實現,縱觀直流焊機的五個歷史時期,其獲得方式有以下幾種:(1)外激磁差復式,為第一代直流弧焊發電機所應用的方式。利用三相異步電動機(或汽柴油機)驅動直流發電機的發電轉子在他激勵磁差復磁場中旋轉獲得下降外特性。他激勵磁差復(或裂極反應)磁場就是利用焊機輸出電流產生的激磁與給定激磁的差項來獲得。(2)串聯可調節電抗器式,為第三代直流焊機應用的方式。在普通降壓變壓器獲得焊接所需的空載電壓后,通過串聯可調節電抗器進行外特性的調節。可調節電抗器有兩種,一種是非封閉鐵心的可調節間隙大小的電抗器,這類直流焊機只能獲得下降外特性;另一種是封閉鐵心不可調節間隙的電抗器,通過調節電抗器上纏繞直流線圈繞組中的電流值,改變電抗器的磁化點使電抗器阻值發生改變獲得相應的外特性。通過改變電抗器上交流工作繞組的電流反饋方式,可以獲得不同的外特性曲線,如無反饋可獲得下降外特性,全反饋獲得平外特性,而部分反饋則獲得緩降特性。因此,這類焊機通過適當的線路改造可以實現外特性形狀的變化。(3)主變壓器漏磁式,為第二代直流焊機采用的方法。利用主變壓器一、二次線圈之間較松散的纏繞方式產生漏磁,減小耦合主磁通實現變壓器輸出下降外特性。此外為了進一步加強外特性的可調性,在一、二次線圈之間增設活動鐵心,或者調節一、二次線圈之間的距離來增強漏磁。(4)半導體器件調節式,為第四代焊機采用的方式。可分為兩類,一類采用大功率晶閘管,利用晶閘管的移相控制特點實現外特性調節;另一類采用大功率晶體管,利用晶體管的模擬放大或開關模式實現外特性調節。這類焊機可根據焊機輸出反饋調節方式的不同,實現下降、平外、緩降特性輸出。(5)數字調節式,為逆變焊機采用的方式。通過對直流電源的逆變開關過程調節(頻率調節或脈寬調節)實現焊接的輸出調節。根據逆變開關器件的不同分為晶閘管式、晶體管式、場效應管式、IGBT式四類[5]。在四種開關管中晶閘管屬于半控器件,其余三種都是全控器件。因此在開關調節過程中,采用不同的調節模式。晶閘管采用PFM方式,其余采用PWM方式。在PWM調節時根據開關管的開關速度選取合適的工作頻率,如IGBT 20~25 kHz、場效管40~50 kHz、晶體管16~25 kHz。由于IGBT是由大容量晶體管和場效應管達林頓后的功率開關管,具有電壓驅動控制、控制功率極小、單管容量大的特點,為當前大功率焊機采用的主流器件。
2.2直流弧焊機輸出合適空載電壓的基本要求與實現方法
空載電壓是指弧焊電源在非負載狀態時的端電壓,其值的確定應遵循以下原則[4]:(1)保證引弧容易。較高的空載電壓首先可以在引弧時將高接觸電阻擊穿,形成導電通路。其次容易激發或電離兩電極氣隙中的氣體,使其轉變為導電狀態。(2)保證電弧穩定燃燒。要求空載電壓須高于電弧電壓一定值,以交流電弧為基準,U0≥1.8Uf。(3)保證電弧功率穩定,要求空載電壓須達到一定要求,以交流電弧為基準,U0>1.57Uf。(4)焊機的經濟性。焊機空載電壓高不利于經濟性,空載電壓越高,額定容量越高,相應地消耗鐵銅材料越多,增加能耗,降低效率。(5)保證焊工安全,限制空載電壓。基于此,直流整流焊機U0≤85 V,弧焊發電機U0≤100 V。
從現有直流焊機的工作原理和結構看,空載電壓由三個途徑實現:(1)利用旋轉發電。將固定轉速的旋轉線圈在一定強度的激磁磁場中旋轉感應出直流電壓,在第一代直流焊機中得到應用。(2)利用工頻變壓器。將三相380V或單相380V(或220V)電網電壓降壓后整流獲得直流輸出,在第二代、第三代及第四代直流焊機中得到應用。在第三代、第四代直流焊機中普遍采用三相變壓器進行降壓。這樣可獲得每相用電的平衡和減少對電網的影響。由于是工頻交流電變換,變壓器鐵心多采用硅鋼片制作,因此變壓器的體積和質量都很大。(3)利用中頻變壓器,應用于第五代直流數字焊機。利用中頻變壓器對逆變開關管導通的高壓交變方波電流進行降壓。由于逆變開關管導通獲得的高壓交變方波電流為中頻電流,由變壓器原理E=4.44n2fω知,逆變變壓器將因頻率提高可以采用少的線圈匝數和小的磁通。而變壓器鐵心需要采用鐵氧體或非晶材料制作,具有相對較小的體積和質量。
2.3直流弧焊機調節特性的實現原理和方法
電弧焊接時,電弧電壓和電流由電弧靜特性與電源外特性曲線相交的穩定工作點決定。對于一定的弧長相應地要有一個穩定工作點。因此,為獲得一定范圍的焊接電流和電壓,直流焊機外特性必須可以均勻調節,以便得到一定寬度的穩定工作區域。
焊接方法決定了焊接電流的調節方式,可通過外特性或送絲速度調節。如焊條電弧焊通過外特性調節焊接電流,而焊接電壓則是由電弧長度決定。粗絲埋弧焊的焊接電流大小也是由焊機外特性決定,同時送絲速度調節決定電弧電壓。細絲熔化極氣體保護焊的電弧長度由電弧電壓決定,可通過焊機的外特性調節確定,而焊接電流則取決于送絲速度。因此,對于不同的焊接方法,在確定電源外特性形狀后才能進行焊接工藝參數調節。文獻[6]國家標準中對于不同形狀外特性焊機的調節特性做了如下規定:
(1)下降外特性:可調參數如圖1所示。

圖1 下降特性電源可調參數
弧焊電源的電流調節范圍是在規定負載條件(Ifmin/Ie≤0.2)下,通過調節所能獲得焊接電流范圍,通常要求Ifmax/Ie≥1.0(TIG焊要求Ifmin/Ie≤0.1),Ie為額定焊接電流。
(2)平外特性:可調參數如圖2所示。

圖2 平外特性弧焊電源的可調參數
外特性調節主要改變焊機的輸出電壓,在規定負載條件下經調節而獲得工作電壓范圍。不同類型的直流焊機外特性調節原理不同,從現有直流焊機的調節特性看有以下幾種模式:
①勵磁電流和去磁線圈匝數調節。這種模式是針對弧焊發電機,通過調節勵磁電流實現發電機轉子激磁磁場改變空載電壓進行焊接電流的細調,同時通過改變去磁繞組的匝數來實現電流粗調。
②機械調節式。對于普通硅整流焊機,是通過活動鐵心或線圈來改變漏磁量實現相應的外特性,因此,可以通過調節活動鐵心或活動線圈位置進行電流細調,也可以通過改變一二次線圈匝數的接線方式實現電流粗調。
③電磁調節式。對于磁放大器式整流焊機,通過調節串聯回路中的磁放大器的直流控制繞組電流來改變焊機的輸出外特性曲線,實現焊接參數的調節。對于全反饋式磁放大器焊機,調節輸出電壓;對于無反饋或部分內反饋磁放大器焊機,調節輸出電流。
④相位調節式。對于晶閘管整流焊機,以晶閘管導通角為控制參數進行焊機外特性和輸出參數的調節。從焊機輸出端采集不同反饋信號控制晶閘管的觸發相位角實現焊機的外特性形狀調節,采集電流信號可獲得陡降的外特性,采集電壓信號可獲得平外特性,采集電流和電壓信號可獲得介于兩者間的緩降外特性。控制晶閘管的相位觸發電路是這類焊機的關鍵技術,包括:阻容移相、單結晶體管、晶體三極管、以小觸大晶閘管等觸發電路等。
⑤頻率調節式,即PFM(定脈寬調頻率)。以晶閘管為開關器件的逆變焊機采用PFM調節,通過調節開關頻率調節焊機輸出電流,開關頻率越高,輸出參數越大。與相位調節式一樣,采用電壓反饋時,輸出平外特性進行焊接電壓調節;采用電流負反饋時,輸出下降外特性進行焊接電流調節;當電流和電壓同時反饋,輸出緩降外特性進行電流調節。
⑥脈寬調節式,即PWM(定頻率調脈寬)。由于晶體管、場效應管和IGBT管是全控管,既可以導通也可以自由關斷,可控性好。因此,采用PWM模式容易實現焊機輸出參數的調節。通過改變脈沖寬度來調節焊機輸出參數,與相位調節式一樣,電壓反饋
時獲得水平外特性,電流反饋時獲得陡降外特性,兩種同時反饋時獲得緩降外特性。
對于混合調節式,在晶閘管逆變焊機中,電流的細調節采用PFM調節,但是電流調節的開關頻率受到主電路電抗參數的限制,范圍不夠寬,降低了電流調節范圍。為了擴大焊機的輸出,可通過改變主電路固有頻率進行粗調,方法是進行主電路換向電容的切換;接通并接電容后,固有頻率減小,為小檔范圍;斷開并接電容,固有頻率增加,為大檔范圍。
2.4對直流弧焊機動特性的要求及實現
焊接過程中電弧是一個非穩定負載,其長度、電壓和電流在一定時間內產生劇烈變化,特別是在熔化極電弧焊的熔滴過渡到熔池過程中因熔滴脫離電極引起弧長變化造成電弧電壓、電流的瞬時變化。尤其在短路過渡中,當熔滴短路焊絲與熔池而電弧被短路時,電弧劇烈變化造成焊接電流和電壓的劇烈升高和降低,過渡結束后,電弧需要復燃過程中,焊機輸出的電壓要求快速恢復到再引燃電壓以上。上述焊接參數的變化速度將對焊接過程中的飛濺和電弧的燃燒穩定性產生很大影響。此外,熔化極電弧焊的短路引弧過程中還存在空載—短路—負載過程特殊情況。
焊接電弧極端變化情況的存在一方面對焊機性能提出嚴峻考驗,另一方面對焊接過程產生非常大的影響,如焊接飛濺、引弧沖擊性、熔滴過渡以及薄板焊接的焊縫成形等。
對于不同原理的直流焊機,主回路的電磁慣性不同,焊機的動特性差別很大。根據相關標準,對于直流弧焊電源動特性參數的要求如下[4-5]:
(1)對瞬時短路電流峰值的要求主要是兩個方面——從空載到短路和從負載到短路。從空載到短路,以瞬時短路電流峰值Isd與穩態短路電流Iwd之比衡量;從負載到短路,以瞬時短路電流峰值Isd與短路前的負載電流Ih之比衡量。
焊條電弧焊時,從引弧性能看,Isd應大一些。但是從熔滴過渡和焊縫成形看,Isd不能太大。
(2)對0.05 s瞬時短路電流值Isd'的要求。Isd'是從短路瞬時開始經過0.05 s后的瞬時電流值。Isd'大,表示短路電流由峰值降下來的過程慢,短路電流沖擊能量大,飛濺嚴重,動特性差。
(3)對短路電流上升速度的要求指短路電流由最低值上升到最大值Isd與所用時間的比值,用表示。當tgα太小時,短路電流增加較慢,熔滴不能迅速過渡到熔池中,甚至使電弧不穩,引起斷弧;tgα太大時,熔滴則與熔池接觸形成縮頸,導致飛濺,焊縫成形不理想。不同直徑的焊絲,其tgα不同。直徑0.5~1.2 mm的焊絲,tgα為70~180 kA/s;直徑大于2 mm的粗焊絲,tgα為10~20 kA/s。
(4)對恢復電壓最低值的要求。
焊條電弧焊接觸引弧時,當焊條與工件短路被拉開后,出現短路—空載。由于回路電感的影響,電源電壓不能瞬間恢復到空載電壓U0,而是先出現一個尖峰值(時間極短),隨即下降到電壓最低值Umin,然后再逐漸升高到空載電壓U0,如圖3所示。這個電壓最低值Umin稱為恢復電壓最低值。如果Umin過小,即焊條與工件之間的電場強度過小,則不利于陰極電子發射和氣體電離,引燃電弧困難。

圖3 由穩定短路狀態拉開時的電壓變化情況
不同的直流焊機在主回路串有功能不同的電抗器件,其電感大小差異很大,對焊機的動特性產生很大影響。
(1)對于弧焊發電機,在主回路定子鐵心中串接去磁繞組使主回路產生感抗值。
(2)對于磁放大器式弧焊整流器,主回路中設置的磁飽和電抗器使主回路存在電磁慣性。
(3)對于晶閘管整流焊機,為保證輸出電流的連續性和減少電流脈動,在主回路中設置濾波電抗器。此外,對于雙反星帶平衡電器的晶閘管直流焊機還設有平衡電抗器,不過該電抗器的電磁慣性影響很小。
(4)對于直流逆變焊機,為保證電流的連續性,同樣也在主回路中設置濾波電抗器。但是由于逆變變壓器頻率很高,因此濾波電抗器的感抗值非常小,相應也降低了主回路的電磁慣性。
在(1)和(2)中,電抗器的功能是獲得適宜的外
特性;(3)和(4)是為保證電流連續性和減少脈動電流。由于頻率的差異,(3)和(4)電抗器的阻抗值有很大差別。
3.1直流弧焊機的轉換效率
可以簡單地認為,直流焊機在焊接過程中將電網傳輸過來的能量轉換為電弧焊接要求的電流和電壓,以滿足焊接特點要求。在這一轉換過程中,焊機的主回路和控制部件必將消耗一部分能量。不同類型的焊機轉換損耗量不同,即焊機的效率不一樣。常用直流焊機的最低轉換效率如表1所示。

表1 常用直流焊機的最低轉換效率%
(1)弧焊發電機。轉換損耗主要是發電驅動機三相電動機的空耗、發電機主回路及控制回路的鐵損和銅損耗,其總體效率較低,僅約為52%[6]。
(2)動圈式弧焊整流器。損耗體現在變壓器的鐵損和銅損方面以及整流管的功率損耗,由于動圈式變壓器的結構特殊性,相應的變壓器損耗較多,其總體效率在76.5%以上[6]。
(3)磁放大器式弧焊整流器。轉換損耗在主變壓器、磁放大器的鐵損和銅損耗以及三相橋式整流管的功率損耗。在工頻下主變壓器和磁放大器龐大的磁鐵心和線圈產生較大損耗。其綜合效率與電源輸出外特性有關,相對而言,下降特性效率稍低,平特性效率稍高,總體在68%~88%[4]。
(4)晶閘管整流焊機。轉換損耗是主變壓器和濾波電抗器的鐵損和銅損耗以及晶閘管在開通過程中的管壓降損耗,此外晶閘管的控制系統產生一定的損耗。主變壓器工作頻率遠低于濾波電抗器的頻率,因此鐵損和銅損在兩個部件上不同,總體效率約為83%[4]。
(5)直流逆變焊機。轉換損耗是工頻整流器、中頻變壓器、高頻整流器、逆變開關管以及控制系統產生的損耗。中頻變壓器因工作頻率高、變壓器體積小,鐵心材料采用鐵氧體或非晶材料,鐵損非常小。其銅損耗因線圈匝數減少較普通變壓器大幅減少。因此,逆變焊機的損耗主要是開關器件在開關過程中產生。晶閘管逆變焊機在運行中采用PFM,頻率較低,適用于早期逆變焊機,總體效率為83%~86%[4]。晶體管逆變焊機利用晶體管的開關功能,開關控制需要較大功率。此外因晶體管容量小使用時需要并聯,在并聯使用中,晶體管的負溫度效應需要在發射極設置均流電阻降低了轉換效率,總體效率約為81%[4]。場效應管具有開關控制功率小、通態電阻小、損耗低且頻率高的特點。雖然容量小,使用時也需要并聯,因具有正溫度效應,并聯使用時無需均流電阻,降低了損耗。場效應管的通態電阻較其他開關管高一些。因此,在頻率低于50 kHz時,相對于IGBT、GTR等管損耗更大。因此開關頻率固定為50 kHz,效率82%~85%[4]。IGBT是場效應管與晶體管的達林頓復合管,具有控制功率小、管子容量大、通態損耗低的特點。在逆變時,開關管頻率固定在20 kHz,橋路同組管同時開通與關斷,產生開關損耗,其開關損耗小于GTR,約為1/5~1/3,大于場效應管,其總體效率為85%~87%[4]。目前,IGBT逆變技術主要應用于大容量焊機,為進一步降低開關損耗,IGBT從硬開關技術向移相軟開關和雙零軟開關技術發展。移相軟開關是在硬開關電路主變壓器一次側增加諧振電感的基礎上,通過移相調節開關管的觸發相位和導通脈寬,使同組開關管的開通和關斷存在一定相位。雙零軟開關電路是在逆變主電路變壓器一次側串接飽和電感和阻斷電容,同時控制同組開關管同時開通,不同時關斷,以實現零電壓開通、零電流關斷,降低開關損耗。焊機綜合效率達到89%以上[6]。
3.2網壓補償功能
在焊接過程中,保持規范參數穩定是保證焊縫質量的關鍵。網壓波動在生產車間是普遍現象,為此需要焊機在內部有網壓補償功能。普通硅整流焊機采用功率二極管整流,在外特性形成和調節過程中無補償環節,焊機不具有網壓補償功能,焊機輸出參數有較大波動。對于磁放大器式、晶閘管、晶體管、逆變焊機等,在焊機線路中都設置有網壓波動補償環節,其基本原理是將網壓與給定的穩定控制電壓比較后去控制外特性調節機構,如磁放大器的控制電流、晶閘管導通角、晶閘管的逆變頻率或開
關管的脈寬等。
3.3直流焊機的外特性控制模式
直流焊機的外特性控制根據焊機類型及其控制器件有所不同。弧焊發電機是基于調節激磁磁場強度或改變去磁磁場強度來實現。磁放大器式焊機是通過調節磁放大器直流控制繞組的電流改變對放大器鐵心的磁化狀態,從而使交流繞組產生不同的壓降來改變輸出參數。晶閘管焊機是通過調節晶閘管的導通角實現焊機輸出參數調節。晶體管焊機根據晶體管的工作狀態分模擬或開關兩種調節來實現輸出參數的調節。逆變焊機根據所采用的開關管的不同進行兩種不同調節,對于半控的晶閘管采用PFM進行電流細調,采用PWM進行粗調。對于全控的晶體管、場效應管以及IGBT管等都采用PWM調節。
4.1直流弧焊機的主要器件
直流弧焊機是強、弱電結合的復雜電氣設備,其電路與控制系統越來越復雜,給初學者帶來相當大的困難。效率高、功能齊全、使用輕巧方便、外觀漂亮等成為現代焊機的標志。但是,焊機的四項基本要求是使用基礎,三項先進指標主要體現焊機的先進性與市場競爭力是現代科技技術的具體表現。從認知角度看,初學者要了解和熟悉焊機的結構特點從最基本點出發。各類直流焊機的主要器件如表2所示。

表2 各類直流焊機的主要器件
4.2直流焊機主要器件的認識方法
對于初次接觸直流焊機的學生,焊機結構復雜性體現在即使熟讀電路圖,也不一定能夠完全識別焊機結構器件。因此,需要掌握一定的識別技巧。通過多年教學實踐,摸索出以下識別方法:(1)位置法。根據所找元件的功能確定在設備中的位置,如主變壓器、交流接觸器等應在電網輸入端附近。(2)形狀法。根據元件外觀形狀來確定,如分流器、滑變電位器、二極管、晶閘管等。(3)銘記法。很多元器件上都標有元件型號、規格,與電路圖相對應即可確定。(4)線號法。可根據電路圖中與元件相連接線上標號確定。(5)推理法。在找到相同器件后,分別排除推理,要求將已知元件本身與電路圖中統一起來。(6)綜合法。綜合上述兩種或三種方法來確定。
(1)無論直流焊機如何發展,四項功能是焊機的基本要求,這四項功能可以通過不同技術來實現。
(2)通過借助現代電力電子技術和數字技術的先進理念和技術,直流焊機的功能和效能將變得越來越先進。
(3)理解和熟知現代直流焊機的結構特點,還需從基本結構、實現基本功能的原理和器件出發,認知焊機的基本結構。
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Electrical structure characteristics and master device recognition of DC electric arc welding machine
JIANG Yingtian,GAO Xuepeng,GUO Shujuan,HU Chuanshun
(Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China)
DC(direct current)arc welding machine is a complex electric equipment combination of strong and weak current,which circuit and the control systems are becoming increasingly complicated.This paper starts with the four basic functions of welding and three advanced technology index,and the technology development process is as the main line,the basic composition and the characteristics of the structure and components are introduced.Finally,according to the summary of many years of teaching,thoughts of understanding the electrical structure inside the DC welder and methods of electrical device identification for beginner are proposed.
DC welding machine;electrical construction;inverter power;device recognition
TG434
B
1001-2303(2016)11-0065-06
10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.13
獻
蔣應田,高學朋,郭淑娟,等.直流弧焊機電氣結構特點與主器件認識[J].電焊機,2016,46(11):65-70.
2016-05-17
蔣應田(1969—),男,甘肅榆中人,高級實驗師,主要從事焊接技術與工程的研究工作。