第五章 脉冲弧焊电源

1、指令式
该电源有电压电流反馈线路可在几个毫秒内调整 到预定值而不受电网电压波动的影响。 还可以对指令给定值进行低频脉冲调制，从而获 得0.1-1000Hz的脉冲电流。而在脉冲电流和维弧电 流中也存在上万Hz的高频脉动。 当为长脉冲短间歇时，平均电流大，为脉冲电流； 当为短脉冲长间歇时，平均电流小，为维弧电流。
ｔ 1 T
第二节
晶体管类脉冲弧焊电源
GTR（晶体管式） MOSFET（场效应管） IGBT（绝缘栅双极晶体管）
晶体管的三个工作区： 1、放大区（线性区） 发射结正向偏置 集电结反向偏置 2、截止区（开关断开） 发射结反向偏置 集电结反向偏置 3、饱和区（开关闭合） 发射结正向偏置 集电结正向偏置
单电源式脉冲弧焊电源具有结构简单、电源利率 用高、成本低等优点。但它是利用电阻限流来提 供基本电流，工作中电能损耗较大，且不利于基 本电流和脉冲电流的分别调节。
双电源式脉冲弧焊电源示意图
I－脉冲电流波形 Ⅱ－焊接电流波形 Ⅲ－基本电流波形
它由并联工作的两个电源供电。基本电流由一台 额定电流较小的直流电源供电，脉冲电流则由另 一台额定电流较大的直流电源供电。晶闸管直流 断续器串入脉冲电流的供电回路中，控制脉冲电 流的通与断。 这种脉冲弧焊电源由于采用双电源供电，基本电 流和脉冲电流可以分别调节，可调参数多，小电 流时电弧也较稳定；但结构复杂，电源利用率 低，故较少采用。
1、脉冲弧焊电源的特点
1）电流是周期性脉冲式，由 基本电流（维弧电流）和脉冲电 流构成； 2）可调参数多 如：f、幅值、宽度、电流 上升下降速率等。
2、脉冲弧焊电源的应用
1）熔化极和非熔化极的气体保护焊接。 如：TIG 、MIG、手弧焊、等离子弧焊等。 2）可通过窄间隙脉冲气体保护焊可以焊接150mm的厚板，还 可以通过微束等离子弧焊焊接超薄板（几十微米）。 3）可以焊接普通金属，还可以焊接普通电弧焊难以焊接的 对热敏感性大的高合金钢、有色金属等。 4）可以全位置焊接。 ５)在单面焊双面成形和封底焊上有突出优点。
三）利用给定信号变换和电流截止反馈获得脉冲电流 1、给定信号变换式 在晶体管、晶闸管式脉冲电源的控制电路中，把脉冲信号 指令送到给定环节从而在主回路中获得脉冲电流。
三）利用给定信号变换和电流截止反馈获得脉冲电流
2、电流截止反馈式 通过周期性变化的电流截止反馈信号，使 晶体管式脉冲电源获得脉冲电流输出。
如果控制电路只引入电压反馈mUh ，则mUh与Ug被送 入N1相比较放大，并将其差值（ Ug-mUh）信号再送 入N3放大，放大后的信号加在主回路的大功率晶体管 组V上。 由于系统的总放大倍数足够大，即K» 1，所以 Uh≈ Ug /m
可见， Uh与Ug、m有关。当m调定时， Uh只取决于 Ug，而与其它因素无关。当Ug不变时， Uh恒定， 电源输出为平（恒压）特性，如图5-21曲线1所 示；改变Ug ，则曲线上、下平移，可调节Uh的大 小。调定m ，改变Ug也可调节Uh的大小。
焊接电流波形的控制
三、开关式晶体管脉冲弧焊电源
由于模拟式晶体管弧焊电源的大功率晶体管组工作在放 大状态，因而功耗大，效率低。为解决这一问题，可 使晶体管组工作在开关状态，这就出现了开关式晶体 管脉冲弧焊电源。 图5-24为开关式晶体管脉冲弧焊电源原理框图，它的晶 体管组工作在开关状态。当它“开”（饱和导通）时， 输出电流很大，管压降近似为零，当它“关”（截止） 时，管压降高而输出电流近似为零。
（一）开关频率给定方式（指令式和电流截止反馈式） 主电路组成：T 、UR、滤波电容C、开关晶体管组V、 分流器RS。
1、指令式
（一）开关频率给定方式（指令式和电流截止反馈式） 三相交流电经整流、滤波后为直流电压图5-25。控制 电路中指令器发出10至几万Hz的指令信号，经电子控 制电路和驱动器放大后，推动开关晶体管组使其不断 饱和与截止，从而电源输出与指令信号同频率的矩形 波。实际上，由于漏电电流、电感的作用在电压为零 期间仍然有维持电弧的电流。
焊接电流波形的控制
晶体管反应灵敏，便于精确控制，通过它可获得 各种输出电流波形。如前所述，晶体管的输出量 受控于控制电路中指令器给定的Ig 、 Ug ，给定 值的波形就决定了大功率晶体管组基极电流的波 形，从而可获得与其相同波形的输出电流波形。 除可获得平稳的直流电流外，还可获得多种形状 的波形。
3、脉冲弧焊电源的优缺点
1）优点 焊接的接头质量高、成型美观、变形小，合金元素 烧损少、节约能源。 2）缺点 控制线路复杂，维修困难。
二、脉冲电流的获取方法
一）利用电子开关获得脉冲电 流 在直流电源的交流侧或在直流侧 设置大功率晶闸管组成晶闸管 交流断续器或直流断续器。
二）利用阻抗变换获得脉冲电流 1、变换交流侧电阻值 改变阻抗Z1、Z2、Z3的大小来获 得脉冲电流。 2、变换直流侧电阻值 采用大功率的晶体管组来获得脉 冲电流。 大功率的晶体管组可工作在放大 状态，又可工作在开关状态。
如果同时引入电压和电流反馈，外特性则界于上 述两者之间，为下降的外特性。 下降的斜率为 dUh/dIh=-K2n/K1m
即电流外特性的斜率由n/m和K2/K1决定，改变 n/m和K2/K1的比值，均可获得任意斜率的外特 性，如图5-21中曲线3、4所示。如果调节Ug 、 Ig的大小，就可调节输出参数。
3、按脉冲电流电源和基本电流电源的组合分： 1）并联式（双电压） 2）一体式（单电源） 4、按脉冲电流的频率分 1）低频脉冲弧焊电源 2）高频脉冲弧焊电源
四、脉冲电流的波形
三大基本波形：正弦半波、矩形波、三角波 可以通过软、硬件组合，得到任意波形脉冲 电流
五、脉冲弧焊电源的可调基本参数
基本电流Ij 脉冲电流Im 脉冲时间t1 维弧时间t2 脉冲频率ｆ 脉冲电流的上升斜率（下降斜率） 脉冲电流脉宽 比（~3、积分器、分流器 RS和分压电位器RP等组成反馈控制电路。它 的主要作用是对大功率晶体管组V实现有电压、 电流反馈的闭环控制，以控制外特性形状和调 节输出。控制电路的工作，实际上是把反馈信 号（ mUh和nIh ）与指令器给出的给定值信号 （ Ug和Ig ）进行比较放大后，输出控制信号 去控制晶体管组。
同理，可以导出：
Ih≈ Ig /n
由此可见， Ih取决于Ig和n。当n调定时， Ih只决定 于Ig 。当Ig调定时， Ih恒定不变，外特性为恒流特 性（垂直下降），如图5-21曲线2所示。如果减小 Ig ，曲线左移，从而使Ih减小；增大Ig ，则曲线右 移， Ih增大。同理，改变n也可调节输出电流。
四）利用硅二极管的整流作用来获得脉冲电流 采用硅二极管单相整流器作为脉冲电源，当开 关S断开时为半波整流，脉冲电流频率为50Hz，开关 S闭合时为全波整流，脉冲电流频率为100Hz。 。
可见：有些方法获得的脉冲电流波形是不连续 的，要电弧稳定，必须采取措施或另加一个电源 来产生基本电流。可用双电源（脉冲电流电源和 基本电流电源）。
三、脉冲电源的分类（自学）
1、按获得脉冲电流的主要器件分为： 1）单相整流式 2）磁放大器式 3）晶体管式 4）晶闸管式
2、按获得脉冲电流的方法分： 1）交流断续器式（单相整流式、单相半控整流和交流 开关式） 2）直流断续器式（RC充放电、辅助电源充电等） 3）阻抗变换式（单相不平衡、磁放大器和晶体管式）
第五章 脉冲弧焊电源
主要内容
脉冲弧焊电源的特点、分类、原理和应用； 晶体管式脉冲弧焊电源。
第一节
概述
一、脉冲弧焊电源的特点及应用范围 焊接薄板、热输入敏感性大的材料； 若采用一般电流进行焊接，熔滴过渡、焊缝成 形、接头质量、工件变形等方面都存在问题； 若采用脉冲电流，可以用低于喷射过渡临界电 流的平均电流来达到喷射过渡，降低了输出能量， 减小熔池体积，可实现全位置焊接，改善焊缝成 型，减小HAZ。
单电源式脉冲弧焊电源示意图
基本电流和脉冲电流都由直流弧焊电源提供，但电流 的流通路径不同。基本电流通过电阻R流出，而脉冲 电流则通过直流断续器VT流出。当VT断开时，电源通 过电阻R提供基本电流；当VT闭合时，R被短路，电源 通过VT提供脉冲电流。改变VT断开和闭合的时刻，即 可调节脉冲频率和脉宽比；改变直流弧焊电源的输出 和电阻R的大小，可调节基本电流的大小和脉冲电流 的幅值。
一、概述
晶体管式脉冲弧焊电源品种多、性能好、控制精度高、 灵活性大，应用广。 主电路在结构上的主要特点： 在变压、整流后，串入大功率晶体管组，配以电 子控制电路和不同的闭环控制电路，可得到不同外特 性和不同的电压电流波形。
根据大功率晶体管组在主电路中的作用不同把晶 体管式弧焊电源分为： 大功率晶体管组起线性放大作用的弧焊电源称为 模拟式晶体管弧焊电源； 若起电子开关作用的就称为开关式晶体管弧焊电 源。
二、模拟式晶体管脉冲弧焊电源
主电路由三相变压器TC、整流器UR、滤波电容 器C、大功率晶体管组V、分流器RS、分压电位 器RP等组成。三相变压器将电源电压降至几十伏 的交流电压后，经整流器UR整流、电容C滤波后 得到所需直流空载电压。串入主回路的晶体管组 V工作在放大状态，起可变电阻的作用，以控制 外特性形状、调节输出参数和电流波形。电容器 组C除了滤波作用之外，主要是为输出脉冲电流 时保证三相负担均衡。
２、电流截止式 （略）
（二）开关式晶体管组脉冲弧焊电源的特点 1、大功率晶体管组工作在开关状态，功耗 小，效率高，单位电流所用的管子少，造价低。 2、工作中频率不变，通过调节脉宽比来调 节规范和控制外特性。 3、输出为矩形波。 4、一般用于TIG、MIG、MAG脉冲焊