1、課程設計專業用紙成 績 評 定 表學生姓名班級學號專 業材料成型及控制工程課程設計題目250安培焊條電弧焊雙反星形整流焊機電源設計評語組長簽字：成績日期 20 年 月 日課程設計任務書學 院專 業學生姓名班級學號課程設計題目250安培焊條電弧焊雙反星形整流焊機電源設計實踐教學要求與任務:焊條電弧焊雙反星形整流焊機電源設計： 已知參數負載持續率60%，額定電流250A(帶平衡電抗器雙反星形整流電路)工作計劃與進度安排:1.查閱文獻資料，熟悉焊條電弧焊焊機設計的思路。2.初步了解焊條電弧焊雙反星形整流焊機的電源設計。3.根據相關資料，提出可行方案。4.編寫說明書。5.答辯。指導教師： 201 年

2、月 日專業負責人：201 年 月 日學院教學副院長： 201 年 月 日目 錄1 緒論41.1 對弧焊電源外特性形狀的要求41.2 對電源空載電壓的要求41.3 對電源調節特性的要求51.4 對弧焊電源動特性的要求52 主電路設計62.1 帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路62.1.1 電路結構62.1.2 平衡電抗器的工作原理62.1.3 觸發電路72.1.4 帶平衡電抗器可控整流電路的主要特點92.3 脈沖的產生92.3.1 對觸發脈沖的要求93 變壓器的計算113.1 弧焊變壓器的基本技術參數113.2 弧焊變壓器的計算113.2.1 基本技術參數的確定113.2.2 變壓器的容量、相電壓

3、及相電流123.2.3 變壓器的主要尺寸124 平衡電抗器的計算184.1 計算平衡電抗器的電感量184.2 平衡電抗器的設計185 晶閘管的選擇215.1 晶閘管工作條件215.2 晶閘管的保護215.2.1 晶閘管的過壓保護225.2.2 晶閘管的過流保護225.2.3 晶閘管的過熱保護225.3 選擇晶閘管23結束語 24參考文獻 251 緒論 焊接電源是焊條電弧焊的主要設備。電源外特性、動特性及焊接參數調節特性的優劣，直接影響電弧和焊接過程的穩定性，所以焊條電弧焊應滿足下列要求：1.1 對弧焊電源外特性形狀的要求焊條電弧焊電極尺寸較大，電流密度低。在電弧穩定燃燒條件下，其負載特性處于U

4、形曲線的水平段，故首先要求電源外特性曲線與電弧靜特性曲線的水平段相交，即要求焊條電弧焊的電源應具有下降的外特性。再從焊接參數穩定性考慮，要求電源外特性形狀陡降一些為好，因為對于相同的弧長變化，陡降外特性焊接過程中，弧長的變性電源所引起的電流變化比緩降外特性電源所引起的電流變化小得多。焊條電弧化是經常發生的。為了保證焊接參數穩定，從而獲得均勻一致的焊縫，顯然要求電源具有陡降的外特性。外特性形狀對電流穩定性的影響 焊條電弧焊電源理想的外特性 1-陡降外特性 2-緩降外特性 圖1.1陡降外特性能克服由于弧長波動所引起的電流變化，但其短路電流過小，不利于引弧。最理想的焊條電弧焊電源的外特性是具有垂降帶

5、外拖的外特性。在正常電弧電壓范圍內，弧長變化是焊接電流保持不變。當電弧電壓低于拐點電壓值時，外特性曲線向外傾斜，焊接電流變大，增大了熔滴過渡的推力。由于短路電流也相應增大，有利于引燃電弧。1.2 對電源空載電壓的要求電源空載電壓的確定應保證引弧容易和電弧功率穩定。電源的空載電壓越高，引弧越容易，電弧燃燒的穩定性越好，電弧功率越穩定。但空載電壓越高，安全性越低；電源所需的鐵、銅材料越多，體積和重量越大，同時還會增加能量的損耗，降低弧焊電源效率。為保證人身和設備安全，提高經濟性，就要求對空載電壓必須加以限制。因此，在設計弧焊電源確定空載電壓時，應在滿足弧焊工藝需要的前提下，盡可能采用較低的空載電壓

6、。對于通用的交流和直流焊條電弧焊電源的空載電壓有如下規定：焊條電弧焊交流弧焊電源、焊條電弧焊直流弧焊電源1.3 對電源調節特性的要求為了滿足不同焊接工藝的要求，如不同的焊芯直徑、焊接位置、工件厚度等，要求焊機有良好的調節特性。焊條電弧焊電源的調節是指調節焊接電流，實質上是改變電源的外特性。其調節特性有以下三種情況：a） b） c）圖1.2焊機外特性在調節時的變化第一種是焊接電流小是，空載電壓同時降低。如圖a所示這種調節特性不夠理想，U0低不易引弧和保證電弧的穩定燃燒。第二種是空載電壓U0不變，通過改變電源外特性陡降程度而實現焊接電流的改變。這種調節特性是比較好的，用小電流焊接時，仍能保證引弧容

7、易，如圖b所示。第三種是空載電壓隨焊接電流的減小而增大，隨電流的增大而減小。如圖c所示，這種調節特性是理想的，因為在小電流焊接時，由于U0高，引弧容易、電弧穩定。而在使用大電流時，雖然U0低但焊接電流和短路電流大，引弧性能和穩弧性能較好。1.4 對弧焊電源動特性的要求焊接電弧對弧焊電源而言是一個動負載。形成動負載的主要原因是熔滴過渡時弧長發生頻繁的變化。尤其短路過渡時這種變化尤為突出，使電弧的燃燒過程經常處于不穩定狀態。這就要求弧焊電源具有良好的動態特性，從而適應焊接電流和焊接電壓的瞬態變化。所謂弧焊電源的動特性，是指電弧負載狀態發生突然變化時，弧焊電源輸出電壓與電源的響應過程，可以用弧焊電源

8、的輸出電流Ih和電壓Uh對時間的關系，即Uh=f（t），Ih=f（t）來表示，它反應弧焊電源對負載瞬變的適應能力。只有當弧焊電源的動特性合適時，才能獲得預期有規律的熔滴過渡，電弧穩定，飛濺小和良好的焊縫形成，得到滿意的焊縫質量。2 主電路設計2.1 帶平衡電抗器雙反星形可控整流電路2.1.1 電路結構電弧電流所流過的電路稱為主電路。主電路由主變壓器、晶閘管整流器和輸出電抗器組成。2.1.2 平衡電抗器的工作原理其基本電路如下圖所示，其結構由六個晶閘管，一個平衡電抗器和一個主變壓器組成。主變壓器是三相的，二次側有兩組繞組，各以相反極性聯成星形，故稱“雙反星形”。實際上，它只不過是通過平衡電抗器并

9、聯起來的兩組三相半波可控整流電路。圖中，-a、-b、-c點的電壓各與a、b、c點的電壓相反，V1、V3、V5構成的三相半波整流電路稱為正極性組，V2、V4、V6構成者稱為反極性組，平衡電抗器是帶有中心抽頭的電感，抽頭O兩側的線圈匝數相等。當在電路中的M和N點之間接入平衡電抗器LB時，同樣在wt1時，Ua最高，V1導通，電流通過LB的MO流至負載,在MO上產生一個感應電動勢，極性如圖2.3 所示（右正左負）。由于O點是LB的中心抽頭，所以ON段上感應電動勢與MO段相等，且極性一致。這樣就提高了N點的電位，反極性組中U-b電壓最高，故VT6能與VT1同時導通。當Ua過了其峰值之后至wt2之前，反極

10、性組中U-c高于U-b，于是V2導通而V6關斷，則該階段由V1與V2同時導通。過了wt2是U-c電壓最高，V2能導通，于是LB的感應電動勢極性如圖2.4，由于LB提高了M點的電位，使V1能繼續導通。直到過了U-c的峰值以后，則正極性組中的Ub電壓最高，于是V3導通而V1關斷，由V3和V2同時導通。六個晶閘管的導電次序可依次類推。圖2.1帶平衡電抗器雙反星形整流電路圖2.2主電路圖2.1.3 觸發電路圖2.3觸發脈沖產生和同步電路單結晶體管觸發電路如上圖所示。脈沖移向電路，如上圖所示，主要由三極管V3、V4，單結晶體管VU1、VU2，電容C20、C21，脈沖變壓器TP1、TP2組成。控制電壓uk

11、接至三極管V3、V4基極。當有負的uk輸入時，C20、C21分別被充電，于是由C20、VU1和C21、VU2組成的張弛振蕩器不斷產生振蕩，脈沖變壓器分別輸出脈沖。uk越負，C20、C21充電電流越大，產生第一個脈沖就越早，主電路中相應晶閘管的控制角就越小，導通角越大；反之亦然。所以，改變控制電壓uk值即可達到脈沖移相的目的。由于單結晶體管和三極管的參數都存在分散性，即使他們型號相同，但參數也不盡相同。為避免兩組晶閘管導通角不同造成三相不平衡，需要精細調整電路參數。圖中電位器RP8、RP9分別用來彌補VU1、VU2之間參數的不一致性，電位器RP10、RP11分別用來彌補V3、V4之間參數的不一致

12、性。調節這些電位器，可使兩套電路輸出脈沖對稱。同步電路，同步電路主要由控制變壓器T2、穩定管VS16、電容C1C3、電阻R3R8、二極管VD1VD4、三極管V1、V2等元件組成。為了保證觸發脈沖與晶閘管陽極電壓之間的同步關系。在各自的同步點上，由同步信號使V1、V2瞬時飽和導 確定的充電速度開始充電。如此產生的第一個“有效”（因為晶閘管一旦觸發導通，控制級便失去控制作用，真正起作用的是第一個觸發脈沖，接著再產生的脈沖是無用的，故稱為“有效”）觸發脈沖的相位完全由uk控制。a）b）c） d）e）圖2.4同步電路波形圖a）相電壓波形 b）、c）、d）各相脈沖波形 e）R6上脈沖波形2.1.4 帶平

13、衡電抗器可控整流電路的主要特點1、帶平衡電抗器的整流電路，相當于正極性和反極性兩組三相半波整流電路的并聯。每個器件的導通角為120；2、在任一瞬時，正反極性組均有一支電路導通；3、在正常情況下，兩組三相半波整流電路整流電壓的平均值是相等的，但他們的瞬時值是不相等的。2.3 脈沖的產生2.3.1 對觸發脈沖的要求 1、觸發脈沖應有足夠功率，信號極性要求門極為正，陰極為負； 2、觸發脈沖相位必須與加在晶閘管上的陽極電壓同步，觸發脈沖與主電路電源電壓應有相同頻率且保持一定相位關系稱為同步；3、觸發脈沖可以移相且能達到所要求的移相范圍，為了調節焊接參數和控制電源的外特性形狀，需要改變晶閘管的控制角，即

14、通過移相觸發電路改變觸發脈沖相位。4、觸發脈沖應有一定寬度，脈沖前沿應盡可能陡，以是晶閘管導通后陽極電流迅速上升，超過擎柱電流而維持可靠導通；5、多路觸發脈沖之間應有電氣隔離，尤其是在三相全控整流電路中各路觸發脈沖必須在電氣上隔離。2.3.2 脈沖的選擇觸發電路一般由同步電路、脈沖形成電路、脈沖移相和放大電路等組成。按觸發電路使用的器件可分為單結晶體管觸發電路、晶體管觸發電路、數字式觸發電路和集成觸發電路等幾種。在帶平衡電抗器雙反星形整流電路中，選擇單結晶體管觸發電路。單結晶體管觸發電路的特點：當發射極電壓等于峰點電壓Up時，單結管導通。導通之后，當發射電壓減小到uEUv時，管子由導通變為截止

15、。一般單結管的谷點電壓在25V；單結管的發射極與第一基極之間的RB1是一個阻值隨發射極電流增大而變小的電阻，RB2則是一個與發射極電流無關的電阻；不同的單結管有不同的UP和UV。同一個單結管，若電源電壓Ucc不同，它的UP和UV也有所不同。在觸發電路中常選用UV低一些或IV大一些的單結管。工作原理：單結晶體管又叫雙基極二極管，它有一個PN結、一個發射極和兩個基極。發射極和兩個基極之間可以等效為一個二極管，具有二極管的單向導電特性。當單結晶體管發射極電壓ue=0時，二極管反向偏置，發射極流過反向漏電流ie。隨著ue的增大，反向漏電流ie減小，當ue=UA=Ucc時，ie=0，二極管處于零偏置。式

16、中叫分壓比，是單結晶體管的一個重要參數；為加在單結晶體管兩個基極之間的電源電壓。3 變壓器的計算3.1 弧焊變壓器的基本技術參數弧焊變壓器除有額定輸入功率P1e、額定輸出功率P2e和效率參數外,還有下列參數:空載電壓U20；對手工弧焊機規定U2080V。工作電壓U2；U2指弧焊機在焊接電弧燃燒時（或在規定負載特性條件下）的輸出端電壓。對下降特性電源，規定負載特性可用U=20+0.04I（I600A時，取U=44V）表示。額定焊接電流I2e；I2e指弧焊機在額定工作條件下運行時，能符合標準規定（如溫升限度、電流穩定性等）而輸出的電流。額定工作電壓U2e；U2e指與額定焊接電流相應的工作電壓。最大

17、焊接電流I2max；I2max指弧焊機通過調節所允許輸出的、與工作電壓相應的最大電流。最小焊接電流I2min；I2min指弧焊機通過調節所能輸出的、與工作電壓相應的最小電流。電流調節范圍；指弧焊機在工作電壓符合規定負載特性條件下，能夠調節獲得的焊接電流范圍，以最大和最小焊接電流對額定電流之比表示I2maxI2e1.2，I2minI2e0.25。最大工作電壓U2max；U2max指弧焊機通過調節所能輸出的、與規定負載特性相應的最大電壓。最小工作電壓U2min；U2min指弧焊機通過調節所能輸出的、與規定負載特性相應的最小電壓。工作電壓調節范圍；指弧焊機在焊接電流符合規定負載特性條件下，能夠調節獲

18、得的電壓范圍。連續焊接電流Ilx；Ilx指弧焊機能夠以恒載連續工作方式運行的電流，此時電流溫升不超過標準。負載持續率FZ；其計算公式FZ=tT100 式中 t-焊接工作時間； T-整個周期（工作和休止時間之和）。弧焊變壓器的功率因數。其計算公式：cos0.9 U2U203.2 弧焊變壓器的計算3.2.1 基本技術參數的確定1、確定弧焊變壓器一次額定電壓：弧焊變壓器一次額定電壓一般為380V或220V兩種，電源頻率f為50Hz。2、確定二次空載電壓：二次空載電壓是可調的，一般在5080V范圍內，容量大的取大值。取，額定輸出直流電流3、額定負載持續率。4、相數：m=3.5、整流器形式：雙反星形帶平

19、衡電抗器6、一次線電壓：7、冷卻方式：強迫風冷8、絕緣等級：B級3.2.2 變壓器的容量、相電壓及相電流1、變壓器二次相電壓 取2、二次相電流 取56A3、二次功率 4、一次相電壓5、變壓比6、一次相電流 7、一次功率 8、計算功率 3.2.3 變壓器的主要尺寸1、選擇鐵心材料及確定磁通密度，鐵心選用D420.5熱軋硅鋼片，。2、變壓器鐵心截面積 毛面積 式中 0.96為系數3、變壓器主要尺寸 鐵心毛厚度 鐵心截面積為4、一、二次繞組 每伏電壓匝數 二次繞組匝數 取29匝 每伏匝數 校核磁通密度 一次繞組匝數 取 一次、二次繞組導線截面積 預選電流密度： 則 選裸銅線1.0mm4.5mm，其截

20、面積 故一次電流密度 預選二次繞組截面積 選裸銅線2.12mm9mm，其截面積為 故電流密度為5、窗口尺寸 繞組形式采用并式繞組，一次繞組為4并串聯，匝數分配為： 沿鐵心柱各并寬尺寸 式中為導線的厚度。 各并高度尺寸 二次繞組每一相2且并聯 各并寬度尺寸 各并高度尺寸 窗口尺寸為窗口高度窗口寬度6、鐵心的計算 鐵心的尺寸： 高為： 長為： 寬為：圖3.1鐵心尺寸 硅鋼片層數： 硅鋼片尺寸及數量：硅鋼片疊裝如圖3.1所示圖3.2硅鋼片疊裝圖硅鋼片疊裝如圖3.1所示，各種規格硅鋼片的尺寸如下：A種 B種 C種 各種規格硅鋼片的總片數如下： A種 B種 C種 鐵心質量 7、空載電流 空載損耗：選用D

21、420.5，時，（單位質量鐵損）則 空載電流有功分量： 勵磁損耗：選用D420.5，時， 空載電流： 滿足要求 空載電流8、繞組銅質量 一次繞組銅質量：線圈平均匝長 銅質量二次繞組銅質量：線圈平均匝長銅質量 鐵銅比：9、100時的銅損 4 平衡電抗器的計算4.1 計算平衡電抗器的電感量平衡電抗器是雙反星形電路中為了保持兩路平衡而設置的。為達到此目的，首先需要計算平衡電抗器的電感量。雙反星形電路中，每組整流電路輸出的電流平均值為，為保持輸出電流波形連續的最小電流平均值與平衡電抗器電感量的關系為：，則式中-保持輸出電流波形連續的最小電流平均值（A）； -平衡電抗器的電感量（mH）； -整流變壓器二

22、次相電壓（V）。4.2 平衡電抗器的設計1、鐵心截面積選取c=2a（c、a分別為鐵心的長和寬尺寸）令a=50mm，則c=100mm 則凈面積式中K-硅鋼片的間隙系數K=0.942、電抗器兩端最大電壓時基波有效值3、線圈匝數 取4、氣隙長度選取，每柱0.5mm5、導線截面積選擇 選用3.15mm11mm裸銅線 驗算電流密度6、線圈排列與窗口面積圖4.1線圈排列圖形7、鐵心硅鋼片片數 鐵心硅鋼片采用D42-0.35。 取n=269片式中-硅鋼片的厚度，這里=0.35mm硅鋼片的規格：50mm51mm 269片50mm99mm 269片50mm151mm 269片50mm200mm 269片 8、磁

23、路平均長度 9、電感量 10、最小工作電流 該平衡電抗器合格。5 晶閘管的選擇晶閘管是晶體閘流管的簡稱，在選擇晶閘管時應留有一定的功率裕量，其額定峰電壓和額定電流（通泰平均電流）均應高于受控電路的最大工作電壓和最大工作電流的1.52倍。晶閘管的正向壓降、門極觸發電流及觸發電壓參數應符合應用電路（指門極的控制電路）的各項要求，不能偏高或偏低，否則會影響晶閘管的正常工作。圖5.1 晶閘管的符號5.1 晶閘管工作條件 由于晶閘管只有導通和關斷兩種工作狀態，所以它具有開關特性，這種特性需要經過一定的條件才能轉化，此條件如下表5-1所示表5-1狀態條件說明從關斷到導通陽極電位高于陰極門極有足夠的正相電壓和電流兩者缺一不可維持導通陽極電位高于陰極電位陽極電流大于維持電流兩者缺一不可從導通到關斷陽極電位低于陰極電位陽極電流小于維持電流任一條件即可5.2 晶閘管的保護晶閘管承受過電壓、過電流的能力很差，這是他的主要缺點。晶閘管的熱容量很小，一旦發生過電流時，溫度急劇上升，可能將pn結燒壞