二次整流电路的工作原理与特点

闪光焊设备整流电路的作用是将交流电能变为直流电能供焊接使用。对于直流闪光焊接来说，因电流不过零点，避免了交流电过零点时出现热量损失，液态过梁均匀受热，闪光过程稳定，焊缝组织细小，焊接质量更好。与工频交流电路相比，闪光电压可降低一半左右，使焊机容量大为减少。并且，闪光对焊时，对于复杂截面形状的焊件仍能获得均匀分布的电流。

（1）闪光焊设备采用整流电路的特点

①焊接电源变压器二次回路为直流时，二次侧的电感可起到抑制交流分量的作用，能得到一个平滑的直流电，并且，二次回路的电感量大小只影响二次电流上升到稳定值的时间，而不影响二次电流的稳定值。二次感抗可忽略不计。

②二次回路为直流时，当输出电流相同时，焊机功率因数大大提高，可达0.8～0.9，且二次空载电压及所需功率比交流焊机低得多。

③线电流比单相交流大为减少，三相负载平衡。

④焊机不必考虑焊接回路内或回路附近磁性材料对漏抗的影响，可部分采用钢制件，提高焊机刚度、降低成本。

⑤焊接范围广，可焊接铝合金、碳钢、不锈钢等多种材料，在运行过程中节约电能，经济性好。

整流电路有多种分类，按器件不同可分为不可控、可控和全控3种整流电路，采用的典型器件分别为整流二极管、晶闸管和门极可关断晶闸管。按输入交流相数不同可分为单相、多相整流电路。按波形不同可分为半波、全波整流电路。

直流闪光焊机主电力电路一般在电源变压器二次绕组采用半波或全波整流电路，输入电压调节可通过控制一次绕组晶闸管的控制角实现。由于焊接过程中负载具有阻值小、电压低、电流大的特点，采用桥式电路2个整流元件串联在一起，会使整流元件上分担的压降相对较大，使消耗在其上的功率加大，进而会引起整流器效率严重降低，所以在闪光焊接设备中很少采用桥式整流电路。

（2）单相全波整流 单相全波整流电路如图3-25所示，整流原理是电源变压器带中心抽头，在U₁的正半周，D1工作，变压器二次绕组上半部分流为焊件供电，在U₁的负半周，D2工作，变压器二次绕组下半部分流为焊件供电，从流过焊件的波形可以判断其电流为直流。这种整流电路中电流的脉动分量仍然较大，并且不能解决电源三相平衡问题，但可减少焊机需用功率。

图3-25 单相全波整流电路

单相全波调压整流电路的等效电路如图3-26所示，在线路电阻相同时，电感值变化会影响电流上升到稳定值的时间，不会影响到电流的有效值。

图3-26 单相全波调压整流电路的等效电路

利用MATLAB的组件Simulink建立单相全波整流电路仿真模型，如图3-27所示。

图3-27 单相全波整流电路仿真模型

①控制角为0°时，控制角仿真曲线如图3-28所示。横坐标为时间t，图3-28

图3-28 0°控制角仿真曲线

a）电源电压 b）电源变压器一次绕组电压 c）电源变压器二次绕组电压

d）电阻电流 e）电阻两端电压 f）脉冲电压

中曲线从上至下依次为电源电压、电源变压器一次绕组电压、电源变压器二次绕组电压、电阻电流、电阻两端电压和脉冲电压。

②控制角为30°时，控制角仿真曲线如图3-29所示，图中曲线含义同图3-28。

图3-29 30°控制角仿真曲线

③控制角为60°时，控制角仿真曲线如图3-30所示，图中曲线含义同图3-28。对比图3-28、图3-29、图3-30，可知当控制角为0°时，电阻、电压、电流输出波形为半波，此时晶闸管不起作用。当控制角为30°和60°，晶闸管处于正向电压时分别在30°和60°导通，电阻、电压和电流有效波形减少，并且控制角越大，电阻、电压、电流有效波形越小，表现为电阻输出的电压、电流有效值减少。

（3）三相半波整流 如图3-31所示，三相半波二次整流电路被广泛用于电焊机焊接电流的整流。焊接变压器为三相变压器，二次绕组用星形联结，一次侧3只晶闸管按电源相位关系顺次导通。这种电路的优点是只需要3只晶闸管，可以降低成本并使系统简化，被广泛地用于焊接电流达80kA的焊机上。电流更大时不宜使用这

图3-30 60°控制角仿真曲线

种电路，因为半波二次整流使得输出电流平均值较小，且脉动较大。

图3-31 三相半波二次整流电路

利用MATLAB的组件Simulink建立三相半波整流电路仿真模型，如图3-32所示。

图3-32 Simulink三相半波整流电路仿真模型

①0°控制角三相半波整流电路仿真曲线如图3-33所示。横坐标为时间t，图中曲线从上至下依次为三相电源电压、电源变压器一次绕组三相电压、电阻两端电压、电阻电流和3个间隔为120°的5V电压脉冲。(www.xing528.com)

②30°控制角三相半波整流电路仿真曲线如图3-34所示，图中曲线含义同图3-33。

③60°控制角三相半波整流电路仿真曲线如图3-35所示，图中曲线含义同图3-33。

（4）三相全波整流 如图3-36所示，三相全波二次整流电路的3个一次绕组各连接一对反向并联的晶闸管，按三角形联结接入电网，其结构和三相低频变压器一次侧结构相同。三相全波二次整流电路，在电源变压器的二次侧接入了3组大功率整流二极管，把焊接电流转变成直流电流。

在晶闸管组的工作过程中，在相位角α后的一个工频周期里，每隔π／3轮流触发SCR11、SCR32、SCR21、SCR12、SCR31和SCR226个可控硅，经过T1、T2、T3变压器降压和整流管三相全波整流，输出平稳的直流电压。

利用MATLAB的组件，Simulink建立三相全波二次整流仿真模型（6脉冲）如图3-37所示。三相全波二次整流仿真模型（同步6脉冲）如图3-38所示。图3-37采用6个脉冲发生器模拟晶闸管触发脉冲，图3-38采用一个同步6脉冲发生器代替了6个脉冲发生器，但是需要设置同步6脉冲发生器，使其输出脉冲和三相交流电压相位对应一致。

图3-33 0°控制角三相半波整流电路仿真曲线

a）三相电源电压 b）电源变压器一次绕组三相电压 c）电阻两端电压

d）电阻电流 e）3个间隔为120°的5V电压脉冲

①0°控制角三相全波二次整流仿真曲线如图3-39所示。图中横坐标为时间t，曲线从上至下依次为三相电源相电压、电源变压器一次绕组三相电压、电阻两端电压、电阻电流。0°控制角三相全波二次整流脉冲曲线如图3-40所示，当调节控制角时，6个脉冲同时左移或右移相同的相位。

②70°控制角三相二次整流脉冲曲线如图3-41所示。

③120°控制角三相全波二次整流脉冲曲线如图3-42所示。

与低频变压器相比，三相全波二次整流电路不仅保持了三相电源供电和用直流电流焊接的优点，而且其焊接时间不受焊接变压器磁饱和的条件限制，可根据焊接工艺的要求任意延长，同时焊接变压器的体积和质量可以大大减小，从而克服了三相低频电阻焊机存在的缺点。此外，三相全波二次整流电路用于焊接还具有以下优点：

①输入功率和线电流小，因为二次侧直流输出，电抗几乎为0，因此可以用较低的二次电压获得较大的焊接电流。测试结果表明，与单相工频电阻焊机相比，其输入功率和线电流分别可以减少2／3和4／5。

图3-34 30°控制角三相半波整流电路仿真曲线

②功率因数高，单相工频电阻焊机的功率因数约为0.4，而三相二次整流的二次电抗几乎为0，故其功率因数达到0.9。

③焊机结构紧凑，焊机质量轻，体积小，控制线路简单。

④焊接时铁磁性物质伸入焊机二次回路不影响焊接质量，焊接电流具有一定的自动补偿作用。

⑤焊接热效率高，容易获得良好的焊接质量，因其焊接电流不存在过零点的问题，可以在很短的时间内提高接触点温度，特别适合于轻合金的焊接。

图3-35 60°控制角三相半波整流电路仿真曲线

图3-36 三相全波二次整流电路

图3-37 Simulink三相全波二次整流仿真模型（6脉冲）

图3-38 Simulink三相全波二次整流仿真模型（同步6脉冲）

图3-39 0°控制角三相全波二次整流仿真曲线

a）三相电源相电压 b）电源变压器一次绕组三相电压 c）电阻两端电压 d）电阻电流

图3-40 0°控制角三相全波二次整流脉冲曲线

图3-41 70°控制角三相全波二次整流脉冲曲线

二次整流电路由于存在二次电路接入价格较高的大功率二极管，为了防止其损坏，还需增加防过压、防过流等保护电路，增加了焊机的成本。