埋弧焊电源主电路结构类型解析

在埋弧焊电源的主电路中，电源输出电压和输出电流的调节电路结构的类型，确定了该电源主电路的结构类型。例如，图2-24中，电源输出电压和输出电流是由电抗器L控制的，因此这个电源属于工频交流电抗器类电源。由于电抗器通过变压器T接到50Hz工频交流电网上，因此电源名称前冠以工频交流。

图2-25中，带铁心的交流绕组W_J1-2，直流控制绕组W_ZC，二极管VD_1-2共同构成磁饱和电抗器LT。由于控制直流控制绕组W_ZC两端的直流电压，就能控制磁饱和电抗器LT的电抗值，因而间接地控制了电源输出电压和输出电流。磁饱和电抗器也称为磁放大器，所以这类电源称为磁饱和电抗器（磁放大器）类电源。

图2-24 工频交流电抗器类电源主电路结构

弧焊电源中，几乎包括了所有焊接电源主电路结构类型：

1）工频交流电抗器类电源；

2）磁饱和电抗器（磁放大器）类电源；

3）晶闸管整流器类电源；

4）晶闸管工频交流调压器类电源；

5）晶闸管逆变器类电源；

6）大功率晶体管（GTR，IGBT）逆变器类电源；

7）大功率晶体管模拟放大类电源；

8）大功率晶体管开关（器）类电源；

9）电容器（充）放电器类电源；

从对电源控制的角度看，电源的输出电压和输出电流，是电源的两个重要被控制量。

图2-25 磁饱和电抗器类电源主电路结构

图2-26中，两只晶闸管VT₁、VT₂反向并联组成所谓无触点交流开关KN。

因为当晶闸管VT₁、VT₂轮流导通时，负载上流过交流电流，并且通过控制（调节）两只晶闸管VT₁、VT₂的导通相位角（简称导通角）就可控制负载上的电压和电流，所以称为晶闸管交流调压器类电源。

图2-26 工频交流调压器类电源主电路结构

图2-27 晶闸管整流器类电源主电路结构

又由于本图中的晶闸管交流调压器是直接接到50Hz工频交流电网上，所以电源名称前也冠以“工频交流”。

图2-26中的变压器T放到了晶闸管交流调压器的后面，而与前两类电源不同。从变压器T（一般为降压变压器）的放置看，前二者是“先变（压）后调（压）”型电源；而后者是“先调（压）后变（压）”型电源。

上述三类电源的输出电流都是工频交流。

图2-27所示电路是由两只晶闸管VT₁、VT₂和两只二极管VD₁、VD₂组成的所谓晶闸管（单相）半控桥式整流器UR。

由电工学的相关理论知：晶闸管整流器是采用电压相位调节法（简称相控调压）来控制整流器的输出直流电压，亦即电源的输出电压，因而图2-27所示电源称为晶闸管整流器类电源。

图2-28、图2-29示出两种逆变电源的主电路结构。

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图2-28 晶闸管逆变器电源（半桥式）主电路结构

图2-29 大功率晶体管（IGBT）逆变器电源（半桥式）主电路结构

所谓“逆变”是相对“整流”而言的，即“逆变”是“整流”的反过程。采用逆变技术的根本原因在于减轻电源的重量和提高电源的性能，特别是电源的动态特性。

众所周知，由电工学中的电磁感应定律引申而来的变压器基本计算公式：U=4.44×10^-8fNSB_m，制约着变压器工作电压U、工作频率f、变压器铁芯截面积S、变压器线圈匝数N以及铁芯材料磁感应强度B_m之间的定量关系。若想显著地减小变压器的重量，单从铁芯材料上已无法突破，但是如果提高变压器的工作频率，例如将工频的50Hz提高20倍，则理论上可将变压器的重量减小至原来的1/20。

开关电路及开关器件是逆变器工作的基础。逆变器电源中，常使用两大类开关器件：大功率晶闸管和晶体管。晶闸管的工作频率数量级在几百到几千Hz；而大功率晶体管工作频率的数量级可达20～50MHz，也就是说，逆变器电源的动态响应速度比传统电源要快一、二个数量级，因此逆变器电源的这一突出性能是它在现代弧焊电源中得到迅速推广应用的主要原因。

图2-28所示逆变器电源，称为半桥式晶闸管逆变器电源。被逆变的直流电源由二极管（VD₁～VD₆）三相桥式整流电路构成，三相交流电网直接引入到三相桥式整流电路的输入端。由于省去一个工频变压器，因此极大地减小了电源的重量。为防止电网高压干扰脉冲进入电源，在三相电源引进线上往往并联有压敏电阻元件（图中未画出），而三相桥式整流电路输出端接有电容器C₁、C₂滤波电路。

晶闸管用在逆变电路中，它的关断是主要技术问题，主电路中常有一个关断电容，该电容与负载（即逆变输出变压器）是串联的，就称为串联型逆变器；而电容与负载相并联的，则称为并联逆变器。图中的电容器C₃、C₄就是为晶闸管VT₁、VT₂关断而设置的。

电路通过晶闸管VT₁、VT₂的轮流导通，在逆变输出变压器T_M的一次绕组中产生交变中频电流；而在中频变压器的二次侧可得到所需要的电压输出。

晶闸管逆变器原理简述如下：

当晶闸管VT1触发导通时，在回路U+→L1→VT1→（W11+W12）→C4→U-中有电流流过，电容器C₄被充电。当电容器C₄上的电压等于电源电压U_Z时，流经逆变输出变压器T_M一次绕组（W₁₁+W₁₂）的电流达到最大值，此后因（W₁₁+W₁₂）上的感应电势反向，将对电容器C₄继续充电，直到使电容器C₄上的电压达到某一大于电源电压U_Z的电压时，回路中的电流才为零。

过一段时间，当晶闸管VT2的触发信号到来时，VT2导通，则在回路U+→C3→（W₁₁+W₁₂）VT₂→L₂→U-中有电流流过，电容器C₃被充电。此后，晶闸管VT₂的关断过程与VT₁相同。

在VT₁、VT₂轮流导通的过程中，逆变输出变压器T_M的一次侧绕组（W₁₁+W₁₂）中流过相反方向的电流，因此在逆变输出变压器T_M的二次绕组W₂中，感应出频率为VT₁、VT₂轮流导通频率的交变电压U_S，也就是逆变电源的输出电压。

二极管VD₇、VD₈起保护晶闸管的作用：当负载短路时，逆变电容器C₃、C₄与L₁、L₂组成的谐振电路会引起高电压，但可由VD₇、VD₈回输给电源，避免危害晶闸管。

图2-29是大功率晶体管逆变器的主电路结构电源。

在晶体管逆变器的主电路结构中，常采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）为逆变器的开关器件。与晶闸管的区别是：晶体管不用考虑关断问题，因此晶体管逆变器的主电路结构显得十分简洁；另外，晶体管的开关速度比晶闸管提高了近一个数量级，使晶体管逆变器可工作在20～50MHz，因此电源的动态响应速度是所有类型电源中最快的。

图2-30是模拟式大功率晶体管电源的基本结构图，也是开关式大功率晶体管电源的基本结构图，也就是说，二者在电路的组成结构上基本相同。差别只是电压给定信号U_GU的不同：对模拟式电源，电压给定信号U_GU是模拟量；对开关式电源，电压给定信号U_GU是电压开关量信号，也就是脉冲电压信号。

电源主电路由三相（YN，d11）连接方式的变压器T、三相整流器UR、大功率晶体管VT、分流器R_SN和电容器组C等组成。

三相电网电压经主变压器T降压、三相整流器UR整流、电容器组C的滤波后，得到电源空载电压U₀。

大功率晶体管VT串联在主电路内，起线性放大调节器（控制器）的作用，由大功率晶体管VT发射极输出的电源电压U_S受控于基极上的控制信号电压U_C。

基极控制信号电压U_C是由综合比较器N输出的，它综合了电压给定信号U_GU、电压反馈信号U_BU、电流给定信号U_GI、电流反馈信号U_BI。

这些信号的不同组合方式与电压信号给出的形式（模拟量形式还是开关量形式）既控制电源输出电压和电流的大小，也决定电源输出的波形。

显然，大功率晶体管VT在电源的主电路中，起主要控制作用，因此称这类电源为模拟式（开关式）大功率晶体管电源。

由于弧焊电源的大功率和多控制功能需求，近年开发的弧焊电源中，主要使用高性能、大功率电力电子器件的主电路。其中，各种型号和规格的大功率晶闸管（SCR）是晶闸管整流器类电源、晶闸管工频交流调压器类电源以及晶闸管逆变器类电源主电路中的功率控制器件。

而大功率晶体管（GTR）、绝缘栅极晶体管（IGBT）则主要应用于晶体管逆变器类电源的主电路中。

随着电力电子器件的不断开发，新型电力电子器件，即把功率等级的驱动、保护、检测和功率输出单元都集成为一体的功率集成电路也必将成为弧焊电源中的主角。

图2-30 模拟（开关）式大功率晶体管电源的基本结构图