《焊接電源及控制》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、材料科學(xué)與工程學(xué)院本 科 實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書課程名稱： 焊接電源及控制 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)： 4 適應(yīng)專業(yè)：焊接技術(shù)及工程、高新材料基地班（焊接方向）承擔(dān)實(shí)驗(yàn)室： 焊接實(shí)驗(yàn)室 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心13實(shí) 驗(yàn) 須 知1、上實(shí)驗(yàn)課前，必須預(yù)習(xí)課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書及相關(guān)的講課內(nèi)容，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康募安襟E，并做好進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)備（實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師有檢查預(yù)習(xí)情況的責(zé)任，對(duì)未預(yù)習(xí)者，不得進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）。2、進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，必須聽從實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師及相關(guān)人員的指導(dǎo)，遵守實(shí)驗(yàn)室有關(guān)制度。3、進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，必須聽從實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師或相關(guān)人員介紹設(shè)備使用情況，待熟悉設(shè)備后，經(jīng)指導(dǎo)教師同意方能開動(dòng)設(shè)備。4、使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2、前，必須按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中所規(guī)定的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，思想必須集中，要安全操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，避免實(shí)驗(yàn)事故發(fā)生。5、實(shí)驗(yàn)完畢后，必須整理實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地（須將實(shí)驗(yàn)設(shè)備擦拭干凈、上油，打掃實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等）。6、學(xué)生必須愛護(hù)國(guó)家財(cái)產(chǎn)，如有損壞儀器、設(shè)備、工具、量具等物情況發(fā)生，應(yīng)立即報(bào)告實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師及相關(guān)人員。屬自然損壞，酌情處理；屬故意損壞，除責(zé)令其寫出檢查外，應(yīng)呈報(bào)學(xué)院進(jìn)行處理。7、實(shí)驗(yàn)試樣原則上不準(zhǔn)拿出實(shí)驗(yàn)室，如確實(shí)因測(cè)量未完成或其他情況，須得到實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師同意，方能辦理借出手續(xù)。8、實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、步驟、使用儀器設(shè)備、工具、模具以及測(cè)量數(shù)據(jù)及其結(jié)果分析等各方面。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需用曲線表示出來(lái)

3、時(shí)，一律用方格紙描繪。9、實(shí)驗(yàn)報(bào)告一律用學(xué)院所規(guī)定的統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙撰寫，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后一周內(nèi)交給實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師。目 錄實(shí)驗(yàn)一 弧焊電源結(jié)構(gòu)觀察1實(shí)驗(yàn)二 弧焊電源外特性測(cè)定8 實(shí)驗(yàn)一 弧焊電源結(jié)構(gòu)觀察 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1 了解弧焊變壓器結(jié)構(gòu)，掌握各種弧焊變壓器下降外特性的獲得方法及焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)方法；2 熟悉晶閘管整流主電路的形式和結(jié)構(gòu)，了解移相觸發(fā)控制電路工作原理，掌握晶閘管弧焊電源外特性、調(diào)節(jié)特性的控制方法；3 掌握弧焊逆變電源的基本組成、基本原理，熟悉逆變主電路及控制驅(qū)動(dòng)電路、反饋電路、外特性、調(diào)節(jié)特性以及動(dòng)態(tài)特性的獲得方法、特點(diǎn)、分類等。二、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備：1 BX1500交流弧焊

4、變壓器一臺(tái)；2 ZX5500弧焊整流器一臺(tái)3 NB-500 （IGBT） MIG/MAG逆變焊機(jī)一臺(tái)；三、實(shí)驗(yàn)原理： 不同類型弧焊電源的結(jié)構(gòu)和組成各不相同，它們的外特性調(diào)節(jié)方式也不相同。通過實(shí)際觀察弧焊電源結(jié)構(gòu)，能夠獲得對(duì)不同類型弧焊電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識(shí)，對(duì)理解課堂理論教學(xué)內(nèi)容起到很好的幫助作用。1 弧焊變壓器結(jié)構(gòu)組成及工作原理弧焊變壓器是一類特殊的變壓器，其基本原理與一般電力變壓器相同，但為滿足弧焊工藝要求又具有自身的特點(diǎn)?；『缸儔浩骶哂邢陆档耐馓匦裕鶕?jù)獲得下降外特性的方法不同分為：串聯(lián)電抗器式弧焊變壓器和增強(qiáng)漏磁式弧焊變壓器。1） 串聯(lián)電抗器式弧焊變壓器這類弧焊電源由變壓器和

5、電抗器組成。前者為正常漏磁的普通變壓器，將電網(wǎng)電壓降至所要求的空載電壓，變壓器本身的外特性是接近于平的，為了得到下降外特性及調(diào)節(jié)電流需要串聯(lián)電抗器，電抗器在交流電路中分擔(dān)一部分電壓，通過調(diào)整電抗器電抗值的大小，獲得所需要的下降外特性和電流。2） 增強(qiáng)漏磁式弧焊變壓器這類弧焊電源通過人為地增大變壓器的漏抗，而無(wú)需再串聯(lián)電抗器。按增強(qiáng)和調(diào)節(jié)漏抗的方式不同又可分為以下三種：(1) 動(dòng)鐵心式 在一、二次側(cè)繞組間設(shè)置可動(dòng)的磁分路，以增強(qiáng)和調(diào)節(jié)漏磁。BX1系列弧焊變壓器即屬于此類。圖1 動(dòng)鐵心式弧焊變壓器結(jié)構(gòu)鐵心可以移動(dòng)，進(jìn)出于鐵心I的窗口(在圖1中是垂直于紙面移動(dòng))以調(diào)節(jié)漏磁，從而可以獲得不同的下降外特

6、性。 (2) 動(dòng)線圈式 通過增大一、二次惻繞組之間的距離來(lái)增強(qiáng)漏磁，改變繞組之間距離來(lái)調(diào)節(jié)。BX3系列弧焊變壓器屬于此類。如圖2所示，通過改變變壓器繞組1（下部）和繞組2（上部）之間的距離12，調(diào)節(jié)漏磁通的大小，從而改變漏抗值的大小，可以獲得不同的下降外特性。圖2 動(dòng)線圈式弧焊變壓器結(jié)構(gòu)示意圖 圖3 兩心柱抽頭式弧焊變壓器結(jié)構(gòu)示意圖(3) 抽頭式 將一、二次繞組分開來(lái)增加漏磁，通過繞組抽頭來(lái)改變繞組匝數(shù)以調(diào)節(jié)漏抗。BX6-120-1型弧焊變壓器屬于此類。如圖3所示，一次側(cè)繞組由W1I和W1II兩部分繞組共同組成，通過調(diào)整一次側(cè)繞組W1I和W1II在一次繞組中所占的比率，使得一、二次側(cè)繞組耦合程

7、度發(fā)生改變，從而起到調(diào)節(jié)變壓器漏磁量的作用，進(jìn)而獲得不同的下降外特性。2 晶閘管弧焊整流器結(jié)構(gòu)及外特性調(diào)節(jié)原理圖4 晶閘管式弧焊整流器基本原理圖一般晶閘管式弧焊整流器的組成如圖4所示。主電路由三相主變壓器T、晶閘管整流器V和輸出直流電感L組成。二極管組VD和限流電阻R構(gòu)成維弧電路。控制電路由給定電路、檢測(cè)電路、比較電路和觸發(fā)電路組成。閘管式弧焊整流器的輸出電流和電壓是通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)的。晶閘管式弧焊整流器的外特性多種多樣，其外特性是采用閉環(huán)負(fù)反饋控制原理獲得的，可以采用電流反饋、電壓反饋或電流電壓聯(lián)合反饋獲得不同的外特性。3 弧焊逆變器的基本組成及基本工作原理圖5 弧焊逆變器主要組

8、成和基本原理方框圖弧焊逆變器的主要組成包括：供電系統(tǒng)；電子功率系統(tǒng)；電子控制系統(tǒng)；給定與反饋電路。其基本組成方框圖如圖5所示。在供電系統(tǒng)中，單相220V（或三相380 V）50Hz的交流網(wǎng)壓，經(jīng)輸入整流器整流和濾波器濾波之后，獲得逆變主電路所需的平滑直流電壓，單相整流約310V（或三相整流約520V）。該直流電壓在電子功率系統(tǒng)中經(jīng)逆變主電路的大功率開關(guān)電子器件(晶閘管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管或IGBT)組Q的交替開關(guān)作用，變成幾千至幾十萬(wàn)赫茲的中頻高壓電，再經(jīng)中頻變壓器（T）降至適合于焊接的幾十伏低電壓，并借助于電子控制系統(tǒng)的控制驅(qū)動(dòng)電路和給定與反饋電路(M、G、N等組成)，以及焊接回路的阻抗，獲得

9、弧焊工藝所需的外特性和動(dòng)特性。如果需要采用直流電進(jìn)行焊接，還需經(jīng)輸出整流器整流和經(jīng)電抗器L、電容器C的濾波，把高(中)頻交流變換成為直流輸出。 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1 觀察BX1500交流弧焊變壓器外觀，對(duì)照說明書熟悉前面板按鈕和旋柄；觀察其內(nèi)部電路，識(shí)別電路中的各種元器件。2 觀察ZX5500弧焊整流器外觀，對(duì)照說明書熟悉前面板按鈕、旋鈕及指示儀表；觀察其內(nèi)部電路，識(shí)別電路中的各種元器件，重點(diǎn)掌握主電路的結(jié)構(gòu)組成。3 觀察NB-500 IGBT逆變電源外觀，對(duì)照說明書熟悉前面板按鈕、旋鈕及顯示儀表；觀察其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，識(shí)別電路中的各種元器件。五、實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)： 1 對(duì)BX1500交流弧焊變壓

10、器外觀仔細(xì)觀察，對(duì)照說明書熟悉前面板按鈕、旋柄及其功能；2 拆卸BX1500交流弧焊變壓器側(cè)面板和頂蓋，認(rèn)識(shí)內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)；通過旋轉(zhuǎn)前面板手柄，觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化情況；圖6 BX1-500交流弧焊變壓器 圖7 ZX5-500弧焊整流器3 對(duì)ZX5500弧焊整流器外觀仔細(xì)觀察，對(duì)照說明書熟悉前面板按鈕、旋鈕及指示儀表的功能和作用；4 拆卸ZX5500弧焊整流器側(cè)面板和頂蓋，觀察內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，辨識(shí)焊接電源結(jié)構(gòu)中的三相變壓器、三相全控晶閘管整流器、輸出電抗器、電子控制線路板、電流反饋傳感器、通風(fēng)機(jī)組、接觸器等部件或電路系統(tǒng)；5 對(duì)NB-500 IGBT逆變電源外觀仔細(xì)觀察，對(duì)照說明書熟悉前面板按鈕、旋鈕

11、及顯示儀表的功能和作用；6 拆卸NB-500 IGBT逆變焊機(jī)側(cè)面板和頂蓋，觀察內(nèi)部電路，區(qū)分主電路和控制電路，辨識(shí)主電路中的輸入整流器、濾波器、IGBT逆變開關(guān)組、中頻變壓器以及控制電路中的控制驅(qū)動(dòng)電路、給定與反饋電路等；并依照逆變器的變流順序，對(duì)照焊機(jī)內(nèi)部電路敘述變流過程；圖8 NB-500 IGBT逆變焊機(jī)7 認(rèn)真觀察，完成后恢復(fù)焊接電源原貌，經(jīng)指導(dǎo)教師檢查后離開實(shí)驗(yàn)室。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：實(shí)驗(yàn)過程中仔細(xì)觀察弧焊電源外觀，熟悉面板上各種按鈕、旋鈕、指示儀表的功能和作用；對(duì)弧焊電源內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)認(rèn)真觀察，識(shí)別電路中的各種元器件；分析并掌握BX1500型、ZX550型、NB-500 IGBT型三

12、種弧焊電源的工作原理及外特性調(diào)節(jié)原理。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容：課后獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，此次實(shí)驗(yàn)的報(bào)告內(nèi)容主要是繪制觀察過的焊接電源的組成結(jié)構(gòu)和電路，敘述三種焊接電源的工作原理和外特性調(diào)節(jié)原理。指導(dǎo)教師對(duì)每一份報(bào)告進(jìn)行批改和評(píng)分，評(píng)分時(shí)考慮實(shí)際操作能力。 八、實(shí)驗(yàn)思考題：1 弧焊變壓器由哪些部分組成？它能實(shí)現(xiàn)何種外特性？2 動(dòng)鐵芯式弧焊變壓器和動(dòng)線圈式弧焊變壓器各是如何實(shí)現(xiàn)下降外特性的？3 晶閘管弧焊整流器主電路由哪些電路（電子元器件）組成？控制電路應(yīng)包括哪些功能電路？4 弧焊逆變器主電路由哪些電路及元器件組成的？實(shí)驗(yàn)二 弧焊電源外特性測(cè)定 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解晶閘管弧焊整流器的內(nèi)部

13、結(jié)構(gòu)；理解整流電路的工作原理；加深對(duì)觸發(fā)電路的同步、脈沖發(fā)生及觸發(fā)晶閘管原理的認(rèn)識(shí)；實(shí)際測(cè)定ZX5500弧焊整流器外特性，驗(yàn)證其下降外特性形狀，掌握其外特性獲得方法和調(diào)節(jié)原理。二、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備：1 ZX5500弧焊整流器一臺(tái)2 可變電阻箱一臺(tái)；3 雙蹤示波器一臺(tái)、數(shù)字萬(wàn)用表、分流器各一只.三、實(shí)驗(yàn)原理：1  晶閘管弧焊整流器結(jié)構(gòu)及外特性調(diào)節(jié)圖1 晶閘管式弧焊整流器基本原理圖圖1所示為一般晶閘管式弧焊整流器的組成。主電路由三相主變壓器T、晶閘管整流器V和輸出直流電感L組成。二極管組VD和限流電阻R構(gòu)成維弧電路?？刂齐娐酚山o定電路、檢測(cè)電路、比較電路和觸發(fā)電路組成。晶閘管式弧焊整流器的輸

14、出電流和電壓是通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)的。晶閘管式弧焊整流器的外特性可以是多種多樣，其外特性是采用閉環(huán)負(fù)反饋控制原理，采用電流反饋、電壓反饋或電流電壓聯(lián)合反饋獲得不同的外特性。2 ZX5500弧焊整流器陡降外特性獲得和調(diào)節(jié)原理ZX5系列弧焊整流器系供單人手工施焊用的晶閘管組整流的直流焊接電源，具有平滑陡降的外特性和良好動(dòng)特性，從而保證了良好的焊接性能，并適用于各種用途的手工弧焊的需要。陡降外特性，就是當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，負(fù)載電壓迅速下降的外特性。1）ZX5500弧焊整流器開環(huán)外特性ZX5500弧焊整流器的輸出電壓U0與控制角的關(guān)系為： U0=AU2cos式中，A是與主電路結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)；U2

15、為變壓器二次側(cè)相電壓；為控制角。當(dāng)控制角一定時(shí)，輸出電壓U0也一定，所以ZX5500弧焊整流器開環(huán)時(shí)的外特性為水平特性，如圖2所示。虛線所示為理論外特性，實(shí)線為實(shí)際外特性曲線。實(shí)際外特性曲線是略有下降的平特性曲線，是由于主電路中變壓器的漏抗以及電路導(dǎo)線電阻等分布參數(shù)所引起的壓降造成的。若用集中參數(shù)R0等效表示，則實(shí)際外特性可由下述方程表示： Uf=U0-IfR0 圖2 ZX5500弧焊整流器開環(huán)外特性 圖3 ZX5500弧焊整流器開環(huán)控制框圖再根據(jù)圖3所示ZX5500弧焊整流器開環(huán)控制框圖，可得弧焊電源的輸出電壓（焊接電壓）Uf可由控制電壓（系統(tǒng)的輸入量）Uk調(diào)節(jié)。即Uf=A0Uk-IfR0其

16、中A0Uk= U0，為弧焊電源的空載電壓。2）ZX5500弧焊整流器閉環(huán)外特性圖4所示為晶閘管弧焊整流器閉環(huán)反饋系統(tǒng)框圖。在這個(gè)系統(tǒng)中，含有電流、電壓反饋。由圖可得 Uk=Uku+Uki=Am(Ugu-mUf)+An(Ugi-nIf)所以 Uf=A0Am (Ugu-mUf)+An(Ugi-nIf)-R0If最終得 圖4 晶閘管弧焊整流器閉環(huán)反饋系統(tǒng)框圖在ZX5500弧焊整流器中，其輸出電流是通過電流采樣環(huán)節(jié)及放大環(huán)節(jié)，與給定量進(jìn)行比較和放大，由此形成控制電壓Uk，Uk再作用于移相觸發(fā)電路和主電路，這樣便構(gòu)成了閉環(huán)電流負(fù)反饋系統(tǒng)。此時(shí)的弧焊整流器外特性將由電流反饋環(huán)節(jié)所決定，即Uf=A0AnUg

17、i-（nA0An+R0）IfU0=A0AnUgi ， Rn= nA0An+R0對(duì)于ZX5500弧焊整流器，通過電流反饋的方法獲得陡降特性，實(shí)質(zhì)上是用輸出電流通過負(fù)反饋控制輸出電壓，當(dāng)反饋系統(tǒng)放大倍數(shù)很大時(shí)（A0An做得很高），只要輸出電流有很小的變化，由于強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔镁蜁?huì)使輸出電壓產(chǎn)生很大的反向變化（電流上升/電壓下降，電流下降/電壓上升），由此形成了陡降的外特性。晶閘管弧焊整流器的外特性曲線，如圖5所示。其中曲線1為開環(huán)外特性曲線，曲線2為電流負(fù)反饋外特性曲線。ZX5500弧焊整流器的實(shí)際外特性為，曲線由U0點(diǎn)至P，然后由P點(diǎn)沿曲線2向下轉(zhuǎn)折到Id點(diǎn)，得U0PId三點(diǎn)構(gòu)成的折線。這是因?yàn)?/p>

18、實(shí)際的ZX5500弧焊整流器，最高輸出電壓由開環(huán)特性曲線1所限制，控制角=0時(shí)，電流反饋實(shí)際不起作用。當(dāng)Uf=A0An（Ugi-nIf）= U0-R0If時(shí)，曲線1與曲線2相交于P點(diǎn)。當(dāng)Uf=A0An（Ugi-nIf）<= U0-R0If時(shí)，控制角隨控制電壓U k變化而變化，電流反饋開始發(fā)揮作用，電源特性由開環(huán)特性曲線1轉(zhuǎn)向電流負(fù)反饋特性曲線2，從而得到折線式陡降的外特性曲線。圖5 陡降特性弧焊電源外特性曲線四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1 指導(dǎo)教師講解設(shè)備的結(jié)構(gòu)與組成，實(shí)驗(yàn)的目地及操作安全規(guī)程；2 學(xué)生在實(shí)際操作前熟悉ZX5500弧焊整流器產(chǎn)品的說明書，了解其主要技術(shù)參數(shù)，熟悉焊接電源前面板上各個(gè)按鈕、旋鈕及指示儀表的功能和作用； 3 對(duì)ZX5-500弧焊整流器的外特性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。學(xué)生自己動(dòng)手，獨(dú)立操作。通過調(diào)節(jié)在不同的焊接電流下測(cè)量對(duì)應(yīng)的焊接電壓，獲取試驗(yàn)情況下焊接電流/焊接電壓數(shù)據(jù)。五、實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)： 1 仔細(xì)閱讀ZX5500弧焊整流器產(chǎn)品說明書，熟悉其主要技術(shù)參數(shù)；2 將ZX5500弧焊整流器接入電網(wǎng)，仔細(xì)檢查各部分的接線是否正確，特別是焊接電纜的接頭是否擰緊，以防過熱或燒損；3 開啟電源開關(guān)使ZX550