CN1085837A - 高功率因数复式相控直流弧焊电源 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子焊接设备，它是一种高功率 因数的复式相控直流弧焊电源，由次级带抽头的整流 变压器、整流和可控整流器件，触发电路和电感等组 成的复式可控整流电路，弧焊电源在焊接全过程中能 自动变换整流电源的变压比，使弧焊电源能保持在高 功率因数和高效率工作状态之下工作，它与传统相控 直流弧焊电源相比，可减少变压器和滤波电感的体积 和重量，减少谐波对电网的污染，其制造成本相近，甚 至可降低。

Description

本发明涉及多相和单相相控整流弧焊电源中所使用的相控整流电路，尤其涉及到高功率因数相控直流焊机电源。

现有的多相和单相可控整流弧焊电源的相控整流电路都是采用单一的三相桥式或带平衡电抗器的六相半波相控整流电路，和单相全波或单相桥式相控整流电路，采用这些传统的相控整流电路制造直流弧焊电源，其缺点是弧焊电源的功率因数低、谐波大、变压器和泸波电抗器的容量和体积大，这是由于电弧焊接特性与现有这些传统的相控整流电路输出电压特性不适应所决定的，现有弧焊电源中的相控整流电路只有在最高输出电压时才会有最高功率因数和最大输出直流电流点，随着输出直流电压的降低，可控器件的导通角要减小，功率因数和输出直流电源都要降低，并且谐波增大，当输出直流电压降低到弧焊电压时，其功率因数和输出直流电流很低。弧焊机对弧焊电源的要求是开路电压一般在55～70伏之间，而稳定弧焊电压一般在22～36伏之间，也就是说弧焊电压只是引弧和开路电压的一半左右，在焊接过程中引弧只是很短的一舜间，对电源的功率因数和谐波并无很高的要求，而在弧焊时才有高功率因数，大电流输出和最小谐波的要求，为了使相控整流电路的输出特性能够适应直流弧焊机对电源的要求，必须研究新的弧焊电源所使用的相控整流电路，使这个电源在焊接电压值附近要有一个最佳功率因数点，并且有较大的直流输出电流和较少的谐波，以减小变压器和泸波电抗器的容量和体积，减少损耗和谐波，为此目的提出高功率因数复式相控直流弧焊电源和它所使用的复式相控整流电路的研究任务。

本发明的目的在于给相控整流直流弧焊电源提供一种在弧焊时有高功率因数和高整流效率的相控整流电路，它是使用带抽头的整流绕组和可控整流器件自动变换被整流绕组电压比的方法来达到此目的的。

本发明所使用的相控整流电路是一种半波与半波，或半波与桥式，或桥式与桥式两者相结合的复式可控整流电路，在两个直流输出端既可输出低压可控整流电压，又可输出高压可控整流电压，还可输出两者相结合的可控整流电压，即输出电压中前部分为低压整流电路的瞬时值，后面部分为高压整流电路的瞬时值，因此输出电压可分两层可控调压，有两个最佳功率因数点和最小谐波电压点，电源的弧焊电压就设计在低压可控整流电路接近全导通值附近，因此有很高的功率因数和很小的谐波，开路引弧电压就由高压可控整流电路供给。

本发明的显著进步点在于：在相同容量的整流变压器时，可以输出较大的电流和功率进行弧焊，在相同电流和功率输出时，可减少整流变压器和泸波电抗器，因而能够节省大量的铜材，节省大量电力，并且可大大减少可控整流焊机对电网的污染，大大提高相控整流直流弧焊机的性能与价格比，因而它是新一代的节能、节材，能减少谐波污染的相控型直流弧焊电源。

结合附图参阅下面的说明，将很容易认识本发明的目的，以及本发明的许多优点，其中，附图1～5是五种典型的三相复式相控直流弧焊电源的实施例电源理图（未画出变压器初级绕组，可控器件的保护和能发电路）。附图6～11是六种单相（或二相）复式相控直流弧焊电源的实施例电源理图。

附图1是本发明的第一种三相复式相控直流弧焊电源的有关电路原理图，由附图1可知：它由次级有六个整流分绕组的三相整流变压器，九个整流器件，一个泸波电抗和触发控制装置组成高压和低压复式可控整流电路，六个次级分绕组接成延边三角形（边也称混合星三角形），由v1～v6六个整流器件对Ualcl、Ublal、Uclbl低电压进行三相桥式可控整流，供给弧焊电压所需的焊接电流，当v1～v3全导通时，有一个最佳功率因数点，最少谐波电压点，最佳整效率点，变压器的初级电压和次级被整流电压的变压比也最大，弧焊电压就设计在这个电压值附近。由v4～v9六个整流器件对Ua2cl、Ub2al、Uc2bl高电压进行浮点三相半波整流，供给弧焊电源的开路引弧电压，由于v4～v9的整流电压高于v1～v6的整流电压，所以v7～v9可控器件导通后，v1～v3可控器件立即承受反向电压而关断。触发控制信号分为二组，一组给低压可控整流电路中的可控器件，另一组给高压可控整流电路中的可控器件，并且要求控制前一组触发信号超前于后一组触发信号，使低压可控整流电路的可控器件v1～v3全导通或接近全导通之后，再给高压可控整流电路的可控器件v7～v9的触发信号使其导通。这时复式可控整流电路的直流输出，在弧焊时主要或全部由低压可控整流电路供给，高压可控整流电路只有很小电流输出或无电流输出，在开路和引弧时，由高低压可控整流电路共同提供，因此，三个延边次级绕组和三个高压可控整流器件v6～v9通过的平均电流均很小，选用导线可比三角形绕组细，选用可控器件v7～U9可比v1～v3容量小，并可不用散热器，这是由于电焊时弧焊打火只是瞬间工作制，这是直流弧焊电源与一般直流电源的区别所在。为了减少弧焊电源的谐波电流，可将附图1中的整流器件v4～v6改用可控整流器件，为提高弧焊电源开路引弧平均电压，也可增加三个可控器件将高压可控整流电路连接成三相桥式可控整流电路，但是它们都会使制造成本增加。

附图1的直流弧焊电源与目前传统三相全控桥直流弧焊电源相比，在相同直流弧焊电流和电压输出时，由于本发明弧焊电压下有更大的整流变压比，其功率因数和整流效率提高，谐波减少，可以减少变压器容量三分之一，减少泸波电抗50%以上，因此可为国家节约大量铜材和钢材，节约大量电力，并减少谐波对电网的污染，因此具有极为明显的经济效益及社会效益。

附图2是本发明的第二种三相复式相控直流弧焊电源的有关电路原理图，它和附图1的区别是次级六个整流绕组接成带中心抽头的三角形连接，由v1～v6六个整流器件对三个中心抽头之间的电压Ualcl、Ublal、Uclbl低压进行三相桥式可控整流，供给弧焊电压所需的焊接电流，当v1～v3全导通过时，有一个最佳功率因数点和最佳整流效率点，弧电电压就设计在这个最佳工作点附近，它有最大的整流变压比。由v4～v9六个整流器件对三个中心点和三角形三个顶点之间的电压Ua2cl、Ub2al、Uc2bl进行高电压浮点三相半波可控整流，提供弧焊电源的开路引弧电压，附图2的弧焊电源最佳工作点是固定在最高输出直流电压平均值约67%，当实际的弧焊电压偏离这个最佳点较大时，可选用整流器件v4～v6为可控整流器件，即用三相全控桥为低压弧焊电压整流电路。

附图3是本发明第三种三相复式相控直流弧焊电源有关的原理图，它是由两组带平衡电抗器和带泸波电抗的六相半波可控整流电路组成的复式可控整流电路。由可控器件v1～v6对六个中间抽头进行低压六相半波可控整流，供给弧焊电流。由可控器件v7～v12对12个绕组进行高压六相半波可控整流供给弧焊电源开路引弧电压。

附图4是本发明的第四种三相复式相控直流弧焊电源有关的电路原理图，它是在附图3的电源基础上为减少高压可控整流器件而改进设计的电路图，当每相串联的两个绕组其中间抽头上的电压大于二个绕组之和电压的一半时，根据同一发明人的三相平衡式单可控硅整流调压电路（申请号87102544），就可用二个可控硅v13和v14以及六个二极管v7～v12代替附图3中的v7～v12六个可控硅。它可减少4只可控硅，有利于简化触发电路和降低成本。

附图5是本发明的第五种三相复式相控直流弧焊电源有关的电路原理图。它是带平衡电抗器和泸波电抗器的六相半波与六相桥式两种可控整流电路组合而成的复式可控整流电路。由v7～v12六个二极管，v16～v18三个可控硅，电抗L1、L2和六个次级绕组组成带平衡电抗器和带泸波电抗的六组半波可控整流，它由六个绕组并联输出电流，在v13～v15不导通而在v16～v18全导通时，有一个最佳工作点，有最高功率因数和整流效率，最大整流变压比和输出电流，谐波最低，弧焊电压就设计在这个最佳工作点附近，提供弧焊电流和功率。当可控硅v13～v15被触发导通后，v16～v18立即承受反向电压而关断，整流电路立即转换成带平衡电抗器和带泸波电抗的六相桥式整流电路，此时其输出电压增高一倍整流变压比减小一倍，v13～v15全导通时的电压即为弧焊电源的开路电压，其中v1～v6和v13～v15器件只有在引弧瞬间输出电流，因此可选用小容量不用散热器的器件，以便降低成本。

附图6所示是单相全波与单相全波相结合的复式可控整流电路设计的弧焊电源，它由v3和v4全波整流提供弧焊电流，工作在接近全导通值附近，由v1和v2全波可控整流提供开路引弧电压。

附图7所示的是单相全波与单相桥式相结合的复式可控整流电路设计的弧焊电源，它由v3、v4和v5组成低压全波可控整流提供弧焊电压时的电流，由于二个整流绕组交替并联输出，因此输出电流大。由v1～v4四个可控硅组成高压桥式可控整流，其输出电压高，供给弧焊电源开路引弧电压。

附图8所示的是单相全波与单相延边桥式相结合的复式可控整流电路设计的弧焊电源。采用附图7的可控整流电路最佳弧焊电压固定为弧焊电源开路电压的一半，采用附图8就可将最佳弧焊电压设计在    输出电压的任何一个电压点上。

附图9所示的是另一种单相桥式与单相全波相结合的复式可控整流电路设计的弧焊电源，它由v3、v4、v6和v7组成半控桥低压可控整流电路供给弧焊电流，在其全导通过时有一最佳工作点，用v1、v2、v3和v4组成浮点单相全波高压可控整流电路，供给弧焊电源开路引弧电压。

附图10所示的是单相桥式与单相桥式相结合的复式可控整流电路设计的弧焊电源，由v3～v6四个整流器件组成半控桥低压整流电路，提供弧焊电流，由v1、v2和v5、v6组成高压半控桥整流电路，提供弧焊开路引弧电压。

附图11所示的是另一种单相全波与单相桥式相结合的复式可控整流电路设计的弧焊电源，其弧焊电流由不可控器件v3、v4和v5组成全波整流输出提供，调节弧焊电流由调节电抗器L2来达到，其开路引弧电压由v1～v4半控桥可控整流电路提供。器件v3和v4也可用可控硅，用全波可控整流来提供弧焊电流。

由上述附图1至11中可清楚看出，本发明之所以能提高相控直流弧焊电源的功率因数和整率，其关键是采用了传统相控直流弧焊机电源不相同的复式相控整流电路，其特征在于用整流和可控整流器件，以及带抽头的整流变压器绕组接成复式相控整流电路，此整流电路能通过控制触发电路自动变换被整流电压的变压比，使变压比较大的低压可控整流电路提供弧焊电流，并且使它尽量工作在接近最佳工作点附近，使变压比较小的高压可控整流电路提供较高的开路引弧电压，采用高压和低压相结合的复式可控整流电路设计直流弧焊电源主要有下列几部分组成：（1）一个多相或单相整流变压器，单相或二相整流变压器次级有二个或二个以上的分绕组，三相变压器次级每一相有二个相串联的分绕组，不论单相还是多相其次级绕组均带有中间抽出头。（2）多个二极管或可控硅和变压器次级绕组抽头和端头连接成高压可控整流电路和低压可控整流电路相结合的复式可控整流电路，两组整流电路有公共的输出端，有公共的二极管或可控硅，有公共绕组，并且低压整流绕组是高压整流绕组的一部分或全部。除低压整流绕组和整流器件之外的绕组和整流器件只通过引弧电流，其平均值很小，绕组可选用小线径，器件可不用散热器，并可减少其额定容量。（3）有二组有相位差的触发电路，分别供给低压和高压可控整流电路，并且供给低压可控整流电路的触发信号的相位超前于高压可控整流电路的触发信号，使低压可控整流电路中的可控硅全导通或接近全导通后，再给高压可控整流电路中的可控硅触发信号，以保证在弧焊电压时有较高的功率因数和整流效率等优良性能。控制两组可控整流电路中的可控硅及其触发电路来达到自动转换整流电路的变压比，保证在弧焊电压下有较大的变压比，以使变压器输入交流电流和容量减小以及谐波降低。

本发明的主要特征在于：使用次级带抽头的整流绕组，整流和可控整流器件以及触发控制电路组成了高、低压复式可控整流电路，控制复式可控整流电路中的触发信号，达到自动切换可控整流电路，改变变压器初级电压与次级被整流绕组电压变压比的方法，来提高直流弧焊电源的功率因数和整流效率，增加弧焊电流，减小变压器和泸波电抗的体积和重量，减少可控整流弧焊机谐波以及它对电网的污染成度。

以上描述了本发明的较佳实施例，对那些本技术领域的熟练者来说很显然可作出其它的变化而不背离本发明说精神。本发明能使相控直流弧焊电源在高功率因数和高效率状态下工作，可用于直流弧焊电源所能应用的各种场合，而成为新一代的节能、节材、减少谐波污染，高性价比的直流弧焊电源。

附图1至11中的整流和可控整流器件非黑心器件为开路引弧专用高压整流器件，可不用散热器，只通过开路引弧电流的绕组可选用小线径导线绕整流绕组。

本发明用来自动切换整流变压比的可控器件除用可控硅等半控器件之外，还可用可关断可控硅和晶体管等全控器件。

Claims (10)

1、一种用于直流弧焊机的将三相交流电转换成直流电的三相复式相控整流电源，其主要电路包括：

一个三相整流变压器，其初级绕组用于连至三相交流电源，次级每一相绕组均由二个分绕组相串联，包括有一个中间抽头和两个端部抽头。

多个包括不可控器件、半控器件和全控器件在内的整流器件

一个泸波电抗器或者一个泸波电抗器和一个平衡电抗器

多个整流器件与变压器次级整流绕组的抽头和端部抽头连接成有两个公共输出端的一组低压整流或可控整流电路和一组高压可控整流电路相结合的复式可控整流电路，由低压整流电路提供极大部分或全部弧焊电流，由高压整流电路提供开路引弧电压，由于高压整流电路的次级交流输入电势高于低压整流电路的次级输入电势，因此从高压整流电路输出电压瞬间开始，低压整流电路立即承受反向电压无输出，低压整流电路的变压器初级电压与次级被整流电压之比高于高压整流电路，这个变压比的自动变换由电路中的触发控制信号和可控器件来完成。

有一个触发控制可控器件的导通顺序和相位的触发控制信号发生器，它输出二组有相位差的触发控制信号，一组供给低压整流电路的可控器件，另一组供给高压整流电路的可控器件，前一组的触发信号超前于后一组，并且一般都是在前一组触发信号使低压整流电路中的可控器件全导通或控近全导通之后，再给高压整流电路中的可控器件触发信号，以保证在弧焊时高压整流电路只有很小电流输出，或无电流输出，弧焊电流由接近全导通的低压可控整流电路提供。

本发明的主要特征在于：使用与次级带抽头的整流绕组和整流或可控整流器件及其触发控制电路组成了高压和低压复式可控整流电路，使用控制复式可控整流电路的触发控制信号，达到自动切换次级被整流电压变压比大小的方法，来提高直流弧焊电源的功率因数和整流效率，增加弧焊电流，减少变压器和泸波电抗器的体积和重量，减少可控整流焊机电源谐波以及它对电网的谐波污染。

2、根据权利要求1所述的直流弧焊电源，其特征在于弧焊电源中整流变压器次级有六个以延边三角形连接的整流绕组和九个整流或可控整流器件组成的高、低压复式可控整流电路。

3、根据权利要求1所述的直流弧焊电源，其特征在于弧焊电源中整流变压器次级有六个以带中间抽头三角形连接的整流绕组和九个整流或可控整流器件组成的高、低压复式可控整流电路。

4、根据权利要求1所述的直流弧焊电源，其特征在于弧焊电源中整流变压器次级三相各有二个相串联绕组，并且各相之间互不相连，在三个三相绕组的中间抽头和一个直流输出端之间连接着三个可控硅。

5、根据权利要求1所述的直流弧焊电源，其特征在于弧焊电源中的整流变压器次级有六相12个分绕组，它们以带中间抽头双反星形的方式连接。

6、根据权利要求1所述的直流弧焊电源，其特征在于有二组有相位差的三相或六相触发控制信号，并且控制触发信号使低压可控整流电路中的触发信号超前于高压可控整流电路的触发信号。

7、一种用于直流弧焊机的将单相或二相交流电转换成直流电的复式相控直流弧焊电源，它由一个次级有二个或二个以上整流分绕组的变压器，4个或4个以上的整流或可控整流器件，一个在半个周期内有二个有相位差的有效触发信号和电抗器组成的全波（双半波）与桥式两种可控整流相结合的复式可控整流电路，复式可控整流电路中至少有二个分绕组为两种可控整流电路的公共整流绕组，或二个整流或可控整流器件为两种可控整流电路的公共器件，或上述二者均有。

8、根据权利要求7所述的直流弧焊电源，其特征在于整流电路由单相全波与单相桥式两种可控整流电路相结合的高低压复式可控整流电路。

9、根据权利要求7所述的直流弧焊电源，其特征在于整流电路由单相桥式与单相桥式两种可控整流电路相结合的高低压复式可控整流电路。

10、根据权利要求7所述的直流弧焊电源，其特征在于整流电路由单相全波与单相全波两种可控整流电路相结合的高、低压复式可控整流电路。

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