CN2601773Y

CN2601773Y - 电磁调节的弧焊电源

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Publication number: CN2601773Y
Application number: CN 02270006
Authority: CN
Inventors: 沈茂堂
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2004-02-04
Anticipated expiration: 2012-10-09

Abstract

电磁调节的弧焊电源是适用于多种电弧焊接一个系列的电焊机，该电源在弧焊变压器中，安装了可变磁阻的固定磁分路的新型装置，通过调节其控制电流来调节磁分路的磁阻、次级线圈的漏抗和焊接电流，得到下降的外特性；若在控制电路中应用不同的反馈方式，可以获得不同的外特性；若对控制电流进行低频脉冲调制，可构成低频脉冲弧焊电源；因此形成了系列的电磁调节的孤焊电源。

Description

电磁调节的弧焊电源

技术领域

本实用新型涉及一个系列适用于多种电弧焊接的电磁调节类型的弧焊电源。

背景技术

目前大量的弧焊电源主要有两大类，第一类是动铁心式和动线圈式的交流弧焊变压器(或交流电焊机)，结构简单是下降的外特性；但存在着机械调节部分，会产生机械磨损和振动，影响焊机的寿命和输出电流的稳定性。第二类是可控硅直流弧焊电源，以可控硅移相控制电路取代了机械调节部分，同时可以应用不同的反馈方式得到不同的外特性，也可以采用脉冲控制输出脉冲焊接电流；但是，随着焊接电流的减小，可控硅的移相角加大，可控硅导通中断的时间间隔也加大，而影响到输出电流的平稳性，尽管采用加大输出平波电抗的办法来弥补，仍然不够理想，特别是对于气体保护焊机的输出电抗还不能太大。

发明内容

为了克服现有弧焊电源上述的不足，本实用新型是在动铁弧焊变压器基础上的创新，以可变磁阻的固定磁分路铁心取代了现有弧焊电源中的机械调节部分和可控硅移相电路，提供一个系列电磁调节的弧焊电源。

本实用新型解决其问题所采用的技术方案是：一种电磁调节的弧焊电源，该电源在弧焊变压器铁心的窗口中和初级线圈、次级线圈之间，其特征在于：安装了带控制线圈可变磁阻的固定磁分路铁心，控制线圈与控制电源、控制电路相联接，形成下降特性的弧焊电源。通过调节控制线圈中的直流控制电流，来调节磁分路的磁阻、次级线圈的漏抗和输出电流。

根据上述的电磁调节的弧焊电源，其特征在于：在控制电路中接入反馈器件，降压变压器或者特殊的电流互感器、整流器、反馈电量调节电位器等，应用不同的反馈方式，构成平特性或者陡降特性的弧焊电源；在控制电路中接入脉冲控制器等，构成下降特性的低频脉冲弧焊电源；在控制电路中同时接入反馈器件和脉冲控制器等，构成平特性或者陡降特性的低频脉冲弧焊电源；从而形成了一个系列电磁调节的弧焊电源。

实用新型与背景技术相比所具有的特点：

(1)没有机械调节部分，焊接电流稳定，噪音低，焊机寿命长；

(2)输出电流波形连续，在中小焊接电流段，特别是小焊接电流段，输出电流的平稳性优于可控硅弧焊电源；

(3)也可以对外特性进行控制，除了得到下降的外特性外，应用不同的反馈方式，而获得不同需要的外特性；

(4)也能制成低频脉冲弧焊电源，特别是能方便地实现交流钨极脉冲氩弧焊(TIG)，对于焊接铝合金具有优异的适用性；

(5)也可以对电网电压波动进行补偿，提高输出的稳定性和精度；

(6)既适于单相供电，也适于三相供电；不仅适用于交流焊机，也适用于交、直流两用焊机或者直流焊机。

附图说明

图1电磁调节的弧焊电源基本结构图；

图2心式铁心带固定磁分路的单相变压器；

图3壳式铁心带固定磁分路的单相变压器；

图4三柱铁心二固定磁分路的三相变压器；

图5五柱铁心四固定磁分路的三相变压器；

图6三相V接交、直流两用弧焊电源；

图7磁分路铁心结构尺寸图；

图8Z₁₁硅钢片B-H磁化曲线(I₂-I_k控制示意曲线)；

图9交流铁磁谐振稳压的控制电路；

图10晶体管稳压电源的控制电路；

图11三端稳压器扩展的控制电路；

图12晶体管调节电路；

图13可控硅的调节电路；

图14磁分路铁心焊接紧固法；

图15夹件和螺栓装配法；

图16热轧低硅钢片拉带装配法；

图A1直流控制路；

图A2运算放大器反馈控制原理图；

图A3反馈运算电路；

图A4电磁调节的弧焊电源外特性曲线；

图B1双线圈脉冲电路示意图；

图B2555时基电路的脉冲发生器；

图B3带尖峰阶梯波脉冲电路方框图。

具体实施方式

1、原理

电磁调节的弧焊电源的基本工作原理与动铁心式弧焊变压器的工作原理类似，其特征在于用可变磁阻的固定磁分路取代了动铁心部分，基本结构见图1是“电磁调节的弧焊电源基本结构图”，其中初级线圈(1)，次级线圈(2)，固定磁分路铁心(3)，控制线圈(4)，绝缘垫片(5)，铁心(6)，控制电流I_k。

根据动铁式弧焊变压器的工作原理：磁分路中总的漏磁通Φ_f在数值上等于次级电流I₂所产生的反抗磁通Φ₂，把这个漏磁通Φ_f看作是电流I₂所产生的，则等效的电感为：

L_{2 f} = \frac{N_{2} φf}{I_{2}} = \frac{N_{2}}{I_{2}} \times \frac{N_{2} I_{2}}{R_{μ}} = \frac{{N_{2}}^{2}}{R_{μ}} - - - (1)

又因为磁阻

R_{μ} = \frac{δ}{μ_{0} S_{f}} - - - (2)

漏抗：

X_{2 f} = ω L_{2 f} = 2 πf \frac{μ_{0} {N_{2}}^{2} S_{f}}{δ} (Ω) - - - (3)

上三式中：L_2f—电感，X_2f—漏抗(Ω)，

N₂—次级线圈(2)的匝数，Φ_f—磁分路中总的漏磁通，

I₂—次级电流(A)，R_μ—磁分路的磁阻，

δ—磁分路铁心(3)与铁心(6)间的空气间隙(cm)，

S_f—磁分路铁心(3)的净截面积(cm²)，

μ₀—磁导率，μ₀＝4π×10^-9(H/cm)。次级输出的焊接电流与漏抗成反比：

I_{2} = \frac{\sqrt{{U_{20}}^{2} - {U_{h}}^{2}}}{X_{2 f}} (A) - - - (4)

式中：U₂₀—次级的空载电压(v) U_h—焊接电弧电压(v)

U_h＝20+0.04I₂≤44(v)……………………………………⑤

而电磁调节的弧焊电源，在固定的磁分路铁心(3)中，设置了直流激磁控制线圈(4)，当控制电流I_k＝0时，磁分路的磁导率μ₀最大，磁阻最小，次级线圈(2)的漏感和漏抗最大，次级输出的焊接电流最小；随着控制电流I_k的增大，磁导率μ₀随之减小，磁阻增大，漏感和漏抗随之减小，次级输出的焊接电流也随之增大；当I_k增大到一定期程度，磁分路铁心(3)达到饱和，磁导率μ₀最小，磁阻最大，漏感和漏抗最小，有最大的次级输出焊接电流。变化规律简单表达为：I_k↑，μ₀↓，R_u↑，L_2f↓，X_2f↓，I₂↑。

所以，电磁调节的弧焊电源其特征在于用小的直流电流来调节磁分路铁心(3)的磁阻(磁导率或磁通密度)、次级线圈(2)的漏抗和次级输出的焊接电流(或者焊接电压)。

现代高磁导率的硅钢片，使用小电流控制线圈(4)产生的磁场强度H(At/cm)，就可以大幅度地调节磁通密度和磁导率μ₀，为小控制电流节能的电磁调节的弧焊电源奠定了物质基础。

2、电磁调节的弧焊电源的结构形式

电磁调节的弧焊电源，以单相固定磁分路的弧焊变压器为基础，结构形式有三类：

(1)单相弧焊电源，有心式铁心带固定磁分路的单相变压器(如图1、2)和壳式铁心带固定磁分路的单相变压器(如图3)两种形式。

(2)三相V接的弧焊电源，由两台结构参数完全相同的单相电磁调节弧焊变压器(心式的或壳式的)，初、次级线圈(1)、(2)依次按规定联接成三相V形接而构成的三相V接的弧焊电源。

(3)三相弧焊电源，有三柱铁心二固定磁分路的三相变压器(如图4)和五柱铁心四固定磁分路的三相变压器(如图5)两种形式。

2.1单相电磁调节弧焊变压器的基本结构

单相电磁调节弧焊变压器的基本结构如图1、2、3，主要由矩形铁心(6)，带控制线圈(4)的固定磁分路铁心(3)、初级线圈(1)、次级线圈(2)，以及控制电源、控制电路等构成。

2.2三相V形联接的弧焊电流

三相V形接的弧焊电源，由两台结构参数完全相同的单相电磁调节弧焊变压器，初、次级线圈(1)、(2)依次按V形联接，两台的磁分路控制电流同步调节，次级按三相桥式整流联接，直流输出，并且能做到三相输入和输出平衡；或者有两组交流输出，输出分别独立调节，作为双丝埋弧焊的电源或供两人使用的手弧焊电源，但此时三相输入是不平衡的；同理，也可以制成有一组直流输出和二组交流输出的三相交、直流两用弧焊电源，具体见图6是“三相V接交、直流两用弧焊电源”。若去掉其中的两组交流输出，即为直流弧焊电源，而去掉整流部分就是有二组交流输出的交流弧焊电源。

2.3三相弧焊电源

三相弧焊电源，可以由三柱铁心二固定磁分路的三相变压器(如图4)或者五柱铁心四固定磁分路的三相变压器(如图5)来构成，初、次级线圈按各种电源的具体要求，依次接成星接或者角接，加上三相桥式整流器，而形成了三相直流弧焊电源，磁分路的控制电流同步调节。

需要说明的，三柱铁心二固定磁分路的三相变压器，由于中柱的漏抗较两侧柱的大，造成三相输入和输出电流不平衡，在三相平衡度要求严格的场合，不采用此种结构形式。

3、电磁调节的弧焊电源可开发的系列品种

根据上述的说明，电磁调节的弧焊电源，可开发的系列品种是多用途、多特性的，具体见表1：

表1 电磁调节的弧焊电源可开发的系列品种

外特性		降特性(恒流CC)						多特性(CC/CV)		平特性(恒压CV)
外特性		降特性(恒流CC)						多特性(CC/CV)		平特性(恒压CV)					相数		单相		单相、三相		三相		单相	三相	单相	三相	三相	单相	三相
交流、直流		AC	AC-P	AC/DC	AC/DC-P	DC	DC-P	DC		AC		AC/DC	DC		相数		单相		单相、三相		三相		单相	三相	单相	三相	三相	单相	三相
交流、直流		AC	AC-P	AC/DC	AC/DC-P	DC	DC-P	DC		AC		AC/DC	DC		名称			脉冲		脉冲		脉冲	多特性弧焊整流器		弧焊变压器		交直流两用焊机	弧焊整流器
弧焊变压器		交直流两用焊机		弧焊整流器														脉冲		脉冲		脉冲
弧焊变压器		交直流两用焊机		弧焊整流器		主要用途	手工电弧焊	○	○	○	○	○	○	○			○
钨极氩弧焊	○	○	○	○	○		手工电弧焊	○	○	○	○	○	○	○	○	○	○						○
钨极氩弧焊	○	○	○	○	○		气体保护焊							○	○	○	○			○	○	○	○
药芯焊丝焊			○	○	○		气体保护焊							○	○	○	○			○	○	○	○			○	○	○
药芯焊丝焊			○	○	○		埋弧焊	○		○	○	○	○		○	○	○	○	○	○		○	○			○	○	○
电弧螺柱焊					○		埋弧焊	○		○	○	○	○				○	○	○	○		○
电弧螺柱焊					○		等离子焊				○	○	○				○
等离子切割					○		等离子焊				○	○	○				○
等离子切割					○		碳弧气刨			○	○	○	○	○			○

4、电磁调节的弧焊电源的基本设计计算

电磁调节的弧焊电源的基本设计计算，以单相固定磁分路的弧焊变压器为基础，基本设计计算与动铁式弧焊变压器的类似，这里着重阐述与电磁调节的弧焊电源有关的部分。

4.1铁心(6)

(1)铁心(6)的硅钢片的最大工作磁通密度B_m，在硅钢片的性能价格比较理想的前提下，磁通密度B_m一般选用在1.50～1.75(T)之间，也便于和磁分路铁心(3)高磁导率的硅钢片相匹配。

常用的冷轧硅钢片的牌号有D310～D340，或者用电力变压器铁心牌号Z₁₁或类似牌号性能的硅钢片(包括旧电力变压器铁心拆卸出来的此类的硅钢片)更为理想，但要求供应商保证硅钢片的牌号、裁片质量、尺寸均匀一致、平整、无毛刺、无锈蚀等。

(2)铁心(6)的净截面积

铁心(6)的净截面积按下式计算：

S = \frac{20 ~ 30}{B_{m}} \sqrt{P_{c}} ({cm}^{2}) - - - (6)

式中：S—铁心(6)的净截面积(cm²)

B_m—铁心(6)的磁通密度(T)

P_c—弧焊变压器的长时工作容量(KVA)

4.2磁分路铁心(3)

4.2.1磁分路铁心(3)的硅钢片和截面积

(1)硅钢片的牌号

为了尽可能地减少控制电流节约能量，磁分路铁心(3)应选用高磁导率的硅钢片，如常见的进口牌号Z₁₁、Z₁₀等，武汉钢铁公司生产的DQ151-35硅钢片性能与Z₁₁-0.35的接近，DQ137G-35的性能与Z₁₀-0.35的相似，DQ151、DQ137G后面的-35和Z₁₁、Z₁₀后面的-0.35均表示硅钢片的厚度0.35mm。

(2)磁分路铁心(3)的净截面积

磁分路铁心(3)的净截面积的计算与动铁式弧焊变压器的计算方法相同：

S_{f} = \frac{45}{B_{m}} (\frac{U_{1}}{N_{1}} - \frac{U_{2 \min}}{N_{2}}) ({cm}^{2}) - - - (7)

式中：S_f—磁分路铁心(3)净截面积(cm²)，

U₁—初级额定的输入电压(V)，

N₁—初级线圈(1)的匝数，

N₂—次级线圈(2)的匝数，

U_2min—最小焊接电流I_2min所对应的电弧电压(V)

U_2min＝20+0.04I_2min(V) ………………⑧

4.2.2磁分路铁心(3)的结构尺寸

(1)在设计计算和总体结构布置时，确定磁分路铁心(3)的结构尺寸，如图7是“磁分路铁心结构尺寸图”，其硅钢片采用斜山直角梯形，便于交错插铁，减小气隙和控制电流。

铁心片宽度：b_l＝b[铁心(6)的叠厚](mm)

铁心片高度：h_f＝[h_c-(0.6～1.0)](mm)，h_c—铁心(6)窗口高度(mm)

磁分路铁心(3)窗口高度：h_fc(mm)

磁分路铁心(3)窗口长度：l_f(mm)

磁分路铁心(3)的叠厚：

b_{f} = \frac{10 S_{f}}{0.95 (b_{l} - l_{f})} (mm) - - - (9)

S_f的单位由cm换算乘mm，前面乘10，0.95—叠铁系数。

箭号表示硅钢片的轧制方向。

一般应使：

\frac{(b_{l} - l_{f})}{2} = \frac{(h_{f} - 2 h_{fc})}{4} .

(对于窗口高度h_fc狭窄的铁心，允许图7磁分路铁心旋转90°横置。)

(2)磁分路中控制线圈(4)的窗口面积

S_fc＝l_fh_fc≈(2～3)N_kS_k(mm²)……………………⑩式中：S_fc—磁分路铁心(3)窗口面积(cm²)

N_k—控制线圈(4)的匝数

S_k—控制线圈(4)单根导线的截面积(mm²)

磁分路铁心(3)的窗口尺寸在控制线圈(4)的匝数N_k、导线的截面积S_k计算出来和具体绕制核算之后，具体确定，注意保持磁分路铁心(3)的有效截面积S_f。

4.2.3直流磁路长度的计算

按图7直流控制磁路的长度：

l_{k} = \frac{2}{10} [(\frac{b_{l} - l_{f}}{2} + l_{f}) + (h_{fc} + \frac{h_{f} - 2 h_{fc}}{4})] - - - (11)

= 0.1 [b_{l} + l_{f} + h_{fc} + \frac{h_{f}}{2}] (cm)

式中：l_k—直流控制磁路的长度(cm)若：l_k＝0.2b_l，h_fc＝0.1h_f，则：l_k＝0.06(2b_l+h_f)(cm)…………

4.2.4磁分路硅钢片的加工

硅钢片的主要加工方法有：

(1)冲压法

成批生产最好采用冲压加工，生产率高，尺寸一致性好，对于有晶粒取向硅钢片，注意保证轧制方向与交流主磁通方向一致。

(2)裁剪硅钢片外形，铣削或冲出窗口法

一般小批生产，可以先将硅钢片裁剪成均匀一致的直角梯形，然后整齐叠积压紧，再准确地铣出窗口，或者采用准确定位的冲模冲出窗口。注意：保持尺寸精度和窗口的位置度，并且去毛刺。

(3)硅钢片的退火

硅钢片在经过剪切、冲压等加工后会产生内应力，使磁导率和磁化性能降低，有条件的单位，对磁分路的硅钢片尽可能采用CO₂等气体保护防止氧化的高温退火，退火温度一般为795±10℃，退火时采取措施防止硅钢片变形。

5、控制特性和控制线圈(4)

5.1控制特性

电磁调节的弧焊电源的控制特性是指输出焊接电流I₂与控制电流I_k之间的关系。主要涉及到额定磁通密度B_mc和相应的额定磁场强度H_e的选定，额定控制电流I_ke，以及额定焊接电流I_2e三者之间关系。这是电磁调节的弧焊电源设计和计算所要重点分析、研究和解决好的问题。

有关常见牌号Z₁₀、Z₁₁硅钢片的性能数据见表2。

表2 Z₁₀、Z₁₁硅钢片磁通密度B与磁场强度H数据

牌号	B(T)	1.00	1.05	1.10	1.15	1.20	1.25	1.30	1.35	1.40
牌号	B(T)	1.00	1.05	1.10	1.15	1.20	1.25	1.30	1.35	1.40	Z₁₀-0.35	H(At/cm)
Z₁₁-0.35	0.21	0.215	0.224	0.234	0.248	0.262	0.28	0.30	0.32		Z₁₀-0.35
Z₁₁-0.35	0.21	0.215	0.224	0.234	0.248	0.262	0.28	0.30	0.32	牌号	B(T)		1.41	1.45	1.50	1.55	1.60	1.65	1.70	1.75	1.80
Z10-0.35	H(At/cm)		0.306	0.337	0.374	0.425	0.50	0.67	1.0	牌号	B(T)	1.66	1.41	1.45	1.50	1.55	1.60	1.65	1.70	1.75	1.80
Z10-0.35			0.306	0.337	0.374	0.425	0.50	0.67	1.0	Z₁₁-0.35	0.325	1.66	0.35	0.385	0.436	0.502	0.61	0.85	1.30	2.25

现以Z₁₁硅钢片的磁化曲线加以分析说明，见图8是“Z₁₁硅钢片B—H磁化曲线(I₂-I_k控制示意曲线)”。

图8的说明：

①I_2max—弧焊变压器磁分路完全饱和(相当于无磁分路)时的最

大输出电流。

I_2e—弧焊变压器的额定焊接电流。

I_2min—弧焊变压器设计规定的最小焊接电流。

②I_ke—额定的控制电流。

B_me—额定控制电流下所对应的额定磁通密度，和磁场强度He，

此时弧焊变压器输出额定焊接电流I_2e。

即满足：控制电流0～I_ke

磁通密度0～B_me

焊接电流I_2min～I_2e

当l_k、N_k确定后，图中横坐标值也可以近似地表示控制电流I_k值。对图8Z₁₁硅钢片的B-H磁化曲线可以大致分为四段：

(1)B从0～1.5(T)，属于近似的直线段，

的斜率为4.8～4；

(2)B从1.5～1.7(T)，为过渡段，的斜率从4降到2；

(3)B从1.7～1.75(T)，为趋饱和段，

的斜率从2降到1.3；

(4)B从1.75～1.8～B_max，为饱和段，的斜率从1.3降到0.8，最后达到饱和，斜率降至0。

额定的磁通密度B_me应该在趋饱和段(3)中选定比较合适，相应的磁场强度He也就确定了。若B_me选得过大，进入了饱和段，使控制电流过大，降低弧焊电源的效率；尽管此时，额定焊接电流与最大输出电流更接近，比较适合传统经验的设计计算。B_me选的过小，虽然能降低控制电流，但是会引起额定焊接电流与最大输出电流间的差值过大，对弧焊变压器的设计布置和调整带来困难，处理不当，在额定控制电流I_ke时，焊接电流难以达到额定值I_2c。

5.2控制电流的计算式和额定控制电流的确定

(1)控制电流的计算式

按全电流定律：Hl＝0.4πNI …………

理论的控制电流：

I_{ko} = \frac{H_{ac} l_{k}}{0.4 π N_{k}} - - - (14)

式中：H—磁场强度(At/cm)

l_k—直流磁路的长度(cm)

N_k—控制线圈(4)的匝数

I_ko—理论的控制电流(A)

H_ac—交流磁场强度(At/cm)

但是，在实际铁心中，H_ac只能使磁通降到零，而要使磁通回归至负向饱和，至磁场强度H_o处截止，为此，需要比H_ac大得多的控制磁场强度，所以实际的控制电流的计算式为：

I_{k} = K \frac{H_{0} l_{k}}{0.4 π N_{k}} = K \frac{2 H_{ac} l_{k}}{0.4 π N_{k}} (A) - - - (15)

同理，额定控制电流的计算式：

I_{ke} = K \frac{2 H {el}_{k}}{0.4 π N_{k}} (A) - - - (16)

式中，K＝(2～3)—余度系数，考虑到硅钢片材料各个方向磁化性能的不均匀性，加工过程对磁化性能的影响，以及气隙和应用反馈等因素的影响；开始用大一点的，经试验后，确定合适的余度系数。对于非电子电路的负反馈，K值应取大一些，正反馈时可以取小一些。

(2)额定控制电流I_ke的选定

为了简化计算和节约电能，对于中等容量的弧焊变压器，额定控制电流可选定为：I_ke＝1A。

小容量的弧焊变压器可以适当减小，大容量的酌情增大。

(3)求控制线圈(4)的导线直径

控制线圈(4)导线的截面积：

S_{k} = \frac{I_{ke}}{j} ({mm}^{2}) - - - (17)

式中：j—铜导线许用的电流密度(A/mm²)，一般自冷的取2.5 A/mm²，风冷的取3.5～4A/mm²。

铜导线的直径：

d_{k} = 2 \sqrt{\frac{S_{k}}{π}} = 2 \sqrt{\frac{I_{ke}}{πj}} (mm) - - - (18)

(4)控制线圈(4)的匝数

控制线圈(4)的匝数按下式计算：

N_{k} = K \frac{2 He l_{k}}{0.4 π I_{ke}} - - - (19)

5.3弧焊电源的最大输出电流

为了不使额定的控制电流过大而降低弧焊电源的效率，设计和计算时，使弧焊变压器的最大输出电流为额定电流的1.25倍，即：

I_2max＝1.25I_2e(A)……………………………………

式中：I_2e—弧焊变压器的额定焊接电流(A)。

6、弧焊电源的最小漏抗和最大输出电流的计算

电磁调节的弧焊变压器的漏抗和输出电流的计算方法与动铁式弧焊变压器的计算方法相同。

(1)最小漏抗

当电源频率f＝50Hz时：

X_{0} = K_{j} K_{R} \frac{395 L_{p} (A_{12} + \frac{A_{1} + A_{2}}{3}) {N_{2}}^{2}}{h_{2} 10^{8}} (Ω) - - - (21)

当电源频率f＝60Hz时：

{X_{0}}^{'} = K_{j} K_{R} \frac{474 L_{p} (A_{12} + \frac{A_{1} + A_{2}}{3}) {N_{2}}^{2}}{h_{3} 10^{8}} (Ω) - - - (22)

式中：K_j—结构系数，取0.8～1.0

K_R—洛氏系数：K_R＝1-σ+0.35σ²………

σ = \frac{A_{1} + A_{2} + A_{12}}{π h_{2}} - - - (24)

L_p—次级线圈(2)的平均匝数(cm)

N₂—次级线圈(2)的匝数

A₁—初级线圈(1)的宽度(cm)

A₂—次级线圈(2)的宽度(cm)

A₁₂—初、次级线圈(1、2)间的距离(cm)

h₂—次级线圈(2)的厚度(cm)

A₁、A₂、A₁₂、h₂具体见图1所示。

(2)最大输出电流I_2max

由式

：I_2max＝1.25I_2e，

另，最大输出电流按下式计算：

I_{2 \max} = \frac{\sqrt{{U_{20}}^{2} - {U_{h \max}}^{2}}}{x_{0}} - - - (25)

式中：U_hmax—最大输出电流时所对应的电弧电压(V)

U_hmax＝20+0.04I_2max

＝20+0.05I_2e≤44V …………………………

当f＝50Hz时，用X₀；f＝60Hz时，用X₀′。

U₂₀—弧悍变压器次级的空截电压(V)。

7.弧焊电源的最大阻抗和最小焊接电流的计算

(1)最大阻抗

当电源频率f＝50Hz时：

X_{\max} = X_{0} + X_{2 f} = X_{0} + \frac{395 S_{f} {N_{2}}^{2}}{δ 10^{8}} (Ω) - - - (27)

当电源频率f＝60Hz时：

{X^{'}}_{\max} = {X^{'}}_{0} + {X^{'}}_{2 f} = {X^{'}}_{0} + \frac{474 S_{f} {N_{2}}^{2}}{δ 10^{8}} (Ω) - - - (28)

注：以μ₀＝4π×10^-9(H/cm)，和频率f分别代入式③分别得出X_2f、X′_2f，即式

的后半部分的具体计算式。

(2)最小焊接电流I_2min：

I_{2 \min} = \frac{\sqrt{{U_{20}}^{2} - {U_{2 \max}}^{2}}}{X_{\max}} - - - (29)

式中：U_2min—最小焊接电流时所对应的电弧电压(V)。

U_2min＝20+0.04I_2min…………………⑧

当f＝50Hz时，用X_max；f＝60Hz时，用X′_max。

8.制造实测值与设计规定值之间超差值的消除

弧焊电源的额定焊接电流、最小焊接电流、及其偏差等，国家有关的标准中作了明确的规定。

当弧焊电源制造的实测值对设计的规定值(或者标准的规定值)出现超差时，可以按动铁式弧焊变压器设计和制造的调整方法进行消除超差值；对于电磁调节的弧焊电源也可以采取以下的方法加以消除：

(1)当额定焊接电流实测值大于规定值时，可以在控制电路中加调整电阻(如图9中的R₁，图9是“交流铁磁谐振稳压的控制电路”)，对额定焊接电流值进行锁定。

(2)当最小焊接电流实测值小于规定值时，也可以在控制电路中增加调整电阻和开关对最小焊接电流进行锁定(如图9中的R₂和K)；最好还是按常规的设计和制造方法加以调整消除此超差值。

9.电磁调节的控制电源和电流调节方式

9.1控制电源

(1)交流铁磁谐振稳压器(如图9)

以往老一代磁放大器焊机中常用，图9中，Bc—交流铁磁谐振稳压器，W—控制电流调节电位器，R₁—可调电阻，R₂—可调电阻，K—开关，断开时对最小焊接电流锁定，合上后W适合大中电流的调节。

(2)直流电子稳压电源

有晶体管稳压电源的控制电路，如图10；三端集成稳压器及其扩展的控制电路，如图11。

9.2控制电源的功率

对于中等容量的单相弧焊变压器，额定控制电流为1A，控制电压约为15～40V，控制电源的功率约为20～50W。小容量的焊机控制功率可以小一些，大容量的焊机控制功率应该大一些，多磁分路的控制线圈采用串联供电，控制电压和功率要按比率加大。为了保证弧焊电源的效率，控制电源的功率消耗，在设计计算时必须考虑进去。

9.3控制电流的调节方法

控制电流的调节方法主要有以下几种：

(1)电位器直接调节的方式

如图9、10、11中的电位器W，此处的电位器应该选用大功率的线绕变阻器。

(2)晶体管调节电路，如图12。

(3)可控硅的调节电路，如图13。

具体电路的设计请参考有关的书籍资料。

10.磁分路铁心(3)、铁心(6)的紧固与装配

10.1主要技术要求

(1)必须保持磁分路铁心(3)和铁心(6)柱的上、下平面整齐和平面度，以及上、下平面之间严格的平行。

(2)保证磁分路铁心(3)右侧(或在弧焊变压器的后侧)上、下的紧固螺栓(10)和夹件(9)、磁分路铁心(3)之间可靠地绝缘，防止形成闭合环路产生感应电流使弧焊变压器过载。

(3)用穿心铆杆紧固铁心(6)柱时，要严格保证穿心铆杆与铁心之间可靠的绝缘。

(4)为了减少交流漏磁场中的涡流损耗，提高弧焊电源的效率，用于夹紧和装配的夹持件和紧固件等建议采用非导磁材料制成，如1Cr18Ni9不锈钢。

(5)保证不损伤控制线圈(4)和初、次级线圈(1、2)的绝缘。

10.2磁分路铁心(3)的紧固

(1)胶接紧固法

采用工作温度能满足100℃粘接强度较高的清漆或者西安产的双H胶，对磁分路铁心(3)进行胶接紧固。在磁分路铁心(3)硅钢片插入控制线圈(4)，并整理达到技术要求后，对铁心(3)端面进行清理、除油，均匀涂刷清漆或胶液，静置一段时间，让漆或胶渗入硅钢片的间隙中，然后均匀压紧，注意将上、下表面挤出的漆或胶涂平，不致形成过厚的漆疤。用热固性的漆或胶粘接强度更高。胶接紧固法值得采用推广。

(2)焊接紧固法

如图14所示，在硅钢片插入控制线圈(4)和保证技术要求后，均匀压紧硅钢片，将上、下各一处接缝用钨极氩弧焊(TIG)焊牢，为了帮助硅钢片接缝的熔合，可用H08Mn₂SiA焊丝拔动熔化金属进行焊接，焊缝力求薄而平整，焊后将过高的焊缝修磨平。注意，只允许在上、下接缝处施焊，不准在左、右垂直面上焊接。

10.3铁心(6)柱的紧固

一般采用传统的用穿心铆杆铆紧固定法，或者采用胶接紧固法[参考10.2(1)]，同样保证满足技术要求！

10.4磁分路铁心(3)与铁心(6)的装配

10.4.1主要技术要求

(1)使磁分路铁心(3)与铁心(6)接合面之间用绝缘垫片(5)保持绝缘。

(2)使磁分路铁心(3)与铁心(6)的装配固定可靠，在长途运输以及长期强大的电磁力反复作用下等，都能保持稳定可靠的工作。

(3)其他同“10.1”中相关的要求。

10.4.2装配方法

一般采取对磁分路铁心(3)先胶接或焊接紧固后，再进行装配比较简便。

(1)夹件(9)和螺栓(10)装配法(如图15)

这种方法适合于在铁心(6)与初、次级线圈(1、2)装配并留出合适的窗口高度后，插装磁分路铁心(3)。

图15中限位绝缘垫块(7)用于限制磁分路铁心(3)的左右位置；绝缘垫片(5)和(8)，螺栓(10)和夹件(9)用于磁分路铁心(3)与铁心(6)的装配固定；绝缘球面垫圈(11)和绝缘套管(13)防止夹件(9)、螺栓(10)、磁分路铁心(3)形成闭合的导电回路；球面垫圈(12)和绝缘球面垫圈(11)为了适应铁心(6)和磁分路铁心(3)端面不齐时能使夹件(9)均匀地压紧。

装配前，先将铁心(6)、磁分路铁心(3)和绝缘垫片(5)的接合面清理干净、涂胶，然后准确就位夹紧。

(2)热轧低硅钢片拉带(19)装配法(如图16)

此法适用于先将磁分路铁心(3)与上、下铁心(6)柱、绝缘垫片(5)先组装成“工”字形。装配前同时对三者的接合面清理、涂胶和按图准确就位，左右两侧的轭铁处用辅助夹具临时支持和夹持。

图16中下铁心(6)柱外侧采用阶梯叠装，下中部衬圆弧绝缘角垫(18)，装配部位上部有绝缘垫(16)，前、后、下侧用绝缘垫(17)，外侧用厚0.5mm热轧低硅钢片拉带(19)上部有U形螺杆(14)与压件(15)，将磁分路铁心(3)与铁心(6)压紧装配在一起。限位绝缘垫块(7)在装配初、次级线圈(1、2)时再固定。注意不能用易脆性断裂的硅钢片做拉带！

(3)钢带打包装配法

参考图16的下半部分，上、下铁心(6)柱外侧均采用阶梯叠装法，便于衬圆弧绝缘角垫(18)，类似(2)法，在磁分路铁心(3)两边缘处用二道钢带(最好用1Cr18Ni9不锈钢薄板条)和锁紧扣，用打包器捆绑紧固锁紧。

其他的参考动铁心式弧焊变压器的装配。

注意事项

(1)电磁调节的弧焊电源的性能、参数和安全技术要求等，在设计和制造中同样要认真执行国家、行业有关弧焊电源的标准。

除此之外，磁分路铁心(3)、装配紧固用的金属件等，必须各有一处牢靠地接地保护。

(2)由于磁分路控制线圈(4)的电感量较大，在断电时会产生很高的感应电压，而危及到电子器件，所以，在控制电路中也必须采取可靠的保护措施和保护器件。附录A 电磁调节的弧焊电源中反馈的应用

电磁调节弧焊变压器的外特性与动铁式弧焊变压器的外特性相近，是下降的外特性。在此基础上，电磁调节的弧焊电源中应用不同方式的反馈对弧焊电源的外特性进行控制，得到所需的不同的外特性，或者对电网电压的波动进行补偿。A1.反馈的方式

电磁调节的弧焊电源的控制电路中，主要应用的是电压负反馈、电流负反馈和电流正反馈三种方式。A2.反馈的主要作用

(1)电压负反馈的作用

当应用电源电压负反馈时，是对电源电压的波动进行补偿，提高输出参数的稳定性和精度。

当应用电弧电压负反馈时，是减小原来下降外特性的斜率，可以使外特性变得缓慢下降或者趋向于水平。

(2)电流负反馈的作用

应用焊接电流负反馈，使原来下降外特性的斜率增大，成为陡降或者垂直下降的外特性。

(3)电流正反馈的作用

应用焊接电流正反馈，使原来下降外特性的斜率减小，使外特性变得缓慢下降或者趋向于水平。A3.反馈电路的基本形式A3.1单线圈直流控制回路叠加反馈的电路

如图A1是“直流控制电路”，图中符号分别表示：B_f—反馈电量变换器，在下列情况下，各自的含义如下：

①当对电网电压补偿时，B_f为降压变压器，U_fl端接在弧焊变压器的初级上。

②当对电弧电压负反馈时，B_f也为降压变压器，U_fl端接在弧焊变压器的次级上。

③当对焊接电流反馈时，B_f是特殊的电流互感器，U_fl端串入弧焊变压器次级的输出回路中，此时B_f的次级必须并接限压电阻R_i！防止产生过电压。W—控制电流调节电位器W_fl—反馈电量调节电位器N_k—磁分路铁心(3)的控制线圈(4)ZL—整流器

(1)负反馈电路

按照图A1电路的联接为负反馈电路，控制电流：

I_{k} = \frac{U_{k} - U_{f}}{R_{w} + R_{wf 1}} (A) - - - (A 1)

由于反馈电压U_f抵消控制电压U_k的作用，所以，比没有反馈时，需要更大的控制电源的功率。

(2)正反馈电路

将图A1中电位器W_fl的a、b点分别换接到整流器的“-”、“+”极上去，就成了正反馈电路，控制电流：

I_{k} = \frac{U_{k} + U_{f}}{R_{w} + R_{wf 1}} (A) - - - (A 2)

由于控制电压U_k与反馈电压U_f同向串联，因而能够降低控制电源的功率。

(3)复合反馈电路

在图A1电路的基础上，同时串入电压负反馈U_fu和电流正反馈U_fi，就成了复合反馈电路，其控制电流：

I_{k} = \frac{U_{k} - U_{fu} + U_{fi}}{R_{w} + R_{wf 1} + R_{wf 2}} (A) - - - (A 3)

A3.2双线圈的反馈电路

在磁分路铁心(3)中设置了两个线圈，一个线圈N_k通过控制电流I_k，另一个线圈N_f通过反馈电流I_f，各自独立调节。其优点是，简化了合成电路，避免控制电流和反馈电流的互相牵制。A3.3运算放大器的反馈电路

采用运算放大器的反馈电路，具有放大倍数大，反馈采样的信号小，反馈深度和放大倍数容易调节，和便于反馈的复合等优点。所以，在弧焊电源的控制中得到广泛的应用，其工作原理见图A2是“运算放大器控制原理图”，图中控制器(20)、弧焊电源(21)。A3.3.1反馈信号的采样方法

(1)电流反馈信号的采样

电流反馈信号的采样可以采用分流器(如图A2中的R_f)或者电流互感器来实现。

(2)电压反馈信号的采样

直流电压反馈信号一般使用分压电位器采样，如图A2中的电位器W_f；交流电压采样一般应用电压互感器或图A1中的B_f降压变压器。A3.3.2反馈运算电路

反馈运算电路，如图A3所示，运算放大器(YS)有两个输入端(差动输入)，一个是同相输入端“+”(输出信号与输入同相)，另一个是反相输入端“-”(输出信号与输入信号反相)，设：R₁₁＝R₁₂＝R₀，

K = \frac{R_{13}}{R_{0}}

放大倍数，则，输出电压：

U_{k} = - \frac{R_{13}}{R_{0}} (U_{f} + U_{g})

= - K (U_{f} + U_{g}) - - - (A 4)

(1)负反馈

给定电压U_g采用负电压，反馈电压U_f采用正电压，两者反向，输出电压：

U_{k} = \frac{R_{13}}{R_{0}} (U_{g} - U_{f}) = K (U_{g} - U_{f}) - - - (A 5)

U_f＝U_fu是电压反馈量时，为电压负反馈；U_f＝U_fi是电流反馈量时，为电流负反馈。

(2)正反馈

给定电压U_g采用负电压，反馈电压U_f也采用负电压，两者同向，输出电压：

U_{k} = \frac{R_{13}}{R_{0}} (U_{g} + U_{f}) = K (Ug + U_{f}) - - - (A 6)

此时为正反馈。

(3)复合反馈

图A2的电路中同时采用了电压负反馈和电流负反馈的复合电路，K₁、K₂、K₃分别是三个运算放大器的放大倍数，得出：

U_k＝K₃[K₁(U_gu-mU)+K₂(U_gi-nI)]……………………(A7)式中：U_k—控制电压，U—电弧电压，I—焊接电流，m—采样分压比，n—采样分流比，U_gu—控制电压给定值，U_gi—控制电流给定值。

因U_k值很小仅零点几伏至几伏，而K₃相对较大，所以，简化上式得：

K₁(U_gu-mU)+K₂(U_gi-nI)＝0 ……………………(A8)在U_gu、U_gi一定时，可得：

\frac{dU}{dI} = - \frac{K_{2}}{K_{1}} \cdot \frac{n}{m} - - - (A 9)

为弧焊电源外特性曲线的斜率。通过调节运算放大器的放大倍数K₁、K₂和分压比m、分流比n，来调节外特性的斜率工作点的范围U_gu、U_gi决定后，外特性的任何变化都只能绕定工作点P(U_gu、U_gi)转动。A4.电磁调节的弧焊电源应用反馈的特点

图A4是“电磁调节的弧焊电源外特性曲线”。

没有反馈的电磁调节弧焊变压器的外特性与动铁式弧焊变压器的外特性相近，如图A4中的曲线“1”，工作点P处外特性的斜率

是斜线“2”。

要得到陡降或者垂直下降的外特性，就应该应用电流负反馈，加大外特性的斜率，使外特性曲线绕给定的工作点P左旋，如图A4中的线“3”。

如果要得到缓慢下降或者趋向于水平的外特性，应用电压负反馈、电流正反馈，或者两者的复合反馈，减小原来下降外特性的斜率，使外特性曲线绕给定点P右旋，如图A4中的线“4”。

由于采用了电流正反馈式(A8)变为：

K₁(U_gu-mU)+K₂(U_gi+nI)＝0 ……………………(A10)式(A9)变为：

\frac{dU}{dI} = \frac{K_{2}}{K_{1}} \cdot \frac{n}{m} - - - (A 11)

符号有负变正，表示了斜率右(上)旋的趋势。

电磁调节的弧焊电源的反馈电路，根据其自身的特点，参考并区别于磁放大器的控制电路和晶闸管直流弧焊电源的反馈电路，以及有关的电子电路的资料进行具体设计和调试。附录B 电磁调节的弧焊电源的低频脉冲功能

电磁调节的弧焊电源属于电磁惯性较大的控制电路，能否实现脉冲焊？实际上可以制成性能良好的低频脉冲钨极氩弧(T1G)焊机或者等离子脉冲焊机。

低频脉冲T1G焊是解决单面焊双面成形的优良工艺。既能保证工件焊透而又不产生烧穿；不仅适合于焊接钢制件，也适合于焊接导热性好的铜、铝件，更适合于焊接导热性差异很大的如铜与不锈钢的制件，是一般焊接方法无法比拟的；特别是容易实现T1G交流脉冲焊，对于焊接铝合金具有更加优良的工艺性，是电磁调节的脉冲弧焊电源的独到之处。B1.主要的脉冲参数

脉冲频率：f＝0.5～10Hz

脉冲波形：矩形波，或带尖峰的矩形阶梯波

由于电磁调节回路磁惯性的作用，使输出电流波形的前沿不会太陡，后沿又较为缓降，在工艺上恰恰是好事，使电弧比较柔和，不易咬边，焊缝成形好，也利于全位置焊接，后沿缓降有利于熔池缓冷，避免裂纹。B2.脉冲控制电路B2.1磁分路中控制线圈(4)的个数

磁分路中控制线圈(4)的个数，分为单控制线圈(4)和双控制线圈二种。双控制线圈的电路如图B1是“双线圈脉冲电路示意图”，图中脉冲控制器(22)。图中：

N_ki—基值电流控制线圈

N_kf—峰值电流控制线圈

N_ki和N_kf采用双线并绕，匝数相等。

K_p—转换开关，当接通“1”位时，无脉冲。此时，W负责整个焊接电流的调节；当接通“2”位时，W负责脉冲基值电流的调节，由脉冲控制器(22)负责峰值脉冲电流、脉冲频率、脉冲宽度的调节和控制。

这种电路的优点是脉冲基值和峰值控制电流各自独立调节，简化了合成电路，其缺点是需要两个控制线圈。B2.2.脉冲发生器

矩形波脉冲发生器的电子电路较多，有晶体管多谐振荡器、运算放大器方波发生器，以及“555”时基电路构成的矩形波发生器等，其中以“555”时基电路的脉冲发生器比较简洁，脉冲频率和脉冲宽度调节比较方便。

(1)“555”时基电路脉冲发生器

如图B2是“555时基电路的脉冲发生器”。接通电源后，首先调节电位器Wt决定脉冲频率(或者周期T)；然后再调节电位器WD到所需的占空比tD(或者脉冲宽度)。此电路的脉冲周期：

T＝0.695[R_WD+2×4.7K+(0～R_Wt)]C₄ (S)占空比：

t_{D} = \frac{4.7 K}{R_{wt} + R_{wD} + 2 \times 4.7 K} ~ \frac{4.7 K + R_{wD}}{R_{wt} + R_{wD} + 2 \times 4.7 K}

输出波形：矩形波，输出电压：

V_{0} = \frac{2}{3} V_{cc},

最大输出电流：I_omax＝200mA，

电源电压：V_cc一般为15V。

在确定了脉冲频率和脉冲宽度之后，初步选定电容器C₄的值，分别解出R_Wt和R_WD的具体数值。

(2)尖脉冲阶梯波发生器

带尖脉冲阶梯波脉冲电路的方框图见图B3，图中单稳态电路(23)、无稳态电路(24)、单晶管振荡电路(25)、可控硅电路(26)、控制线圈(4)、弧焊电源(21)。B2.3脉冲调制电路

对于控制电流进行脉冲调制的电路，具体结合说明书中“9.电磁调节的控制电源和电流调节方式”的内容，以及参考有关的电子电路和弧焊电源的控制电路等书籍资料进行设计和调试。

Claims

1、一种电磁调节的弧焊电源，该电源在弧焊变压器铁心(6)的窗口中和初级线圈(1)、次级线圈(2)之间，其特征在于：安装了带控制线圈(4)可变磁阻的固定磁分路铁心(3)，控制线圈(4)与控制电源、控制电路相联接，形成下降特性的弧焊电源。

2、根据权利要求1所述的电磁调节的弧焊电源，其特征在于：在控制电路中接入反馈器件，降压变压器或者特殊的电流互感器(B_f)、整流器(ZL)、反馈电量调节电位器(W_fl)等，应用不同的反馈方式，构成平特性或者陡降特性的弧焊电源。

3、根据权利要求1所述的电磁调节的弧焊电源，其特征在于：在控制电路中接入脉冲控制器(22)等，构成下降特性的低频脉冲弧焊电源。

4、根据权利要求2所述的电磁调节的弧焊电源，其特征在于：在控制电路中同时接入脉冲控制器(22)等，构成平特性或者陡降特性的低频脉冲弧焊电源。