蔣應(yīng)田,高學(xué)朋,郭淑娟,胡傳順

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順113001）

直流弧焊機(jī)電氣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與主器件認(rèn)識(shí)

蔣應(yīng)田,高學(xué)朋,郭淑娟,胡傳順

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順113001）

直流弧焊機(jī)是強(qiáng)、弱電結(jié)合的復(fù)雜電氣設(shè)備，其電路與控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜。從實(shí)現(xiàn)焊接的四項(xiàng)基本功能和三項(xiàng)先進(jìn)指標(biāo)的技術(shù)出發(fā)，以直流焊機(jī)的技術(shù)發(fā)展歷程為主線，介紹直流焊機(jī)的基本組成及其電氣結(jié)構(gòu)和器件特點(diǎn)。根據(jù)教學(xué)總結(jié)提出初學(xué)者認(rèn)識(shí)直流焊機(jī)內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)的思路和電氣器件識(shí)別方法。

直流焊機(jī)；電氣結(jié)構(gòu)；逆變電源；器件認(rèn)識(shí)

0前言

電弧焊是一種應(yīng)用廣泛的金屬熔化焊接技術(shù)，分為直流電弧和交流電弧，直流電弧在電弧穩(wěn)定性方面明顯優(yōu)于交流電弧。直流焊接設(shè)備發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)時(shí)期：①旋轉(zhuǎn)機(jī)械式，以直流弧焊發(fā)電機(jī)為代表；②機(jī)械調(diào)節(jié)整流式，以普通硅弧焊整流器為代表；③電磁控制式，以磁放大器式硅弧焊整流器為代表；④電子控制型，該類焊機(jī)包括晶體管型和晶閘管型整流焊機(jī)，是目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的主流設(shè)備之一；⑤逆變式焊機(jī)，該類焊機(jī)具有高效節(jié)能、質(zhì)量輕、體積小，功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。逆變焊機(jī)根據(jù)逆變器應(yīng)用的開關(guān)管器件經(jīng)歷了晶閘管式、晶體管式、場效應(yīng)管式和IGBT四個(gè)時(shí)代。當(dāng)前，逆變焊機(jī)的發(fā)展趨勢是向雙零逆變和采用其他新型開關(guān)器件，如IGCT、IECT等[1]。上述①類焊機(jī)早在1991年被國家淘汰[2]，②③類焊機(jī)也于2012年被國家列入淘汰序列[2-3]。

1直流弧焊機(jī)必須滿足的基本要求

直流弧焊機(jī)必須滿足四個(gè)基本要求[4-5]：（1）外特性有工藝要求的外特性曲線；（2）輸出合適的空載電壓；（3）滿足焊接規(guī)范的調(diào)節(jié)特性；（4）滿足一定的動(dòng)特性要求。

2直流焊機(jī)的基本功能及其實(shí)現(xiàn)方法

2.1直流弧焊機(jī)外特性實(shí)現(xiàn)原理及方法

直流弧焊機(jī)可以應(yīng)用于焊條電弧焊、鎢極氬弧

焊、熔化極氬弧焊、活性熔化極氣體保護(hù)焊、等離子弧焊以及埋弧焊等。每一種焊接方法的電弧處于不同的電弧靜特性區(qū)段，需要焊機(jī)輸出相應(yīng)的外特性曲線和電弧的伏安曲線進(jìn)行靜或動(dòng)平衡。例如，焊條電弧焊電源需要陡降的外特性曲線，鎢極氬弧焊和等離子電源需要垂降的外特性曲線，而粗絲的埋弧焊電源需要緩降的外特性曲線，細(xì)絲熔化極氣體保護(hù)焊則需要平外特性曲線。對(duì)于弧焊電源外特性輸出曲線的實(shí)現(xiàn)，縱觀直流焊機(jī)的五個(gè)歷史時(shí)期，其獲得方式有以下幾種：（1）外激磁差復(fù)式，為第一代直流弧焊發(fā)電機(jī)所應(yīng)用的方式。利用三相異步電動(dòng)機(jī)（或汽柴油機(jī)）驅(qū)動(dòng)直流發(fā)電機(jī)的發(fā)電轉(zhuǎn)子在他激勵(lì)磁差復(fù)磁場中旋轉(zhuǎn)獲得下降外特性。他激勵(lì)磁差復(fù)（或裂極反應(yīng)）磁場就是利用焊機(jī)輸出電流產(chǎn)生的激磁與給定激磁的差項(xiàng)來獲得。（2）串聯(lián)可調(diào)節(jié)電抗器式，為第三代直流焊機(jī)應(yīng)用的方式。在普通降壓變壓器獲得焊接所需的空載電壓后，通過串聯(lián)可調(diào)節(jié)電抗器進(jìn)行外特性的調(diào)節(jié)?？烧{(diào)節(jié)電抗器有兩種，一種是非封閉鐵心的可調(diào)節(jié)間隙大小的電抗器，這類直流焊機(jī)只能獲得下降外特性；另一種是封閉鐵心不可調(diào)節(jié)間隙的電抗器，通過調(diào)節(jié)電抗器上纏繞直流線圈繞組中的電流值，改變電抗器的磁化點(diǎn)使電抗器阻值發(fā)生改變獲得相應(yīng)的外特性。通過改變電抗器上交流工作繞組的電流反饋方式，可以獲得不同的外特性曲線，如無反饋可獲得下降外特性，全反饋獲得平外特性，而部分反饋則獲得緩降特性。因此，這類焊機(jī)通過適當(dāng)?shù)木€路改造可以實(shí)現(xiàn)外特性形狀的變化。（3）主變壓器漏磁式，為第二代直流焊機(jī)采用的方法。利用主變壓器一、二次線圈之間較松散的纏繞方式產(chǎn)生漏磁，減小耦合主磁通實(shí)現(xiàn)變壓器輸出下降外特性。此外為了進(jìn)一步加強(qiáng)外特性的可調(diào)性，在一、二次線圈之間增設(shè)活動(dòng)鐵心，或者調(diào)節(jié)一、二次線圈之間的距離來增強(qiáng)漏磁。（4）半導(dǎo)體器件調(diào)節(jié)式，為第四代焊機(jī)采用的方式?？煞譃閮深?，一類采用大功率晶閘管，利用晶閘管的移相控制特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)外特性調(diào)節(jié)；另一類采用大功率晶體管，利用晶體管的模擬放大或開關(guān)模式實(shí)現(xiàn)外特性調(diào)節(jié)。這類焊機(jī)可根據(jù)焊機(jī)輸出反饋調(diào)節(jié)方式的不同，實(shí)現(xiàn)下降、平外、緩降特性輸出。（5）數(shù)字調(diào)節(jié)式，為逆變焊機(jī)采用的方式。通過對(duì)直流電源的逆變開關(guān)過程調(diào)節(jié)（頻率調(diào)節(jié)或脈寬調(diào)節(jié)）實(shí)現(xiàn)焊接的輸出調(diào)節(jié)。根據(jù)逆變開關(guān)器件的不同分為晶閘管式、晶體管式、場效應(yīng)管式、IGBT式四類[5]。在四種開關(guān)管中晶閘管屬于半控器件，其余三種都是全控器件。因此在開關(guān)調(diào)節(jié)過程中，采用不同的調(diào)節(jié)模式。晶閘管采用PFM方式，其余采用PWM方式。在PWM調(diào)節(jié)時(shí)根據(jù)開關(guān)管的開關(guān)速度選取合適的工作頻率，如IGBT 20～25 kHz、場效管40～50 kHz、晶體管16～25 kHz。由于IGBT是由大容量晶體管和場效應(yīng)管達(dá)林頓后的功率開關(guān)管，具有電壓驅(qū)動(dòng)控制、控制功率極小、單管容量大的特點(diǎn)，為當(dāng)前大功率焊機(jī)采用的主流器件。

2.2直流弧焊機(jī)輸出合適空載電壓的基本要求與實(shí)現(xiàn)方法

空載電壓是指弧焊電源在非負(fù)載狀態(tài)時(shí)的端電壓，其值的確定應(yīng)遵循以下原則[4]：（1）保證引弧容易。較高的空載電壓首先可以在引弧時(shí)將高接觸電阻擊穿，形成導(dǎo)電通路。其次容易激發(fā)或電離兩電極氣隙中的氣體，使其轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)。（2）保證電弧穩(wěn)定燃燒。要求空載電壓須高于電弧電壓一定值，以交流電弧為基準(zhǔn)，U0≥1.8Uf。（3）保證電弧功率穩(wěn)定，要求空載電壓須達(dá)到一定要求，以交流電弧為基準(zhǔn)，U0＞1.57Uf。（4）焊機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。焊機(jī)空載電壓高不利于經(jīng)濟(jì)性，空載電壓越高，額定容量越高，相應(yīng)地消耗鐵銅材料越多，增加能耗，降低效率。（5）保證焊工安全，限制空載電壓?；诖?，直流整流焊機(jī)U0≤85 V，弧焊發(fā)電機(jī)U0≤100 V。

從現(xiàn)有直流焊機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)看，空載電壓由三個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：（1）利用旋轉(zhuǎn)發(fā)電。將固定轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)線圈在一定強(qiáng)度的激磁磁場中旋轉(zhuǎn)感應(yīng)出直流電壓，在第一代直流焊機(jī)中得到應(yīng)用。（2）利用工頻變壓器。將三相380V或單相380V（或220V）電網(wǎng)電壓降壓后整流獲得直流輸出，在第二代、第三代及第四代直流焊機(jī)中得到應(yīng)用。在第三代、第四代直流焊機(jī)中普遍采用三相變壓器進(jìn)行降壓。這樣可獲得每相用電的平衡和減少對(duì)電網(wǎng)的影響。由于是工頻交流電變換，變壓器鐵心多采用硅鋼片制作，因此變壓器的體積和質(zhì)量都很大。（3）利用中頻變壓器，應(yīng)用于第五代直流數(shù)字焊機(jī)。利用中頻變壓器對(duì)逆變開關(guān)管導(dǎo)通的高壓交變方波電流進(jìn)行降壓。由于逆變開關(guān)管導(dǎo)通獲得的高壓交變方波電流為中頻電流，由變壓器原理E=4.44n2fω知，逆變變壓器將因頻率提高可以采用少的線圈匝數(shù)和小的磁通。而變壓器鐵心需要采用鐵氧體或非晶材料制作，具有相對(duì)較小的體積和質(zhì)量。

2.3直流弧焊機(jī)調(diào)節(jié)特性的實(shí)現(xiàn)原理和方法

電弧焊接時(shí)，電弧電壓和電流由電弧靜特性與電源外特性曲線相交的穩(wěn)定工作點(diǎn)決定。對(duì)于一定的弧長相應(yīng)地要有一個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)。因此，為獲得一定范圍的焊接電流和電壓，直流焊機(jī)外特性必須可以均勻調(diào)節(jié)，以便得到一定寬度的穩(wěn)定工作區(qū)域。

焊接方法決定了焊接電流的調(diào)節(jié)方式，可通過外特性或送絲速度調(diào)節(jié)。如焊條電弧焊通過外特性調(diào)節(jié)焊接電流，而焊接電壓則是由電弧長度決定。粗絲埋弧焊的焊接電流大小也是由焊機(jī)外特性決定，同時(shí)送絲速度調(diào)節(jié)決定電弧電壓。細(xì)絲熔化極氣體保護(hù)焊的電弧長度由電弧電壓決定，可通過焊機(jī)的外特性調(diào)節(jié)確定，而焊接電流則取決于送絲速度。因此，對(duì)于不同的焊接方法，在確定電源外特性形狀后才能進(jìn)行焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[6]國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于不同形狀外特性焊機(jī)的調(diào)節(jié)特性做了如下規(guī)定：

（1）下降外特性：可調(diào)參數(shù)如圖1所示。

圖1 下降特性電源可調(diào)參數(shù)

弧焊電源的電流調(diào)節(jié)范圍是在規(guī)定負(fù)載條件（Ifmin/Ie≤0.2）下，通過調(diào)節(jié)所能獲得焊接電流范圍，通常要求Ifmax/Ie≥1.0（TIG焊要求Ifmin/Ie≤0.1），Ie為額定焊接電流。

（2）平外特性：可調(diào)參數(shù)如圖2所示。

圖2 平外特性弧焊電源的可調(diào)參數(shù)

外特性調(diào)節(jié)主要改變焊機(jī)的輸出電壓，在規(guī)定負(fù)載條件下經(jīng)調(diào)節(jié)而獲得工作電壓范圍。不同類型的直流焊機(jī)外特性調(diào)節(jié)原理不同，從現(xiàn)有直流焊機(jī)的調(diào)節(jié)特性看有以下幾種模式：

①勵(lì)磁電流和去磁線圈匝數(shù)調(diào)節(jié)。這種模式是針對(duì)弧焊發(fā)電機(jī)，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子激磁磁場改變空載電壓進(jìn)行焊接電流的細(xì)調(diào)，同時(shí)通過改變?nèi)ゴ爬@組的匝數(shù)來實(shí)現(xiàn)電流粗調(diào)。

②機(jī)械調(diào)節(jié)式。對(duì)于普通硅整流焊機(jī)，是通過活動(dòng)鐵心或線圈來改變漏磁量實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的外特性，因此，可以通過調(diào)節(jié)活動(dòng)鐵心或活動(dòng)線圈位置進(jìn)行電流細(xì)調(diào)，也可以通過改變一二次線圈匝數(shù)的接線方式實(shí)現(xiàn)電流粗調(diào)。

③電磁調(diào)節(jié)式。對(duì)于磁放大器式整流焊機(jī)，通過調(diào)節(jié)串聯(lián)回路中的磁放大器的直流控制繞組電流來改變焊機(jī)的輸出外特性曲線，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)。對(duì)于全反饋式磁放大器焊機(jī)，調(diào)節(jié)輸出電壓；對(duì)于無反饋或部分內(nèi)反饋磁放大器焊機(jī)，調(diào)節(jié)輸出電流。

④相位調(diào)節(jié)式。對(duì)于晶閘管整流焊機(jī)，以晶閘管導(dǎo)通角為控制參數(shù)進(jìn)行焊機(jī)外特性和輸出參數(shù)的調(diào)節(jié)。從焊機(jī)輸出端采集不同反饋信號(hào)控制晶閘管的觸發(fā)相位角實(shí)現(xiàn)焊機(jī)的外特性形狀調(diào)節(jié)，采集電流信號(hào)可獲得陡降的外特性，采集電壓信號(hào)可獲得平外特性，采集電流和電壓信號(hào)可獲得介于兩者間的緩降外特性。控制晶閘管的相位觸發(fā)電路是這類焊機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，包括：阻容移相、單結(jié)晶體管、晶體三極管、以小觸大晶閘管等觸發(fā)電路等。

⑤頻率調(diào)節(jié)式，即PFM（定脈寬調(diào)頻率）。以晶閘管為開關(guān)器件的逆變焊機(jī)采用PFM調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率調(diào)節(jié)焊機(jī)輸出電流，開關(guān)頻率越高，輸出參數(shù)越大。與相位調(diào)節(jié)式一樣，采用電壓反饋時(shí)，輸出平外特性進(jìn)行焊接電壓調(diào)節(jié)；采用電流負(fù)反饋時(shí)，輸出下降外特性進(jìn)行焊接電流調(diào)節(jié)；當(dāng)電流和電壓同時(shí)反饋，輸出緩降外特性進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。

⑥脈寬調(diào)節(jié)式，即PWM（定頻率調(diào)脈寬）。由于晶體管、場效應(yīng)管和IGBT管是全控管，既可以導(dǎo)通也可以自由關(guān)斷，可控性好。因此，采用PWM模式容易實(shí)現(xiàn)焊機(jī)輸出參數(shù)的調(diào)節(jié)。通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)焊機(jī)輸出參數(shù)，與相位調(diào)節(jié)式一樣，電壓反饋

時(shí)獲得水平外特性，電流反饋時(shí)獲得陡降外特性，兩種同時(shí)反饋時(shí)獲得緩降外特性。

對(duì)于混合調(diào)節(jié)式，在晶閘管逆變焊機(jī)中，電流的細(xì)調(diào)節(jié)采用PFM調(diào)節(jié)，但是電流調(diào)節(jié)的開關(guān)頻率受到主電路電抗參數(shù)的限制，范圍不夠?qū)?，降低了電流調(diào)節(jié)范圍。為了擴(kuò)大焊機(jī)的輸出，可通過改變主電路固有頻率進(jìn)行粗調(diào)，方法是進(jìn)行主電路換向電容的切換；接通并接電容后，固有頻率減小，為小檔范圍；斷開并接電容，固有頻率增加，為大檔范圍。

2.4對(duì)直流弧焊機(jī)動(dòng)特性的要求及實(shí)現(xiàn)

焊接過程中電弧是一個(gè)非穩(wěn)定負(fù)載，其長度、電壓和電流在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生劇烈變化，特別是在熔化極電弧焊的熔滴過渡到熔池過程中因熔滴脫離電極引起弧長變化造成電弧電壓、電流的瞬時(shí)變化。尤其在短路過渡中，當(dāng)熔滴短路焊絲與熔池而電弧被短路時(shí)，電弧劇烈變化造成焊接電流和電壓的劇烈升高和降低，過渡結(jié)束后，電弧需要復(fù)燃過程中，焊機(jī)輸出的電壓要求快速恢復(fù)到再引燃電壓以上。上述焊接參數(shù)的變化速度將對(duì)焊接過程中的飛濺和電弧的燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。此外，熔化極電弧焊的短路引弧過程中還存在空載—短路—負(fù)載過程特殊情況。

焊接電弧極端變化情況的存在一方面對(duì)焊機(jī)性能提出嚴(yán)峻考驗(yàn)，另一方面對(duì)焊接過程產(chǎn)生非常大的影響，如焊接飛濺、引弧沖擊性、熔滴過渡以及薄板焊接的焊縫成形等。

對(duì)于不同原理的直流焊機(jī)，主回路的電磁慣性不同，焊機(jī)的動(dòng)特性差別很大。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于直流弧焊電源動(dòng)特性參數(shù)的要求如下[4-5]：

（1）對(duì)瞬時(shí)短路電流峰值的要求主要是兩個(gè)方面——從空載到短路和從負(fù)載到短路。從空載到短路，以瞬時(shí)短路電流峰值Isd與穩(wěn)態(tài)短路電流Iwd之比衡量；從負(fù)載到短路，以瞬時(shí)短路電流峰值Isd與短路前的負(fù)載電流Ih之比衡量。

焊條電弧焊時(shí)，從引弧性能看，Isd應(yīng)大一些。但是從熔滴過渡和焊縫成形看，Isd不能太大。

（2）對(duì)0.05 s瞬時(shí)短路電流值Isd'的要求。Isd'是從短路瞬時(shí)開始經(jīng)過0.05 s后的瞬時(shí)電流值。Isd'大，表示短路電流由峰值降下來的過程慢，短路電流沖擊能量大，飛濺嚴(yán)重，動(dòng)特性差。

（3）對(duì)短路電流上升速度的要求指短路電流由最低值上升到最大值Isd與所用時(shí)間的比值，用表示。當(dāng)tgα太小時(shí)，短路電流增加較慢，熔滴不能迅速過渡到熔池中，甚至使電弧不穩(wěn)，引起斷??；tgα太大時(shí)，熔滴則與熔池接觸形成縮頸，導(dǎo)致飛濺，焊縫成形不理想。不同直徑的焊絲，其tgα不同。直徑0.5～1.2 mm的焊絲，tgα為70～180 kA/s；直徑大于2 mm的粗焊絲，tgα為10～20 kA/s。

（4）對(duì)恢復(fù)電壓最低值的要求。

焊條電弧焊接觸引弧時(shí)，當(dāng)焊條與工件短路被拉開后，出現(xiàn)短路—空載。由于回路電感的影響，電源電壓不能瞬間恢復(fù)到空載電壓U0，而是先出現(xiàn)一個(gè)尖峰值（時(shí)間極短），隨即下降到電壓最低值Umin，然后再逐漸升高到空載電壓U0，如圖3所示。這個(gè)電壓最低值Umin稱為恢復(fù)電壓最低值。如果Umin過小，即焊條與工件之間的電場強(qiáng)度過小，則不利于陰極電子發(fā)射和氣體電離，引燃電弧困難。

圖3 由穩(wěn)定短路狀態(tài)拉開時(shí)的電壓變化情況

不同的直流焊機(jī)在主回路串有功能不同的電抗器件，其電感大小差異很大，對(duì)焊機(jī)的動(dòng)特性產(chǎn)生很大影響。

（1）對(duì)于弧焊發(fā)電機(jī)，在主回路定子鐵心中串接去磁繞組使主回路產(chǎn)生感抗值。

（2）對(duì)于磁放大器式弧焊整流器，主回路中設(shè)置的磁飽和電抗器使主回路存在電磁慣性。

（3）對(duì)于晶閘管整流焊機(jī)，為保證輸出電流的連續(xù)性和減少電流脈動(dòng)，在主回路中設(shè)置濾波電抗器。此外，對(duì)于雙反星帶平衡電器的晶閘管直流焊機(jī)還設(shè)有平衡電抗器，不過該電抗器的電磁慣性影響很小。

（4）對(duì)于直流逆變焊機(jī)，為保證電流的連續(xù)性，同樣也在主回路中設(shè)置濾波電抗器。但是由于逆變變壓器頻率很高，因此濾波電抗器的感抗值非常小，相應(yīng)也降低了主回路的電磁慣性。

在（1）和（2）中，電抗器的功能是獲得適宜的外

特性；（3）和（4）是為保證電流連續(xù)性和減少脈動(dòng)電流。由于頻率的差異，（3）和（4）電抗器的阻抗值有很大差別。

3直流焊機(jī)先進(jìn)性指標(biāo)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1直流弧焊機(jī)的轉(zhuǎn)換效率

可以簡單地認(rèn)為，直流焊機(jī)在焊接過程中將電網(wǎng)傳輸過來的能量轉(zhuǎn)換為電弧焊接要求的電流和電壓，以滿足焊接特點(diǎn)要求。在這一轉(zhuǎn)換過程中，焊機(jī)的主回路和控制部件必將消耗一部分能量。不同類型的焊機(jī)轉(zhuǎn)換損耗量不同，即焊機(jī)的效率不一樣。常用直流焊機(jī)的最低轉(zhuǎn)換效率如表1所示。

表1 常用直流焊機(jī)的最低轉(zhuǎn)換效率％

（1）弧焊發(fā)電機(jī)。轉(zhuǎn)換損耗主要是發(fā)電驅(qū)動(dòng)機(jī)三相電動(dòng)機(jī)的空耗、發(fā)電機(jī)主回路及控制回路的鐵損和銅損耗，其總體效率較低，僅約為52％[6]。

（2）動(dòng)圈式弧焊整流器。損耗體現(xiàn)在變壓器的鐵損和銅損方面以及整流管的功率損耗，由于動(dòng)圈式變壓器的結(jié)構(gòu)特殊性，相應(yīng)的變壓器損耗較多，其總體效率在76.5％以上[6]。

（3）磁放大器式弧焊整流器。轉(zhuǎn)換損耗在主變壓器、磁放大器的鐵損和銅損耗以及三相橋式整流管的功率損耗。在工頻下主變壓器和磁放大器龐大的磁鐵心和線圈產(chǎn)生較大損耗。其綜合效率與電源輸出外特性有關(guān)，相對(duì)而言，下降特性效率稍低，平特性效率稍高，總體在68％～88％[4]。

（4）晶閘管整流焊機(jī)。轉(zhuǎn)換損耗是主變壓器和濾波電抗器的鐵損和銅損耗以及晶閘管在開通過程中的管壓降損耗，此外晶閘管的控制系統(tǒng)產(chǎn)生一定的損耗。主變壓器工作頻率遠(yuǎn)低于濾波電抗器的頻率，因此鐵損和銅損在兩個(gè)部件上不同，總體效率約為83％[4]。

（5）直流逆變焊機(jī)。轉(zhuǎn)換損耗是工頻整流器、中頻變壓器、高頻整流器、逆變開關(guān)管以及控制系統(tǒng)產(chǎn)生的損耗。中頻變壓器因工作頻率高、變壓器體積小，鐵心材料采用鐵氧體或非晶材料，鐵損非常小。其銅損耗因線圈匝數(shù)減少較普通變壓器大幅減少。因此，逆變焊機(jī)的損耗主要是開關(guān)器件在開關(guān)過程中產(chǎn)生。晶閘管逆變焊機(jī)在運(yùn)行中采用PFM，頻率較低，適用于早期逆變焊機(jī)，總體效率為83％～86％[4]。晶體管逆變焊機(jī)利用晶體管的開關(guān)功能，開關(guān)控制需要較大功率。此外因晶體管容量小使用時(shí)需要并聯(lián)，在并聯(lián)使用中，晶體管的負(fù)溫度效應(yīng)需要在發(fā)射極設(shè)置均流電阻降低了轉(zhuǎn)換效率，總體效率約為81％[4]。場效應(yīng)管具有開關(guān)控制功率小、通態(tài)電阻小、損耗低且頻率高的特點(diǎn)。雖然容量小，使用時(shí)也需要并聯(lián)，因具有正溫度效應(yīng)，并聯(lián)使用時(shí)無需均流電阻，降低了損耗。場效應(yīng)管的通態(tài)電阻較其他開關(guān)管高一些。因此，在頻率低于50 kHz時(shí)，相對(duì)于IGBT、GTR等管損耗更大。因此開關(guān)頻率固定為50 kHz，效率82％～85％[4]。IGBT是場效應(yīng)管與晶體管的達(dá)林頓復(fù)合管，具有控制功率小、管子容量大、通態(tài)損耗低的特點(diǎn)。在逆變時(shí)，開關(guān)管頻率固定在20 kHz，橋路同組管同時(shí)開通與關(guān)斷，產(chǎn)生開關(guān)損耗，其開關(guān)損耗小于GTR，約為1/5～1/3，大于場效應(yīng)管，其總體效率為85％～87％[4]。目前，IGBT逆變技術(shù)主要應(yīng)用于大容量焊機(jī)，為進(jìn)一步降低開關(guān)損耗，IGBT從硬開關(guān)技術(shù)向移相軟開關(guān)和雙零軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展。移相軟開關(guān)是在硬開關(guān)電路主變壓器一次側(cè)增加諧振電感的基礎(chǔ)上，通過移相調(diào)節(jié)開關(guān)管的觸發(fā)相位和導(dǎo)通脈寬，使同組開關(guān)管的開通和關(guān)斷存在一定相位。雙零軟開關(guān)電路是在逆變主電路變壓器一次側(cè)串接飽和電感和阻斷電容，同時(shí)控制同組開關(guān)管同時(shí)開通，不同時(shí)關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)零電壓開通、零電流關(guān)斷，降低開關(guān)損耗。焊機(jī)綜合效率達(dá)到89％以上[6]。

3.2網(wǎng)壓補(bǔ)償功能

在焊接過程中，保持規(guī)范參數(shù)穩(wěn)定是保證焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵。網(wǎng)壓波動(dòng)在生產(chǎn)車間是普遍現(xiàn)象，為此需要焊機(jī)在內(nèi)部有網(wǎng)壓補(bǔ)償功能。普通硅整流焊機(jī)采用功率二極管整流，在外特性形成和調(diào)節(jié)過程中無補(bǔ)償環(huán)節(jié)，焊機(jī)不具有網(wǎng)壓補(bǔ)償功能，焊機(jī)輸出參數(shù)有較大波動(dòng)。對(duì)于磁放大器式、晶閘管、晶體管、逆變焊機(jī)等，在焊機(jī)線路中都設(shè)置有網(wǎng)壓波動(dòng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，其基本原理是將網(wǎng)壓與給定的穩(wěn)定控制電壓比較后去控制外特性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如磁放大器的控制電流、晶閘管導(dǎo)通角、晶閘管的逆變頻率或開

關(guān)管的脈寬等。

3.3直流焊機(jī)的外特性控制模式

直流焊機(jī)的外特性控制根據(jù)焊機(jī)類型及其控制器件有所不同。弧焊發(fā)電機(jī)是基于調(diào)節(jié)激磁磁場強(qiáng)度或改變?nèi)ゴ糯艌鰪?qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。磁放大器式焊機(jī)是通過調(diào)節(jié)磁放大器直流控制繞組的電流改變對(duì)放大器鐵心的磁化狀態(tài)，從而使交流繞組產(chǎn)生不同的壓降來改變輸出參數(shù)。晶閘管焊機(jī)是通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)焊機(jī)輸出參數(shù)調(diào)節(jié)。晶體管焊機(jī)根據(jù)晶體管的工作狀態(tài)分模擬或開關(guān)兩種調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)輸出參數(shù)的調(diào)節(jié)。逆變焊機(jī)根據(jù)所采用的開關(guān)管的不同進(jìn)行兩種不同調(diào)節(jié)，對(duì)于半控的晶閘管采用PFM進(jìn)行電流細(xì)調(diào)，采用PWM進(jìn)行粗調(diào)。對(duì)于全控的晶體管、場效應(yīng)管以及IGBT管等都采用PWM調(diào)節(jié)。

4直流弧焊機(jī)的主要器件及其認(rèn)識(shí)

4.1直流弧焊機(jī)的主要器件

直流弧焊機(jī)是強(qiáng)、弱電結(jié)合的復(fù)雜電氣設(shè)備，其電路與控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，給初學(xué)者帶來相當(dāng)大的困難。效率高、功能齊全、使用輕巧方便、外觀漂亮等成為現(xiàn)代焊機(jī)的標(biāo)志。但是，焊機(jī)的四項(xiàng)基本要求是使用基礎(chǔ)，三項(xiàng)先進(jìn)指標(biāo)主要體現(xiàn)焊機(jī)的先進(jìn)性與市場競爭力是現(xiàn)代科技技術(shù)的具體表現(xiàn)。從認(rèn)知角度看，初學(xué)者要了解和熟悉焊機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)從最基本點(diǎn)出發(fā)。各類直流焊機(jī)的主要器件如表2所示。

表2 各類直流焊機(jī)的主要器件

4.2直流焊機(jī)主要器件的認(rèn)識(shí)方法

對(duì)于初次接觸直流焊機(jī)的學(xué)生，焊機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性體現(xiàn)在即使熟讀電路圖，也不一定能夠完全識(shí)別焊機(jī)結(jié)構(gòu)器件。因此，需要掌握一定的識(shí)別技巧。通過多年教學(xué)實(shí)踐，摸索出以下識(shí)別方法：（1）位置法。根據(jù)所找元件的功能確定在設(shè)備中的位置，如主變壓器、交流接觸器等應(yīng)在電網(wǎng)輸入端附近。（2）形狀法。根據(jù)元件外觀形狀來確定，如分流器、滑變電位器、二極管、晶閘管等。（3）銘記法。很多元器件上都標(biāo)有元件型號(hào)、規(guī)格，與電路圖相對(duì)應(yīng)即可確定。（4）線號(hào)法?？筛鶕?jù)電路圖中與元件相連接線上標(biāo)號(hào)確定。（5）推理法。在找到相同器件后，分別排除推理，要求將已知元件本身與電路圖中統(tǒng)一起來。（6）綜合法。綜合上述兩種或三種方法來確定。

5結(jié)論

（1）無論直流焊機(jī)如何發(fā)展，四項(xiàng)功能是焊機(jī)的基本要求，這四項(xiàng)功能可以通過不同技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

（2）通過借助現(xiàn)代電力電子技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的先進(jìn)理念和技術(shù)，直流焊機(jī)的功能和效能將變得越來越先進(jìn)。

（3）理解和熟知現(xiàn)代直流焊機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還需從基本結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)基本功能的原理和器件出發(fā)，認(rèn)知焊機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。

[1]張士亮，吳志生，陳曉燕.等.弧焊逆變器的電子開關(guān)器件應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢[J].電焊機(jī)，2010，40（12）：8-10.

[2]高耗能落后機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄（第一批）[EB/OL].工業(yè)和信息化部網(wǎng)站，http://www.miit.gov.cn/n11293472/ n11293877/n13138101/n13138133/13138255.html

[3]高耗能落后機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄（第二批）[EB/OL].工業(yè)和信息化部網(wǎng)站，http://www.miit.gov.cn/n11293472/ n11295091/n11299329/14559848.html

[4]王建勛，任廷春.弧焊電源[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5]鄭宜庭，黃石生.弧焊電源[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[6]黃石生.弧焊電源及其數(shù)字化控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

Electrical structure characteristics and master device recognition of DC electric arc welding machine

JIANG Yingtian，GAO Xuepeng，GUO Shujuan，HU Chuanshun
（Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China）

DC（direct current）arc welding machine is a complex electric equipment combination of strong and weak current，which circuit and the control systems are becoming increasingly complicated.This paper starts with the four basic functions of welding and three advanced technology index，and the technology development process is as the main line，the basic composition and the characteristics of the structure and components are introduced.Finally，according to the summary of many years of teaching，thoughts of understanding the electrical structure inside the DC welder and methods of electrical device identification for beginner are proposed.

DC welding machine；electrical construction；inverter power；device recognition

TG434

B

1001-2303（2016）11-0065-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.13

獻(xiàn)

蔣應(yīng)田，高學(xué)朋，郭淑娟，等.直流弧焊機(jī)電氣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與主器件認(rèn)識(shí)[J].電焊機(jī)，2016，46（11）：65-70.

2016-05-17

蔣應(yīng)田（1969—），男，甘肅榆中人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事焊接技術(shù)與工程的研究工作。