弧焊电源重点

第一章 焊接电弧及其电特性

（填空）

焊接电弧的特性：电压最低，电流最大，温度最高，发光最强

三种电离：撞击电离，热电离，光电离

四种电子发射：热发射，光电发射，重粒子撞击发射，强电场作用下的自发射

1. 弧焊电源可分为哪几类？按什么分类？

答：（1）弧焊电源及其控制技术的分类：交流弧焊电源、直流弧焊电源、脉冲弧焊电源、逆变式弧焊电源

（2）弧焊电源的控制技术分类：机械式控制、电磁式控制、数字式控制、电子式控制。 2弧焊电源的压降如何分布？

答：电弧沿其长度方向分为三个区：阳极区、阴极区、弧柱区，这三个区的电压降分别称为阳极压降Uy 、阴极压降Ui 、弧柱压降Uz 。它们组成了总的电弧电压Uf ，且Uf=Uy+Ui+Uz。阳极压降基本不变，而阴极压降在一定条件下基本上也是固定的数值，弧柱压降则在一定气体介质下与弧柱长度成正比。则，弧长不同，电弧电压也不同。

3. 弧焊电源的静特性、动特性是指什么？

答：电弧静特性：电极材料、气体介质、弧长一定的电弧在稳定状态下，电弧电压Uf 与电弧电流If 之间的关系。Uf=f(If)

电弧动特性：在一定的弧长下，当电弧电流很快变化的时候，电弧电压与电流瞬时值之间的关系为：Uf=f(if)

4. 焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊得电弧静特性是怎样的？

答：焊条电弧焊：多半工作在静特性的水平段。

埋弧焊：多半工作在静特性的水平段。

CO2气体保护焊：基本上工作在上升段。（虚线的是二氧化碳的，实线的是Ar 弧焊的）

5. 交流电弧有什么特点？为保护交流电弧连续燃烧电路参数应当怎样配合？

答：特点：a. 电弧周期性的熄灭引燃

b. 电弧电压和电流波形发生畸变

c. 热惯性作用较为明显

（2）a. 交流电弧连续引燃的条件之一： πU f 即当ωt=π时，使电弧电流if 正好过零点，if=0，从而得到： cos ϕ=2U m b. 连续引燃条件之二：

即在ωt=0时，弧焊电源电压Uy 应大于电弧引燃电压Uyh ，即：U m sin ϕ≥U yh

综上分析：

为保证交流电弧连续燃烧必须保证电路中各项参数：电源空载电压U0、电弧电压Uf 及引燃电压Uyh 之间必须保持一定的关系。

2U U 1π2yh 即： 0≥+2U U 42 f f

6. 有哪些因素影响交流电弧燃烧的稳定性？

答：1）空载电压Uo ：Uo 越高，电弧越稳定。

2）引燃电压Uyh ：Uyh 越高，引燃电弧越难，电弧越不稳定。

3）电路参数：增大L 或减小R ，均可使电弧趋向稳定的连续燃烧。

4）电弧电流：电弧电流越大，电弧的稳定性提高。

5）电源频率f ：f 提高，电弧的稳定性提高。

6）电极的热物理性能和尺寸。

第二章 焊电源的基本要求

1. 弧焊工艺对电源电气性能提出的要求是什么？

答：a. 对弧焊电源空载电压的要求

b. 对弧焊电源外特性的要求

c. 对弧焊电源调节特性的要求

d. 对弧焊电源动特性的要求

2. “电源-电弧”系统的稳定条件是什么？如何表示？

答：所谓“电源-电弧”系统的稳定性应包含两方面的含义：

1）系统在无外界因素干扰下，能在给定电弧电压和电流下维持长时间的连续

电弧放电，保持静态平衡，此时应有如下关系：Uf=Uy；If=Iy

2）当系统一旦受到瞬时的外界干扰，破坏了原来的静态平衡，造成了焊接参数的变化。但当干扰消失之后，系统能够自动地恢复稳定平衡，使得焊接规范重新恢复。

因而，“电源—电弧”系统的稳定条件是：

K w ∂U y ⎫- t ⎛∂U f L ⎪=ΔIf .e K w = ->0⎪ ∂I ∂I ⎝⎭I f

即：电弧静特性曲线在工作点上的斜率 必须大于电源外特性曲线在该工作点上的斜率 。

3. 弧焊电源得外特性是指什么？弧焊电源外特性可分为哪几种基本形式？如何定量划分？

答：弧焊电源的外特性是指，在电源内部参数一定的条件下，改变负载时，电源输出的电压稳定值Uy 与输出的电流稳定值Iy 之间的关系为Uy=f(If)

弧焊电源外特性形状的种类

a) 垂直陡降特性 b)陡降特性 c)缓降特性 d)平特性(恒压特性) e)平特性(稍上升)

(一) 下降特性

当输出电流在运行范围内增加时其输出电压随着急剧下降。

1、垂直下降(恒流) 特性 垂直下降特性也叫恒流特性。

2、缓降特性。

3．恒流带外拖特性 工作部分的恒流段，输出电流基本上不随输出电压变化，但在输出电压下降至低于一定值(外拖拐点) 之后，外特性转折为缓降的外拖段，而且外拖拐点和外拖斜率往往可以调节。

(二) 平特性

1) 一般随着电流增大，电弧电压接近于恒定不变(又称恒压特性) 或稍有下降，电压下降率应小于7V ／100A 。

2）随着电流的增大，电压稍有增高，电压上升率应小于7V ／100A 。

(三) 双阶梯形特性

这种特性的电源用于脉冲电弧焊。维弧阶段工作于L 形特性上，而脉冲阶段工作于反L 形特性上。由这两种外特性切换而成双阶梯形特性，或称框形特性。

？4. 焊条电弧焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊、埋弧焊、CO2焊各用什么形状的弧焊电源外特性？

答：焊条电弧焊：可用下降特性中的缓降特性或恒流带外拖性的电源。

钨极氩弧焊：可用垂直下降（恒流）特性的电源。

等离子弧焊：可用下降特性中的垂直下降（恒流）特性的电源。

埋弧焊：可用下降特性中的缓降特性或平特性中的恒压特性电源。

CO2焊：可用下降特性中的缓降特性的电源。

5. 弧焊电源为什么要具备调节性能？如何调节？弧焊电源的负载持续率和额定电流得含义是什么？

答：（1）弧焊电压和电流是由电弧静特性与弧焊电源外特性曲线相交的一个稳定工作点决定的。同时，对应于一定的弧长，只有一个稳定工作点。因此，为了获得一定范围所需的焊接电流和电压，弧焊电源的外特性必须可以均匀调节，以便与电弧静特性在许多点相交，从而得到一系列的稳定工作点。

（2）

（3）负载持续率FS ：表示负荷状态，即长时间连续通电还是间歇通电。

FS=负载持续运行时间t ／（负载持续运行时间t+休止时间）×100%=t／T ×100% 式中：T 为弧焊电源的工作周期，它是负载持续运行时间t 与休止时间之和。

额定电流Ie ：在规定的境条件下，按额定负载持续率FS 规定的负载状态工作，即在符合标准规定的温升限度下所允许的输出电流值。

6. 弧焊电源的动特性是指什么？

答：所谓弧焊电源动特性，是指弧焊负载状态发生突然变化时，弧焊电源输出电压与电流的响应过程，可以用弧焊电源的输出电流和电压对时间的关系来表示，即：Uf=f(t),if=f(t)，它说明弧焊电源对负载瞬变的适应能力。

第三章 弧焊变压器

（判断题）弧焊变压器是一类特殊的降压变压器

1. 弧焊变压器如何保证电弧连续？弧焊变压器有何特点？

答：（1）适当提高弧焊变压器的空载电压，使焊接电路有一定电感，采用稳弧装置。

（2）特点：a. 为了稳弧要有一定的空载电压和交大的电感

b. 主要用于焊条电弧焊、埋弧焊和钨极氩弧焊，应具有下降的外特性

c. 为了调节弧焊电流、电压，外特性应可调。

2. 弧焊变压器得空载电压、外特性及调节特性是如何获得？

答：（1）空载电压：在一次绕组上施加电压U1，产生了空载电流I0和磁通Ф1。Ф1中的一部分经铁心闭合的为空载主磁通Ф0，另一部分经空气闭合的为空载漏磁通ФL0，Ф0分别与W1、W2(一次、二次绕组) 耦合，各产生感应电动势E10、E20，在二次输出端输出空载电压U0。

电磁关系为：

（2）外特性：

电磁关系为：

经推导得二次回路负载为具有感抗的电抗器和电弧时，弧焊变压器的外特性方程式为： Uf=U0－jI2(X1´+X2+XK)－I2(R1´+R2+RK) (1)

令X1´+ X2=XL--------变压器总漏抗，而只R1、R2、RK 值较小可以忽略，且I2=If(If

为负载电流或电弧电流) 则有：Uf=U0－jIf(XL +XK) (2)

令XL +XK＝XZ ，于是Uf=U0－jIf XZ (3)

1) 式(1)、(2)或式(3)是弧焊变压器的电压平衡方程式，也是弧焊变压器的外特性方程式。

？3. 弧焊变压器主要分为哪几类？它们都有哪些特点？

答：(一) 串联电抗器式

由正常漏磁(漏磁很少，可忽略) 的变压器串联电抗器构成，按结构不同又分为：

1．分体式 变压器和电抗器是独立的个体。

2．同体式 变压器与电抗器铁心组成一体，二者之间非但有电的串联，还有磁的联系。

(二) 增强漏磁式

在这类变压器中人为地增大了自身的漏抗，而无需再串联电抗器。按增强和调节漏抗的方法不同又可分为：

1．动铁心式 在一、二次绕组间设置可动的磁分路，以增强和调节漏磁。

2．动绕组式 通过增大一、二次绕组之间距离来增强漏磁，改变绕组之间距离以资调节。

3．抽头式 也是将一、二次绕组分开来增加漏磁，通过绕组抽头改变绕组匝数来调节漏抗。

第四章 直流弧焊发电机与硅弧焊整流器

1. 简述硅弧焊整流器得分类、各自得结构特点及其用途。

答：硅弧焊整流器的分类

（1）有电抗器的硅弧焊整流器

a. 无反馈磁放大器式 b.外反馈磁放大器式

c. 全部内反馈磁放大器式 d.部分内反馈磁放大器式

（2）无电抗器的硅弧焊整流器

a. 主变压器为正常漏磁的

主要用于CO2气体保护焊及其它熔化极气体保护焊，按调节空载电压的方法不同，又分为抽头式、辅助变压器式和调压器式；

b. 主变压器为增强漏磁的

按增强漏磁的方法不同，可分为动线圈式、动铁心式和抽头式。

双铁心式磁放大器

结构特点：

（a ）WA 和WC 各自串联，（b ）WC 为串联，WA 为并联连接；连接的原则是使两个WC 串联时，使它们的交流感应电动势相互抵消。

全部内反馈磁放大器（自饱和电抗器）式弧焊整流器

特点:WA绕组中的电流是方向不变的半波脉动电流，联接的原则是使ΦA 与ΦC 的方向一致。 ΦA 由输出电流If 流过WA 所产生，其作用是加强ΦC ，于是交流工作绕组WA 就兼起电流正反馈绕组的作用。

因为Nfk 就是WA 本身，Ifk 也就是If ，因而Kf ＝l ，故称之为全反馈磁放大器。又由于采用内反馈，所以还可称为自饱和电抗器。

2. 简述抽头式硅弧焊整流器得工作原理、特点和用途。

答：由主变器T 、整流器UR 和输出电抗器Lk 组成。主变压器是正常漏磁的一般三相降压变压器，所以漏磁很小，可以获得接近水平的外特性。一次绕组设有若干抽头，以便改变一次绕组匝数进行调节电压。

抽头式弧焊整流器通过换接一次或二次绕组的匝数而改变弧焊整流器的输出电压。由于一次绕组导线较细，设置抽头比较容易，故常采用一次绕组抽头调节输出电压。有时为了扩大输出电压调节范围，也配合以二次绕组抽头，作为粗调。这种配合调节方式为有级调节。

特点：

1）结构简单，节省材料，易于制造，使用可靠；

2）具有平的外特性，空载电压较低，有时难以引弧；

3）调节电压是有级的，且不宜在负载的情况下调节，不能遥调；

4）对电网电压波动的影响不能采取补偿措施。

应用于细丝二氧化碳气体保护焊

3. 硅弧焊整流器中磁放大器得作用是什么？

答：磁放大器哎硅弧焊整流器中是作为控制和调节元件，通过它控制外特性形状、调节外特性，从而调节电弧电流或电弧电压。

4. 简述部分内反馈磁放大器获得不同形状得外特性得原理，如何实现调节特性？能否把它改装成无反馈和全反馈式磁放大器？为什么？

答：（1）

图4-43 内桥式磁放大器磁状态图

在磁化曲线上，IcNc 决定起始工作点，而加磁电流的变化量（If-In ），去磁电流的变化量为In ，电流的变化幅度显然介于无反馈和全反馈之间。如Ic 较小时，起始工作点在非饱和区，负载电流增加时，磁通变化和电压降较大，获得下降特性。这样，由于加磁电流的增加幅度在无反馈和全反馈之间，外特性和无反馈式相似。如Ic 较大时，起始工作点在过渡区（接近饱和区），负载电流较小时，磁通的变化较为显著，获得下降的外特性；随着负载电流的增加，右边工作点进入了饱和区，左边工作点仍在过渡区，获得较为平

缓的外特性；负载电流很大时，左边工作点进入非饱和区，获得较陡的外特性。如图

图4-44内桥磁放大器式弧焊整流器外特性

（2）部分内反馈磁放大器式硅弧焊整流器因为有负半周电流的去磁作用，与无反馈式磁放大器类似，可以获得下降外特性，改变电阻阻值，可改变外特性下降的陡度。

与全反馈和无反馈式相比，它更具有灵活性。改变内桥电阻阻值，可改变外特性下降的陡度。当Rn=∞，即将内桥断开，则变成全反馈式磁放大器，外特性接近于平的。当Rn=0，即内桥为一根导线，则变成了交流绕组并联的无反馈式磁放大器，可获得陡降外特性（但是，交流绕组并联的无反馈式磁放大器存在短路环流，电磁惯性较大，动特性不如串联时好）。

第五章 晶闸管弧焊整流器

1. 晶闸管开通和关断的条件是什么？

答：晶闸管正常导通的条件：

1）晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压，UAK>0

2）晶闸管门极和阴极之间必须施加适当的正向脉冲电压和电流， UGK>0

晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。

晶闸管的关断条件：

只需将流过晶闸管的电流减小到其维持电流以下，可采用：阳极电压反向；减小阳极电压，增大回路阻抗

2. 晶闸管弧焊电源的组成和特点是什么？

答：组成：主电路由三相主变压器T 、晶闸管组V 和输出直流电感L 组成。二极管组VD 合限流电阻R 构成维弧电路。控制电路由给定电路G 、检测电路M 、比较电路和触发电路组成。

特点：a. 控制性能好b. 动特性好c. 调节性能好d. 节能、省财

3. 晶闸管式弧焊整流器主电路形式、工作原理及其特点是什么？

答：电路形式：有三种：三相桥式半控电路、三相桥式全控电路、带平衡电抗器双反星形电路

（1）三相桥式半控电路：工作原理：

电路特点：

1）线路比较简单、可靠、经济和较易调试；

2）调至低电压或小电流时波形脉动较明显，需配备大电感量

（2）三相桥式全控电路

工作原理：

电路特点：

1、每周有6个波峰，脉动较小，配用的输出电感量也较小；

2、6只晶闸管，6套触发电路，电路复杂，调试和维修困难。

（3）带平衡电抗器双反星形电路

工作原理：

电路特点：

1) 它相当于两组三相半波整流电路并联。

2) 有六个晶闸管，触发电路比三相桥式半控整流电路的要复杂，但比三相桥式全控整流电路的简单。

3) 整流电压波形为每个周波六个波峰，其脉动程度比三相桥式半控电路的小。

4) 需用平衡电抗器，且为保证电路能正常工作，其铁心不宜饱和。

3. 移相触发电路由哪几部分电路组成？按器件可以分成哪几类？

答：组成：同步电路、脉冲形成电路、脉冲移相和放大电路等

分类：单结晶体管触发电路，晶体管触发电路，数字式触发电路和集成触发电路等几种。

4. 移相触发器触发信号传输方式有哪几种？

答：电磁耦合、光电耦合、直接传输

5. 试述晶闸管弧焊电源外特性、调节特性的控制原理。

答：

第六章 弧焊逆变器

？1. 什么叫弧焊逆变器？按功率开关器件不同可分为哪几类？各有什么结构特点和优缺点？

答：（1）弧焊逆变器：直流（DC ）－交流（AC ）之间的变换称为逆变，实现这种变换的装置就称为逆变器，为焊接电弧提供电能，并具有弧焊工艺所要求电气性能的逆变器，被称为弧焊逆变器

（2）分类：按不同的大功率开关器件分类：

1）晶闸管（SCR ）式弧焊逆变器。

2）晶体管（GTR ）式弧焊逆变器。

3）场效应管（MOSFET ）式弧焊逆变器。

4）IGBT 式弧焊逆变器。

5）其它：随着新功率开关器件的出现，还可分为IGHT 式、GTO 式、SITH 式、MCT 式、MGT 式弧焊逆变器等等。

（3）晶闸管式弧焊逆变器特点：

1）．采用大功率品闸管作为开关元件 2．）具有一般弧焊逆变器共同的特点

晶体管式弧焊逆变器特点

1）．逆变器的工作频率较高 工作频率达16kHz 以上（一般为20kHz ），因而既无噪声的影响，又有利于进一步减轻重量和减小体积。

2）．采用“定频率调脉宽”（PWM ）的方式 无级调节焊接规范参数，不必分档粗调，操作方便。3．）控制性能比较好

场效应管式弧焊逆变器特点：

2. 综述逆变主电路的基本原理，与其他类型的弧焊电源比较它有什么特点？为什么有这些特点？说明它们的应用范围？

答：(1)基本原理：

特点：a. 高效节能 b. 重量轻、体积小c. 电气性能优良d. 具有良好的弧焊工艺性能

（3）几乎可取代现有的一切弧焊电源，用于焊条电弧焊和TIG 焊、MAG ／C02/MIG/药芯焊丝焊、等离子弧焊与切割、埋弧自动焊、机器人焊接等各种弧焊方法，焊接各种金属材料及其合金，特别是用在工作空间小、高空作业、需较多移动焊机、用电紧缺等等场合。

3. 弧焊逆变器有哪几种调制方式？那些比较常用？综述PWM 技术在弧焊逆变器的作用。

答：（1）a. 定脉宽调频率(PFM) 脉冲电压宽度不变，通过改变逆变器的开关频率来形成外特性曲线形状、调节特性（调节工艺参数大小）和输出脉冲波形。

b. 定频率调脉宽(PWM) 脉冲电压频率不变，通过改变逆变器开关脉冲的脉宽比(占空比) 来形成外特性曲线形状、调节特性（调节工艺参数大小）和输出脉冲波形。

c. 混合调节 定脉宽调频率和定频率调脉宽两种体制结合起来调节。

（2） 常用PWM 调节方式的有：晶体管式弧焊逆变器、场效应管式弧焊逆变器、IGBT 式弧焊逆变器

常用PFM 调节方式的有：晶闸管式弧焊逆变器

（3）作用：

4.IGBT 式弧焊逆变器有哪些逆变主电路基本形式？各有什么优缺点？

答：（1）单端正激式：电路结构简单，无开关器件的“直通”问题和变压器的偏磁问题。缺点是磁心利用率不高，输出功率不高，适合中小功率。

（2）半桥式：功率开关器件少，驱动简单，成本低。变压器利用率比单端式输出高，易输出较大功率，而相对于全桥方式而言，电路结构简单，调试相对容易，具有很强的抗不平衡能力，适合输出中等功率的场合。

（3）全桥式：功率管数量较多，电路结构复杂，设计要求高，但易于形成多种组合，在大功率输出得到广泛应用。

第七章 弧焊电源的数字化控制

1. 弧焊电源控制方法的分类及特点。

答：1）机械式控制 它是通过机械移动铁心或绕组的位置，或换接抽头来改变漏抗和控制漏抗，从而控制弧焊电源的外特性。其动特性取决于弧焊电源自身的结构及其电气参数。结构简单结实、工作可靠。其规范参数有级调节，但无功损耗大、控制性能差，不能做到精细的控制，只能用在对焊接质量要求不太高的场合。

2）电磁式控制 靠改变主回路中饱和电抗器的磁饱和程度来控制弧焊电源的外特性，其外、动特性也主要取决于弧焊电源本身的结构。工作可靠性高，但磁惯性大、调节速度慢、不灵活，体积和重量都很大，效率低。

3）电子式控制 无论是弧焊电源的外特性还是动特性，都完全采用电子电路进行控制，包括电流、电压波形的任意控制，而与自身的结构没有决定性关系。控制精度高，可控性好；参数调节范围宽，可调参数多；动特性好，动态响应速度快；高效、节能省材。

4）数字式控制 在电子式控制弧焊电源的基础上，以单片微处理器、DSP 、ARM 嵌入式芯片为核心实现弧焊电源的部分或全数字化控制。控制精度高，系统灵活，可在一台电源实现多种焊接工艺。

2. 弧焊工艺对控制系统的要求是什么？

答：四项基本要求：1）适当高的空载电压；2）适合不同焊接工艺的外特性形状；

3）足够宽的调节范围；4）能使熔滴过渡平稳和减少飞溅的动态响应。

除要求完成上述的四个基本要求的“宏观”控制任务外，还要求对其静、动态特性，输出的焊接电流、电压波形，引弧、收弧，脉冲波形，多焊接参数的优化匹配等等，进行任意的“微观”控制与变换，还包括工艺时序控制，以便实现高性能、高速度、高质量和对多种贵重材料的自动、半自动焊接，以及具有多功能、柔性的特点。