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電焊機用晶閘管模塊的選擇與應(yīng)用
一、概述
電焊機在進(jìn)行各種金屬焊接時，根據(jù)焊接工藝的不同，對焊接時電弧的電壓和電流有不同的要求，因此需要各種不同特性的交流或直流電源。例如：
- 在點、凸、峰焊、電阻焊時需要調(diào)節(jié)焊接隔離變壓器原邊的電壓大?。ㄏ嗫卣{(diào)壓或改變通過的周波數(shù)量），屬于晶閘管應(yīng)用于交流調(diào)壓
- 在各種氬弧焊、CO2氣體保護(hù)焊中需要的是直流電源或交直流方波電源
交流應(yīng)用時，反并聯(lián)的晶閘管串接在主回路中，直流調(diào)壓應(yīng)用時，晶閘管可以組成單、三相全控或半控或雙反星型電路。改變晶閘管的導(dǎo)通角或控制晶閘管的開關(guān)時間即可達(dá)到調(diào)節(jié)焊接電壓和電流的目的。
尤其是近幾年來，CO2氣體保護(hù)焊機發(fā)展比較迅速，據(jù)報道，發(fā)達(dá)國家這種焊機占到百分之六十或七十的比例，我國該焊機所占比例很低，也就百分之二十左右。
二、電焊機晶閘管模塊分類及應(yīng)用
電焊機中用的晶閘管模塊按模塊散熱底板與電極是否絕緣可分為絕緣型和非絕緣型兩種，即俗稱底板是否帶電。絕緣型的模塊多用在交流焊機中，如廣泛應(yīng)用于點焊、電阻焊機中的晶閘管模塊MTX系列；廣泛應(yīng)用于CO2氣體保護(hù)焊機、WSM普通焊機等MTG系列模塊。
各焊機應(yīng)用晶閘管模塊在下表中簡述：
| 整機種類 | 使用模塊 | 常見主回路形式 | 電路特點 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 可控硅直流氬弧焊機 | MFG | 單相全波整流 | |||
| MDG | 雙反星并聯(lián)（帶平衡電抗器） | ||||
| MTG | 雙反星并聯(lián)（帶平衡電抗器） | ||||
| MDC MDQ MDS | 單相或三相整流橋 | ||||
| MTX MTC | 電子開關(guān) | ||||
三、CO2焊機專用晶閘管MTG模塊
模塊內(nèi)部電路圖
[此處應(yīng)插入模塊內(nèi)部電路圖]
焊機專用MTG模塊特點簡介
- MTG模塊是由三只共陽極晶閘管封裝在一起的模塊化結(jié)構(gòu)組件
- 模塊內(nèi)管芯參數(shù)針對焊機特點專門設(shè)計，額定結(jié)溫高、通態(tài)壓降低、通流和過載能力強動態(tài)性能的一致性好、耐疲勞性強
- 免除螺栓式晶閘管裝機前參數(shù)挑選和配對的難題，提高工效
焊機目前正朝模塊化方向發(fā)展，而且由于裝配，調(diào)試，維修簡單；整機裝置美觀大方等優(yōu)點；能明顯地提升焊機品位，因此模塊應(yīng)用會越來越廣泛。
適用焊機典型主回路形式
適用于雙反星并聯(lián)帶平衡電抗器電路
焊機額定輸出電流對模塊的選擇
| 焊機型號 | 適用主回路 | 焊機額定輸出電流 | MTG | MTG(AA) | 替代國外模塊型號 |
|---|---|---|---|---|---|
| ZX5 WSM NBK | 雙反星并聯(lián)帶平衡電抗器 | 200A | MTG100A/800V | MTG(AA)60A/400V | 三社(SanRex) PWB60A 三菱(MITSUBISHI) TM60SZ-M; TM60SA-6 |
| 250A 315A | MTG150A/800V | MTG(AA)80A/400V | SanRex PWB90A MITSUBISHI TM100SZ-M TM90SA-6 英達(dá) PFT9003N |
||
| 350A 400A | MTG200A/800V | MTG(AA)130A/400V | SanRex PWB130A MITSUBISHI TM130SZ-M 英達(dá) PFT1303N |
||
| 500A 630A | MTG250A/800V | MTG(AA)160A/400V | MITSUBISHI TM150SZ-M 英達(dá) PFT1503N |
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| MTG300A/800V | MTG(AA)200A/400V | SanRex PWB200AA MITSUBISHI TM200SZ-M 英達(dá) PFT2003N |
注：上表中MTG型為普通壓降模塊；MTG(AA)為低電壓低導(dǎo)通壓降型模塊。
焊機用模塊電流和電壓計算
我公司MTG、MTG(AA)焊機專用模塊可以使用在很多不同型號規(guī)格的焊機中，如ZX5普通焊機；WSM直流氬弧焊機；NBK CO2氣體保護(hù)焊機。這些焊機目前都采用流行的雙反星并聯(lián)帶平衡電抗器主回路形式。
- 該線路相當(dāng)于正極性和反極性兩組三相半波整流電路并聯(lián)
- 每只晶閘管的最大導(dǎo)通角為120°，負(fù)載電流Id同時由兩個晶閘管和兩個變壓器繞組供給
- 該線路提高了變壓器利用率，變壓器磁路平衡，不存在磁化的問題
- 整流輸出電壓：Ud=1.17U2cosa。當(dāng)負(fù)載電流小于額定值(Id)2~5%時，輸出電壓與三相半波電路一樣
實例1：晶閘管耐壓的選擇(VRRM；VDRM)
已知條件：空載電壓：100V，額定輸出電流：630A；暫載率：60%
對于雙反星型并聯(lián)電路，其對晶閘管耐壓要求均為：U2。U2為變壓器副邊相電壓。
根據(jù)Ud=1.35U2cosa計算U2=100V/1.35=74V。
考慮兩倍余量：VRRM；VDRM=2 x 2.236 x 74V=331V.
因此選擇耐壓400V的晶閘管及模塊即可。
實例2：晶閘管額定電流的選擇(IT(AV))
由公式：Ie=1/2 x 0.577 x Id(適用雙反星型并聯(lián)電路,因兩極性組并聯(lián),所以公式中需乘以1/2)。
對于630A輸出電流，Id=630A
所以：Ie=1/2 x 0.577 x 630A=182A（此值為交流有效值。需折算為平均值）
計算流過的晶閘管額定電流(IT(AV))：IT=Ie/1.57=182 A/1.57=116A
考慮選型需按1.5-2.0倍留一定的余量,按2.0倍計算
IT(AV) = (1.5-2.0) IT=116A x (1.5-2.0)=174A-232A
顯然，通過以上的計算對于采用雙反星型并聯(lián)電路的ZX5-630；NBK-630；WSM-630焊機應(yīng)選擇MTG200-300A/800V或MTG(AA)130-200A/400V的模塊。最好選MTG250--300A/800V或MTG(AA)160-200A/400V的模塊。
當(dāng)然，焊機可靠長期正常工作除了與模塊正確選型有關(guān)外，與以下因素還有一定的關(guān)系：
焊機暫載率即額定負(fù)荷工作持續(xù)率(FS)
根據(jù)焊機行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)此類焊機暫載率一般為：35%；60%；100%。其定義如下：
上式中T為焊機的工作周期，它是負(fù)荷持續(xù)運行和休止時間之和。我國焊機行業(yè)規(guī)定，手工氬弧焊時T為5分鐘；自動氬弧焊時T為10分鐘；即工作6分鐘，休息4分鐘。
散熱條件
以上計算均是在假設(shè)散熱條件足夠的情況下考慮的。如果散熱條件發(fā)生變化，對模塊的選型要求可適當(dāng)增大或減小。
其它線路焊機對模塊的選型
對于使用在三相半控全橋整流線路中的模塊MTY；MDG，如下圖，對器件通流能力要求更高，同等輸出電流的情況下，該線路中的器件通過的電流是雙反星并聯(lián)線路中的兩倍；但對耐壓的要求低一倍。
實例
已知條件：Id=630A;空載電壓:100V
1. 器件耐壓(VRRM；VDRM)的計算
考慮兩倍的選擇余量后VRRM；VDRM=2 x x U2=2 x 2.236 x 43V=191V
因此選擇耐壓200V-300V的器件足夠。
2. 器件額定電流IT(AV)的計算
根據(jù)公式：Ie=0.577 x Id; 可以計算出變壓器副邊相電流:
Ie=0.577 x Id=0.577 x 630A=364A(此值為交流有效值)
折算為平均值IT(AV)= Ie/1.57=364A/1.57=232A
考慮選型需按1.5-2.0倍留一定的余量,按2.0倍計算
IT(AV) = (1.5-2) IT =232A(1.5-2)=348A-462A
顯然,目前沒有如此大電流的模塊,應(yīng)建議客戶采用400-500A的平板式可控硅為宜。
以上兩種線路對器件耐壓和通流能力的要求是不一樣的。后一種線路對器件耐壓要求比前一種線路低一倍，但通流能力要求大兩倍。
四、使用模塊產(chǎn)品注意事項
- 電力半導(dǎo)體模塊屬于溫度敏感性器件，使用時必須安裝于散熱器上。安裝前首先用酒精將模塊底板和散熱器表面擦拭干凈,待自然干燥后，在模塊底板上均勻涂上（采用滾柱來回滾動涂抹）導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱硅脂剛好能夠覆蓋整個底板和散熱器。安裝之后可從散熱器上取下模塊，檢查模塊底板整個區(qū)域是否完全沾潤。
- 手冊中額定電流[IT(AV)、IF(AV)]是在規(guī)定散熱器、強通風(fēng)冷(風(fēng)速6m/s)和額定殼溫Tc和純阻性負(fù)載下得出的。若使用條件發(fā)生變化(如感性負(fù)載)額定電流就會下降。
- 散熱器與模塊接觸面應(yīng)平整，散熱器的平面度≤ 0.03mm（12mil）,確保良好的熱傳導(dǎo)，電極與銅排連接時，必須擰緊螺絲，并按下圖方法將模塊緊固于散熱器上，緊固力矩按手冊中要求執(zhí)行。否則接觸熱阻變大，熱量向管芯傳遞。
- 采用自然風(fēng)冷散熱時，散熱器應(yīng)垂直放置，以利于熱量的循環(huán)。對模塊額定電流和散熱器長度的選擇，相對于強制風(fēng)冷情況下，模塊額定電流和散熱器長度都增加一倍為宜。
為確保使用時模塊的結(jié)溫不超過額定結(jié)溫(Tjm)，建議采用溫度保護(hù)措施。