国内弧焊设备电磁兼容性研究进展

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1  弧焊设备电磁兼容性概念  ( `( m, s2 [1 o# v) ~
    电磁兼容性EMC(Electro magnetic compatibility)是电子设备的一种特性。它的基本概念包括2方面的含义：其一为设备或系统所产生的电磁噪声不会对周围的电磁环境造成严重的污染和影响其他设备或系统的正常运行；其二为设备或系统内部的各个部件或子系统及相邻的几个系统在一定程度的电磁噪声环境中能够正常运行。电磁噪声的传播有2条途径：一是以电场或磁场的形式向空间传播，即幅射传播；二是沿设备所连接的导线在线路上进行传播，即传导传播。 
    弧焊设备的电磁兼容性要求表现在2个方面：一方面其所产生的电磁辐射和噪声谐波不对其本身的控制电路和周围邻近设备产生严重干扰；另一方面其正常工作状态(如焊接电流、送丝速度、行走速度等)不会被其自身和周围其他设备所产生的电磁噪声所破坏。 
    弧焊设备工作时必然要产生具有很强的电磁干扰的电弧，但考察这类设备的电磁兼容性问题时应只考虑设备本身，而不必考虑电弧发出的电磁干扰。 
2  弧焊设备电磁兼容性研究进展 
    国际上于20世纪20年代就开始了EMC研究。1934年，国际电工委员会(IEC)成立了国际无线电干扰特别委员会(CISPR)，负责制定无线电干扰与测量的方法和允许值的有关标准。1977年IEC又专门成立了第77技术委员会(IEC/TC77)，即电气设备(包括网络)之间的电磁兼容性技术委员会，负责研究接入电网系统设备的电磁兼容性。1994年，根据实际情况，增加了TC26《电焊》。我国的科研工作者和工程技术人员对弧焊设备的电磁兼容性问题也非常重视，进行了一系列的研究工作。  ; z* Y$ k, p/ e& m
    2.1 弧焊设备电磁干扰来源及其危害 
    电磁兼容中的核心问题是电磁干扰(EMI)。研究表明，弧焊设备的电磁干扰主要来源于以下4方面。  0 Z6 d7 ^: U8 ^* z- \
    2.1.1 弧焊电源工作时产生大量谐波电流 
    弧焊变压器的谐波含量与铁心饱和程度有关。正常情况下，所加电压为额定电压，铁心基本工作在线性范围内，谐波电流含量不大。但在过载时，铁心工作在饱和区，谐波电流含量就会大大增加。而且变压器在投入运行过程、暂态扰动、负载剧烈变化及非正常状态运行时，都会产生大量的谐波。弧焊电源中的整流电路产生谐波是因为它将正弦波整流后变成含有一系列频率不同谐波的单向脉动。大量谐波电流对电网造成极大污染，使得连在同一电网中的其他用电设备无法正常工作，而且还会通过电源线产生射频干扰。 
    2.1.2 电力电子器件通断时引起的电磁噪声 
    大功率快速功率开关管应用于弧焊逆变器，带来了一系列电磁干扰。如果大功率开关器件是硬开通—硬关断，则电流电压的波形是方波，其高次谐波分量很大。另外，还包括开关管开通和关断时所产生的尖峰电压干扰，开关管通断时产生的电压尖峰与高频变压器漏感以及其他杂散参数耦合产生的电压尖峰等。 
    2.1.3 高频引弧时所产生的高频辐射电磁噪声  * d& l2 o9 L. }! |
    在钨极氩弧焊中，为了提高引弧成功率，避免焊缝夹钨，保证焊接质量，通常采用非接触的高频高压引弧。这种引弧方式的振荡频率为250kHz，功率可达150W，其所产生的电磁干扰不仅频率高而且含有大量的谐波。这种高频电磁辐射不仅会对操作人员的健康造成损害，而且还会严重干扰周围其他设备的正常工作。其高频干扰信号还可能耦合至焊机主电路，不仅影响焊机的工作，而且还会通过线路传导至电网，引起网路干扰。  * S* |& N4 A2 E( ]# r' T' V
    2.1.4 系统振荡产生的高频干扰  5 l# U* G! H& @: z: n9 N
    在焊机电源的闭环控制系统中，由于设计不当，系统的稳度不够会引起控制系统在某一个或几个工作点产生振荡，造成电源输出波形失真以及降低变压器效率等后果。  ' }) B9 y- c% i/ W3 c9 k& s" ?
    2.2 弧焊设备电磁干扰的应对措施 
    形成电磁干扰后果有3个基本要素：干扰源、传导(耦合)途径和接收电路。为了实现电磁兼容，抑制电磁干扰，也须从3要素出发，采取适当的技术措施。 
    2.2.1 减少干扰源产生的电磁干扰 
    a. 对于高频高压引弧，有人从其引弧电路原理出发，分析了电路中电感线圈匝数、电容容量和火花放电器间隙的关系，认为在满足可靠性的情况下，可以通过增加线圈匝数并减小火花放电器间隙的方式来减小引弧时火花放电器的等效电阻损耗，充分利用能量，提高引弧回路的功率因数，从而减小高频电磁干扰。还有人采用高压脉冲引弧和接触式引弧，这2种引弧方式从根本上消除了高频干扰源。但是高压脉冲引弧依然对焊接电源有危害，特别是新型电源，尤其是逆变电源开始大量使用的今天，迫切要求解决高压击穿逆变电源的问题。 
    b. 对于弧焊整流器，分析了在负载一定的条件下，网侧输入功率因数与滤波电容C的关系，指出为了提高功率因数，适当减小滤波电容，并采用高频性能好、出线端子容量大的滤波电容。采用PWM技术和可关断电力电子器件，可以使整流器的输入电流消去低频谐波。其控制电路原理如图1所示。适当控制PWM波形，还可以使输入功率因数接近于1，因此也称其为单位功率因数整流器(UPFR)。 
    c. 根据弧焊变压器产生谐波的原理，选用适当的铁心，确保正常工作时变压器铁心不会饱和，就会避免产生大量的谐波。而对于高频变压器，除了选用合适的铁心防止产生谐波外，还要采用屏蔽等措施减小漏感，尽量消除一、二次侧间的分布电容，抑制干扰的产生。 
    d. 在弧焊逆变器中采用软开关变流技术，利用谐振切换的方法，使功率器件两端的电压或电流呈区间性正弦变化，以使功率器件的开关接近零损耗。同时谐振参数中吸收了高频变压器漏抗、电路中寄生电感和功率器件的寄生电容可以消除高频产生的电压尖峰和浪涌电流，降低器件的开关应力，从本质上克服了硬开关型弧焊电源的缺点，减少了电磁干扰。 
    e. 采用反向恢复时间短的快速二极管，在逆变电源开关管和二次整流二极管的两端分别并接RC吸收电路，抑制浪涌电压。在二次整流回路中串接带可饱和磁心的线圈。这是因为可饱和磁心线圈在通过正常电流时磁心饱和，电感量很小，不会影响电路正常工作；一旦电流要反向流过时，磁心线圈将产生很大的反电势，阻止反向电流的上升，因此将它与二极管串联就能有效地抑制二极管反向浪涌电流。  : X7 D( s! A0 i8 B7 F, a! A* O
    f. 针对电源中由于分布电容引起的电磁噪声，可以采取在功率器件和其散热器之间选用低介电常数的材料做绝缘垫，降低他们之间的耦合电容，抑制电磁噪声的产生。 
    g. 对于系统振荡所产生的高频干扰，解决的方法为适当调整滤波参数和反馈信号的取样点，如在滤波环节之前取样，既消除系统振荡，又满足输出滤波的要求。 
    2.2.2 从传导途径上加以抑制 
    a. 功率滤波  8 ?3 _* g3 V! C- Z3 S4 i0 D
    功率滤波主要是用来抑制谐波电流流入电网。弧焊变压器通常采用并联一条电容和电感串联支路，构成单调谐滤波器的方法来滤除谐波。  1 @& a- \3 S2 m1 a7 }; j8 a
    b. EMI滤波 
    逆变焊机的快速发展和大量应用，采用具有强抗电磁干扰能力的I-N-I(Impulse-Non-pulsation-Impulse)电路结构设计高频引弧器，可以达到有效抑制高频干扰的目的，N环节为控制产生高频电流的网络。通过采用设计合理的N环节，可以有效地消除引弧器对电网的高频干扰，获得无干扰脉冲的输入电流。  
    c. 其他措施 
    对TIG焊高频引弧时高频电磁噪声的幅射强度与焊接电缆和屏蔽接地之间的关系进行了研究。结果表明，为了抑制电缆中高频电磁噪声的幅射强度，可以采取以下方法：一是尽可能地减小焊接电缆和焊机输入线的长度；二是尽量使高频引弧器和焊机输入线用金属管良好屏蔽并接地。 
    2.2.3 降低接收电路受干扰水平 
    对于弧焊设备受到的电磁幅射干扰的防护，采取了如下措施：将易受干扰的接收电路置于设计良好的并接地的电磁屏蔽体内，如金属外壳；控制信号线选用屏蔽良好的双绞线，并远离焊接电缆，以及缩短信号线长度和贴近地面布设；印刷电路板采用低输入电阻，高抗干扰容限的设计并尽量远离辐射源。对于传导干扰，多采用隔离变压器、光电耦合器和滤波器进行隔离防护。  5 ]8 e0 N$ o. A
3 结 论  9 C! K$ |3 \ ]. P0 k
    尽管弧焊设备电磁兼容性的研究工作已取得了一些成果，并在实践中得到应用，但其深度和广度还很不够。研究中主要采用问题解决法，就事论事，风险大，成本高，周期长，远不能满足日益提高的电磁兼容标准。今后，弧焊设备电磁兼容性研究的方向应是采用系统法，对弧焊设备的电磁兼容性进行预测。只有如此，才能节约研究成本，缩短研究周期，满足更高的要求。