（材料加工工程专业论文）逆变tig焊机引弧噪声的研究.pdf

摘要 摘要 随着电力电子技术的发展，已有越来越多的电力电子产品应用于工业、民 用及军事领域，产生了大量的电磁兼容性问题，电磁兼容设计己成为工程设计 的一项重要内容。逆变t i g 焊机由于其工作的特殊性，电磁兼容性问题十分严 重，进行深入研究很有必要。 引弧电路产生的电磁噪声是逆变t i g 焊机最主要的电磁干扰源，危害严重。 本文首先建立了高频引弧电路和引弧电路的仿真模型，并进行了仿真，揭示了 其电磁噪声的规律；将高频引弧电路模型与逆变t i g 焊机模型相结合，通过仿 真，发现了引弧高频噪声对t i g 焊机传导干扰影响的规律；最后介绍了高频引 弧辐射电磁噪声的测定及其抑制。 仿真及实验结果表明，引弧高频及引弧高压脉冲中含有大量高幅值谐波。 对焊机电路而言，高频的幅值越高频率越低，所产生的传导干扰也就越大，因 此在满足使用的条件下，通过采取降低高频的强度和频率，合理调节电路自身 的参数、结构及采取如屏蔽、接地、隔离等方法来有效地减轻电磁干扰。 以上研究成果为抑制引弧噪声奠定了理论基础。 关键词：逆变t i g 弧焊机；高频引弧；高压脉冲引弧；电磁兼容性；电磁噪声 电磁干扰；仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r ep o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e s a p p l i e s a t i n d u s t r y ，f o r c i v i lu s ea n d m i l i t a r yd o m a i n ， e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) a n de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) q u e s t i o ns u f f e r e dt h eu n i v e r s a lc o n c e r n t h ee m cd e s i g nh a s b e c o m eav i t a lp r o c e s s o fa n yn o w a d a y sp r o j e c ta n da c c o r d i n g l ye m cw i l lb en e e d e di nt h ed e i g no f w e l d i n ge q u i p m e n t s o w i n gt o i t sp a r t i c u l a r i t yt h a ti n v e r tt i ga r cw e l d e rw o r k ， t h e r e f o r ei t se m c a l s ol o o k sm o r e p r o t r u d i n g , a n d t h er e s e a r c ht h a tn e e dt ob eg o n e d e e p i n t o i ti st h em a j o rr e a s o nt og i v er i s et ot h ee l e c t r o m a g n e t i cn o i s e ( e m n ) t h a tt h e i g n i t i n ga r cw h e n i n v e r tt i ga f cw e l d e ri sw o r k i n g t h e r e f o r et i f f st h e s i sf i r s t l yb u i l d s t h em o d e lo f h i g hf r e q u e n c yi g n i t i n ga r cc i r c u i ta n dh i g hv o l t a g ep u l s e s t a r ta r cc i r c u i t ， a n dt h e na n a l y s e st h eh i 萄f e q u e n e ya n dh i g hv o l t a g ep u l s ea n du n d e r s t o o dh i s s p e c i a l i t yo f i n t e r f e r e t h i st h e s i sa l s ob u i l d st h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i ta n d a n a l y s e st h ec o n c r e t e c k c u m s t a n c e st ot h e mo fc o n d u c t i o ni n t e r f e r e n c eo fh i g h f r e q u e n c y , a n dl o o k sf o ro u t t h ei n t e r f e r e n c el a w t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h em e a s u r e a n d r e s t r a i n o f r a d i a t i o n o f t h e h i g h f r e q u e n c y e 姐 s i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e s ，h i g hf r e q u e n c ya n dh i g hv o l t a g e p u l s ec o n t a i n sal a r g en m n b e ro f h i g hi n t e n s i t yh a r m o n i c w a v e t h em o r ek t t e n s ea n d h i g h e ri s 岫；1 1f r e q u e n c y , m o r e s e r i o u si si n t e r f e r e s ou n d e rt h ec o n d i t i o no f s a t i s f i e d u s e ，e m ic a l lb ea l l e v i a t e dt h r o u g hr e d u c i n gi n t e n s i t ya n dt h ef r e q u e n c yo fh i g h f r c q u e n c y ，r e a s o n a b l ya d j u s t s t h ep a r a m e t e ro f c i r c u i ts e l f a n ds t r u c t u r ea n dt a k es o m e m e a s u r es u c ha ss c r e e n , g r o u n dc o n n e c t i o na n di s o l a t i o ne t em e t h o d s k e y w o r d ：i n v e r tt i oa r cw e l d e r ；h i g hf r e q u e n c ys t a r ta r c ；h i g hv o l t a g ep u l s es t a r t a r c ；e m c ；e m i ；e m n ；s i m u l a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨姿态鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：刁3 j 炙? 冬、签字日期：2 牛年二月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：叉户罅己查 签字日期：枷争年工月彳目 导师签名： 签字日期：西”侔月“日 第一章绪论 第一章绪论 电磁兼容技术是二十世纪早期随着电子技术的发展和应用而相伴随产生和 发展起来的一项新技术。由于电磁干扰在一切电气和电子设备的运转过程中都 会出现，因此这个问题被提出后不久，国际无线电干扰特别委员会( c i s p r ) 和 国际电工委员会( i e c ) 就分别成立了相关的研究机构对其进行研究并制定了相 关的电磁兼容标准【“。近二十年来，随着数字计算技术、微处理器、通讯技术 和电力电子装置在商业、工业、民用、军事部门的日益广泛应用，电磁兼容技 术受到了前所未有的广泛关注，得到了极大的发展，已成为当今工业产品设计 中一项不可或缺的重要参数。 目前世界各国都制定了各自的电磁兼容认证制度。如欧共体规定从1 9 9 6 年1 月1l a 起执行欧洲联盟8 9 3 3 6 e e c 电磁兼容指令，即凡进入欧共体市场 的所有电器、电子产品都必须满足其指令规定的e m c 要求，并贴有包括e m c 指 令在内的c e 标志，否则将采取惩罚措施【2 】。我国近年来也开始着手这项工作。 从1 9 9 6 年开始，国家质量技术监督局标准化司和认证司召开了一系列会议讨论 电磁兼容认证的设想。2 0 0 0 年2 月，“中国电磁兼容认证委员会成立”，并发布 了电磁兼容认证管理办法。2 0 0 3 年8 月，国家开始实施“c c c ”认证管理制 度，对部分家用和工业产品实行“c c c ”强制认证，认证中很重要的一个内容就 是对部分产品实行电磁兼容性认证例。 对于焊接设备世界各国尚未颁布专用标准，只能采用相近的其它产品标准。 但随着电磁兼容标准的不断完善，焊接设备的电磁兼容性的考核及认证标准正 在陆续制定当中。 1 1 电磁兼容的基本理论 电磁兼容( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，e m c ) ，按直译应为“电磁兼 容性”。国家标准g b t 4 3 6 5 1 9 9 5 制定工作组经过认真讨论达到如下共识： e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 一词，对于一门学科、一个领域、一个工业 第一章绪论 技术范围来讲应译为“电磁兼容”，以便反映整整一个领域，而不仅仅是一项技 术特性；而对于设备、分系统或系统的性能参数来说，则应译为“电磁兼容性” h j 。因此就本文所研究的逆变式t i g 焊机来说，所要讨论的是其电磁兼容性。 1 1 1 电磁兼容性的概念 电磁兼容性( e m c ) 包括两方面的含义1 ，5 1 ： ( 1 ) 电子设备或系统内部的各个部件和子系统、一个系统内部的各台设各 乃至相邻各个系统，在它们自己所产生的电磁环境及在它们所处的周边电磁环 境中，能按原设计要求正常运行。即它们对电磁干扰具有一定的抗扰度。 ( 2 ) 该设备或系统自己产生的电磁噪声( e l e c t r o m a g n e t i cn o i s e ，e m n ) 必须限制在一定的电平，使由它所造成的电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，e m i ) 不致对它周围的电磁环境造成严重的污染和影响其它设备 或系统的正常运行。 电磁噪声的传播有两条途径，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【1 ，6 1 。 1 1 2 电磁兼容研究的内容 电磁兼容研究的内容包括电磁干扰特性及其传播耦合理论，电磁危害及电 磁频谱利用和管理、电磁耦合的工程分析和电磁兼容控制技术、电磁兼容设计 理论和设计方法、电磁兼容性测量和试验技术、电磁兼容性标准、规范与工程 管理、电磁兼容预测和分析以及信息设备电磁泄漏及防护技术【 。 对具体设备而言，其电磁兼容性的研究是从电磁噪声的产生、传播耦合与 接收三方面着手进行，进而对它的电磁兼容性进行预测和设计。目前焊接设备 的电磁兼容性研究仍处于对其特征和行为进行研究阶段。研究集中在三个方面： 干扰源、耦合途径和接收设备或电路嘲。 电磁干扰源按其功能可分为两大类【1 】：有意干扰和无意干扰；按其来源可 分为两大类：自然干扰源和人为干扰源；按其干扰频域、时域特征可分为：连 续干扰和瞬态干扰i 又可按其耦合途径分为：传导干扰和辐射干扰。将焊接设 备作为干扰源进行考查，按其功能应居于无意人为干扰。 第一章绪论 人为干扰涉及的范围十分广泛，大致可分为五大类：元器件的固有噪声、 电化学过程噪声、放电噪声、电磁感应噪声及非线性开关过程噪声。这些种类 的噪声在焊接设备中都会出现，其中最严重的为放电噪声，弧光放电、高频电 火花放电都属于这一类。它们大部分直接表现为辐射噪声，但仍有一部分也表 现为电网侧电流中出现高频分量或脉冲电流电压，通过电源供电系统对接在系 统中的各种电子设备造成干扰。此外，由于半导体器件开关过程和变流电路而 引起的电磁噪声，如功率半导体器件开关过程造成的电磁噪声、整流电路造成 的谐波干扰和电磁噪声、采用p w n 技术而造成的电磁噪声、高频开关电源所造 成的电磁噪声等。它们可在交流电网和负载上产生直接传导的电磁噪声( 差模 和共模两种噪声传导形式) ；同时还会有由于内部高频开关所产生的高次谐波的 作用而产生的辐射噪声。高频开关电源产生传导和辐射噪声如图卜1 所示。 辐射噪声 图1 - 1 高频开关电源产生传导和辐射嗓声 由于干扰源把噪声能量耦合到被干扰对象有传导和辐射两种方式，因此耦 合途径也分为传导耦合和辐射耦合两大类。传导耦合是指电磁噪声的能量在电 路中以电压或电流的形式，通过金属导线或其它元件( 电容器、电感器、变压 器等) 耦合至被干扰设备( 电路) 。辐射耦合是指电磁噪声的能量以电磁场能量 的形式，通过空间辐射传播，耦合到被干扰设备( 电路) 。根据电磁噪声的频率、 电磁干扰源与被干扰设备( 电路) 的距离，辐射耦合可分为远场耦合和近场耦 合两种情况。电磁噪声传播途径如图1 2 所示。 为防止各种接收设备受到干扰则是采用各种干扰抑制技术，将干扰源与被 干扰电路之间的耦合减弱到能接受的程度。常用的方法为屏蔽、接地和采用各 种滤波设备。 第一章绪论 公共电源阻抗耦合 图1 - 2 电磁噪声佶擗途径示意图 焊接设备的电磁兼容性要求表现在如下两个方面。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 围其它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电磁干扰的电弧，因此，考察这类设 备的电磁兼容性问题应只考虑设备本身，而不考虑电弧自身发出的电磁干扰。 1 2 电磁干扰的危害 随着越来越多家用和工业产品的应用，它们所产生的电磁干扰成为又一新的 公害，是继大气、水和噪声污染之后的第四大污染。产生电磁干扰的电磁噪声 不仅会对各种电子设备造成影响，对人体健康也会造成危害。 对电子设备来说，空间和线路上的电磁噪声通过各种耦合途径干扰其正常 工作，从而产生不可预料的损失。历史上，因电磁干扰导致的各种误操作而产 生的各种军事和民用事故层出不穷，尤其在军事上，它所导致的飞机、导弹等 出现意外会造成巨大的人员和财产损失。1 9 9 2 年1 月一家很大的法国保险公司 的一座大楼里新建了一个大型的计算机系统，该系统通电不久，主电路断路器 即跳闸，切断了整个系统的电源。工程技术人员花费了很多时间和金钱，终于 发现了它的断电原因，是该系统中使用的开关电源生产了高次谐波，使零线电 流达到相电流的6 5 所致。又如，1 9 9 1 年意大利阿尔卑斯山新建了一条双线缆 车道，设计了两台可控硅相控2 m w 的直流电动机调整装置，由附近的一个功率 4 第一章绪论 容量不大的2 0 k v 电网供电。可是在试验时发现，该系统运行时造成了谐波干扰， 该电网的电压畸变高达1 8 ，使装置无法正常运行。此外，电磁干扰对医疗设 备、精密仪器、无线电通信等的影响也不容忽视。 对人来说，电磁幅射中的高频、中短波和微波均会带来伤害。它们会影响 人的脑、神经系统、皮肤、皮下组织、肌肉、眼睛等器官和组织，使人产生失 眠、健忘、神经质和疲乏、心血管疾病、白内障等症状，严重影响人的身体健 康。因此，如何防止和减少电磁幅射给人体带来的伤害也是今后科学研究的一 个重要领域。 1 3 电磁兼容考核标准 1 3 1 国内外e m c 标准发展概况 国际上研究和制定e m c 标准的有两个技术组织。一个是国际无线电干扰特 别委员会( c i s p r ) ，下设a g 等7 个分技术委员会，主要研究和制订9 k h z 以 上的电磁发射和抗扰度标准。c i s p r 目前已经颁布、出版或即将出版2 8 个e m c 标准，涉及科学、医疗射频设备、高压设备、机动车船、无线接收设备、电动工 具及信息技术设备等方面。另一个是i e c 所属的技术委员会( t c ) ，根据各自归 属产品的贸易发展需要，制定e m c 标准，其中最有影响的是i e c t c 7 7 电磁兼 容技术委员会：下设a 、b 、c 三个分技术委员会，从事研究和制定低频电磁发 射和抗扰度标准。它己出版标准或技术报告4 7 份，颁布标准2 1 项，这些标准涉 及e m c 的基本原理、分类、限制、试验与测量技术、安装方法及通过标准。而 且通过与c i s p r 和i s o ( 国际标准化组织) 进行协调，它正在逐步向标准化领 域发展例。 欧洲的e m c 标准代号为e n ，由欧洲标准化委员会负责制定。它将绝大部 分c i s p r 标准和i e c t c 7 7 的e m c 标准转化为e n 标准，并根据欧洲共同体需 要，制定了一些自成体系的标准唧。 美国的电磁兼容技术处于世界领先水平，它主要采用美国电气与电子工程师 学会i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 和美国国家标准协会 a n s i ( a m e d c a nn a t i o n a ls t a n d a r di n s t i t u t e ) 所编制的有关标准。另外除了上述 第一章绪论 两个标准以外，还有美国联邦通信委员会( f c c ) 颁布的民用产品的e m c 标准和 一套十分完整的军用标准m i l s t d 等。 世界上其它国家，基本上都在i e c 、c i s p r 国际标准或欧洲、美国标准的基 础上，直接采用或等效引用，制订了各自的国家标准。 我国的e m c 研究和标准化工作始于6 0 年代，到目前为止，我国共颁布了7 4 项e m c 国家标准，其中强制标准3 0 项，推荐性标准4 4 项。从采用国际和国外发 达地区标准的情况来看，等同或等效采用c i s p r 标准1 6 项，等同或等效采用 i e c t c 标准1 4 项，非等效采用i e c 其它技术委员会和国外发达地区标准制定的 国家标准9 项，国内自己制定的有3 5 项。并且根据国内工作需要，先后成立了 与i e c c i s p r a g 分会相对应的分技术委员会和专门的s 分会等8 个分会。 1 3 2 焊接设备e m c 考核标准 到目前为止，汽车、摩托车、电动工具、日用电器、工业、科学和医疗设备 已分别按g b l 4 0 2 3 - - 2 0 0 0 、g b 4 3 4 3 - - 1 9 9 5 、g b 4 8 2 4 - - 1 9 9 6 对产品进行考核和认 证( 定) 工作，收到了很好的效果1 2 j 。 “g b 4 8 2 4 - - 1 9 9 6 工业、科学和医疗( i s m ) 射频设备电磁骚扰特性的测 量方法和限值( ：i e cc i s p r l l ) ”，覆盖面非常广，几乎包括所有的工业、科学 和医疗设备，其中也包括焊接设备。电磁骚扰比较严重的有：电火花加工设备、 工业微波加热设备、工业感应加热设各、开关电源、管予焊接设备、塑料焊接设 备、阻焊设备、射频激励的弧焊设备、家用微波炉、食品加工设备、介质加热设 备等。 g b 4 8 2 4 提如了从9 k h l s k h z 频段内的电磁骚扰浸8 量方法和限值并对抽 样方法做了规定。该标准将工、科、医设备分为1 组和2 组、并按是否用于家庭 和住宅区而分为a 、b 两类。焊接设备应归为2 组、a 类。其电磁骚扰限值也应 按2 组、a 类考核。笼统地说g b 4 8 2 4 - - 2 0 0 0 适用于焊接设备确有不妥之处：因 为该标准只在附录里列出了点焊机、射频弧焊机( 注：应理解为存在射频的弧焊 机) 、管子缝焊机等部分焊接设备。此步 ，射频弧焊机电磁骚扰限值也末给出， 属于“正在考虑中”之列。鉴于上述情况，c i s p r l l 修订草案已增加了“适用于 弧焊设备”的有关内容，并单独给出考核弧焊设备的电磁骚扰限值和测试时应使 用的约定负载的规定。 6 笫一章绪论 i e c t c 2 6 也正在制订弧焊设备的e m c 标凇，现己公布了标准草案 i e c 9 7 4 1 0 弧焊设器第1 0 部分：逛磁兼签性( e m c ) 要求。该标准适惩予瓣殍帮 类似工艺设备，并包括焊接电源、送丝机、引弧和稳弧装置。频率范围为o 一 4 0 0 g h z 。 1 4 遂变式程弹设备薛睡滋兼褰性 嚣麓c 游簸 逆变式弧浮设备的电磁干抗主要来源予以下凿方面鞠： a 高频引弧时所产生的高频辐射电磁噪声。在t i g 焊机中，为了提离引 弧戚功率，避免弹缝夹钨，傈证弹接质重，通常浆用菲接触的高频高压弓| 弧。 这瓣引弧方式的振荡频率必1 5 0 2 6 0 k h z ，电压般为几千伏，功率可达1 5 0 w ， 其所产生的电磁干扰不仅频率高而且含有率富的谐波 9 | l o t 。这种高频电磁辐射不 仅会怼操馋人员鲍健康造成按害，露星还会严重予拢周围其宅设冬熬正絮工作。 其商频干扰信号还可能耦含至焊机难电路，不仅影响焊机的工作，而且还会通 蓬线路簧簧至整颡，零l 起瓣精于撬。这是递交式 r i g 浮撬窀磁蓑骞瞧瘊要礤究 和解决的一个特殊问题。 b 递交器工佟时，电_ 力亳子嚣俘遥龋辩弓| 趋静电磁穰声。丈沩率快速璃率 开关管应用于弧焊逆变器，带来7 一系列媳磁干扰。其中镪抠开关管开通鞍关 断时所产生的尖峰电压干扰，开芙管遥断泔产生的电压尖蜂与高频变压器漏感 及其它杂散参数藕会产生鲍电压尖峰等，这是逆变瓤g 焊机的又一童要干扰源， 且遵变频率越高，干扰越严重【1 1 ，1 2 1 。 e 薮磐交压嚣穆整滚嚣俘工终鞋产生大量谐渡毫滚f 1 3 2 1 。弧簿炎垂器豹港波 含量与铁芯饱和程度有关。正常情况下，所加电压为额定电压，铁芯基本工作 在线性蔻圈癌，谐滚奄滚含餐不大。健在滚载露，铁芯王佟在落鞠逸， 鹜波电 流禽量就会大大增加。而服变压器在投入运行过程、暂态扰动、负载剧烈变化 及j # 正常状态运幸亍时，都会产生大鼍的谐波。器件整流产生谐波怒因为，它将 正g 薮波整流后变成禽有一系列频率不同谐波的单向脉动电流。丈爨谐波电流对 电网造成极大污染，使得造在同一电网中的其它用电设备无法正常工作，而且 还会逮过魄源线产生射叛予挽。 d 系统振荡产生的高频干扰【堋。在弧焊逆燮电源的闭环控制系统中，由 7 第一章绪论 于反馈信号与调制信号问有若干移相环节，如输出滤波环节、校正环节、检测 环节、控制算法环节等，这些产生相位差，从而使调制方向不能与输出控制量 的变化方向完全吻合，使控制系统在某一个或几个工作点产生振荡。这样的系 统振荡会引起中频变压器产生噪声以及触发开关管的控制信号状态不稳定，导 致功率开关管失控，电源输出波形失真以及降低中频变压器效率等后果。 1 5 选题意义和研究内容 1 5 1 选题意义 t i g 焊由于具有焊接质量高、可焊薄板及多种金属等优点得到广泛的应用， 而逆变式的t i g 焊机具有更广阔的应用前景。但随着电磁兼容问题受到越来越 多的关注，因其存在引弧电路，比一般逆变弧焊机的电磁兼容性问题更突出， 已面临的形势十分严峻，已关系到产品的生存与发展【l s l 。而且传统的 r i g 焊机 电磁兼容性问题的解决方法为问题解决法，即只解决出现的问题，效果有限， 只能治标不能治本。本文拟通过对其引弧电路产生的电磁干扰进行分析以便发 现相关规律，实现产品的e m c 预测，指导t i g 焊机的e m c 设计。 t i g 焊机电磁兼容性问题突出，主要是由于引弧电路产生的高频高压电磁 噪声不仅会对与自身的焊机主电路及控制电路产生干扰，影响焊机正常工作； 还通过电磁辐射影响周围设备的正常工作和人的身体健康。逆变t i g 焊机的干 扰比传统的t i g 焊机更大，所以造成的危害也更大。因此研究t i g 焊机，特别 是逆变t i g 焊机的电磁兼容性具有重要的理论意义及工程实用价值。 1 5 2 课题的研究内容 以逆变t i g 焊机为对象，研究以下几方面内容。 1 研究逆变t i g 焊机电磁干扰的特点； 2 建立引弧电路模型，以此为基础分析引弧噪声的特点； 3 研究引弧商频噪声对逆变t i g 焊机电磁干扰的影响规律； 4 研究引弧高频所辐射电磁噪声的耦合规律并提出解决办法。 第二章逆变t i g 焊机e m c 特点 第二章逆变t i g 焊机e m c 的特点 2 1 弧焊逆变t i g 焊机结构 本文采用北京美达应用技术研究所的z x 7 1 6 0 逆变直流t i g 焊机作为分析 机型，它采用m o s f e t 为逆变开关器件，主要性能指标如下： 空载电压：8 0 v 电流调节范围：2 0 a ，2 l v 1 6 0 2 7 v 额定负载持续率：6 0 额定输入容量：5 k v a 电源：3 3 8 0 v5 0 h z 该逆变t i g 焊机由逆变电源、控制电路及引弧电路组成，如图2 - l 所示。工 作时，首先启动主电路，输出空载电压。开始焊接时，引弧电路开始工作，输出 引弧电压，迫使焊枪电极与工件之间产生电弧。电弧引燃后切断引弧电路，开始 正常焊接。 电网 埋殳电张 i 乱入 翻 阿司周陬司e l 输出。一| 3 相 h遗璧、1 墼堕r | 兰兰i i 1 | 3 8 0 d c 5 0 h ；a c d c 控制电路崩盍 ： 盈一囡1 整流滤波逆变器整流滤波 图2 - 1 逆变t i g 焊机结构框图 与其它逆变弧焊设备不同之处在于它多了一套引弧电路，这也是由其工艺特 点所决定的。引弧电路包括非接触引弧与接触引弧两种，本文介绍非接触引弧。 目前常用的非接触引弧方式主要有两种。用的最多的是高频高压引弧，这种 9 第二章逆变t i g 焊机e m c 特点 引弧方式是在主电路输出端串联或并联个高频高压引弧装置，使之在焊接引弧 时产生一系列高频高压脉冲来引燃电弧。另外一种为高压脉冲引弧，它是在钨电 极与工件间并联或串联一套高压脉冲发生装置，利用高压脉冲来引燃电弧。 2 2 逆变t i g 焊机的e m c 问题 对于逆变t i g 焊机来说，其所存在的e m c 问题主要有四种，它们是( 1 ) 由引 弧产生的高频噪声；( 2 ) 开关管通断引起的噪声；( 3 ) 变压器产生的谐波电流；( 4 ) 系统振荡所产生的高频噪声等所造成的电磁干扰。 在t i g 焊机中，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或是高压脉冲引弧，这两种引孤方式都会产生很强 的电磁噪声，尤其是前者。根据文献 1 5 】的研究，由电阻箱取代焊接电弧时，在 存在引弧高频的情况下，逆变t i g 焊机工作时所产生的传导和辐射噪声值均高 于不存在引弧高频情况时两倍，因此可以看出，逆变t i g 焊机工作时产生的高 频电磁噪声是其电磁噪声的主要来源。 高频高压引弧所产生的高频的振荡频率为通常为1 5 0 2 6 0 k h z ，功率可达 1 5 0 w ，其所产生的电磁干扰不仅频率高而且含有丰富的谐波。这种高频电磁噪 声不但会通过与之相连的导线窜入焊接电源，严重干扰焊机的正常工作甚至造成 元器件的损坏，而且还会沿供电线路进入电网，造成谐波污染。除此以外，这种 高频噪声还将通过辐射，严重于扰周围其它设备的正常工作，并对操作人员的健 康造成损害。这是t i g 焊机电磁兼容性所要研究和解决的一个突出问题，也是 本文的研究重点。其它三种电磁噪声产生的原因，文献【1 6 】已作了较为系统的研 究，在此不作为本文的研究重点。 2 3 研究方法 由于逆变t i g 焊机工作时所产生的高频引弧信号幅值高，常达几千伏，因 此很难用仪器直接测得，而且高频具有很强的辐射电磁干扰，尽管可以采取屏蔽 或接地等一些措施来减轻辐射干扰，但由于暴露在外的导线或是屏蔽的不完善， 仍有可能在线路的传导干扰中掺杂大量的辐射干扰，造成试验结果不准确甚至出 第二章逆变t i g 焊机e m c 特点 现错误。因此，本文采用仿真的方法进行传导干扰的研究。 仿真软件采用c a d e n c e 公司出品的o r c a d p s p i c e 9 2 ，这是一款通用电路 仿真软件。它的前身s p i c e ( s i m u l a t i o n p r o g r a m w i t h e n t e g r a t e d c i r c u i t e m p h a s i s ) 是由美国加州大学伯克利分校于1 9 7 2 年开发的电路仿真程序。随后，版本不断 更新，功能不断增强和完善。1 9 8 8 年s p i c e 被定为美国国家工业标准。p s p i c e 是基于p c 机的s p i c e 的软件【1 7 1 。 o r c a d p s p i c e 内建了约2 万个常见的带参数的电子元件模型，在构建电 路进行仿真设计时可以直接从库中调用。而且随着半导体技术的发展和新元件的 不断问世，当出于个性化设计需要及内建元件库内没有合适的元件时，还可以通 过修改原有元件或创建新的元件等方法来建立符合要求的新元件。 在计算方面，p s p i c e 是将电路中备器件的数学模型组成一个综合的非线性 状态方程，求解时将梯形法g e a r 与积分法相结合，以适应病态系统的特点， 并截断误差控制时间步长，既可较快得到稳定解，又可保证解的精度。 本文采用p s p i c e 进行系统仿真主要是出于以下原因： 1 p s p i c e 仿真功能强，可以实现模拟式电路及数字模拟混合式电路的仿 真； 2 采用软件仿真，可以精确获得现实仪器所无法测量的高强度和高幅值的 参数，而且可以实现难以设计的电路； 3 采用软件仿真，通过调整系统参数可以排除次要矛盾，突出主要矛盾， 更易于发现规律。 第三章逆变t i g 焊引弧电路电磁噪声( e m n ) 分析 第三章逆变t i g 焊引弧电路电磁噪声o g m n ) 分析 由于在t i g 焊焊接过程中钨电极是非熔化的，为了防止污染，保证焊接质 量，有必要在焊接的全过程都保持钨极不与焊接母材发生接触，因此不能采用 接触引弧方式，必须采用非接触引弧方式。t i g 焊机常采用高频引弧和脉冲引 弧。 3 1 高频引弧电路电磁噪声分析 引弧电路是逆交t i g 焊机与普通弧焊逆变机的主要区别，也是逆变t i g 焊 机的主要干扰源之一。为了研究t i g 焊机的电磁兼容性，必须首先对引弧电路 产生的电磁噪声进行研究。 3 1 1 高频引弧电路工作原理 高频引弧是指引弧过程中，在电极与工件间所加的高频高压脉冲信号，通 过这个信号来击穿电极与工件之间的气隙使电弧引燃。这是t i g 焊最常用和最 可靠的引弧方式。 高频引弧电路结构如图3 1 所示为。它实际上是一个高频发生器。引弧高 频是由其中的火花放电式高频振荡器产生，将工频低压的交流电变换成高频高 压的交流电m 也l 。它与焊接电源并联或串联使用。高频引弧电路主要由高漏抗 升压变压器五、输出耦合变压器疋、高压电容c 。和火花放电器p 所组成。其 中电容c 。与正的初级绕组k 组成l c 振荡电路。互是将2 2 0 v 或3 8 0 y 的输入 电压升高为2 5 0 0 3 0 0 0 v 。五通 电后，当火花放电器p 未被击穿 时，升压交压器五向电容。充 电，当p 两端电压达到火花放电 器的击穿电压时，p 被击穿( p 1 2 c k c 图3 - 1 高颏引弧电路 第三章逆变t i g 焊引弧电路电磁噪声( e m n ) 分析 是由一对或几对保持一定空气间隙的钨极构成，击穿电压大小与其钨极间距大 小有关) ，电容c 。与。进入振幅衰减的高频振荡放电的过程。随着振荡的衰减， l c 振荡回路中的电流和升压变压器z 输出的短路电流不足以维持火花放电，则 火花放电器p 停止放电，重新进入断路状态，写再次向电容c 。充电，当p 两端 的电压达到火花放电器的击穿电压时而被重新击穿，振荡过程又重新开始，如 此循环往复口3 1 。通过变压器疋的二次端，输出高频高压引弧脉冲。 3 1 2 高频引弧电路的数学分析 3 1 2 1 高频引弧电路的等效电路 图3 - 1 中高频引弧电路可由图3 2 所示的振荡等效电路表7 示 2 4 1 。图中c 为 图3 - 1 中的c 。，三为输出耦合变压器疋初级绕组的电感o ，r 为振荡放电回 路的等效电阻，它包括线圈本身的电阻、火花放电器p 被击穿后两端的等效 电阻、放电回路的导线电阻、接触电阻和输出耦合变压器e 的等效电阻。该等 效电路为充电电容c 通过胄、工放电的一种典型电路。 圈3 - 2 高频引弧振荡等效电路 3 1 2 2 电路工作过程分析 由图3 - 2 所示的电路可以得到以下微分方程式 上c孥+rcduc十ucdtd t o 、 z ( 3 - 1 ) 其中：u c 为电容c 两端电压。微分方程( 3 1 ) 具有如式( 3 _ 2 ) 所示的特征方程式 c ；+ r c p + 1 = 0 ( 3 2 ) 第三章逆变t i g 焊引弧电路电磁噪声( e m n ) 分析 图3 - 2 电路中电流、电压的暂态分量的特性决定于特征方程( 3 - 2 ) 的根e 、最 的形式，解式( 3 2 ) 可得 n ：= 一主悃 ( 3 - 3 ) 当r 2 z 7 石时，p ；，p 2 是两个不相等的负实数，暂态分量由两项衰减的指数 构成，是非振荡的；r = 2 z 7 石时，p ，p 2 是两个相等的负实数，暂态分量具 有式0 。+ 彳：r 所示的形式，也是非振荡的；当r 2 驴时，p 。，p 2 是一 对共轭复数，则p 。，p ：两根可表示为 p l ，2 = - 6 ，( 3 - 4 ) 式中b = r 2 l ，为衰减系数：。= = 筹，为回路的固有振荡角 频率；t o 为回路的固有振荡周期。 则暂态分量具有如下式所示的形式 u c = a e 曲s i n + )( 3 - 5 ) 式中：爿为幅值，b 为衰减系数，钆为振荡角频率：妒为相位。 由式( 3 5 ) 可见此时暂态分量为一衰减的正弦波，是振荡的。在此条件下， 电容c 是振荡放电。 因此，对于图3 2 所示的电路，为产生高频振荡放电，应满足r 2 叫c 的 条件。为此，置的值应当小，但钨极与工件之间的放电空间的电阻等效到输出 祸合变压器兀一次回路的阻值是晨不可忽略的重要组成部分，它的大小由工艺 过程决定，不能随意改变。而震的其它组成部分在设计时是可以设法减小的， 如采用较大截面的导线，改善联结情况减小接触电阻等。 综上所述，在电容器c 振荡放电条件下，微分方程( 3 - 1 ) 的暂态分量的形式 如式( 3 5 ) 所示。由，= c ( d u 。西) 可以得到 i = c a e “【_ 6 s h 白o ，+ ) + 。c o s ( o d 。，+ 妒) 】 ( 3 - 6 ) 1 4 第三章逆变t i g 焊引弧电路电磁噪声( e m n ) 分析 式中国。= 6 = r 2 l ；= a 哪警。 在电容c 放电的初始时刻，电容c 上的电压记为u 。，电路中电流为0 ，将 它们代入式( 3 5 ) 、【3 6 ) ，可求得a 和庐。再经过整理，可以求得u