高频引弧器及其对逆变直流氨弧焊机干扰性能的研究

高频引弧器及其对逆变直流氨弧焊机干扰性能的研究

分析了传统高频高压引弧电路对直流氨弧焊机产生干扰的原理，为了

减少干扰，又提出了一种新的高频引弧装置——高压脉冲引弧电路。

实验表明，新的高频引弧电路具有干扰小、易起弧等特点，大大提

高了焊机工作的可靠性。

在弧焊电源中有两种起弧方式：一种是接触起弧，一种是非接触

起弧。前者的起弧电流比后者大得多，起弧时对焊机的干扰较小。

但在某些场合，只能要求用非接触起弧。如坦克上的反射透镜，火

箭发动机等的焊接，由于工件很薄，通常厚度为0.1〜0.5mm,若让

鸨极与工件接触，会引起薄工件的烧伤，鸨极烧损以及焊缝夹铛等

缺陷。

非接触起弧又分为高频高压起弧和高压脉冲起弧两种方式，传统

的引弧装置为高频高压引弧，利用工频变压器将电网电压升压来获

得高压，起弧时干扰特别大，经常损坏逆变功率器件或控制板上的

CMOS电路，使系统工作极不稳定。

在高频引弧电路的设计中，既要考虑使焊机容易起弧，又要尽量

减少对焊机的干扰，这样整个系统才能稳定地工作。为此，本文提

出一种新型引弧电路，可以很方便地控制高频强度，减少对焊机的

干扰，同时又能使焊机很轻松地起弧，大大提高了焊机工作的可靠性。

1高频引弧器对逆变直流氨弧焊机产生干扰的原理分析

高频高压引弧电路和本文提出的一种高压脉冲引弧电路的原理

图分别为图1和图2所示。逆变直流氤弧焊机是高频开关焊接电源,

从开关电源原理可知：在开关变压器的初、次级是一周期方波，例

如，以快速可控硅为逆变功率器件，采用PFM调制，开关频率可达

4-5Hz,以MOS场效应管或IGBT为逆变功率器件，采用PWM调制,

开关频可达20-50kHz,根据周期信号的傅立叶级数理论，此方波包

含了频率分量nW,这就决定了它含有大量高频谐波，如果不对这

些谐波加以抑制，它们就会以传导的方式进入电网或以辐射的形式发

射出去，形成干扰。另外，由于开关管的感性负载，相当于电感与

开关管串联，在开关管快速开关时，电感上产生很高的尖峰电压，

这种尖峰电压不仅对开关管起破坏作用，也可形成大量谐波，同样

会形成传导干扰和辐射干扰。由于开关电源初、次级及匝间存在大量

分布电容，系统中器件与机壳之间，以及导线间也存在寄生电容，

此电容在开关状态突然充放电，也是一种干扰源。由此可见，高频

开关电源本身就存在着干扰。

从图1可知，高频高压引弧电路直接采用电网电压升压，并经耦

合而达到引弧的目的，这种电路会对焊机造成很大的干扰。由于直接

从网压升压、耦合来使焊机起弧，一方面由于能量比较强，焊机很

容易起弧，另一方面，起弧时，又会将高压经变压器Bl、B2耦合回

送给电网，使380V的电网电压瞬时可达到420V以上，这样会造成

两种后果，其一是加在逆变功率元件上的直流高压会急剧上升，可

能超过功率元件的耐压而损坏功率元件，使逆变失败，其二是控制

电路的工作电压瞬时上升，破坏CMOS集成电路，导致系统工作不

稳定。另外，这种电路起弧时有很多高频成分，可能形成辐射干扰。

当然，传导干扰和辐射干扰相比较，传导干扰要强得多。因此，在

抑制干扰时主要考虑传导干扰。下面都是针对传导干扰进行讨论的。

对上述干扰，可以在高频变压器次级加LC滤波器，但效果并不显

著。

图1高频高压引弧电路

从图2知，高频变压器B1的初级电压并不直接来自网压，而是

将电源变压器的一组次级电压经整流、开关管变换再作为B1的输

入，这样就起了隔离作用，起弧时，高压就不会直接耦合到电网，

对功率元件和控制板上的CMOS集成电路的干扰就很小。当然，由

于高频变压器B1的初级电压不直接来自网压，起弧能量要弱得多,

这可以通过调整火花塞的气隙来提高起弧电压，达到起弧目的。

2两种高频引弧电路的原理

图1是传统的高频高压引弧电路，图2是新型高压脉冲引弧电路。

两者原理相似，都是利用高压击穿火花气隙，使之产生LC振荡，

然后将高频振荡电压经耦合，升压加到电极与工件之间，达到引弧的

目的。

图2中的输入电压为交流40伏，来自控制变压器的一组次级，

控制变压器的初级为交流38（）伏。输入电压经全桥整流，滤波后,

C1上的电压约为56伏，为直流电压。

KI

图2高压脉冲引弧电路

B1为升压变压器，C2为振荡电容，HF为火花塞，B2为耦合变

压器，T1（即BUY71）为大功率晶体管GTR。

当某一频率的方波信号（本文的频率为50千赫）作为驱动信号加

到T1的基极和射极时，T1的开关作用将56伏的直流电压逆变为2

000多伏的交流方波电压。这个电压向C2充电，当C2上电压超过

火花塞的击穿电压时，火花塞放电，使C2和B2的初级构成LC振荡

回路，产生的高频振荡经B2耦合升压可达到七千多伏，加到工件

与鸽极间达到引弧的目的。

图3是大功率晶体管T1的驱动电路，加上15伏电源电压，15

伏电压经R7,D3,C5形成充电回路，对C5充电，充电时间tc=

R7.C5,此时NE555的3脚为高电平。当充电到一定程度，NE555

的2、6脚为高电平时，其3脚变成低电平，C5经R6放电，放电时

间td=R6.C5,当C5放电到NE555的2、6脚为低电平时,NE555

的3脚再次变高，如此循环，形成振荡，再经T2、T3的放大，最后

输出脉冲信号。

图3大功率晶体管BUY71Q1）的驱动电路

3引弧试验

本文同时作了传统的高频高压引弧电路和新型高压脉冲引弧电

路的引弧实验，实验时将高频引弧器的输出和焊机的输出相串联，

发现传统的高频引弧器由于其引弧高压来自38（）伏的网压经耦合升

压而得，能量很大，起弧很容易。但是高频高压对焊机的主电路和控

制电路干扰极大，通过示波器观察，发现起弧瞬间，工频变压器的

输入由于高频耦合，由380伏升至420伏，甚至更高，加到CMOS

电路上的电源电压也由15伏升至17伏以上，导致功率元件和控制板

上的集成电路受破坏。用新型高频引弧器引弧，能量较前者弱得多，

起弧也较前者困难，但是只要保持工件鹤极距离不太远（约3毫米）,

鸨极磨尖，还是可轻松地起弧，成功率在95%以上。通过示波器观

察，高频起弧时对主电路和控制电路的干扰极小，因此焊机工作非常

稳定，大大降低了故障率。