弧焊逆變電源的諧波分析

　　1.1諧波產生原因
　　自第一台300A晶閘管弧焊逆變電源以來，弧焊逆變電源有了很大發展，經曆了晶閘管逆變，大功率晶體管逆變，場效應逆變以及IGBT逆變，其容量和性能大大提高，目前弧焊逆變電源已成為工業發達國家焊接設備的主流產品[1]。弧焊逆變電源作為一種典型的電力電子裝置，雖然具有體積小、質量輕、控制性能好等優點，但其電路中存在整流和逆變等環節，導致電流波形畸變，產生大量的高次諧波。高次電壓和電流諧波之間存在嚴重相移氬焊機，導致焊機的功率因數很低。諧波產生的原因主要有以下兩方面因素:
　　(1)逆變電源內部幹擾源逆變電源是一個強電和弱電組合的系統。在焊接過程中，焊接電流可達到幾百甚至上千安培。因電流會產生較大的電磁場，特別在逆變主電路采用高逆變頻率的焊接電源系統中，整流管整氬焊機流，高頻變壓器漏磁，控制系統振蕩，高頻引弧，功率管開關等均會產生較強的諧波幹擾。
　　其次，鎢極氬弧焊機如果采用高頻引弧時，由於焊機利用頻率達幾十萬赫茲，電壓高達數千伏的高頻高壓擊穿空氣間隙形成電弧，因此高頻引弧也是一個很強的諧波幹擾源。對於計算機控制的智能化弧焊逆變電源來說，由於采用的計算機控制系統運行速度越來越高，因此控制板本身也成了一個諧波幹擾源，對控制板的布線也提出了較高的要求。
　　(2)逆變電源外部幹擾源電網上氬焊機的汙染對電源系統來說是較為嚴重的幹擾，由於加到電網上的負載千變萬化，這些負載或多或少對電網產生諧波幹擾，如大功率設備的使用使電網電壓波形產生畸變，偶然因素造成瞬時停電，高頻設備的開啟造成電網電壓波形具有高頻脈沖、尖峰脈沖成分。
　　另外在焊接車間內，由於不同焊接電源在使用時接地線可能相互連接，因此如不采取相應的措施，高頻成分的諧波信號很容易竄入控制系統，使電源不能正常工作，甚至損壞。
　　1.2諧波的特點及危害
　　弧焊逆變電源以其高效率電能轉換著稱，隨著功率控制器件向實用化和大容量化方向發展，弧焊逆變電源也將跨入高頻化、大容量的時代。弧氬焊機焊逆變電源對電網來說，本質上是一個大的整流電源，由於電力電子器件在換流過程中產生前後沿很陡的脈沖，從而引發了嚴重的諧波幹擾。逆變電源的輸入電流是一種尖角波，使電網中含有大量高次諧波。高次電壓和電流諧波之間存在嚴重相移，導致焊機的功率因數很低。低頻畸變問題是當前電力電子設備的一個共性問題，目前在通信行業氬焊機、家電行業都已引起相當的重視。另外，目前逆變焊機多采用硬開關方式，在功率元件的開關過程中不可避免地對空間產生諧波幹擾。這些幹擾經近場和遠場耦合形成傳導幹擾，嚴重汙染周圍電磁環境和電源環境，這不僅會使逆變電路自身的可靠性降低，而且會使電網及臨近設備運行質量受到嚴重影響。

逆變焊機的工作過程和原理

　　1、逆變電焊機原理

　　逆變與整流是兩個相反的概念，整流是把交流電變換為直流電的過程，而逆變則是把直流電改變為交流電的過程，采用逆變技術的弧焊電源稱為逆變焊機。逆變過氬焊機程需要大功率電子開關器件，采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關器件的的逆變焊機成為IGBT逆變焊機。

　　2、逆變焊機的工作過程

　　將三相或單相工頻交流電整流，經濾波後得到一個較平滑的直流電，由IGBT組成的逆變電路將該直流電變為幾十KHZ的交流電，經氬焊機主變壓器降壓後，再經整流濾波獲得平穩的直流輸出焊接電流。

　　由於逆變工作頻率很高，所以主變壓器的鐵心截面積和線圈匝數大大減少，因此，逆變焊機可以在很大程度上節省金屬材料，減少外形尺寸及重量，大大減少電能損耗，更重要的是，逆變焊機稱重測長能夠在微氬焊機秒級的時間內對輸出電流進行調整，所以就能實現焊接過程所要求的理想控制過程，獲得滿意的焊接效果。

　　雖然電路是閉合的，可正是因為電路是閉合的才使得在整個閉合電路和電流處處相等；但各處的電阻可是不一樣的，特別是在不固定接觸處的電阻最大，這個電阻在物理中叫接觸電阻。根據電流的熱效應定律(也叫焦爾氬焊機定律)，Q=I方Rt可知，電流相等，則電阻越大的部位發熱越高，電焊在焊接時焊條的觸頭也被接的金屬體的接觸處的接觸電阻最大，則在這個部位產生的電熱自然也就最多，焊條又是熔點較低的合金，自然的容易熔化了，熔化後的合金焊條芯沾合在被焊物體上後經過冷卻，就把焊接對象粘合在一塊了。

　　由於逆變焊機是一典型的開關電源(輸出特性又有很大特點)，輸出功率大，工作環境變化大，所以要求元器件質量要好，這樣才能保證工作的穩定型，壽命長。

電焊機優點與缺點有哪些？

    電焊機是利用正負兩極在瞬間短路時產生的高溫電弧來熔化電焊條上的焊料和被焊材料，來達到使它們結合的目的。結構十分簡單，就是一個大功率的變壓器，電焊機一般按輸出電源種類可分為兩種，一種是交流電源的;一種是直流電的。是利用電感的原理做成的，電感量在接通和斷開時會產生巨大的氬焊機電壓變化，利用正負兩極在瞬間短路時產生的高壓電弧來熔化電焊條上的焊料，來達到使它們結合的目的。

    電焊機(electric welding machine)實際上就是具有下降外特性的變壓器，將220V和380V交流電變為低壓的直流電，電焊機一般按輸出電源種類可分為兩種，一種是交流電源的;一種是直流電的。直流的電焊氬焊機機可以說也是一個大功率的整流器，分正負兩極，交流電輸入時，經變壓器變壓後，再由整流器整流，然後輸出具有下降外特性的電源，輸出端在接通和斷開時會產生巨大的電壓變化，兩極在瞬間短路時引燃電弧，利用產生的電弧來熔化電焊條和焊材，冷卻後來達到使它們結合的目的。焊接變壓器有自身的特點，外特性就是在焊條引燃後電壓急劇下降的特性。

　　一，電焊機優點：電焊機使用電能源，將電能瞬間轉換為熱能，電很普遍，電焊機適合在幹燥的環境下工作，不氬焊機需要太多要求，因體積小巧，操作簡單，使用方便，速度較快，焊接後焊縫結實等優點廣泛用於各個領域，特別對要求強度很高的制件特實用，可以瞬間將同種金屬材料(也可將異種金屬連接，只是焊接方法不同)永久性的連接，焊縫經熱處理後，與母材同等強度，密封很好，這給儲存氣體和液體容器的制造解決了密封和強度的問題。

 　　二，電焊機缺點：電焊機在使用的過程中焊機的周圍會產生一定的磁場，電弧燃燒時會向周圍產生輻射，弧光中有紅外線，紫外線等光種氬焊機，還有金屬蒸汽和煙塵等有害物質，所以操作時必須要做足夠的防護措施。焊接不適合於高碳鋼的焊接，由於焊接焊縫金屬結晶和偏析及氧化等過程，對於高碳鋼來說焊接性能不良，焊後容易開裂，產生熱裂紋和冷裂紋。低碳鋼有良好的焊接性能，但過程中也要操作得當，除鏽清潔方面較為煩瑣，有時焊縫會出現夾渣裂紋氣孔咬邊等缺陷，但操作得當會降低缺陷的產生。

交流電焊機的安全操作規程

　　(1) 焊接操作及配合人員必須按規定穿戴勞動防護用品。並必須采取防止觸電、高空墜落、瓦斯中毒火災等事故的安全措施。

　　(2) 現場使用的電焊機，應設有防雨、防潮、防曬的機棚，並應裝設相應的消防器材。

　　(3) 焊接現場10m范圍內，不得堆放油類、木材、氧氣瓶、乙炔發氬焊機生器等易燃、易爆物品。

　　(4) 使用前，應檢查並確認初、次級線接線正確，輸入電壓符合電焊機銘牌規定，接通電源後，嚴禁接觸初級線路帶電部分。初、氬焊機次級接線處必須裝有防護罩。

　　(5) 次級抽頭聯接銅板應壓緊，接線柱應有墊圈。合閘前，應詳細檢查接線螺帽、螺栓及其他部件並確認完好齊全、無松動或損壞。接線柱處均有保護罩。

　　(6) 多台電焊機集中使用時，應分別接在三相電源網絡上，使三相負載平衡。多台焊機的接地裝置，應分別由接地極處引接，不得串聯。

　　(7) 移動電焊機時，應切斷電源，不得用拖拉電纜的方法移動焊機。當焊接中突然停電時，應立即切斷電源。氬焊機

　　(8) 嚴禁在運行中的壓力管道、裝有易燃易爆物的容器和受力構件上進行焊接。

　　(9) 焊接銅、鋁、鋅、錫、鉛等有色金屬時，必須在通風良好的地方進行，焊接人員應戴防毒面具或呼吸濾清器。

　　(10) 在容器內施焊時，必須采取以下的措施：容器上必氬焊機須有進、出風口，並設置通風設備;容器內的照明電壓不得超過12V，焊接時必須有人在場監護。嚴禁在已噴塗過油漆或膠料的容器內焊接。 (11) 焊接預熱件時，應設擋板隔離預熱焊件發出的輻射熱。

　　(12) 高空焊接時，必須掛好安全帶，焊件周圍和下方應采取防火措施並有專人監護。

　　(13) 電焊線通過道路時，必須架高或穿入防護管內埋設在地下，如通過軌道時，必須從軌道下面穿過。

　　(14) 接地線及手把線都不得搭在易燃、易爆和帶有熱源的物品上，接地線不得接在管道、機床設備和建築物金屬構架或鐵軌上，絕緣氬焊機應良好，機殼接地電阻不大於4Ω。

　　(15) 雨天不得露天電焊。在潮濕地帶工作時，操作人員應站在鋪有絕緣物品的地方並穿好絕緣鞋。

　　(16) 長期停電用的電焊機，使用時，須用搖表檢查其絕緣電阻不得低於0.5MΩ，接線部分不得有腐蝕和受潮現象。

　　(17) 電焊鉗應有良好的絕緣和隔熱能力。電焊鉗握柄必須絕緣良好，握柄與導線連結應牢靠，接觸良好，連結處應采用絕緣布包好並不得外露。操作人員不得用胳膊夾持焊鉗。

　　(18) 清除焊縫焊渣時，應戴防護眼鏡，頭部應避開敲擊焊渣飛濺方向。

　　(19) 在負荷運行中，焊接人員應經常檢查電焊機的的升溫，如超過A級60℃，B級80℃時，必須停止運轉並降溫。

　　(20) 作業結束後，清理場地、滅絕火種，消防焊件餘熱後，切斷電源，鎖好閘箱，方可離開。

交流電焊機故障現象可能原因排除方法

　　變壓器過熱1.過載 2.變壓器繞組短路1.減小焊接電流 2.排除短路故障
氬焊機
　　焊接電流過小1.次級電源線過長過細(導線壓降太大) 2.次級電源線盤成圈狀(電感太大) 3.次級電源線接觸不良(連接處接觸電阻太大或與過作接觸不良)1.減小長度或放大面積 2.排除圈狀 3.重新連接，使接觸電阻減小。

　　焊接電流過大或過小1.電路中起感抗作用的絕緣損壞(引起電流過大) 2氬焊機.磁回路產生渦流(引起電流減小)1.修複絕緣損壞處 2.調整鐵心間隙

　　焊接電源線過熱1.全根導線過熱：導線截面積過小 2.連接處過熱：連接處的接觸電阻過大1.更換較大面積的導線 2.重新連接，減小接觸電阻
氬焊機
　　焊接電流忽大忽小動鐵心在焊接時位置不穩定固定調節手柄或動鐵心

　　焊接時有“嗡嗡”異聲動鐵心的制動螺釘或彈簧過松固緊制動螺釘或調整彈簧壓力。

交流電焊機具有電壓陡降的特性

　　一般的用電設備都要求電源的電壓不隨負載的變化而變化，其電壓是恒定的，如為380V(單相)或220V。雖然接入焊接變壓器的電壓是一定的，如為380V或220V，但通過這種變壓器後所輸出的電壓可隨輸出電流(負載)的變化而變化，且電壓隨負載增大而迅速降低，此稱為陡降特性或稱下降特性。這就適應了焊接所需各種的電壓要求：

　　(1) 初級電壓：即接入電焊機的外電壓。

　　由於弧焊變壓器初級線圈兩端要求的電壓為單項380V， 因此一般交流電焊機接入電網的電壓為單項380V。

　　(2) 零電壓：為了保證焊接過程頻繁短路(焊條與焊件接觸)時，要求電壓能自動降至趨近於零，以限制短路電流不致無限增大而燒毀電源。

　　(3) 空載電壓：為了滿足引弧與安全的需要，空載(焊接)時，要求空載電壓約為60 ～80V，這既能順利起弧，又對人身比較安全。

　　(4) 工作電壓：焊接起弧以後，要求電壓能自動下降到電弧正常工作所需的電壓，即為工作電壓，約為20～40 V，此電壓也為安全電壓。

　　(5) 電弧電壓：即電弧兩端的電壓，此電壓是在工作電壓的范圍內。焊接時，電弧的長短會發生變化：電弧長度長，電弧電壓應高些;電弧長度短，則電弧電壓應低些。因此，弧焊變壓器應適應電弧長度的變化而保證電弧的穩定。

　　電流電壓經三相主變壓器降壓，由可控矽元件進行整流，並利用改變可控矽觸發角相位來控制輸出電流的大小。從整流器直流輸出端的分流器上取出電流信號，作為電流負反饋信號，隨著直流輸出電流增加，負反饋也增加，可控矽導通角減小，輸出電流電壓降低，從而獲得下降的外特性。推力電路是當輸出端電壓低於15V時，使輸出電流增加，特別是短路時，形成外拖的外特性，使焊條不易粘住。引弧電路是每次起弧時，短時間增加給定電壓，使引弧電流較大，易於起弧。

　　從以上敘述可以知道，電焊起弧的時候電路是處於短路狀態，電壓急劇下降，電流需要很大;起弧後要穩弧，這時候焊條和容池的溶液還是短路過渡狀態，電壓還是下降，電流還是大;過渡完畢後處於正常焊接狀態，電壓回升，電流下降。濟寧永鑫電氣有限公司是專業生產逆變直流電焊機企業,集研發、生產、銷售、服務於一體,以生產工業焊機為主。產品能滿足機楲、船舶、電力、石油、冶金、鋼結構、汽車、壓力容器、安裝、維修等不同行業焊接需求。交流電焊機使用時要正確接線，即電焊機的外殼與二次側應可靠地保護接零或接地，防止外殼露點或高壓竄入低壓對人體造成觸電危險，如下圖所示，但它的焊鉗端不能保護接零或接地，電焊機的電源線應為三心橡皮軟線值，修複或更換損壞件，檢查導線電纜的絕緣是否有損傷，使設備處於良好的技術狀態。

閃光電焊機光對人體的危害及預防

　　焊接作業時，會產生對人體有害的電焊弧光。電焊弧光主要包括紅外線、可見光線和紫外線。這些都屬於熱線譜。焊接電弧溫度在3000℃時，其輻射波長小於290mμm;溫度在3200℃時，其輻射波長小於230mμm。當光輻射作用在人體上，機體內組織便會吸收，引起組織熱作用、光化學作用或電離作用，氬焊機致使人體組織發生急性或慢性的損傷。

　　紅外線對人體的危害主要是引起組織的熱作用。在焊接過程中，眼部受到強烈的紅外線輻射，會立即感到強烈的灼傷和灼痛，發生閃光幻覺。長期接觸可能造成紅外線白內障、視力減退，嚴重時可導致失明。

　　可見光線的光度比肉眼正常承受的光氬焊機度大約大到一萬倍左右，當可見光線輻射人的眼睛時，會產生疼痛感，看不清東西，通常叫“晃眼”，在短時間內失去勞動能力。

　　紫外線對人體的危害主要是光化學作用，對人體皮膚和眼睛造成損害。皮膚受到強烈的紫外線輻射後，可引起皮炎，彌漫性紅斑，有時出現小水泡、滲出液，有燒灼感，發癢;作用強烈時伴有全身症狀：頭痛、頭暈、易疲氬焊機勞、神經興奮、發燒、失眠等。紫外線過度照射人的眼睛，可引起眼睛急性角膜和結膜炎，即電光眼炎。多數被照射後4-12天發病，其症狀是出現兩眼高度羞明、流淚、異物感、刺痛、眼瞼紅腫、痙攣、並伴有頭痛和視物模糊。

　　為了預防電焊弧光對人體的危害，焊接工作在焊接時必須穿好表面平整、反射系數大的工作服，戴好手套、鞋蓋，不允許焊工卷起袖口或穿短袖衣、敞開衣領從事焊接工作。工作褲穿上後要保證在蹲下時的足夠長度，避免腳腕處裸露而被弧光灼傷。必須使用鑲有特制濾光鏡片的面罩，濾光鏡片必須是國家定點氬焊機廠生產的合格產品，不可隨意使用一般的墨光鏡。為了保護焊接區域其他工作人員的眼睛不受傷害，應在焊接現場設屏障圍住，其屏障的區域，焊接工人應經常提醒其他工作人員注意避開，有條件的單位可給焊接區域的其他工作人員配備防護眼鏡，以免弧光傷眼。

　　交流電焊機實質上是一種特殊的降壓變壓器。將220V和380V交流電變為低壓的直流電，交流電焊機既是輸出電源種類為交流電源的電焊機。

直流電焊機安全技術操作規程

一、電焊機的工作氬焊機環境必須符合制造廠使用說明中的要求。

二、屯焊機在搬運中,要盡可能地避免震動和碰撞,以免影響其性能。

三、使用前須先打開風扇電機,觀察電壓表指針位置是否正確氬焊機,仔細查聽是否有不正常的聲音。

四、應經常潔沽矽整流器及其它部件,以延長其使用壽命。

五、電焊機的飽和電抗氬焊機器切勿振動更不應敲擊，否則將影響焊機性能。

六、電焊機在安裝前，應檢查矽整流元件與散熱片的連接是否牢固，如有松動,必須擰緊,以防接觸不良而燒毀矽整流元件。

七、嚴禁用搖表測試電焊機主變壓器的次級線圈和控制變壓器的次級線圈。

八、進線處需有防護罩。