弧焊逆变电源的传导骚扰测试和分析

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摘要:本文分析了弧焊电源的传导骚扰的产生机理，介绍了传导骚扰测试标准及测试方法，通过对几种样机的传导骚扰测试表明，虽然添加合适的滤波器可以使传导骚扰低于标准的限值，但在焊接设计之初就采取软开关功率变换技术并对可能产生传导骚扰的部件采取滤波、屏蔽等措施，可有效降低传导型电磁发射的水平，容易符合传导骚扰的限值要求并留有较大的裕量。
关键字:传导干扰;弧焊逆变电源;电磁兼容;滤波器

引言

随着电力电子技术的发展，采用脉宽调制（PWM）方式的逆变器得到了广泛的应用。目前焊接电源也多采用此种方式。80年代,性能优良的大功率电子元器件如功率晶体管、场效应管、IGBT 等相继出现,这就使得功率变换器越来越趋向于高频率、高效率、高功率密度的方向发展，但它所产生的电磁干扰（EMI）问题也日趋严重。弧焊逆变电源的核心就是功率变换器，所以弧焊电源高频化、轻量化、模块化、智能化的同时也带来了严重的电磁污染。半导体开关产生的高频电压脉冲信号具有很大的dv/dt、di/dt，形成很强的电磁干扰（EMI），其频率可从几KHz到数十MHz，这远远高于电源本身的开关频率（20kHz左右）。

经验得知，频率低于30MHz的电磁干扰以传导干扰为主，高于30MHz的电磁干扰传播方式主要为辐射。对于一般的电力电子设备而言，工作频率一般较低，尤其是弧焊逆变电源的工作频率一般在20kHz左右，所以本文主要对弧焊逆变电源的传导干扰的产生、传导干扰的测试与应对措施进行了研究。

1  传导骚扰产生机理

1.1 输入电流畸变造成的噪声

弧焊逆变电源的输入普遍采用桥式整流、大电容滤波，其工频交流正弦波通过整流后不再是单一频率的电流，而变成单向脉动电流，此电流波形分解为一直流分量和一系列频率不同的谐波分量，高次谐波会沿着输电线路产生传导骚扰和辐射骚扰，使其电源线上的电流波形发生畸变，从而形成噪声。

1.2 开关管和变压器产生的骚扰

主开关管是弧焊逆变电源的核心，其产生的电磁骚扰强度直接与工作频率相关。随着开关管工作频率的增高，开关管电压、电流的切换速度也相应加快，其传导骚扰和辐射骚扰也随之加剧。此外，如果主开关管反并联的钳位二极管的反向恢复特性不好，或者电压尖峰吸收电路的参数选择不当也会造成较严重的电磁骚扰。

弧焊逆变电源工作过程中，有初级滤波大电容、高频变压器初级线圈和开关管构成了一个高频电流环路，其回路中开关管的负载是高频变压器初级线圈，它是一个感性负载，所以开关管通断时在高频变压器的初级两端会出现尖峰噪声。

1.3 输出整流二极管产生的噪声

理想的二极管在承受反向电压时截止，不会有反向电流通过。而实际二极管正向导通时，PN结内的电荷被积累，当二极管承受反向电压时，PN结内积累的电荷释放并形成一个反向恢复电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。反向恢复电流在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强烈的高频衰减振荡。因此，输出整流二极管的反向恢复噪声也成为逆变焊接电源中的一个主要骚扰源。

1.4 分布电容和寄生参数引起的噪声

开关管和散热器之间的分布电容、变压器初次级线圈之间的分布电容、原副边的漏感都是骚扰源。

2  传导骚扰测试

2.1 测试标准简介

焊接设备的电磁兼容性能测试标准为IEC60974-10,对于传导骚扰的要求是考察焊接电源的电源端传导骚扰（150kHz～30MHz）是否超过其标准要求骚扰限值。电源端传导骚扰值是指在焊接设备的输入端测出的骚扰电压值,对于非军品一般用平均值和准峰值来考察，其标准限值要求见表1。

表1  焊接设备电源输入端骚扰限值(2 组A 类)

                               
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标准要求传导测试在屏蔽室中进行，测试设备包括EMI接收机、人工电源网络（LISN）、计算机、电阻性负载、弧焊逆变电源（EUT）。其LISN为50Ω/50μH的V型人工电源网络（也叫电源阻抗稳定网络）。它的主要作用是:①减小电网阻抗对测量结果的影响;②将弧焊电源产生的骚扰引入到接收机③隔离来自电网端的干扰。其传导测试布置简图、弧焊设备和负载间具体摆放见图1和图2。

                               
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图1  传导骚扰测试平面布置

                               
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图2  弧焊设备和负载间布置要求

1  送丝装置                7  绝缘装置

2  焊接电源                8  接地平面

3  焊接电缆（捆扎）       9  液体冷却系统

4  互连电缆（捆扎）       10  输入电源电缆

5  遥控装置                11  遥控电缆（捆扎）

6  约定负载  

a =1m                         b≤0.4m

注：1，5，9，11是辅助设备，按照实际的情况选用,在本文

          测试中不作考虑。

2.2 样机测试

本文对ZX7-400逆变焊机进行传导测试，由于峰值扫描时间比较短，一般用其进行预扫描。由于在测试原理保证了传导骚扰的“峰值〉准峰值〉平均值”，所以如果峰值扫描线没有超标，则说明产品一定能通过准峰值和平均值标准，而无需再对其进行测试。如果峰值扫描没有通过，则要再利用准峰值和平均值对其进行分段扫描以察看产品是否超标。图中有两条传导干扰限值曲线，其中上面一条是准峰值限值，下面一条是平均值限值，测试曲线在相对应的极限值曲线以下为合格，否则为不合格。图3是此焊接电源峰值预扫描曲线。

                               
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预扫描中有两个频率段超标，一部分在150kHz-200kHz,另一部分在20MHz-30MHz。对这两个频段再分别进行准峰值和平均值测试，结果表明此焊机超标不能通过传导测试。

弧焊电源不能通过传导干扰测试，一般可采用两种改进方式：一是添加合适的滤波器；二是针对弧焊电源干扰源产生机理对此电源重新进行电磁兼容性设计。

                               
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图4  EMI 滤波器电路图
2.3 添加滤波器测试结果

针对以上焊机干扰特性，我们首先设计了一合理的EMI滤波器如图4所示。其中C1-C6和C10-C12主要滤除差模干扰，L1为共模电感，C7-C9电容接机壳，为共模电容，起到抑制共模干扰的作用。

加在焊接电源的输入端后对其进行峰值扫描，结果如图6所示。

                               
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加上滤波器后图5（a）所示扫描曲线与图3相比明显得到改善，但在150kHz附近仍有峰值超标，其他都在标准限值以下，所以有必要再对150kHz-200kHz频段进行准峰值和平均值扫描，其扫描结果见图5（b）。其结果准峰值和平均值扫描线都在限值以下，基本达到了国际标准要求。

添加合适的滤波器可让产品通过传导骚扰测试，但在设计好的产品上添加滤波器，要对焊机进行结构改造，其设计安装不合理还可能会引入新的干扰。因此在产品测试不合格后才考虑到电磁兼容性，只是一种“亡羊补牢”的弥补措施，而且做起来可能更费时费力。

2.4 焊接电源进行优化设计测试结果

采用软开关功率变换技术设计一台新的ZX7-400焊接电源，并在设计阶段针对弧焊逆变电源可能的骚扰源，通过增加吸收电路、合理元器件布局并采取隔离、屏蔽等措施。其主电路图如6(a)所示，开关管波形如图6(b)所示。

由图7可知此测试顺利通过，且骚扰曲线与图3相比明显下降，相对限值留有更大的安全裕量。

3  结论

本文创新点在于分析了传导型电磁骚扰的产生机理，通过对不同形式的弧焊逆变电源的传导骚扰测试结果对比，得出在产品开发阶段即充分考虑其电磁兼容性要求，采用软开关功率变换等主动的骚扰抑制技术并辅以对敏感元件采取滤波和屏蔽措施，可有效降低传导型电磁发射的水平，容易符合传导骚扰的限值要求并留有较大的裕量。

                               
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图6  软开关焊机主电路原理图与开关管波形

                               
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图7  软开关焊机传导骚扰测试结果
参考文献:

[1]刘建屏.弧焊逆变机传导干扰的研究[D].天津：天津大学，2003.

[2]杨任基等.一种新型功率变换器的电磁干扰分析及抑制[J].微计算机信息,2005,4:206-207.

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