高频起弧原理

高频引弧器及其对逆变直流氩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氩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0.1～0.5 mm，若让钨极与工件接触，会引起薄工件的烧伤，钨极烧损以及焊缝夹钨等缺陷。

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氩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。逆变直流氩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B1、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380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。

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

与钨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，NE 555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BUY71(T1)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380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4 20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，但是只要保持工件钨极距离不太远(约3毫米)，钨极磨尖，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。