摘要：
为了分析焊接电源电能质量，通过对高频大功率整流和逆变开关电源理论的分析可知，焊接电源的谐波和电磁干扰是影响焊接电能质量的主要污染源。 同时通过实验可知，在开关电源中除了有谐波的传导干扰外，还存在电磁的辐射干扰，因此，在焊接电源中必须要对谐波进行抑制和电磁干扰进行处理。关键词：
谐波
；焊接开关电源；电磁干扰中图分类号：TG434.1，TN03文献标识码：
A 文章编号：
1001-2303穴2009雪12-0059-04
近年来，人们从理论上分析了电磁干扰产生的原因，明确了干扰的性质及其数学物理模型，逐渐完善了干扰传输和耦合的计算方法，同时提出了抑制干扰的一系列技术措施，建立了电磁兼容的各种结构组织及电磁兼容系列标准和规范，解决了电磁兼容分析、预测设计及测量等方面的一系列理论问题和技术问题，逐渐在电力电子学中形成了一个新的分支。下面将通过理论和试验测试分析谐波和电磁干扰的存在及其带来的危害眼3-7演。 1谐波的理论分析
电力电子器件的开关特性是强非线性，
开关电源在开、关以及在运行时会产生大量的谐波影响系统的正常工作。
1.1
单相大功率整流器的谐波分析
正弦波不含谐波，能够减少铁损并提高效率眼1演。
电机、变压器和电器设备在设计时都假定了供电电源是正弦波，然而实际上在供电系统中不可能有标准的正弦波和直流电源，它们都是由不
同频率的正弦波叠加而成，单相整流电路如图1所示。
图1单相大功率整流电路
要使交流电压整流后负载直流电流的纹波较小，就需要加入一个大的电感即L /R >>T 穴工频时T=20ms雪，这样负载直流近似为直流I d 。由于在负载端电感电流不能突变，同时开关管在开和关的时候有上升和下降时间，因此负载电流如图2所示眼3演。
刻字笔在上升、
下降的时间角度为=2πt r T
穴1雪对图2进行傅立叶分解
i =I d c 1sin t +c 3sin3t +c 5sin5t +…[]
穴2雪从式穴2雪可看出，单相整流的电流含有奇次谐
波。同理可以得出，
电焊机三相整流的数学表达式。因此，单相整流和三相整流时一定存在高次谐波。
1.2
单相逆变的谐波分析
典型的单相半桥高频逆变电路如图3所示。
假设直流电压为E ，开关管在理想情况下工作，
即零电压开通，零电流关断，开
、关的时间为零，
开关管占空比为50%。
图3单相逆变电路
由图3可得如下表达式
U 穴t 雪=E ，0≤t ≤T /2穴3雪U 穴t 雪=0，T /2≤t ≤T
穴4雪
式穴3雪和穴4雪进行傅立叶变换可得
U 穴t 雪=a 02+∞
m =1
∑a m cos 2πmt T +b m
sin 2πmt
T []
穴5雪穴m =2n -1，n =1，2…雪式中a 0=1
π
π
-π∫
U 穴t 雪d t =E 2
，a m =0
b m =1
流量测量装置ππ
-π
∫
U 穴t 雪sin mt d t =2E
m π
则
U 穴t 雪=E 2+∞
m =1∑2E 穴2n -1雪π
sin 2穴2n -1雪πt T []
=E 2+2E πsin穴t 雪+2E 3π
sin穴3t 雪+ (6)
其中频率与周期信号一致的分量称为1次谐波，又称基波；频率为周期信号3倍的称为3次谐
波；3次及以上的谐波称为高次谐波。
图4是由式穴6雪的分量叠加而成眼1-3演。
从图4可看出，
方波电压U 穴t 雪是高次谐波叠加而成，谐波电压经过非线性电感、电容在经过负载后，负载电流一定是谐波电流的叠加。
通过以上单相整流和单相逆变电路分析可知，
在电流回路中一定
有谐波电流，
同理可推出三
相整图2单相整流负载电流
专题讨论
第39卷
流和逆变一定也有谐波电流存在，
因此只要有开关电源电气设备就一定会有谐波的产生。
2电磁干扰的分析
目前我国电磁干扰的研究大多停留在某一实
际干扰问题的防护研究水平。
焊接开关电源的电压和电流在输送过程中，不仅有传导的谐波存在，而且电磁干扰EMI 也严重影响开关电源的正常运行。
由于d u /d t 、d i /d t 以及电路中的寄生电感和电容使得开关电源的电磁干扰噪声很难与其他敏感电子设备电磁兼容。通常对开关电源产生的EMI 所采取的抑
制措施应从两个方面考虑眼3演：
一是减小干扰源的干扰强度；二是切断干扰传播途径。但是这伴随着一
个严重的问题，
开关电源中的大功率开关管在高频的开、关以及运行时是如何产生电磁干扰的？
这些干扰是怎样注入电网中的？
又是怎样干扰自身系统的稳定性和可靠性？电磁干扰又是怎样通过辐射传播的？
作为工作于开关状态的能量转换装置，
开关电源的电压、电流变化率很高，
产生的干扰强度较大，干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的
散热器和高频变压器上，
相对于数字电路干扰源的位置较为清楚；开关频率从几十kHz 到数MHz ，主要的干扰形式是传导干扰和辐射干扰。
在开关电源中采用以PWM 为基础的控制模
式，其输出电压由高频的PWM 脉冲电压，
脉冲宽度由每个开关周期输出电压的幅值决定，
脉冲由高频开关管产生。由于开关管的门极G 与发射极E 、
集电极C 之间有一定的寄生电容，
使得开关管产生的波形有一定的上升和下降时间，这些快速上升
和下降的脉冲信号由高速半导体开关器件产生，
如IGBT 、MOSFET 等，可以大大加快逆变器的动态响应过程，但是，这些半导体开关产生的高频脉冲信号具有很大的d u /d t 、d i /d t ，由于驱动电路和控制电路
中也存在电感和电容器件，开关器件自身以及其他
器件和布线存在杂散电感和电容，d u /d t 会通过电
容产生一个脉冲电流，而d i /d t 则通过电感的作用产生一个脉冲电压。
同时，有很大d i /d t 的电流环路也是一个辐射源，
这样在开关电源中就形成了很强的电磁干扰。
电磁干扰的过程首先是要有干扰源，
其次要有敏感的干扰设备，
同时在干扰源和干扰设备之间要有耦合途径和传播方式。干扰源发出不同频率的电
磁干扰能量，其干扰信号可能是周期的，也可能是非周期的。
因此，要研究EMI 先要分析干扰信号的空间、时间、频率等分布。该分布的功率密度=F 穴t ，
f ，φ，r 雪，t ，f ，φ，r 分别为时间、频率、方位、
距。耦合途径及传播方式是通过电磁场耦合。
不论哪种性质的电磁场，都可以通过电力线或磁力线接触或穿入被干扰设备的表面或内部。要消除干扰一
定要判别电磁干扰的模式，
干扰的模式一般有共模干扰和差模干扰，共模干扰是指出现在每个导体与参考点穴地或机壳雪之间的电压和电流，它在线路上
产生同相位电流。
共模干扰大多来自雷电，大功率辐射，通过空间电、磁场耦合；差模干扰是指在一组规定的导体系统中任意两点之间的电压在线路上产生反相位的电流眼3-6演。
2.1干扰信号的时—频特性及转换
电磁干扰信号除了极少数为恒定，绝大部分的
干扰都是时变的，可以是正弦的、非正弦的、
周期的、非周期的，
甚至是脉冲波形的。但是无论从耦合途径的分析还是进一步采取干扰措施，
用频域的方法分析时变的干扰信号不仅方便而且必要。
在对敏感设备进行屏蔽和滤波时一定要对干扰源产生的信号所含的频率成分进行理论分析。
2.2干扰源周期信号的傅立叶变换
假设干扰源产生的信号为周期信号的干扰源，
即f 穴t 雪=f 穴t +nt 雪穴7雪
其傅立叶分解为
f 穴t 雪=F 0+∞
m =1
∑a m cos 2πmt T +b m
sin 2πmt
T []
=F 0+∞m =1
∑F n cos穴2πmt T +m 雪穴8雪这样就可知道个频率的分量。非周期性干扰信号的频谱分析对非周期信号f 穴t 雪，傅立叶变换为
F 穴雪=
+∞-∞
f 穴t 雪e
-j t d t
穴9雪
图4各分量叠加成矩形波
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当周期T →∞时，
式穴9雪中的频率间隔Δ成为无穷小量d ，
绝对值角度编码器变量n 由离散量变为连续量，求和变为积分，因此非周期脉冲的谱线变为连续谱眼3-7演。
3测试分析
对TZ-3X100型三相整流凸焊机在没有进行谐波处理时的谐波和电磁干扰进行测试，如图5所示，其谐波含量达到了21.5%，远远超过国家5%的标准。图
6为电磁干扰测试波形，从图6中可以看出电磁干扰很严重。
图5谐波测试波形
4结论
通过对单相开关电源整流和逆变的理论分析
可知，焊接电源一定存在谐波含量，
通过测试可看出谐波含量较大，
因此抑制谐波已是当务之急，同时通过电磁干扰的理论分析和测试，
在焊接电源中电磁干扰是非常严重的，因此，对焊接电源谐波和EMI 的研究和治理是非常必要的。
参考文献：
眼1演J.W.George.电力系统谐波——基本原理、
分析方法和滤波器设计眼M演.徐政译，北京：机械工业出版社，2003.
眼2演曹太强，许建平，徐顺刚.开关电源谐波的研究眼J演.电焊机，2007，37穴5雪：58-60.
眼3演凡木文.新型无污染大功率开关电源眼D演.四川：四川大学，2003.
眼4演钱照明.电磁兼容设计基础及干扰抑制技术眼M演.浙江：浙
江大学出版社，2000.眼5演曹太强，许建平，徐顺刚.开关电源EMI 的研究眼J演.电焊机，2008，38穴16雪：68-70.
数字仪表
眼6演钱照明，袁义生.开关电源EMC 设计研究现状及发展穴下雪眼J演.电源，2003穴4B雪，69-71.
眼7演周佩白，鲁君伟.电磁兼容问题的计算机模拟与仿真
技
术眼M演.北京：中国电力出版社，2006.图6电磁干扰测试波形
电磁兼容术语穴二雪
无线电穴频率雪噪声穴Radio 穴frequency雪Noise雪：
具有无线电频率分量的电磁噪声。
无线电穴频率雪骚扰穴Radio Disturbance雪：具有无线电频率分量的电磁骚扰。
无线电频率干扰穴Radio frequency Interference ，RFI雪：由无线电骚扰引起的有用信号接收性能下降。
系统间干扰穴inter-system Interference雪：系统中出现的由本系统内部电磁骚扰引起的电磁干扰。
系统内干扰穴intra-system Interference雪：由其它系统产生的电磁骚扰对一个系统造成的电磁干扰。
自然噪声穴Natural Noise雪：来源于自然现象而非人工装置产生的电磁噪声。
人为噪声穴Man-made noise雪：来源于人工装
置产生的电磁噪声。
性能降低穴Degradation of performance雪：装置、设备或系统的工作性能与正常性能的非期望偏离。船用防爆离心风机
抗扰性穴Immunity雪：装置、设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力。
电磁敏感性穴Electromagnetic Susceptibility雪：在
存在电磁骚扰的情况下，
电暖手套装置、设备或系统不能避免性能下降的能力穴灵敏度高，抗扰性低雪。
静电放电穴Electrostatic Discharge ，ESD雪：具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移。
瞬态的穴Transient adjective and noun雪：在两相
邻稳定状态之间变化的物理量或物理现象，
其变化时间小于
所关注的时间尺度。
讨论︱︱弧
焊设备EMC 及焊接环境EMF
专题讨论
第39卷
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