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《電焊機雜志》2016年第三期

摘要：

如何提高電焊機的能源利用率是國家及企業(yè)日益關注的問題，介紹了不同類別電弧焊機的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，以及能效測試中遇到的問題，提出了在節(jié)能設計和產(chǎn)品整改方面的部分解決方案，能效指標與EMC的諧波指標關聯(lián)度，在節(jié)能焊機的設計和測試中具有參考價值。

關鍵詞：

節(jié)能電焊機；電焊機能效；電焊機現(xiàn)狀

我國屬于能源資源不足且利用率較低的國家，能源戰(zhàn)略已上升為國家戰(zhàn)略。近10年來，國家出臺了很多與能源利用率有關的政策，如產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、家電下鄉(xiāng)、惠民工程等，其目的都是為了提高能源利用率，減少能源消耗率。2008年，電焊機行業(yè)開始啟動能效標準的研究，2012年首次了電焊機行業(yè)能效標準，“節(jié)能”也逐步成為電焊機行業(yè)的熱點話題之一。

1目前涉及的節(jié)能電焊機產(chǎn)品范圍

當前的GB28736-2012《電弧焊機能效限定值及能效等級》標準只涉及電弧焊機，不涉及電阻焊機。正申請修訂該標準，修訂后可能會同時涉及電弧焊機和電阻焊機。

2GB28736-2012《電弧焊機能效限定值及能效等級》簡介

（1）驗證試驗和數(shù)據(jù)統(tǒng)計階段：在標準起草之前做了大量的驗證試驗，共隨機抽取了420多臺各種類型的電弧焊機進行測試摸底，最后按不同類別電弧焊機數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，為該標準的制定提供數(shù)據(jù)支撐。（2）確定各種能效級別的比例和原則：1級能效控制在5%以內(nèi)，本標準是首次制定，同時考慮到電焊機的發(fā)展，將1級能效控制在統(tǒng)計數(shù)據(jù)的1.5%；2級能效控制在20%以內(nèi)，制定時實際控制在15%；3級能效控制在80%以內(nèi)，制定時實際控制在70%。（3）具體適用范圍：不適用于交流TIG電弧焊機、交直流兩用TIG電弧焊機、由機械設備驅(qū)動的電弧焊機以及非專業(yè)人員使用的限制負載的手工金屬弧焊電源。（4）考核指標：電弧焊機能效包括效率（η）、功率因數(shù)（Pf）、空載電流與額定輸入電流的占比（I10/I1N）三個指標。3級只要求考核效率，2級要求考核效率和功率因數(shù)，1級要求考核效率、功率因數(shù)和空載電流與額定輸入電流的占比。注意：非專業(yè)人員使用的限制負載的手工金屬弧焊電源是指現(xiàn)行的GB15579.6（等同IEC60974-6）范圍內(nèi)產(chǎn)品。由于IEC60974-6的重大變化，且IEC60974-6的標準名稱也不再是“非專業(yè)人員使用的限制負載的手工金屬弧焊電源”，也擴大了額定電流的范圍和產(chǎn)品類別，2015年將對GB15579.6進行改版。下一版的GB28736將取消“不適用于非專業(yè)人員使用的限制負載的手工金屬弧焊電源”的限制。

3國際上對能效問題的關注情況

IEC/TC26的IEC60974-1的附錄M已經(jīng)提出了關于效率的測試方法、樣品狀態(tài)、測試條件、測試用電源要求（附錄G）等，說明他們也在關注電焊機的節(jié)能問題。目前，IEC/TC26已經(jīng)將能效的研究作為發(fā)展戰(zhàn)略。

4能效測試中遇到的問題

（1）工頻焊機比較容易得到能效的準確值，而對于逆變式電焊機，這三個指標的測試手段要求比較高，容易出現(xiàn)不確定性。從有功功率的表達式可以看出，它不只與基波有關，還與諧波（若有）有關，而且是矢量和。若被測試的樣品（EUT）和供電電源都帶有諧波，測試儀器無法分辨EUT和供電電源本身波形畸變或相移的大小，測試結(jié)果可能會出現(xiàn)偏差。（2）為得到統(tǒng)一的測試結(jié)果，標準要求供電電源的畸變應符合要求。基于這個目的，國際上推出了一種“純凈電源”供電方案，這是一個比較通行的做法，但不是唯一的解決方案。只要能提供足夠的證據(jù)證明向EUT供電電源的畸變率和阻抗等指標在整過測試過程中持續(xù)符合要求也可行。經(jīng)過驗證，很難滿足標準要求，除非有電廠的直饋線路。（3）相關基礎標準對能效測試用電源的主要要求：內(nèi)阻要足夠小（不同產(chǎn)品的要求由差異）；電壓穩(wěn)定≤±2％；頻率穩(wěn)定度≤±0.5％；對三相電源的相間基波的相位精度為120°±1.5°；測試時，試驗電源的電壓諧波含量要小（如3、5、7、9和11次以上諧波含量應分別低于0.9％，0.4％，0.3％，0.2％，0.1％）。表面上GB/T8118給出的表達式與IEC的某些標準有差異，但經(jīng)過仔細研究，實際一致。IEC某些標準或某些教科書采用的定義是理論基礎，但在實際應用中，若電壓和電流同時存在較大的諧波，將會帶來很大的測試難度，實現(xiàn)測試的可操作性不強。為了實現(xiàn)可操作性，通常要求供電的電壓符合要求，就是通常說的“純凈電源”，這樣就只需考慮被測試設備（EUT）自身帶來的諧波電流。在這種約定的條件下，IEC標準表達式中除U1以外的Un=0（n≥2），諧波電流將不產(chǎn)生有功功率，將其表達式展開后分別約去分子和分母中的中U就可以推導出GB/T8118給出的表達式。上面的定義和表達式的演變過程的約定說明：對帶有諧波的電弧焊機進行功率、功率因數(shù)等輸入端電參數(shù)測量時，必須保證饋入被測產(chǎn)品的電壓符合要求。在某些場合，電網(wǎng)的接入端（10kV）可能符合要求，經(jīng)過變壓器或變壓器后端的多個用電器并聯(lián)使用，低壓系統(tǒng)的某些接入口的電源品質(zhì)就無法滿足要求。（4）不同饋電地點的驗證數(shù)據(jù)。用于驗證的樣品：逆變式MIG/MAG焊機（額定電流500A），驗證數(shù)據(jù)見表1。表中的1250kVA是指容量為1250kVA變壓器輸出端沒有其他負荷，直接單獨向電焊機供電，但電壓不會正好是380V，I10的參考意義不大。

5節(jié)能設計和產(chǎn)品整改

由于以前對電焊機的能效沒有要求，大部分產(chǎn)品都未經(jīng)過能效設計，一般以安全指標和可焊性為主。能效設計包括很多方面，如安裝結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)、功率元器件的選擇、制造工藝等。對已有產(chǎn)品進行部分設計更改或制造工藝改進，會提高一部分能效指標，而且不一定會增大成本，有時可能還會降低成本。安裝機構(gòu)：整流橋或電抗器的位置直接與連接到輸出端的電纜或?qū)щ娕诺拈L度有關，電纜或?qū)щ娕诺拈L度越長，其消耗在內(nèi)部的功率就越大。電路結(jié)構(gòu)：硬開關和軟開關的選擇、PFC電路的拓撲、冷卻風機是熱啟動還是常轉(zhuǎn)等。功率元器件的選擇：IGBT、VMOS、晶閘管和整流管的管壓降；電抗器的內(nèi)阻；電流取樣傳感器的功率損耗等。制造工藝：變壓器、電抗器線頭的長短；內(nèi)部主回路（特別是次級）螺栓連接頭的數(shù)量和損耗；非逆變焊機主變的鐵芯裝配（特別是鐵芯焊接）帶來的渦流損耗等。

6能效指標與EMC的諧波指標關聯(lián)度很大

逆變焊機特別是單相逆變焊機基本上呈現(xiàn)出諧波越大，能效指標越低，這一點可以從這些參數(shù)的物理量定義得出結(jié)論。要想使產(chǎn)品的能效指標有很大的提高，應該考慮減小產(chǎn)品的諧波。減小諧波可以提高Pf，應電路拓撲的選擇，避免諧波抑制電路的損耗過大而降低效率。

7《節(jié)能機電設備（產(chǎn)品）推薦目錄（第五批）》簡單介紹

2014年11月下旬，工信部了《節(jié)能機電設備（產(chǎn)品）推薦目錄（第五批）》，該目錄包含了電弧焊機產(chǎn)品（第70頁～99頁），電焊機產(chǎn)品是首次進入節(jié)能產(chǎn)品目錄。據(jù)可靠消息，2015年還要繼續(xù)推出《節(jié)能機電設備（產(chǎn)品）推薦目錄（第六批）》，估計在今年5月前后受理申請的公告。成熟時，電焊機產(chǎn)品也可能推進能效之星的推薦工作。

8目前國內(nèi)外的基本狀況

目前很少查見與電焊機有關的國外標準和指令，我國在很多行業(yè)都有專門的產(chǎn)品性能標準，這與我國的能源資源和能源戰(zhàn)略直接相關。根據(jù)不同年度的統(tǒng)計情況，電焊機產(chǎn)品在使用過程中的能源消耗量，在工業(yè)產(chǎn)品中排在5～8位。從摸底的數(shù)據(jù)看，我國進口電弧焊機的能效指標基本在2級以上，低于2級的產(chǎn)品較少，這是由于進口產(chǎn)品都是中高端產(chǎn)品。國內(nèi)的非逆變式電弧焊機基本都在2級以下，處于3級的水平，也有少部分企業(yè)的高端機型達到1級水平，甚至優(yōu)于進口產(chǎn)品。

9結(jié)論

為了響應國家的能源戰(zhàn)略，不論是電弧焊機還是電阻焊機都應提高能源利用率，電焊機制造業(yè)也會逐步引入“能效設計”的理念；電焊機的客戶會逐步認識到節(jié)能電焊機帶來利益，主動關注電焊機產(chǎn)品的能效指標，自然會提升節(jié)能電焊機的競爭力；國家可能出臺某些鼓勵政策和強制性指令，助推節(jié)能電焊機的發(fā)展。

作者：楊慶軒 陳凱 蒲有東 黃虎 胡偉偉 周一峰 單位：成都三方電氣有限公司 成都理工大學 信息科學與技術(shù)學院