節(jié)能電焊機的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

楊慶軒，陳　凱，蒲有東，黃　虎，胡偉偉，周一峰

（1.成都三方電氣有限公司，四川成都610052；2.成都理工大學信息科學與技術(shù)學院，四川成都610059）

節(jié)能電焊機的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

楊慶軒1，陳凱1，蒲有東1，黃虎2，胡偉偉2，周一峰2

（1.成都三方電氣有限公司，四川成都610052；2.成都理工大學信息科學與技術(shù)學院，四川成都610059）

如何提高電焊機的能源利用率是國家及企業(yè)日益關(guān)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(shè)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(guān)聯(lián)度，在節(jié)能焊機的設(shè)計和測試中具有參考價值。

節(jié)能電焊機；電焊機能效；電焊機現(xiàn)狀

0　前言

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(guān)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年首次發(fā)布了電焊機行業(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GB 28736-2012《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。

2　GB 28736-2012《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(shè)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GB 15579.6（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GB 15579.6進行改版。下一版的GB 28736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(guān)注情況

IEC/TC26的IEC 60974-1的附錄M已經(jīng)提出了關(guān)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(guān)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。相關(guān)物理量的數(shù)學表達式如下：

有功功率：

從有功功率的表達式可以看出，它不只與基波有關(guān)，還與諧波（若有）有關(guān)，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(yīng)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(guān)基礎(chǔ)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(yīng)分別低于0.9％，0.4％，0.3％，0.2％，0.1％）。

GB/T 8118對功率因數(shù)定義及數(shù)學表達式對比分析：功率因數(shù)定義為焊接電源的功率因數(shù)等于輸入有功功率與輸入視在功率的比值。并明確：

a.焊接電源輸入電流為近似正弦波形時，功率因數(shù)和cosφ值相等。

b.焊接電源輸入電流為非正弦波形時，功率因數(shù)Pf的計算公式為

表面上GB/T 8118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(chǔ)，但在實際應(yīng)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(shè)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/T 8118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（10 kV）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500 A），驗證數(shù)據(jù)見表1。表中的1 250 kVA是指容量為1 250 kVA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380 V，I10的參考意義不大。

表1　驗證數(shù)據(jù)

5　節(jié)能設(shè)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(shè)計，一般以安全指標和可焊性為主。能效設(shè)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(shè)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(guān)，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(guān)和軟開關(guān)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(guān)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(yīng)該考慮減小產(chǎn)品的諧波。減小諧波可以提高Pf，應(yīng)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(shè)備（產(chǎn)品）推薦目錄（第五批）》簡單介紹

2014年11月下旬，工信部發(fā)布了《節(jié)能機電設(shè)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(shè)備（產(chǎn)品）推薦目錄（第六批）》，估計在今年5月前后發(fā)布受理申請的公告。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(guān)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(guān)。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(yīng)國家的能源戰(zhàn)略，不論是電弧焊機還是電阻焊機都應(yīng)提高能源利用率，電焊機制造業(yè)也會逐步引入“能效設(shè)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(guān)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。

Current and development trend of energy-saving welding machine

YANG Qingxuan1，CHEN Kai1，PU Youdong1，HUANG Hu2，HU Weiwei2，ZHOU Yifeng2
（1.Chengdu Sanfang Electrical Appliance Co.，Ltd.，Chengdu 610052，China；2.College of Information Science& Technology，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

The state and companies are increasingly concerned about the problem about how to improve the energy efficiency of welding，the paper describes the statistical analysis of data from different categories of arc welding，as well as energy efficiency testing problems encountered，put forward in terms of energy-saving design and product rectification part solutions，energy efficiency indicators associated harmonic index and EMC，with a reference value in the design of energy-efficient welding and testing.

energy-saving welding machine；welding efficiency；welding status

TG433

A

1001－2303（2016）03－0058-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.12

2015－05－04

楊慶軒（1966—），男，學士，主要從事焊接設(shè)備檢測的研究工作。