逆變電焊機(jī)的諧波分析

弧焊逆變電源的諧波分析

1.諧波發(fā)生原因

自第一臺(tái)300A晶閘管弧焊逆變電源以來(lái),弧焊逆變電源有了很大發(fā)展,閱歷了晶閘管逆變,大功率晶體管逆變,場(chǎng)效應(yīng)逆變以及IGBT逆變,其容量和功能大大提高,弧焊逆變電源已成為工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家焊接設(shè)備的主流產(chǎn)品[1]。弧焊逆變電源作為一種典型的電力電子裝置,雖然具有體積小、質(zhì)量輕、控制功能好等長(zhǎng)處,但其電路中存在整流和逆變等環(huán)節(jié),導(dǎo)致電流波形畸變,發(fā)生很多的高次諧波。高次電壓和電流諧波之間存在嚴(yán)重相移,導(dǎo)致焊機(jī)的功率因數(shù)很低。諧波發(fā)生的原因主要有以下兩方面要素:

(1)逆變電源內(nèi)部攪擾源逆變電源是一個(gè)強(qiáng)電和弱電組合的系統(tǒng)。在焊接過(guò)程中,焊接電流可到達(dá)幾百乃至上千安培。因電流會(huì)發(fā)生較大的電磁場(chǎng),特別在逆變主電路選用高逆變頻率的焊接電源系統(tǒng)中,整流管整流,高頻變壓器漏磁,控制系統(tǒng)振動(dòng),高頻引弧,功率管開關(guān)等均會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的諧波攪擾。

其次,鎢極氬弧焊機(jī)假如選用高頻引弧時(shí),因?yàn)楹笝C(jī)利用頻率達(dá)幾十萬(wàn)赫茲,電壓高達(dá)數(shù)千伏的高頻高壓擊穿空氣間隙形成電弧，因而高頻引弧也是一個(gè)很強(qiáng)的諧波攪擾源。關(guān)于計(jì)算機(jī)控制的智能化弧焊逆變電源來(lái)說(shuō),因?yàn)檫x用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行速度越來(lái)越高,因而控制板本身也成了一個(gè)諧波攪擾源,對(duì)控制板的布線也提出了較高的要求。

(2)逆變電源外部攪擾源電網(wǎng)上的污染對(duì)電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是較為嚴(yán)重的攪擾,因?yàn)榧拥诫娋W(wǎng)上的負(fù)載千變?nèi)f化,這些負(fù)載或多或少對(duì)電網(wǎng)發(fā)生諧波攪擾,如大功率設(shè)備的使用使電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變,偶然要素形成瞬時(shí)停電,高頻設(shè)備的開啟形成電網(wǎng)電壓波形具有高頻脈沖、尖峰脈沖成分。

別的在焊接車間內(nèi),因?yàn)椴煌附与娫丛谑褂脮r(shí)接地線可能相互連接,因而如不采納相應(yīng)的辦法,高頻成分的諧波信號(hào)很容易竄入控制系統(tǒng),使電源不能正常工作,乃至損壞。

2.諧波的特色及損害

弧焊逆變電源以其高效率電能轉(zhuǎn)換著稱,跟著功率控制器材向?qū)嵱没痛笕萘炕较虬l(fā)展,弧焊逆變電源也將跨入高頻化、大容量的時(shí)代?；『改孀冸娫磳?duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō),本質(zhì)上是一個(gè)大的整流電源,因?yàn)殡娏﹄娮悠鞑脑趽Q流過(guò)程中發(fā)生前后沿很陡的脈沖,從而引發(fā)了嚴(yán)重的諧波攪擾。逆變電源的輸入電流是一種尖角波,使電網(wǎng)中含有很多高次諧波。高次電壓和電流諧波之間存在嚴(yán)重相移,導(dǎo)致焊機(jī)的功率因數(shù)很低。低頻畸變問(wèn)題是當(dāng)前電力電子設(shè)備的一個(gè)共性問(wèn)題，在通訊職業(yè)、家電職業(yè)都已引起相當(dāng)?shù)淖⒅?。別的,逆變焊機(jī)多選用硬開關(guān)方法,在功率元件的開關(guān)過(guò)程中不可避免地對(duì)空間發(fā)生諧波攪擾。這些攪擾經(jīng)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)耦合形成傳導(dǎo)攪擾,嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境和電源環(huán)境,這不僅會(huì)使逆變電路自身的可靠性降低，并且會(huì)使電網(wǎng)及臨近設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。

弧焊逆變電源常用的諧波按捺辦法

1.無(wú)源濾波器(PassiveFilter,簡(jiǎn)稱PF)

傳統(tǒng)的諧波按捺和無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)霓k法是電力無(wú)源濾波技能,又稱間接濾除法,即便用電力電容器等無(wú)源器材構(gòu)成無(wú)源濾波器,與需求補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)載并聯(lián),為諧波供給一個(gè)低阻通路,一起供給負(fù)載所需的無(wú)功功率。具體而言是將畸變的50Hz正弦波分解成基涉及相關(guān)的各次主諧波成分,然后采用串聯(lián)的諧振原理，將由L，C(或者還有R)組成的各次濾波支路調(diào)諧(或偏調(diào)諧)到各主要諧波頻率構(gòu)成低阻通道而將其濾除。它是在已產(chǎn)生諧波的狀況下,被動(dòng)地防御,減輕諧波對(duì)電氣設(shè)備的危害。

無(wú)源濾波計(jì)劃本錢低,技能成熟，可是也存在以下不足：(1)濾波作用受體系阻抗的影響；(2)由于其諧振頻率固定,關(guān)于頻率偏移的狀況作用欠好；(3)與體系阻抗可能產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振,造成過(guò)負(fù)荷。在中小功率場(chǎng)合，正逐步被有源濾波器所替代。

2.有源濾波器(ActiveFilter,簡(jiǎn)稱AF)早在20世紀(jì)70年代初,就有學(xué)者提出有源功率濾波器的基本原理,但由于其時(shí)缺乏大功率開關(guān)元件和相應(yīng)的操控技能,只能用線性放大器等辦法產(chǎn)生補(bǔ)償電流,存在著功率低、本錢高、難以大容量化等致命缺點(diǎn)而未能實(shí)用化。跟著電力半導(dǎo)體開關(guān)元件性能的進(jìn)步,以及相應(yīng)的PWM技能的發(fā)展,使得研制大容量低損耗的諧波電流產(chǎn)生器成為可能,從而使有源濾波技能走向?qū)嵱没?當(dāng)體系中呈現(xiàn)諧波產(chǎn)生源時(shí),用某種辦法產(chǎn)生一個(gè)和諧波電流巨細(xì)相等、相位相反的補(bǔ)償電流,且和成為諧波產(chǎn)生源的電路并聯(lián)連接來(lái)抵消諧波產(chǎn)生源的諧波,使直流側(cè)的電流僅為基波重量,不含有諧波成分。當(dāng)諧波產(chǎn)生源產(chǎn)生的諧波不能被預(yù)計(jì)出是何種高次諧波電流,且隨時(shí)產(chǎn)生改變時(shí),則有必要從負(fù)載電流il中檢測(cè)出諧波電流ih信號(hào),經(jīng)檢測(cè)后的諧波電流ih信號(hào),通過(guò)調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制,并按制定的辦法轉(zhuǎn)換為開關(guān)辦法操控電流逆變器作業(yè)辦法,使電流逆變器產(chǎn)生補(bǔ)償電流并注入到電路中,以便抵消諧波電流逆變主電路一般采用DC/AC全橋式逆變器電路,其中的開關(guān)元件可用GTO、GTR、SIT或IGBT等大功率可控型電力半導(dǎo)體元件,借助開關(guān)元件的通斷,操控輸出電流波形,產(chǎn)生所需的補(bǔ)償電流。

電力有源濾波器作為按捺電網(wǎng)諧波和補(bǔ)償無(wú)功功率，改善電網(wǎng)供電質(zhì)量最有期望的一種電力設(shè)備，與無(wú)源電力濾波器比較,具有以下長(zhǎng)處：(1)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和巨細(xì)都改變的諧波以及改變的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償目標(biāo)的改變有極快的響應(yīng)；(2)可一起對(duì)諧波和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償無(wú)功功率的巨細(xì)可做到接連調(diào)理；(3)補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)不需儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件容量也不大；(4)即便補(bǔ)償目標(biāo)電流過(guò)大，電力有源濾波器也不會(huì)產(chǎn)生過(guò)載，并能正常發(fā)揮補(bǔ)償作用；(5)受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧振；(6)能盯梢電網(wǎng)頻率的改變，故補(bǔ)償性能不受頻率改變的影響；(7)既可對(duì)一個(gè)諧波和無(wú)功功率獨(dú)自補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無(wú)功功率集中補(bǔ)償。

軟開關(guān)技能

跟著電力電子技能向著高頻率、高功率密度方向發(fā)展,硬開關(guān)作業(yè)辦法的開關(guān)損耗及諧波攪擾問(wèn)題日益突出。從進(jìn)步變換功率、器材利用率,增強(qiáng)電磁兼容性以及設(shè)備可靠性著眼，軟開關(guān)技能對(duì)任何開關(guān)功率變換器都是有益的。在某些特殊狀況(如有功率密度要求或散熱條件約束場(chǎng)合)下尤為必要。在無(wú)源與有源兩大類軟開關(guān)技能中，不使用額定開關(guān)元件、檢測(cè)手法和操控策略的無(wú)源辦法有著附加本錢低，可靠性、變換功率及性能價(jià)格比高級(jí)諸多優(yōu)勢(shì),在工業(yè)界單端變換器制造范疇基本確立了干流位置。對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，串電感和并電容的辦法是僅有的無(wú)源軟開關(guān)手法，由此演化而來(lái)的所謂無(wú)源軟開關(guān)技能，實(shí)際上就是無(wú)損耗吸收技能。就橋式逆變電路而言，從前期的耗能式吸收到后來(lái)提出的部分饋能式、無(wú)損耗計(jì)劃，都存在負(fù)載依賴性強(qiáng)，作業(yè)頻率規(guī)模窄，附加應(yīng)力高，網(wǎng)絡(luò)過(guò)于雜亂等問(wèn)題，實(shí)用性較差。一起在開關(guān)功率器材模塊化潮流下，可供放置吸收元件的空間越來(lái)越小，適于逆變模塊的無(wú)損耗吸收技能也很少見諸文獻(xiàn)?？偟膩?lái)看，適用于逆變模塊化的無(wú)源吸收技能因其特殊結(jié)構(gòu)和難度而仍處在進(jìn)一步研討和發(fā)展中 [1]  。