逆变电焊机的谐波分析

弧焊逆变电源的谐波分析

1.谐波发生原因

自第一台300A晶闸管弧焊逆变电源以来,弧焊逆变电源有了很大发展,阅历了晶闸管逆变,大功率晶体管逆变,场效应逆变以及IGBT逆变,其容量和功能大大提高,弧焊逆变电源已成为工业发达国家焊接设备的主流产品[1]。弧焊逆变电源作为一种典型的电力电子装置,虽然具有体积小、质量轻、控制功能好等长处,但其电路中存在整流和逆变等环节,导致电流波形畸变,发生很多的高次谐波。高次电压和电流谐波之间存在严重相移,导致焊机的功率因数很低。谐波发生的原因主要有以下两方面要素:

(1)逆变电源内部搅扰源逆变电源是一个强电和弱电组合的系统。在焊接过程中,焊接电流可到达几百乃至上千安培。因电流会发生较大的电磁场,特别在逆变主电路选用高逆变频率的焊接电源系统中,整流管整流,高频变压器漏磁,控制系统振动,高频引弧,功率管开关等均会发生较强的谐波搅扰。

其次,钨极氩弧焊机假如选用高频引弧时,因为焊机利用频率达几十万赫兹,电压高达数千伏的高频高压击穿空气间隙形成电弧，因而高频引弧也是一个很强的谐波搅扰源。关于计算机控制的智能化弧焊逆变电源来说,因为选用的计算机控制系统运行速度越来越高,因而控制板本身也成了一个谐波搅扰源,对控制板的布线也提出了较高的要求。

(2)逆变电源外部搅扰源电网上的污染对电源系统来说是较为严重的搅扰,因为加到电网上的负载千变万化,这些负载或多或少对电网发生谐波搅扰,如大功率设备的使用使电网电压波形发生畸变,偶然要素形成瞬时停电,高频设备的开启形成电网电压波形具有高频脉冲、尖峰脉冲成分。

别的在焊接车间内,因为不同焊接电源在使用时接地线可能相互连接,因而如不采纳相应的办法,高频成分的谐波信号很容易窜入控制系统,使电源不能正常工作,乃至损坏。

2.谐波的特色及损害

弧焊逆变电源以其高效率电能转换着称,跟着功率控制器材向实用化和大容量化方向发展,弧焊逆变电源也将跨入高频化、大容量的时代。弧焊逆变电源对电网来说,本质上是一个大的整流电源,因为电力电子器材在换流过程中发生前后沿很陡的脉冲,从而引发了严重的谐波搅扰。逆变电源的输入电流是一种尖角波,使电网中含有很多高次谐波。高次电压和电流谐波之间存在严重相移,导致焊机的功率因数很低。低频畸变问题是当前电力电子设备的一个共性问题，在通讯职业、家电职业都已引起相当的注重。别的,逆变焊机多选用硬开关方法,在功率元件的开关过程中不可避免地对空间发生谐波搅扰。这些搅扰经近场和远场耦合形成传导搅扰,严重污染周围电磁环境和电源环境,这不仅会使逆变电路自身的可靠性降低，并且会使电网及临近设备运行质量受到严重影响。

弧焊逆变电源常用的谐波按捺办法

1.无源滤波器(PassiveFilter,简称PF)

传统的谐波按捺和无功功率补偿的办法是电力无源滤波技能,又称间接滤除法,即便用电力电容器等无源器材构成无源滤波器,与需求补偿的非线性负载并联,为谐波供给一个低阻通路,一起供给负载所需的无功功率。具体而言是将畸变的50Hz正弦波分解成基涉及相关的各次主谐波成分,然后采用串联的谐振原理，将由L，C(或者还有R)组成的各次滤波支路调谐(或偏调谐)到各主要谐波频率构成低阻通道而将其滤除。它是在已产生谐波的状况下,被动地防御,减轻谐波对电气设备的危害。

无源滤波计划本钱低,技能成熟，可是也存在以下不足：(1)滤波作用受体系阻抗的影响；(2)由于其谐振频率固定,关于频率偏移的状况作用欠好；(3)与体系阻抗可能产生串联或并联谐振,造成过负荷。在中小功率场合，正逐步被有源滤波器所替代。

2.有源滤波器(ActiveFilter,简称AF)早在20世纪70年代初,就有学者提出有源功率滤波器的基本原理,但由于其时缺乏大功率开关元件和相应的操控技能,只能用线性放大器等办法产生补偿电流,存在着功率低、本钱高、难以大容量化等致命缺点而未能实用化。跟着电力半导体开关元件性能的进步,以及相应的PWM技能的发展,使得研制大容量低损耗的谐波电流产生器成为可能,从而使有源滤波技能走向实用化,当体系中呈现谐波产生源时,用某种办法产生一个和谐波电流巨细相等、相位相反的补偿电流,且和成为谐波产生源的电路并联连接来抵消谐波产生源的谐波,使直流侧的电流仅为基波重量,不含有谐波成分。当谐波产生源产生的谐波不能被预计出是何种高次谐波电流,且随时产生改变时,则有必要从负载电流il中检测出谐波电流ih信号,经检测后的谐波电流ih信号,通过调制器进行调制,并按制定的办法转换为开关办法操控电流逆变器作业办法,使电流逆变器产生补偿电流并注入到电路中,以便抵消谐波电流逆变主电路一般采用DC/AC全桥式逆变器电路,其中的开关元件可用GTO、GTR、SIT或IGBT等大功率可控型电力半导体元件,借助开关元件的通断,操控输出电流波形,产生所需的补偿电流。

电力有源滤波器作为按捺电网谐波和补偿无功功率，改善电网供电质量最有期望的一种电力设备，与无源电力滤波器比较,具有以下长处：(1)实现了动态补偿，可对频率和巨细都改变的谐波以及改变的无功功率进行补偿，对补偿目标的改变有极快的响应；(2)可一起对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的巨细可做到接连调理；(3)补偿无功功率时不需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量也不大；(4)即便补偿目标电流过大，电力有源滤波器也不会产生过载，并能正常发挥补偿作用；(5)受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗产生谐振；(6)能盯梢电网频率的改变，故补偿性能不受频率改变的影响；(7)既可对一个谐波和无功功率独自补偿，也可对多个谐波和无功功率集中补偿。

软开关技能

跟着电力电子技能向着高频率、高功率密度方向发展,硬开关作业办法的开关损耗及谐波搅扰问题日益突出。从进步变换功率、器材利用率,增强电磁兼容性以及设备可靠性着眼，软开关技能对任何开关功率变换器都是有益的。在某些特殊状况(如有功率密度要求或散热条件约束场合)下尤为必要。在无源与有源两大类软开关技能中，不使用额定开关元件、检测手法和操控策略的无源办法有着附加本钱低，可靠性、变换功率及性能价格比高级诸多优势,在工业界单端变换器制造范畴基本确立了干流位置。对拓扑结构而言，串电感和并电容的办法是仅有的无源软开关手法，由此演化而来的所谓无源软开关技能，实际上就是无损耗吸收技能。就桥式逆变电路而言，从前期的耗能式吸收到后来提出的部分馈能式、无损耗计划，都存在负载依赖性强，作业频率规模窄，附加应力高，网络过于杂乱等问题，实用性较差。一起在开关功率器材模块化潮流下，可供放置吸收元件的空间越来越小，适于逆变模块的无损耗吸收技能也很少见诸文献。总的来看，适用于逆变模块化的无源吸收技能因其特殊结构和难度而仍处在进一步研讨和发展中 [1]  。