低頻諧波的研發(fā)

1、目錄目錄1一、立項理由21.1國外相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)發(fā)展概況21.2國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)現(xiàn)狀21.3該項目曾列入過哪級哪種科技計劃，取得的階段成果31.4市場需求前景、推廣應(yīng)用領(lǐng)域3二、實施方案32.1技術(shù)特點、關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵工藝32.2實施的具體內(nèi)容和技術(shù)路線92.3實施方式92.4項目進(jìn)度與完成期限92.5與后續(xù)技術(shù)改造計劃的銜接10三、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)103.1與現(xiàn)有產(chǎn)品、技術(shù)、裝備的對比103.2達(dá)到的技術(shù)性能指標(biāo)和參數(shù)103.3采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)113.4 經(jīng)濟(jì)效益分析11一、立項理由1.1國外相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)發(fā)展概況 自20世紀(jì)80年代初推出商用逆變焊接電源以來，逆變焊接電源因體積小、質(zhì)量輕、節(jié)能

2、省材、控制性能好、動態(tài)響應(yīng)快、易于實現(xiàn)焊接過程實時控制等特點，備受用戶青睞。隨著功率器件水平和電源制造工藝的提高，焊接逆變電源的可靠性也得到很大提高，其市場占有率逐年提高，已經(jīng)成為焊接電源發(fā)展的主流方向。 常用逆變焊接電源大都采用前級采用單相或三相不控整流，后接電容濾波，為后級 DCAC 逆變電路提供恒定的直流電壓源的電路結(jié)構(gòu)形式這種不控整流電路結(jié)構(gòu)，因濾波電容的作用，只有當(dāng)輸入端電壓高于直流母線上的電壓時整流二極管上才會有電流流過，也就是說，在一個電周期內(nèi)，二極管的導(dǎo)通角較小，這將造成輸入電流產(chǎn)生較大的畸變 。輸入電流的畸變不僅給電網(wǎng)注入諧波，造成電網(wǎng)污染，同時又降低了逆變焊接電源本身的功率

3、因數(shù)，增加了對供電容量的要求。1.2國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)現(xiàn)狀 在大量使用非同步電氣設(shè)備（電焊機(jī)、點焊機(jī)）的行業(yè)，負(fù)荷具有快速或極快的無功變化需求，無功功率損耗大，三相負(fù)荷不平衡，燃弧、直流裝置會有諧波產(chǎn)生等。如汽車制造廠、船舶、鋼結(jié)構(gòu)、摩托車制造廠等點焊機(jī)、縫焊機(jī)、焊接機(jī)的負(fù)的功率變化非?？?，無功功率波動以致電壓產(chǎn)生波動，致使焊接質(zhì)量變差，生產(chǎn)效率降低，直接導(dǎo)致電焊質(zhì)量變差并影響焊接的生產(chǎn)效率。相對穩(wěn)定的電流能提高焊接質(zhì)量、消除閃爍、充分地利用現(xiàn)有設(shè)備，減少基本費用的開支。汽車、等制造企業(yè)的點焊機(jī)、縫焊機(jī)、焊接機(jī)使用常規(guī)接觸器投切電容器組的補(bǔ)償器，響應(yīng)速度趕不上負(fù)載的變化，系統(tǒng)功率因素總是處于欠

4、補(bǔ)償或處于過補(bǔ)償狀態(tài)，達(dá)不到補(bǔ)償無功功率的目的。由于常規(guī)無功補(bǔ)償裝置不能發(fā)揮作用，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，增加了電能損耗，供電變壓器容量的實際使用率只有50%以下我公司自主研發(fā)的TSC低壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置是采用晶閘管作為投切開關(guān)，且在10ms內(nèi)快速響應(yīng),并實時跟蹤負(fù)荷無功變化需求而自動補(bǔ)償無功的裝置。該裝置能有效改善用電負(fù)荷的功率因數(shù)，具有顯著的節(jié)能效果；同時在TSC系統(tǒng)中采用專用的電抗器，可有效抑制諧波放大、并及時吸收諧波電流，進(jìn)而達(dá)到諧波治理的目的。如果使用普通的接觸器投切電容器組，會產(chǎn)生極大的浪涌電流、極慢的補(bǔ)償時間、高的維護(hù)費用和短的使用壽命。我公司生產(chǎn)的TSC（TSF）可以在補(bǔ)償?shù)耐瑫r又

5、濾除諧波的功能，對2次、3次、5次、7次等主要特征諧波，進(jìn)行有效的濾除。1.3該項目曾列入過哪級哪種科技計劃，取得的階段成果 獲得發(fā)明專利1項（名稱：逆變焊機(jī)用實現(xiàn)焊機(jī)空載、輕載時軟開關(guān)裝置，專利號：ZL200410036435.8），實用新型1項（名稱：一種低諧波輸入電流電容濾波的三相整流電路，專利號：ZL200720023159.0；），外觀設(shè)計1項（名稱：焊機(jī)控制板（NBC），專利號：ZL200530136225.1）。1.4市場需求前景、推廣應(yīng)用領(lǐng)域焊接占金屬加工量的三分之一，焊接電源是實現(xiàn)焊接的主要設(shè)備。隨著焊接設(shè)備應(yīng)用越來越多，大家對變頻器引起諧波問題越來越重視，低諧波變頻器在很多

6、應(yīng)用場合嶄露頭角，為設(shè)備提供精確控制和節(jié)約能源的同時，也提供一個良好干凈的用電環(huán)境。如：大型船舶上安裝較大功率的變頻器，而且由于供電容量限制，諧波對系統(tǒng)危害嚴(yán)重，低諧波變頻器能夠適用這種應(yīng)用場合的要求。此外，半導(dǎo)體工業(yè)對電力系統(tǒng)的諧波要求極為嚴(yán)苛，對大功率變頻器要求諧波很低，低諧波變頻器尤其適用于此場合。二、實施方案2.1技術(shù)特點、關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵工藝2.1.1技術(shù)特點1. 采用晶閘管作為投切開關(guān)，響應(yīng)速度快。2、采用專用電抗器，可有效抑制諧波放大，吸收諧波電流。3. 焊機(jī)主回路采用移相諧振軟開關(guān)電路，開關(guān)損耗小，功率因數(shù)大。4. 焊機(jī)與無功補(bǔ)償裝置一體，使用方便，用戶無需對供電設(shè)施做任何改動，

7、就可以實現(xiàn)無功補(bǔ)償，諧波抑制，確保焊增質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。2.1.2 關(guān)鍵技術(shù)及工藝關(guān)鍵技術(shù)一：采用晶閘管作為投切開關(guān)，響應(yīng)速度快無功補(bǔ)償是當(dāng)前電能質(zhì)量治理最為突出、緊迫的問題。目前普遍采用的裝置主要為靜止無功補(bǔ)償器（SVC）。它主要包括：晶閘管投切電容型無功補(bǔ)償器（TSC）、晶閘管控制電抗型無功補(bǔ)償器（TCR）及磁閥控制電抗型無功補(bǔ)償器（MCR）。TSC型無功補(bǔ)償轉(zhuǎn)置，采用晶閘管開關(guān)器件分組投切電容器技術(shù)改變裝置的無功出力，相比于TCR、MCR方式的無功補(bǔ)償裝置具有損耗小、成本低、安裝維護(hù)方便、可靠性高、應(yīng)用范圍寬、技術(shù)成熟等特點，是目前無功補(bǔ)償領(lǐng)域的主力軍。按照電容分組投切開關(guān)的類型，TS

8、C 型的補(bǔ)償裝置可以分為：機(jī)械開關(guān)、復(fù)合開關(guān)及采用電力電子無觸點開關(guān)投切。由于采用電力電子無觸點開關(guān)投切其能在每個周波內(nèi)無應(yīng)力打開、關(guān)斷，采用此開關(guān)的 TSC 型無功補(bǔ)償裝置可以做到系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)目焖佟⒕_，使系統(tǒng)運行于較高的功率因數(shù)下，有效的解決電力傳輸中的線損、設(shè)備容量能力，改善用戶端的電壓降低等特點，逐漸成為目前電容分組投切型無功補(bǔ)償設(shè)備的性能最為優(yōu)越的開關(guān)器件。電力電子無觸點開關(guān)可采用的器件有SCR、GTO、IGBT、IGCT、IEGT等，一般情況下，基于無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用及成本考慮，目前主要以晶閘管器件為主。 為了準(zhǔn)確獲取晶閘管的端電壓信號，本設(shè)用比例放大器進(jìn)行差分采樣，電路原理如圖1所

9、示圖中的ESD為靜電保護(hù)芯片，其內(nèi)阻遠(yuǎn)小于采樣電阻Rs及反饋電阻Rf，電阻R1與Rf阻值相同。采樣信號來自晶閘管的K1、K2端，電壓分別記為 Vk1 、Vk2。根據(jù)運放電路的工作原理，差分運放的輸出電壓信號VSAM，滿足下式： VSAM=(VK2-VK1 )*RF/R1 +VREF1 （1） 圖1 晶閘管端電壓的差分采樣原理圖 晶閘管的驅(qū)動信號需要采取電氣隔離措施，目前常見的隔離方式有光耦隔離及變壓器隔離兩種。變壓器隔離具有速度快，隔離強(qiáng)度高等特點，本設(shè)計采用變壓器對驅(qū)動信號進(jìn)行隔離。由于變壓器只能傳遞交流信號，因此需要將將過零點脈沖與高頻脈沖信號進(jìn)行疊加，使變壓器將控制信號傳遞至晶閘管控制端

10、。高頻脈沖信號發(fā)生及其與觸發(fā)脈沖的疊加信號采用如圖2所示的電路處理，圖中U1A為斯密特觸發(fā)器，其與C1、R1構(gòu)成震蕩電路，產(chǎn)生高頻脈沖，U1C、U1D完成觸發(fā)脈沖與高頻信號的疊加，高頻信號的頻率需要與隔離變壓器的特性相匹配。圖2產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖信號經(jīng)過隔離放大電路（如圖3所示）送至晶閘管的控制端。圖3中U2完成信號放大，其 EN 腳由外部輸入，表示是否需要在過零點打開晶閘管開關(guān)，U3為雙路 MOSFET芯片，負(fù)責(zé)對隔離變壓器的驅(qū)動。U2芯片的SEN端采樣MOSFET管的驅(qū)動電流，當(dāng)出現(xiàn)過流時進(jìn)行保護(hù)。 圖2 晶閘管驅(qū)動脈沖信號發(fā)生電路圖3 晶閘管驅(qū)動脈沖信號隔離放大電路 本設(shè)計具有良好的通用性，

11、不僅在晶閘管端電壓存在過零情況下能夠安全、準(zhǔn)確的觸發(fā)晶閘管，當(dāng)晶閘管端電壓偏離電壓零點時，依然能在晶閘管端電壓最小值時將其觸發(fā)，從而保證了系統(tǒng)的無功響應(yīng)時間，同時避免電容電壓的持續(xù)上升問題。試驗結(jié)果表明該晶閘管端電壓過零檢測及觸發(fā)電路具有良好的電氣性能，晶閘管開關(guān)投切準(zhǔn)確、可靠，投切過程不產(chǎn)生電流涌流，相比于傳統(tǒng)的MOC3083晶閘管觸發(fā)電路，在單個周波內(nèi)完全能安全觸發(fā)晶閘管?；谠撚|發(fā)電路設(shè)計的TSC無功補(bǔ)償裝置，能夠做到無功功率的周波響應(yīng)，同時能夠避免由于電壓波動而導(dǎo)致的晶閘管端電壓過零點消失的復(fù)雜工況，可應(yīng)用于中頻爐、電焊機(jī)等快速無功變換的環(huán)境，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，節(jié)約能源。 關(guān)鍵技術(shù)二：

12、采用專用電抗器，有效抑制諧波放大、吸收諧波電流 并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償是電力系統(tǒng)改善功率因素和跳崖的有效措施。然而電力系統(tǒng)中大量非線性負(fù)載的投運，特別是以晶閘管作為換流元件的電力半導(dǎo)體器件，由于它以開關(guān)方式工作，將會引起電網(wǎng)電流、電壓波形的畸變，產(chǎn)生大量高次諧波。而電容器對高次諧波反應(yīng)比較敏感，會對諧波電劉起到放大作用，嚴(yán)重時還會產(chǎn)生諧振，造成電容器自身的損壞或無法工作，還危及附近其他電器設(shè)備的安全。 在具有高次諧波背景中裝設(shè)補(bǔ)償電容器，一般采用在電容器回路中串聯(lián)電抗器的措施，這既不影響電容器的無功補(bǔ)償作用，又能抑制高次諧波。但串聯(lián)電抗器必須考慮電容器接入處電網(wǎng)的諧波背景，絕不可任意組合。只有

13、合理選擇串聯(lián)電抗器的電抗率，使之與電容器進(jìn)行合理匹配，才能有效地起到抑制諧波的作用，并有限制合閘涌流的效果。 1.抑制高次諧波 當(dāng)無功補(bǔ)償電容器接入電網(wǎng)存在有高次諧波時，電容器對n次諧波的容抗降為xc/n，系統(tǒng)電感對n次諧波的感抗升高為nxL。在電網(wǎng)存在有n次諧波電流時，如果符合nxL=xc/n的條件，則將產(chǎn)生n次諧波的諧振現(xiàn)象。其n次諧波電流與基波電流迭加后，使流過電容器的電流驟增，此時產(chǎn)生的過電流必將危及電容器自身安全或無法工作。同時諧波電流在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生的諧波電壓與源電壓迭加后產(chǎn)生過電壓，此過電壓也會威脅到電容器的安全運行。采用并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償而構(gòu)成的電路中，若電容器支路與系統(tǒng)發(fā)

14、生并聯(lián)諧振，此時諧振點的諧振次數(shù)為：n0=xc/（xL+xs）式中： xs系統(tǒng)等值基波短路電抗； xL電抗器基波電抗；xc電容器基波電抗； （xL=Axc，A為電抗率）從上式看出，串入電抗器電感量越大，則諧波次數(shù)n0越低，因而可通過串入電抗器電感量的大小來控制并聯(lián)諧振點，從而達(dá)到避開諧波源中的各次諧波。由此可見，在補(bǔ)償電容器回路中串聯(lián)一定電抗率的電抗器，即能有效地避開諧振點。在電容器接入處電網(wǎng)存在高次諧波時，當(dāng)諧波次數(shù)大于諧振點的諧波次數(shù)時，電容器回路阻抗呈感抗，此時諧波電流全部流入電容器回路中，故而電容器對諧波電流不起放大作用。但在諧波次數(shù)小于諧振點的諧波次數(shù)時，電容器回路阻抗特性呈容性，此

15、時串聯(lián)的電抗器不會起到抑制諧波作用，反而對諧波電流起到放大作用。為此，在電容器回路串聯(lián)的電抗器絕不能任意組合，一定要考慮接入處電網(wǎng)的諧波背景，只有根據(jù)諧波背景選擇合適的電抗率的電抗器，才能起到抑制高次諧波的作用。2.限制合閘涌流 無功補(bǔ)償電容器在投運合閘瞬間，往往會產(chǎn)生沖擊性合閘涌流，這是因為首次合閘的電容器處于未充電狀態(tài)，流入電容器的電流僅受回路阻抗的限制，因該回路處于接近短路狀態(tài)，回路阻抗很小，故而在合閘瞬間往往會產(chǎn)生很大的沖擊涌流。GB50227-95并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范中給出合閘涌流的計算式為：Is=2 Ie(a+xc/xs) =2 Ie(a+sd/QC)式中： Ie電容器組的額定電

16、流； xc電容器組一相容抗值；xs電容器組與電網(wǎng)間電抗值； sd合閘點系統(tǒng)的短路容量；Qc電容器組容量。合閘涌流倍數(shù): K=1+sd/QCK值是隨合閘點短路容量的增大及電容器組容量的減小而增大，一般為310倍。電容器組回路加裝串聯(lián)電抗器后的合閘涌流倍數(shù)為：K=1+xc/（xL+xc）K值是隨母線短路容量的增大，或電抗器占電容器容抗的百分?jǐn)?shù)的增大而大幅度減小。故而在電容回路串聯(lián)合適電抗率的電抗器后，將起到限制合閘涌流的效果。 3.電抗器電抗率的選擇電抗率是電抗器的重要參數(shù)，而電抗率的大小將直接影響它的作用與系統(tǒng)的安全。為能合適的選用電抗率，必須了解電容器接入處電網(wǎng)存在諧波的背景。只有通過實測各次

17、諧波后，才能使用電容器與之串聯(lián)的電抗器相匹配。1) 補(bǔ)償電容器接入處的背景諧波為三次，而且含量已超過或接近標(biāo)準(zhǔn)時，宜選用12%的串聯(lián)電抗器。2) 補(bǔ)償電容器接入處的背景諧波為3次和5次為主，而且兩者含量均較大，宜選用12%與4.5%6%兩種電抗率混裝方式的串聯(lián)電抗器，以保證抑制3次諧波放大為前提。該方案優(yōu)點比全部采用串聯(lián)12%方案可降低無功損耗。 3)當(dāng)補(bǔ)償電容器接入處的背景諧波為3次為主，并含有5次以上諧波，但含量較少，可選用0.1%1%的電抗器。 4)當(dāng)補(bǔ)償電容器接入處的背景諧波以3次和5次為主，但3次諧波含量較少，而5次諧波含量已超過或接近標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)選用5%6%的電抗器。 5)當(dāng)補(bǔ)償電容

18、器接入處的背景諧波為5次及以上時，而且5次諧波含量較大，應(yīng)選用6%的串聯(lián)電抗器。6)當(dāng)補(bǔ)償電容器接入處電網(wǎng)含有多種諧波成分，并且含量都較大時，串聯(lián)單抗器電抗率可按下式確定。此時該電容支路對于較大含量的各次諧波均不會產(chǎn)生放大作用。xL=xc/n2式中：可靠系數(shù)（一般取=1.21.5）； xc電容器組基波電抗； n具有較大含量的最低諧波次數(shù)。2.2實施的具體內(nèi)容和技術(shù)路線 為實現(xiàn)焊機(jī)低諧波功能，我公司在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上采取了一下改進(jìn)措施：.采用新的無功補(bǔ)償裝置，利用晶閘管作為投切開關(guān)，且在10ms內(nèi)快速響應(yīng).采用專用的電抗器，有效抑制諧波放大，并及時吸收諧波電流，進(jìn)而達(dá)到諧波治理的目的2.3實施方式 本項目由濟(jì)寧奧太電氣有限公司完全自主研發(fā)，屬于將科技成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2.4項目進(jìn)度與完成期限本項目從2013年1月開始研發(fā)，預(yù)2013年10月完成研發(fā)。詳細(xì)進(jìn)度安排和完成期限見下表：階段工作名稱主要工作內(nèi)容計劃起止時間一、立項階段1、調(diào)研