低頻諧波的研發(fā)

1、目錄目錄1一、立項理由21.1國外相關產(chǎn)品與技術發(fā)展概況21.2國內(nèi)相關產(chǎn)品與技術現(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、推廣應用領域3二、實施方案32.1技術特點、關鍵技術和關鍵工藝32.2實施的具體內(nèi)容和技術路線92.3實施方式92.4項目進度與完成期限92.5與后續(xù)技術改造計劃的銜接10三、技術經(jīng)濟指標103.1與現(xiàn)有產(chǎn)品、技術、裝備的對比103.2達到的技術性能指標和參數(shù)103.3采用的技術標準113.4 經(jīng)濟效益分析11一、立項理由1.1國外相關產(chǎn)品與技術發(fā)展概況 自20世紀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構形式這種不控整流電路結構，因濾波電容的作用，只有當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)相關產(chǎn)品與技術現(xiàn)狀 在大量使用非同步電氣設備（電焊機、點焊機）的行業(yè)，負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、鋼結構、摩托車制造廠等點焊機、縫焊機、焊接機的負的功率變化非?？?，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)有設備，減少基本費用的開支。汽車、等制造企業(yè)的點焊機、縫焊機、焊接機使用常規(guī)接觸器投切電容器組的補償器，響應速度趕不上負載的變化，系統(tǒng)功率因素總是處于欠

4、補償或處于過補償狀態(tài)，達不到補償無功功率的目的。由于常規(guī)無功補償裝置不能發(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)無功補償裝置是采用晶閘管作為投切開關，且在10ms內(nèi)快速響應,并實時跟蹤負荷無功變化需求而自動補償無功的裝置。該裝置能有效改善用電負荷的功率因數(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，進而達到諧波治理的目的。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、極慢的補償時間、高的維護費用和短的使用壽命。我公司生產(chǎn)的TSC（TSF）可以在補償?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：逆變焊機用實現(xiàn)焊機空載、輕載時軟開關裝置，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；），外觀設計1項（名稱：焊機控制板（NBC），專利號：ZL200530136225.1）。1.4市場需求前景、推廣應用領域焊接占金屬加工量的三分之一，焊接電源是實現(xiàn)焊接的主要設備。隨著焊接設備應用越來越多，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、應用場合嶄露頭角，為設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)危害嚴重，低諧波變頻器能夠適用這種應用場合的要求。此外，半導體工業(yè)對電力系統(tǒng)的諧波要求極為嚴苛，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技術特點、關鍵技術和關鍵工藝2.1.1技術特點1. 采用晶閘管作為投切開關，響應速度快。2、采用專用電抗器，可有效抑制諧波放大，吸收諧波電流。3. 焊機主回路采用移相諧振軟開關電路，開關損耗小，功率因數(shù)大。4. 焊機與無功補償裝置一體，使用方便，用戶無需對供電設施做任何改動，

7、就可以實現(xiàn)無功補償，諧波抑制，確保焊增質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。2.1.2 關鍵技術及工藝關鍵技術一：采用晶閘管作為投切開關，響應速度快無功補償是當前電能質(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償器（SVC）。它主要包括：晶閘管投切電容型無功補償器（TSC）、晶閘管控制電抗型無功補償器（TCR）及磁閥控制電抗型無功補償器（MCR）。TSC型無功補償轉置，采用晶閘管開關器件分組投切電容器技術改變裝置的無功出力，相比于TCR、MCR方式的無功補償裝置具有損耗小、成本低、安裝維護方便、可靠性高、應用范圍寬、技術成熟等特點，是目前無功補償領域的主力軍。按照電容分組投切開關的類型，TS

8、C 型的補償裝置可以分為：機械開關、復合開關及采用電力電子無觸點開關投切。由于采用電力電子無觸點開關投切其能在每個周波內(nèi)無應力打開、關斷，采用此開關的 TSC 型無功補償裝置可以做到系統(tǒng)無功補償?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償設備的性能最為優(yōu)越的開關器件。電力電子無觸點開關可采用的器件有SCR、GTO、IGBT、IGCT、IEGT等，一般情況下，基于無功補償?shù)膽眉俺杀究紤]，目前主要以晶閘管器件為主。 為了準確獲取晶閘管的端電壓信號，本設用比例放大器進行差分采樣，電路原理如圖1所

9、示圖中的ESD為靜電保護芯片，其內(nèi)阻遠小于采樣電阻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，隔離強度高等特點，本設計采用變壓器對驅動信號進行隔離。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，U3為雙路 MOSFET芯片，負責對隔離變壓器的驅動。U2芯片的SEN端采樣MOSFET管的驅動電流，當出現(xiàn)過流時進行保護。 圖2 晶閘管驅動脈沖信號發(fā)生電路圖3 晶閘管驅動脈沖信號隔離放大電路 本設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、準確的觸發(fā)晶閘管，當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)的無功響應時間，同時避免電容電壓的持續(xù)上升問題。試驗結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，晶閘管開關投切準確、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。基于該觸發(fā)電路設計的TSC無功補償裝置，能夠做到無功功率的周波響應，同時能夠避免由于電壓波動而導致的晶閘管端電壓過零點消失的復雜工況，可應用于中頻爐、電焊機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。 關鍵技術二：

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)電容器進行無功補償是電力系統(tǒng)改善功率因素和跳崖的有效措施。然而電力系統(tǒng)中大量非線性負載的投運，特別是以晶閘管作為換流元件的電力半導體器件，由于它以開關方式工作，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比較敏感，會對諧波電劉起到放大作用，嚴重時還會產(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備的安全。 在具有高次諧波背景中裝設補償電容器，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 當無功補償電容器接入電網(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)電容器進行無功補償而構成的電路中，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，從而達到避開諧波源中的各次諧波。由此可見，在補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數(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準時，宜選用12%的串聯(lián)電抗器。2) 補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)當補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)當補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準值，應選用5%6%的電抗器。 5)當補償電容

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，應選用6%的串聯(lián)電抗器。6)當補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)容和技術路線 為實現(xiàn)焊機低諧波功能，我公司在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎上采取了一下改進措施：.采用新的無功補償裝置，利用晶閘管作為投切開關，且在10ms內(nèi)快速響應.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，進而達到諧波治理的目的2.3實施方式 本項目由濟寧奧太電氣有限公司完全自主研發(fā)，屬于將科技成果進行轉化實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2.4項目進度與完成期限本項目從2013年1月開始研發(fā)，預2013年10月完成研發(fā)。詳細進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