弧焊逆變電源諧波產(chǎn)生的原因特點及危害

1、無源濾波器、有源濾波器、軟開關(guān)技術(shù)等抑制對策摘要：針對弧焊逆變電源諧波產(chǎn)生的原因、特點及危害，介紹了無源濾波器、有源濾波器、軟開關(guān)技術(shù)等抑制對策，以及三種諧波抑制措施特點。通過分析指出，傳統(tǒng)的無源濾波方式存在不足，而有源濾波能彌補它的不足，另外，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，在一定程度上也可以達到良好的濾波效果。前言自20世紀70年代以來，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，逆變技術(shù)逐步被引進焊接領(lǐng)域。到了80年代,性能優(yōu)良的大功率電子元器件如功率晶體管、場效應(yīng)管，IGBT等相繼出現(xiàn),促進了弧焊電源的進一步發(fā)展。逆變電源正是運用這些先進的功率電子元器件和逆變技術(shù)發(fā)展起來的，它比傳統(tǒng)的工頻整流電源節(jié)材8090，節(jié)能

2、2030，動態(tài)響應(yīng)速度提高23個數(shù)量級。由于優(yōu)點眾多，目前逆變電源已成為弧焊電源的主要發(fā)展方向之一。但逆變電源發(fā)展中還存在不少問題，諸如可靠性與市場管理等，其中尤為重要的是諧波干擾的電磁兼容性(EMC)問題。諧波抑制技術(shù)是一個嶄新的研究方向，國內(nèi)外很多專家和學(xué)者對諧波的理論和抑制方案進行了研究和探索。受各種條件限制,國內(nèi)焊機的研制者往往很少考慮產(chǎn)品的電磁兼容性。從 1996年開始，歐洲共同體市場對電子產(chǎn)品的電磁兼容性能提出了更嚴格的要求，解決諧波問題也就更加迫在眉睫。我國雖起步較晚,但也頒布了相應(yīng)的標準,并規(guī)定自2003年8月開始強制執(zhí)行。1弧焊逆變電源的諧波分析1.1諧波產(chǎn)生原因自1972年

3、美國研制出第一臺300A晶閘管弧焊逆變電源以來，弧焊逆變電源有了很大發(fā)展，經(jīng)歷了晶閘管逆變，大功率晶體管逆變，場效應(yīng)逆變以及IGBT逆變,其容量和性能大大提高，目前弧焊逆變電源已成為工業(yè)發(fā)達國家焊接設(shè)備的主流產(chǎn)品?；『改孀冸娫醋鳛橐环N典型的電力電子裝置,雖然具有體積小、質(zhì)量輕、控制性能好等優(yōu)點，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,產(chǎn)生大量的高次諧波。高次電壓和電流諧波之間存在嚴重相移，導(dǎo)致焊機的功率因數(shù)很低。諧波產(chǎn)生的原因主要有以下兩方面因素：(1)逆變電源內(nèi)部干擾源逆變電源是一個強電和弱電組合的系統(tǒng)。在焊接過程中，焊接電流可達到幾百甚至上千安培。因電流會產(chǎn)生較大的電磁場,特別在

4、逆變主電路采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)振蕩，高頻引弧，功率管開關(guān)等均會產(chǎn)生較強的諧波干擾。其次，鎢極氬弧焊機如果采用高頻引弧時，由于焊機利用頻率達幾十萬赫茲,電壓高達數(shù)千伏的高頻高壓擊穿空氣間隙形成電弧，因此高頻引弧也是一個很強的諧波干擾源。對于計算機控制的智能化弧焊逆變電源來說,由于采用的計算機控制系統(tǒng)運行速度越來越高，因此控制板本身也成了一個諧波干擾源，對控制板的布線也提出了較高的要求。(2)逆變電源外部干擾源電網(wǎng)上的污染對電源系統(tǒng)來說是較為嚴重的干擾,由于加到電網(wǎng)上的負載千變?nèi)f化,這些負載或多或少對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾,如大功率設(shè)備的使用使電網(wǎng)電壓波形

5、產(chǎn)生畸變,偶然因素造成瞬時停電,高頻設(shè)備的開啟造成電網(wǎng)電壓波形具有高頻脈沖、尖峰脈沖成分。另外在焊接車間內(nèi),由于不同焊接電源在使用時接地線可能相互連接,因此如不采取相應(yīng)的措施,高頻成分的諧波信號很容易竄入控制系統(tǒng),使電源不能正常工作,甚至損壞。1.2諧波的特點及危害弧焊逆變電源以其高效率電能轉(zhuǎn)換著稱,隨著功率控制器件向?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、大容量的時代?；『改孀冸娫磳﹄娋W(wǎng)來說,本質(zhì)上是一個大的整流電源,由于電力電子器件在換流過程中產(chǎn)生前后沿很陡的脈沖,從而引發(fā)了嚴重的諧波干擾。逆變電源的輸入電流是一種尖角波,使電網(wǎng)中含有大量高次諧波。高次電壓和電流諧波之間存在嚴

6、重相移,導(dǎo)致焊機的功率因數(shù)很低。低頻畸變問題是當前電力電子設(shè)備的一個共性問題,目前在通信行業(yè)、家電行業(yè)都已引起相當?shù)闹匾?。另?目前逆變焊機多采用硬開關(guān)方式,在功率元件的開關(guān)過程中不可避免地對空間產(chǎn)生諧波干擾。這些干擾經(jīng)近場和遠場耦合形成傳導(dǎo)干擾,嚴重污染周圍電磁環(huán)境和電源環(huán)境,這不僅會使逆變電路自身的可靠性降低,而且會使電網(wǎng)及臨近設(shè)備運行質(zhì)量受到嚴重影響。2弧焊逆變電源常用的諧波抑制措施諧波干擾是影響弧焊逆變電源正常工作的一個重要問題,應(yīng)該得到足夠的重視。為抑制諧波水平,保證弧焊逆變電源的正常工作,通?？刹捎脼V波方法。根據(jù)所用器件及其濾波原理的不同,可分為無源濾波器和有源濾波器。2.1無源濾

7、波器(PassiveFilter,簡稱PF)傳統(tǒng)的諧波抑制和無功功率補償?shù)姆椒ㄊ请娏o源濾波技術(shù),又稱間接濾除法,即使用電力電容器等無源器件構(gòu)成無源濾波器,與需要補償?shù)姆蔷€性負載并聯(lián),為諧波提供一個低阻通路,同時提供負載所需的無功功率。具體而言是將畸變的50Hz正弦波分解成基波及相關(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)到各主要諧波頻率形成低阻通道而將其濾除。它是在已產(chǎn)生諧波的情況下,被動地防御,減輕諧波對電氣設(shè)備的危害。無源濾波方案成本低,技術(shù)成熟,但是也存在以下不足:(1)濾波效果受系統(tǒng)阻抗的影響；(2)由于其諧振頻率固定,對于

8、頻率偏移的情況效果不好；(3)與系統(tǒng)阻抗可能發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振,造成過負荷。在中小功率場合,正逐步被有源濾波器所替代。2.2有源濾波器(ActiveFi1ter,簡稱AF)早在20世紀70年代初,就有學(xué)者提出有源功率濾波器的基本原理,但由于當時缺乏大功率開關(guān)元件和相應(yīng)的控制技術(shù),只能用線性放大器等方法產(chǎn)生補償電流,存在著效率低、成本高、難以大容量化等致命弱點而未能實用化。隨著電力半導(dǎo)體開關(guān)元件性能的提高, 以及相應(yīng)的PWM技術(shù)的發(fā)展,使得研制大容量低損耗的諧波電流發(fā)生器成為可能,從而使有源濾波技術(shù)走向?qū)嵱没?。有源濾波器的基本原理,當系統(tǒng)中出現(xiàn)諧波發(fā)生源時,用某種方法產(chǎn)生一個和諧波電流大小相等、

9、相位相反的補償電流,且和成為諧波發(fā)生源的電路并聯(lián)連接來抵消諧波發(fā)生源的諧波,使直流側(cè)的電流僅為基波分量,不含有諧波成分。當諧波發(fā)生源產(chǎn)生的諧波不能被預(yù)計出是何種高次諧波電流,且隨時發(fā)生變化時,則必須從負載電流il 中檢測出諧波電流ih信號,經(jīng)檢測后的諧波電流ih信號,經(jīng)過調(diào)制器進行調(diào)制,并按制定的方法轉(zhuǎn)換為開關(guān)方式控制電流逆變器工作方式,使電流逆變器產(chǎn)生補償電流ifm并注入到電路中,以便抵消諧波電流ih。逆變主電路一般采用DC/AC全橋式逆變器電路,如圖3所示。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,控制輸出電流波形,產(chǎn)生所需的補償電

10、流。電力有源濾波器作為抑制電網(wǎng)諧波和補償無功功率,改善電網(wǎng)供電質(zhì)量最有希望的一種電力裝置,與無源電力濾波器相比,具有以下優(yōu)點：(1)實現(xiàn)了動態(tài)補償,可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進行補償,對補償對象的變化有極快的響應(yīng)；(2)可同時對諧波和無功功率進行補償,且補償無功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)；(3)補償無功功率時不需儲能元件,補償諧波時所需儲能元件容量也不大；(4)即使補償對象電流過大,電力有源濾波器也不會發(fā)生過載,并能正常發(fā)揮補償作用；(5)受電網(wǎng)阻抗的影響不大,不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振；(6)能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化,故補償性能不受頻率變化的影響；(7)既可對一個諧波和無功功率單獨

11、補償,也可對多個諧波和無功功率集中補償。3軟開關(guān)技術(shù)隨著電力電子技術(shù)向著高頻率、高功率密度方向發(fā)展,硬開關(guān)工作方式的開關(guān)損耗及諧波干擾問題日益突出。從提高變換效率、器件利用率,增強電磁兼容性以及裝置可靠性著眼,軟開關(guān)技術(shù)對任何開關(guān)功率變換器都是有益的。在某些特殊情況(如有功率密度要求或散熱條件限制場合)下尤為必要。在無源與有源兩大類軟開關(guān)技術(shù)中,不使用額外開關(guān)元件、檢測手段和控制策略的無源方式有著附加成本低,可靠性、變換效率及性能價格比高等諸多優(yōu)勢,在工業(yè)界單端變換器制造領(lǐng)域基本確立了主流地位。對拓撲結(jié)構(gòu)而言,串電感和并電容的方法是唯一的無源軟開關(guān)手段,由此演變而來的所謂無源軟開關(guān)技術(shù),實際上就是無損耗吸收技術(shù)。就橋式逆變電路而言,從早期的耗能式吸收到后來提出的部分饋能式、無損耗方案,都存在負載依賴性強,工作頻率范圍窄,附加應(yīng)力高,網(wǎng)絡(luò)過于復(fù)雜等問題,實用性較差。同時在開關(guān)功率器件模塊化潮流下,可供放置吸收元件的空間越來越小,適于逆變模塊的無損耗吸收技術(shù)也很少見諸文