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弧焊逆變電源的諧波分析
1.諧波發(fā)生原因
自第一臺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,閱歷了晶閘管逆變,大功率晶體管逆變,場效應逆變以及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)達國家焊接設備的主流產品[1]?；『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、質量輕、控制功能好等長處,但其電路中存在整流和逆變等環(huán)節(jié),導致電流波形畸變,發(fā)生很多的高次諧波。高次電壓和電流諧波之間存在嚴重相移,導致焊機的功率因數(shù)很低。諧波發(fā)生的原因主要有以下兩方面要素:
(1)逆變電源內部攪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,焊接電流可到達幾百乃至上千安培。因電流會發(fā)生較大的電磁場,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,高頻引弧,功率管開關等均會發(fā)生較強的諧波攪擾。
其次,鎢極氬弧焊機假如選用高頻引弧時,因為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，因而高頻引弧也是一個很強的諧波攪擾源。關于計算機控制的智能化弧焊逆變電源來說,因為選用的計算機控制系統(tǒng)運行速度越來越高,因而控制板本身也成了一個諧波攪擾源,對控制板的布線也提出了較高的要求。
(2)逆變電源外部攪擾源電網上的污染對電源系統(tǒng)來說是較為嚴重的攪擾,因為加到電網上的負載千變萬化,這些負載或多或少對電網發(fā)生諧波攪擾,如大功率設備的使用使電網電壓波形發(fā)生畸變,偶然要素形成瞬時停電,高頻設備的開啟形成電網電壓波形具有高頻脈沖、尖峰脈沖成分。
別的在焊接車間內,因為不同焊接電源在使用時接地線可能相互連接,因而如不采納相應的辦法,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,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換著稱,跟著功率控制器材向實用化和大容量化方向發(fā)展,弧焊逆變電源也將跨入高頻化、大容量的時代。弧焊逆變電源對電網來說,本質上是一個大的整流電源,因為電力電子器材在換流過程中發(fā)生前后沿很陡的脈沖,從而引發(fā)了嚴重的諧波攪擾。逆變電源的輸入電流是一種尖角波,使電網中含有很多高次諧波。高次電壓和電流諧波之間存在嚴重相移,導致焊機的功率因數(shù)很低。低頻畸變問題是當前電力電子設備的一個共性問題，在通訊職業(yè)、家電職業(yè)都已引起相當?shù)淖⒅?。別的,逆變焊機多選用硬開關方法,在功率元件的開關過程中不可避免地對空間發(fā)生諧波攪擾。這些攪擾經近場和遠場耦合形成傳導攪擾,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，并且會使電網及臨近設備運行質量受到嚴重影響。
弧焊逆變電源常用的諧波按捺辦法
1.無源濾波器(PassiveFilter,簡稱PF)
傳統(tǒng)的諧波按捺和無功功率補償?shù)霓k法是電力無源濾波技能,又稱間接濾除法,即便用電力電容器等無源器材構成無源濾波器,與需求補償?shù)姆蔷€性負載并聯(lián),為諧波供給一個低阻通路,一起供給負載所需的無功功率。具體而言是將畸變的50Hz正弦波分解成基涉及相關的各次主諧波成分,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諧(或偏調諧)到各主要諧波頻率構成低阻通道而將其濾除。它是在已產生諧波的狀況下,被動地防御,減輕諧波對電氣設備的危害。
無源濾波計劃本錢低,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,關于頻率偏移的狀況作用欠好；(3)與體系阻抗可能產生串聯(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.有源濾波器(ActiveFilter,簡稱AF)早在20世紀70年代初,就有學者提出有源功率濾波器的基本原理,但由于其時缺乏大功率開關元件和相應的操控技能,只能用線性放大器等辦法產生補償電流,存在著功率低、本錢高、難以大容量化等致命缺點而未能實用化。跟著電力半導體開關元件性能的進步,以及相應的PWM技能的發(fā)展,使得研制大容量低損耗的諧波電流產生器成為可能,從而使有源濾波技能走向實用化,當體系中呈現(xiàn)諧波產生源時,用某種辦法產生一個和諧波電流巨細相等、相位相反的補償電流,且和成為諧波產生源的電路并聯(lián)連接來抵消諧波產生源的諧波,使直流側的電流僅為基波重量,不含有諧波成分。當諧波產生源產生的諧波不能被預計出是何種高次諧波電流,且隨時產生改變時,則有必要從負載電流il中檢測出諧波電流ih信號,經檢測后的諧波電流ih信號,通過調制器進行調制,并按制定的辦法轉換為開關辦法操控電流逆變器作業(yè)辦法,使電流逆變器產生補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,其中的開關元件可用GTO、GTR、SIT或IGBT等大功率可控型電力半導體元件,借助開關元件的通斷,操控輸出電流波形,產生所需的補償電流。
電力有源濾波器作為按捺電網諧波和補償無功功率，改善電網供電質量最有期望的一種電力設備，與無源電力濾波器比較,具有以下長處：(1)實現(xiàn)了動態(tài)補償，可對頻率和巨細都改變的諧波以及改變的無功功率進行補償，對補償目標的改變有極快的響應；(2)可一起對諧波和無功功率進行補償，且補償無功功率的巨細可做到接連調理；(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)即便補償目標電流過大，電力有源濾波器也不會產生過載，并能正常發(fā)揮補償作用；(5)受電網阻抗的影響不大，不容易和電網阻抗產生諧振；(6)能盯梢電網頻率的改變，故補償性能不受頻率改變的影響；(7)既可對一個諧波和無功功率獨自補償，也可對多個諧波和無功功率集中補償。
軟開關技能
跟著電力電子技能向著高頻率、高功率密度方向發(fā)展,硬開關作業(yè)辦法的開關損耗及諧波攪擾問題日益突出。從進步變換功率、器材利用率,增強電磁兼容性以及設備可靠性著眼，軟開關技能對任何開關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合)下尤為必要。在無源與有源兩大類軟開關技能中，不使用額定開關元件、檢測手法和操控策略的無源辦法有著附加本錢低，可靠性、變換功率及性能價格比高級諸多優(yōu)勢,在工業(yè)界單端變換器制造范疇基本確立了干流位置。對拓撲結構而言，串電感和并電容的辦法是僅有的無源軟開關手法，由此演化而來的所謂無源軟開關技能，實際上就是無損耗吸收技能。就橋式逆變電路而言，從前期的耗能式吸收到后來提出的部分饋能式、無損耗計劃，都存在負載依賴性強，作業(yè)頻率規(guī)模窄，附加應力高，網絡過于雜亂等問題，實用性較差。一起在開關功率器材模塊化潮流下，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能也很少見諸文獻?？偟膩砜?，適用于逆變模塊化的無源吸收技能因其特殊結構和難度而仍處在進一步研討和發(fā)展中 [1] 。
弧焊逆變電源的諧波分析
1.諧波發(fā)生原因
自第一臺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,閱歷了晶閘管逆變,大功率晶體管逆變,場效應逆變以及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)達國家焊接設備的主流產品[1]?；『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、質量輕、控制功能好等長處,但其電路中存在整流和逆變等環(huán)節(jié),導致電流波形畸變,發(fā)生很多的高次諧波。高次電壓和電流諧波之間存在嚴重相移,導致焊機的功率因數(shù)很低。諧波發(fā)生的原因主要有以下兩方面要素:
(1)逆變電源內部攪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,焊接電流可到達幾百乃至上千安培。因電流會發(fā)生較大的電磁場,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,高頻引弧,功率管開關等均會發(fā)生較強的諧波攪擾。
其次,鎢極氬弧焊機假如選用高頻引弧時,因為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，因而高頻引弧也是一個很強的諧波攪擾源。關于計算機控制的智能化弧焊逆變電源來說,因為選用的計算機控制系統(tǒng)運行速度越來越高,因而控制板本身也成了一個諧波攪擾源,對控制板的布線也提出了較高的要求。
(2)逆變電源外部攪擾源電網上的污染對電源系統(tǒng)來說是較為嚴重的攪擾,因為加到電網上的負載千變萬化,這些負載或多或少對電網發(fā)生諧波攪擾,如大功率設備的使用使電網電壓波形發(fā)生畸變,偶然要素形成瞬時停電,高頻設備的開啟形成電網電壓波形具有高頻脈沖、尖峰脈沖成分。
別的在焊接車間內,因為不同焊接電源在使用時接地線可能相互連接,因而如不采納相應的辦法,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,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換著稱,跟著功率控制器材向實用化和大容量化方向發(fā)展,弧焊逆變電源也將跨入高頻化、大容量的時代。弧焊逆變電源對電網來說,本質上是一個大的整流電源,因為電力電子器材在換流過程中發(fā)生前后沿很陡的脈沖,從而引發(fā)了嚴重的諧波攪擾。逆變電源的輸入電流是一種尖角波,使電網中含有很多高次諧波。高次電壓和電流諧波之間存在嚴重相移,導致焊機的功率因數(shù)很低。低頻畸變問題是當前電力電子設備的一個共性問題，在通訊職業(yè)、家電職業(yè)都已引起相當?shù)淖⒅?。別的,逆變焊機多選用硬開關方法,在功率元件的開關過程中不可避免地對空間發(fā)生諧波攪擾。這些攪擾經近場和遠場耦合形成傳導攪擾,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，并且會使電網及臨近設備運行質量受到嚴重影響。
弧焊逆變電源常用的諧波按捺辦法
1.無源濾波器(PassiveFilter,簡稱PF)
傳統(tǒng)的諧波按捺和無功功率補償?shù)霓k法是電力無源濾波技能,又稱間接濾除法,即便用電力電容器等無源器材構成無源濾波器,與需求補償?shù)姆蔷€性負載并聯(lián),為諧波供給一個低阻通路,一起供給負載所需的無功功率。具體而言是將畸變的50Hz正弦波分解成基涉及相關的各次主諧波成分,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諧(或偏調諧)到各主要諧波頻率構成低阻通道而將其濾除。它是在已產生諧波的狀況下,被動地防御,減輕諧波對電氣設備的危害。
無源濾波計劃本錢低,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,關于頻率偏移的狀況作用欠好；(3)與體系阻抗可能產生串聯(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.有源濾波器(ActiveFilter,簡稱AF)早在20世紀70年代初,就有學者提出有源功率濾波器的基本原理,但由于其時缺乏大功率開關元件和相應的操控技能,只能用線性放大器等辦法產生補償電流,存在著功率低、本錢高、難以大容量化等致命缺點而未能實用化。跟著電力半導體開關元件性能的進步,以及相應的PWM技能的發(fā)展,使得研制大容量低損耗的諧波電流產生器成為可能,從而使有源濾波技能走向實用化,當體系中呈現(xiàn)諧波產生源時,用某種辦法產生一個和諧波電流巨細相等、相位相反的補償電流,且和成為諧波產生源的電路并聯(lián)連接來抵消諧波產生源的諧波,使直流側的電流僅為基波重量,不含有諧波成分。當諧波產生源產生的諧波不能被預計出是何種高次諧波電流,且隨時產生改變時,則有必要從負載電流il中檢測出諧波電流ih信號,經檢測后的諧波電流ih信號,通過調制器進行調制,并按制定的辦法轉換為開關辦法操控電流逆變器作業(yè)辦法,使電流逆變器產生補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,其中的開關元件可用GTO、GTR、SIT或IGBT等大功率可控型電力半導體元件,借助開關元件的通斷,操控輸出電流波形,產生所需的補償電流。
電力有源濾波器作為按捺電網諧波和補償無功功率，改善電網供電質量最有期望的一種電力設備，與無源電力濾波器比較,具有以下長處：(1)實現(xiàn)了動態(tài)補償，可對頻率和巨細都改變的諧波以及改變的無功功率進行補償，對補償目標的改變有極快的響應；(2)可一起對諧波和無功功率進行補償，且補償無功功率的巨細可做到接連調理；(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)即便補償目標電流過大，電力有源濾波器也不會產生過載，并能正常發(fā)揮補償作用；(5)受電網阻抗的影響不大，不容易和電網阻抗產生諧振；(6)能盯梢電網頻率的改變，故補償性能不受頻率改變的影響；(7)既可對一個諧波和無功功率獨自補償，也可對多個諧波和無功功率集中補償。
軟開關技能
跟著電力電子技能向著高頻率、高功率密度方向發(fā)展,硬開關作業(yè)辦法的開關損耗及諧波攪擾問題日益突出。從進步變換功率、器材利用率,增強電磁兼容性以及設備可靠性著眼，軟開關技能對任何開關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合)下尤為必要。在無源與有源兩大類軟開關技能中，不使用額定開關元件、檢測手法和操控策略的無源辦法有著附加本錢低，可靠性、變換功率及性能價格比高級諸多優(yōu)勢,在工業(yè)界單端變換器制造范疇基本確立了干流位置。對拓撲結構而言，串電感和并電容的辦法是僅有的無源軟開關手法，由此演化而來的所謂無源軟開關技能，實際上就是無損耗吸收技能。就橋式逆變電路而言，從前期的耗能式吸收到后來提出的部分饋能式、無損耗計劃，都存在負載依賴性強，作業(yè)頻率規(guī)模窄，附加應力高，網絡過于雜亂等問題，實用性較差。一起在開關功率器材模塊化潮流下，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能也很少見諸文獻?？偟膩砜?，適用于逆變模塊化的無源吸收技能因其特殊結構和難度而仍處在進一步研討和發(fā)展中 [1] 。
