摘要:针对弧焊逆变电源谐波产生的原因、特色及损害,介绍了无源滤波器、有源滤波器、软开关技能等按捺对策,以及三种谐波按捺办法特色。通过剖析指出,传统的无源滤波办法存在缺少,而有源滤波能补偿它的缺少,别的,软开关技能的运用,在必定程度上也能够到达杰出的滤波作用。
关键词:谐波;弧焊逆变电源;无源滤波器;有源滤波器
0 前语
自20世纪70年代以来,跟着电力电子技能的不断开展,逆变技能逐渐被引入焊接范畴。到了80年代,功能优秀的大功率电子元器材如功率晶体管、场效应管,IGBT等相继呈现,促进了弧焊电源的进一步开展。逆变电源正是运用这些先进的功率电子元器材和逆变技能开展起来的,它比传统的工频整流电源节材80%～90%,节能20%～30%,动态呼应速度进步2～3个数量级。因为长处许多,现在逆变电源已成为弧焊电源的首要开展方向之一。但逆变电源开展中还存在不少问题,比如可靠性与商场管理等,其间尤为重要的是谐波搅扰的电磁兼容性(EMC)问题。谐波按捺技能是一个簇新的研讨方向,国内外许多专家和学者对谐波的理论和按捺计划进行了研讨和探究。受各种条件约束,国内焊机的研发者往往很少考虑产品的电磁兼容性。从1996年开端,欧洲共同体商场对电子产品的电磁兼容功能提出了更严厉的要求,处理谐波问题也就愈加火烧眉毛。我国虽起步较晚,但也公布了相应的规范,并规则自2003年8月开端强制执行。
1 弧焊逆变电源的谐波剖析
1.1谐波产生原因
自1972年美国研发出第一台300A晶闸管弧焊逆变电源以来,弧焊逆变电源有了很大开展,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,其容量和功能大大进步,现在弧焊逆变电源已成为工业发达国家焊接设备的干流产品[1]。弧焊逆变电源作为一种典型的电力电子设备,尽管具有体积小、质量轻、操控功能好等长处,但其电路中存在整流和逆变等环节,导致电流波形畸变,产生很多的高次谐波。高次电压和电流谐波之间存在严峻相移,导致焊机的功率因数很低。谐波产生的原因首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体系。在焊接过程中,焊接电流可到达几百乃至上千安培。因电流会产生较大的电磁场,特别在逆变主电路选用高逆变频率的焊接电源体系中,整流管整流,高频变压器漏磁,操控体系振动,高频引弧,功率管开关等均会产生较强的谐波搅扰。
其次,钨极氩弧焊机假如选用高频引弧时,因为焊机运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空隙构成电弧,因而高频引弧也是一个很强的谐波搅扰源。关于计算机操控的智能化弧焊逆变电源来说,因为选用的计算机操控体系运转速度越来越高,因而操控板本身也成了一个谐波搅扰源,对操控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体系来说是较为严峻的搅扰,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产生谐波搅扰,如大功率设备的运用使电网电压波形产生畸变,偶尔要素构成瞬时停电,高频设备的敞开构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运用时接地线或许相互连接,因而如不采纳相应的办法,高频成分的谐波信号很简单窜入操控体系,使电源不能正常作业,乃至损坏。
1.2谐波的特色及损害
弧焊逆变电源以其高功率电能转化著称,跟着功率操控器材向实用化和大容量化方向开展,弧焊逆变电源也将跨入高频化、大容量的年代。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产生前后沿很陡的脉冲,然后引发了严峻的谐波搅扰。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峻相移,导致焊机的功率因数很低。低频畸变问题是其时电力电子设备的一个共性问题,现在在通讯职业、家电职业都已引起适当的注重。别的,现在逆变焊机多选用硬开关办法,在功率元件的开关过程中不可避免地对空间产生谐波搅扰。这些搅扰经近场和远场耦合构成传导搅扰,严峻污染周围电磁环境和电源环境,这不只会使逆变电路本身的可靠性下降,并且会使电网及接近设备运转质量遭到严峻影响。
2 弧焊逆变电源常用的谐波按捺办法
谐波搅扰是影响弧焊逆变电源正常作业的一个重要问题,应该得到满足的注重。为按捺谐波水平,确保弧焊逆变电源的正常作业,一般可选用滤波办法。依据所用器材及其滤波原理的不同,可分为无源滤波器和有源滤波器。
2.1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,又称直接滤除法,即运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。详细而言是将畸变的50Hz正弦波分解成基涉及相关的各次主谐波成分,然后选用串联的谐振原理,将由L,C(或许还有R)组成的各次滤波支路调谐(或偏调谐)到各首要谐波频率构成低阻通道而将其滤除[2-3]。它是在已产生谐波的状况下,被动地防护,减轻谐波对电气设备的损害。
无源滤波计划本钱低,技能老练,可是也存在以下缺少:(1)滤波作用受体系阻抗的影响;(2)因为其谐振频率固定,关于频率偏移的状况作用欠好;(3)与体系阻抗或许产生串联或并联谐振,构成过负荷。
在中小功率场合,正逐渐被有源滤波器所代替。
2.2有源滤波器(ActiveFi1ter,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根本原理,但因为其时缺少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、难以大容量化等丧命缺点而未能实用化。跟着电力半导体开关元件功能的进步,以及相应的PWM技能的开展,使得研发大容量低损耗的谐波电流产生器成为或许,然后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持平、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估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,并按拟定的办法转化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ifm并注入到电路中,以便抵消谐波电流ih逆变主电路一般选用DC/AC全桥式逆变器电路,其间的开关元件可用GTO、GTR、SIT或IGBT等大功率可控型电力半导体元件,凭借开关元件的通断,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,改进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[5]:(1)完成了动态补偿,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呼应;(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,不简单和电网阻抗产生谐振;(6)能盯梢电网频率的改变,故补偿功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会集补偿。
3 软开关技能
跟着电力电子技能向着高频率、高功率密度方向开展,硬开关作业办法的开关损耗及谐波搅扰问题日益突出。从进步改换功率、器材运用率,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改换器都是有利的。在某些特别状况(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,不运用额定开关元件、检测手法和操控战略的无源办法有着附加本钱低,可靠性、改换功率及功能价格比高级许多优势,在工业界单端改换器制作范畴根本确立了干流位置。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,实际上便是无损耗吸收技能。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别结构和难度而仍处在进一步研讨和开展中[6-7]。落后
4 定论
弧焊逆变电源中存在很多谐波,损害严峻。为了按捺谐波,进步功率因数,有必要采纳相应的按捺办法。传统的PF办法存在显着缺少,约束了它的运用,而AF办法能补偿PF的缺少,有用按捺弧焊逆变电源的谐波,得到了越来越广泛的运用。软开关技能在必定程度上,也能够完成杰出的滤波作用。
