弧焊逆變電源的諧波抑制分析
自20世紀(jì)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(jìn)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(jìn)了弧焊電源的進(jìn)一步發(fā)展。逆變電源正是運用這些先進(jìn)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 80%～90%,節(jié)能20%～30%,動態(tài)響應(yīng)速度提高2～3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(jìn)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(yán)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(biāo)準(zhǔn),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(dá)國家焊接設(shè)備的主流產(chǎn)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(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(yán)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(dá)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(dá)幾十萬赫茲,電壓高達(dá)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(yán)重的干擾,由于加到電網(wǎng)上的負(fù)載千變?nèi)f化,這些負(fù)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(yán)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(yán)重相移,導(dǎo)致焊機的功率因數(shù)很低。低頻畸變問題是當(dāng)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(dāng)?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(yuǎn)場耦合形成傳導(dǎo)干擾,嚴(yán)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(yán)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,通常可采用濾波方法。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(fù)載并聯(lián),為諧波提供一個低阻通路,同時提供負(fù)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[2-3]。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(fù)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(jì)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(dāng)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?當(dāng)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、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(dāng)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(fù)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(jìn)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,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[5]:(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(jìn)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(jìn)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?fù)浣Y(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(fù)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)也很少見諸文獻(xiàn)。總的來看,適用于逆變模塊化的無源吸收技術(shù)因其特殊結(jié)構(gòu)和難度而仍處在進(jìn)一步研究和發(fā)展中[6-7]。
4 結(jié)論
弧焊逆變電源中存在大量諧波,危害嚴(yán)重。為了抑制諧波,提高功率因數(shù),必須采取相應(yīng)的抑制措施。傳統(tǒng)的PF方式存在明顯不足,限制了它的應(yīng)用,而 AF方式能彌補PF的不足,有效抑制弧焊逆變電源的諧波,得到了越來越廣泛的應(yīng)用。軟開關(guān)技術(shù)在一定程度上,也可以實現(xiàn)良好的濾波效果。
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