使逆变焊机高效节能的电源设计方案

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前言

逆变焊机已经普及应用，较之晶闸管整流式焊机在提高效率、缩小体积、减少质量等方面有了很大改进。但是采用普通仪表测得的逆变焊机(特别是单相220 V逆变焊机)的AC/DC的电效率其实是很低的，这并不是因逆变器本身的损耗和发热所致，而是由于它的高次谐波电流降低了焊机的功率因数，而且高次谐波电流对电网造成了很大的污染和破坏。随着逆变焊机和其他类似逆变电源(如不停电供电电源UPS、通信开关型电源)的使用越来越多、越来越普及，供电系统损耗增大，供电质量下降，已经引起了国家有关方面的重视。其实早在20世纪90年代，欧美国家就已经相继制定了市售电气设备用电的高次谐波电流的限制标准，如IEC555-2、IEClooO一3、国际电工委员会61000—3—2和VDE0838厄N5006等标准，这些标准的制定强迫设备制造厂家必须采用谐波抑制技术。我国坚持科学发展观，重视电网的质量，焊机将制定EMC标准，估计不久的将来，EMC标准中的谐波限制标准将会强迫实施。

逆变焊机是单相电源的逆变焊机，ACmC的实测效率为什么总是很低?这一方面与测量方法和计算方法有很大关系，但另一方面，其实质是电容输入的整流电源是一个非线性负载，它使供电线路的电流发生了严重畸变，进而导致电压的波形畸变所致。为了说明这个问题，下面以一个最基本的电容输入整流器电路为例来加以分析，电容输入滤波整流电路如图1所示。

在图l中可以看出，AC电源的电流k波形是脉冲波形，由于该脉冲电流的影响，使得交流电压波形也发生了畸变。电容输入滤波的电容量，要按负载大小和滤波器纹波电压大小的要求而定。一般来说，负载越重，要求电容量越大;要求整流纹波电压值越低，所需要的电容量越大。另一方面，滤波电容量越大，导致脉冲电流峰值，P越高，宽度角越小，整流电压配才能提高。电容器电压以与交流电压的有效值之比称为整流比。在工程设计中都追求较高的整流比，所采用的基本方法是加大滤波电容量，这样就使供电线路电流产生严重畸变，降低了用电的功率因数。

1 电容输入整流负载功率因数

正弦交流系统中，线性电路的功率因数PF定义为：

按照功率因数PF的上述定义，在非线性电路系统中，电容输入整流负载的PF为：

根据谐波分析原理：

根据电工学原理，高次谐波电流的平均功率为零，所以：

Kd为畸变因数，代表基波电流相对于总电流的比值，Kd：

除了基波电流，t之外，其他高次谐波电流的均方根值以无代表，称为总谐波电流。电工学中定义的总谐波畸变系数删D，是以百分比表示的总谐波电流与基波电流之比：

功率因数PF与总谐波畸变系数THD之间的关系：

电容输入整流器负载线路上的脉冲电流相对予电压量不产生相移，此时PF为：

用谐波分析仪测得THD，即可用式(9)计算出PF，这种方法较为复杂。在没有谐波分析仪的条件下，还可用另一种简单实用的方法计算功率因数。

在图1中，用电流传感器LEM测得脉冲电流k，然后将宽度为0角的脉冲电流近似看成一个矩形波电流，该电流的均方根值(有效值)为

，n=0.9bx/0/Ⅱ，用该电流乘以输入电压，即为线路的输入功率，它与直流输出功率Po之比，即为该非线性电路的功率因数巩电容输入整流器负载的功率因数随耳和p变化，如果昂减小，0增大，可获得较高的PF，反之则PF较低。普通电容输入整流器负载的功率因数一般在0.5-0.7。

2 有源功率因数校正器

迄今为止，改善功率因数的方法主要有三种：

(1)在电容输入整流器的电容器之前加串联电感器(或称无源滤波器)，抑制峰值电流，使电流脉冲平缓，可以将功率因数提高到0.8-0.9，但是电感笨重，较少采用此方法。

(2)电力有源滤波器(APF)。这是电力系统采取的节能和提高电网供电质量的措施，它是一种无功功率补偿器装置。

(3)有源功率因数校正器(APFC或PFC)。

在逆变器和供电线路之间插入PFC，可以使供电线路的电流波形接近正弦，起到预稳压的作用，使逆变器负载(包括逆变焊机)的功率因数提高到0.99。在单相电源系统中，这种方法已经成为各种电源设备的节能、绿色设计的主要方法。

有源功率因数校正器是一个升压型(Boost-upchopper)斩波器，斩波器的输出直流电压必须高于整流输入电压峰值。在220 V交流系统中，这个升压器的输出电压应选择为380--400V，其基本电路如图2所示。

从主电路看，它与一般的DC/DC升压斩波器是一样的。一般DC/DC中的Boost电路，其输出电压与输入电压之比遵循

可以看出D越大，升压比越高。有源功率因数校正器的输入电压与输出电压之比仍然符合上述法则。不同的是，其控制方法要比普通Boos