弧焊逆变电源的谐波抑制分析

摘要:针对弧焊逆变电源谐波产生的原因、特点及危害,介绍了无源滤波器、有源滤波器、软开关技术等抑制对策,以及三种谐波抑制措施特点。通过分析指出,传统的无源滤波方式存在不足,而有源滤波能弥补它的不足,另外,软开关技术的应用,在一定程度上也可以达到良好的滤波效果。

关键词:谐波;弧焊逆变电源;无源滤波器;有源滤波器

0 前言

自20世纪70年代以来,随着电力电子技术的不断发展,逆变技术逐步被引进焊接领域。到了80年代,性能优良的大功率电子元器件如功率晶体管、场效应管,IGBT等相继出现,促进了弧焊电源的进一步发展。逆变电源正是运用这些先进的功率电子元器件和逆变技术发展起来的,它比传统的工频整流电源节材80%～90%,节能20%～30%,动态响应速度提高2～3个数量级。由于优点众多,目前逆变电源已成为弧焊电源的主要发展方向之一。但逆变电源发展中还存在不少问题,诸如可靠性与市场管理等,其中尤为重要的是谐波干扰的电磁兼容性(EMC)问题。谐波抑制技术是一个崭新的研究方向,国内外很多专家和学者对谐波的理论和抑制方案进行了研究和探索。受各种条件限制,国内焊机的研制者往往很少考虑产品的电磁兼容性。从1996年开始,欧洲共同体市场对电子产品的电磁兼容性能提出了更严格的要求,解决谐波问题也就更加迫在眉睫。我国虽起步较晚,但也颁布了相应的标准,并规定自2003年8月开始强制执行。

1 弧焊逆变电源的谐波分析

1.1谐波产生原因

自1972年美国研制出第一台300A晶闸管弧焊逆变电源以来,弧焊逆变电源有了很大发展,经历了晶闸管逆变,大功率晶体管逆变,场效应逆变以及IGBT逆变,其容量和性能大大提高,目前弧焊逆变电源已成为工业发达国家焊接设备的主流产品[1]。弧焊逆变电源作为一种典型的电力电子装置,虽然具有体积小、质量轻、控制性能好等优点,但其电路中存在整流和逆变等环节,导致电流波形畸变,产生大量的高次谐波。高次电压和电流谐波之间存在严重相移,导致焊机的功率因数很低。谐波产生的原因主要有以下两方面因素:

(1)逆变电源内部干扰源逆变电源是一个强电和弱电组合的系统。在焊接过程中,焊接电流可达到几百甚至上千安培。因电流会产生较大的电磁场,特别在逆变主电路采用高逆变频率的焊接电源系统中,整流管整流,高频变压器漏磁,控制系统振荡,高频引弧,功率管开关等均会产生较强的谐波干扰。

其次,钨极氩弧焊机如果采用高频引弧时,由于焊机利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间隙形成电弧,因此高频引弧也是一个很强的谐波干扰源。对于计算机控制的智能化弧焊逆变电源来说,由于采用的计算机控制系统运行速度越来越高,因此控制板本身也成了一个谐波干扰源,对控制板的布线也提出了较高的要求。

(2)逆变电源外部干扰源电网上的污染对电源系统来说是较为严重的干扰,由于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干扰,如大功率设备的使用使电网电压波形产生畸变,偶然因素造成瞬时停电,高频设备的开启造成电网电压波形具有高频脉冲、尖峰脉冲成分。另外在焊接车间内,由于不同焊接电源在使用时接地线可能相互连接,因此如不采取相应的措施,高频成分的谐波信号很容易窜入控制系统,使电源不能正常工作,甚至损坏。

1.2谐波的特点及危害

弧焊逆变电源以其高效率电能转换著称,随着功率控制器件向实用化和大容量化方向发展,弧焊逆变电源也将跨入高频化、大容量的时代。弧焊逆变电源对电网来说,本质上是一个大的整流电源,由于电力电子器件在换流过程中产生前后沿很陡的脉冲,从而引发了严重的谐波干扰。逆变电源的输入电流是一种尖角波,使电网中含有大量高次谐波。高次电压和电流谐波之间存在严重相移,导致焊机的功率因数很低。低频畸变问题是当前电力电子设备的一个共性问题,目前在通信行业、家电行业都已引起相当的重视。另外,目前逆变焊机多采用硬开关方式,在功率元件的开关过程中不可避免地对空间产生谐波干扰。这些干扰经近场和远场耦合形成传导干扰,严重污染周围电磁环境和电源环境,这不仅会使逆变电路自身的可靠性降低,而且会使电网及临近设备运行质量受到严重影响。

2 弧焊逆变电源常用的谐波抑制措施

谐波干扰是影响弧焊逆变电源正常工作的一个重要问题,应该得到足够的重视。为抑制谐波水平,保证弧焊逆变电源的正常工作,通常可采用滤波方法。根据所用器件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)

传统的谐波抑制和无功功率补偿的方法是电力无源滤波技术,又称间接滤除法,即使用电