弧焊逆變電源的諧波分析

1.諧波產(chǎn)生原因

自第一臺(tái)300A晶閘管弧焊逆變電源以來(lái),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(chǎng)效應(yīng)逆變以及IGBT逆變,其容量和性能大大提高,弧焊逆變電源已成為工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(diǎn),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(jī)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(gè)強(qiáng)電和弱電組合的系統(tǒng)。在焊接過(guò)程中,焊接電流可達(dá)到幾百甚至上千安培。因電流會(huì)產(chǎn)生較大的電磁場(chǎng),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(kāi)關(guān)等均會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波干擾。

其次,鎢極氬弧焊機(jī)如果采用高頻引弧時(shí),由于焊機(jī)利用頻率達(dá)幾十萬(wàn)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(gè)很強(qiáng)的諧波干擾源。對(duì)于計(jì)算機(jī)控制的智能化弧焊逆變電源來(lái)說(shuō),由于采用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行速度越來(lái)越高,因此控制板本身也成了一個(gè)諧波干擾源,對(duì)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(duì)電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(duì)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(shí)停電,高頻設(shè)備的開(kāi)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(shí)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(hào)很容易竄入控制系統(tǒng),使電源不能正常工作,甚至損壞。

2.諧波的特點(diǎn)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(shí)代?；『改孀冸娫磳?duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō),本質(zhì)上是一個(gè)大的整流電源,由于電力電子器件在換流過(guò)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(jī)的功率因數(shù)很低。低頻畸變問(wèn)題是當(dāng)前電力電子設(shè)備的一個(gè)共性問(wèn)題，在通信行業(yè)、家電行業(yè)都已引起相當(dāng)?shù)闹匾暋Ａ硗?逆變焊機(jī)多采用硬開(kāi)關(guān)方式,在功率元件的開(kāi)關(guān)過(guò)程中不可避免地對(duì)空間產(chǎn)生諧波干擾。這些干擾經(jīng)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)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(huì)使逆變電路自身的可靠性降低，而且會(huì)使電網(wǎng)及臨近設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。