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(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)達國家焊接設備的主流產(chǎn)品�；『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，導致電流波形畸變，產(chǎn)生大量的高次諧波。高次電壓和電流諧波之間存在嚴重相移，導致焊機的功率因數很低。諧波產(chǎn)生的原因主要有以下兩方面因素：

(1)逆變電源內部干擾源逆變電源是一個(gè)強電和弱電組合的系統。在焊接過(guò)程中，焊接電流可達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中，整流管整流，高頻變壓器漏磁，控制系統振蕩，高頻引弧，功率管開(kāi)關(guān)等均會(huì )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(shí)，由于焊機利用頻率達幾十萬(wàn)赫茲，電壓高達數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)很強的諧波干擾源。對于計算機控制的智能化弧焊逆變電源來(lái)說(shuō)，由于采用的計算機控制系統運行速度越來(lái)越高，因此控制板本身也成了一個(gè)諧波干擾源，對控制板的布線(xiàn)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來(lái)說(shuō)是較為嚴重的干擾，由于加到電網(wǎng)上的負載千變萬(wàn)化，這些負載或多或少對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾，如大功率設備的使用使電網(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(chē)間內，由于不同焊接電源在使用時(shí)接地線(xiàn)可能相互連接，因此如不采取相應的措施，高頻成分的諧波信號很容易竄入控制系統，使電源不能正常工作，甚至損壞。

1.2諧波的特點(diǎn)及危害

弧焊逆變電源以其高效率電能轉換著(zhù)稱(chēng)，隨著(zhù)功率控制器件向實(shí)用化和大容量化方向發(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﹄娋W(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重相移，導致焊機的功率因數很低。低頻畸變問(wèn)題是當前電力電子設備的一個(gè)共性問(wèn)題，目前在通信行業(yè)、家電行業(yè)都已引起相當的重視。另外，目前逆變焊機多采用硬開(kāi)關(guān)方式，在功率元件的開(kāi)關(guān)過(guò)程中不可避免地對空間產(chǎn)生諧波干擾。這些干擾經(jīng)近場(chǎng)和遠場(chǎng)耦合形成傳導干擾，嚴重污染周?chē)�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)及臨近設備運行質(zhì)量受到嚴重影響。

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(gè)重要問(wèn)題，應該得到足夠的重視。為抑制諧波水平，保證弧焊逆變電源的正常工作，通�？刹捎脼V波方法。根據所用器件及其濾波原理的不同，可分為無(wú)源濾波器和有源濾波器。 2.1無(wú)源濾波器(PassiveFiLTEr，簡(jiǎn)稱(chēng)PF)

傳統的諧波抑制和無(wú)功功率補償的方法是電力無(wú)源濾波技術(shù)，又稱(chēng)間接濾除法，即使用電力電容器等無(wú)源器件構成無(wú)源濾波器，與需要補償的非線(xiàn)性負載并聯(lián)，為諧波提供一個(gè)低阻通路，同時(shí)提供負載所需的無(wú)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諧(或偏調諧)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(dòng)地防御，減輕諧波對電氣設備的危害。

無(wú)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)與系統阻抗可能發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，造成過(guò)負荷。

在中小功率場(chǎng)合，正逐步被有源濾波器所替代。

2.2有源濾波器(ActiveFi1ter，簡(jiǎn)稱(chēng)AF)

早在20世紀70年代初，就有學(xué)者提出有源功率濾波器的基本原理，但由于當時(shí)缺乏大功率開(kāi)關(guān)元件和相應的控制技術(shù)，只能用線(xiàn)性放大器等方法產(chǎn)生補償電流，存在著(zhù)效率低、成本高、難以大容量化等致命弱點(diǎn)而未能實(shí)用化。

隨著(zhù)電力半導體開(kāi)關(guān)元件性能的提高，以及相應的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)走向實(shí)用化，當系統中出現諧波發(fā)生源時(shí)，用某種方法產(chǎn)生一個(gè)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(lái)抵消諧波發(fā)生源的諧波，使直流側的電流僅為基波分量，不含有諧波成分。

當諧波發(fā)生源產(chǎn)生的諧波不能被預計出是何種高次諧波電流，且隨時(shí)發(fā)生變化時(shí)，則必須從負載電流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(guò)調制器進(jìn)行調制，并按制定的方法轉換為開(kāi)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(kāi)關(guān)元件可用GTO、GTR、SIT或IGBT等大功率可控型電力半導體元件，借助開(kāi)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(wú)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(wú)源電力濾波器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)實(shí)現了動(dòng)態(tài)補償，可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無(wú)功功率進(jìn)行補償，對補償對象的變化有極快的響應;

(2)可同時(shí)對諧波和無(wú)功功率進(jìn)行補償，且補償無(wú)功功率的大小可做到連續調節;

(3)補償無(wú)功功率時(shí)不需儲能元件，補償諧波時(shí)所需儲能元件容量也不大;

(4)即使補償對象電流過(guò)大，電力有源濾波器也不會(huì )發(fā)生過(guò)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(gè)諧波和無(wú)功功率單獨補償，也可對多個(gè)諧波和無(wú)功功率集中補償。 3、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

隨著(zhù)電力電子技術(shù)向著(zhù)高頻率、高功率密度方向發(fā)展，硬開(kāi)關(guān)工作方式的開(kāi)關(guān)損耗及諧波干擾問(wèn)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(zhù)眼，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)對任何開(kāi)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(chǎng)合)下尤為必要。在無(wú)源與有源兩大類(lèi)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)中，不使用額外開(kāi)關(guān)元件、檢測手段和控制策略的無(wú)源方式有著(zhù)附加成本低，可靠性、變換效率及性能價(jià)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。對拓撲結構而言，串電感和并電容的方法是唯一的無(wú)源軟開(kāi)關(guān)手段，由此演變而來(lái)的所謂無(wú)源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，實(shí)際上就是無(wú)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(lái)提出的部分饋能式、無(wú)損耗方案，都存在負載依賴(lài)性強，工作頻率范圍窄，附加應力高，網(wǎng)絡(luò )過(guò)于復雜等問(wèn)題，實(shí)用性較差。同時(shí)在開(kāi)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(lái)越小，適于逆變模塊的無(wú)損耗吸收技術(shù)也很少見(jiàn)諸文獻�？偟膩�(lái)看，適用于逆變模塊化的無(wú)源吸收技術(shù)因其特殊結構和難度而仍處在進(jìn)一步研究和發(fā)展中。

4、結論

弧焊逆變電源中存在大量諧波，危害嚴重。為了抑制諧波，提高功率因數，必須采取相應的抑制措施。傳統的PF方式存在明顯不足，限制了它的應用，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(lái)越廣泛的應用。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在一定程度上，也可以實(shí)現良好的濾波效果。