弧焊逆變電源的諧波抑制分析
自20世紀70年代以來,隨著電力電子技術的不斷發展,逆變技術逐步被引進焊接領域。到了80年代,性能優良的大功率電子元器件如功率晶體管、場效應管,IGBT等相繼出現,促進了弧焊電源的進一步發展。逆變電源正是運用這些先進的功率電子元器件和逆變技術發展起來的,它比傳統的工頻整流電源節材 80%～90%,節能20%～30%,動態響應速度提高2～3個數量級。由于優點眾多,目前逆變電源已成為弧焊電源的主要發展方向之一。但逆變電源發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。諧波抑制技術是一個嶄新的研究方向,國內外很多專家和學者對諧波的理論和抑制方案進行了研究和探索。受各種條件限制,國內焊機的研制者往往很少考慮產品的電磁兼容性。從1996年開始,歐洲共同體市場對電子產品的電磁兼容性能提出了更嚴格的要求,解決諧波問題也就更加迫在眉睫。我國雖起步較晚,但也頒布了相應的標準,并規定自2003年8月開始強制執行。
1 弧焊逆變電源的諧波分析
1.1諧波產生原因
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展,經歷了晶閘管逆變,大功率晶體管逆變,場效應逆變以及 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發達國家焊接設備的主流產品[1]。弧焊逆變電源作為一種典型的電力電子裝置,雖然具有體積小、質量輕、控制性能好等優點,但其電路中存在整流和逆變等環節,導致電流波形畸變,產生大量的高次諧波。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強電和弱電組合的系統。在焊接過程中,焊接電流可達到幾百甚至上千安培。因電流會產生較大的電磁場,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,功率管開關等均會產生較強的諧波干擾。
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幾十萬赫茲,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上的污染對電源系統來說是較為嚴重的干擾,由于加到電網上的負載千變萬化,這些負載或多或少對電網產生諧波干擾,如大功率設備的使用使電網電壓波形產生畸變,偶然因素造成瞬時停電,高頻設備的開啟造成電網電壓波形具有高頻脈沖、尖峰脈沖成分。另外在焊接車間內,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諧波的特點及危害
弧焊逆變電源以其高效率電能轉換著稱,隨著功率控制器件向實用化和大容量化方向發展,弧焊逆變電源也將跨入高頻化、大容量的時代。弧焊逆變電源對電網來說,本質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生前后沿很陡的脈沖,從而引發了嚴重的諧波干擾。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。低頻畸變問題是當前電力電子設備的一個共性問題,目前在通信行業、家電行業都已引起相當的重視。另外,目前逆變焊機多采用硬開關方式,在功率元件的開關過程中不可避免地對空間產生諧波干擾。這些干擾經近場和遠場耦合形成傳導干擾,嚴重污染周圍電磁環境和電源環境,這不僅會使逆變電路自身的可靠性降低,而且會使電網及臨近設備運行質量受到嚴重影響。
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重要問題,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,通常可采用濾波方法。根據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)
傳統的諧波抑制和無功功率補償的方法是電力無源濾波技術,又稱間接濾除法,即使用電力電容器等無源器件構成無源濾波器,與需要補償的非線性負載并聯,為諧波提供一個低阻通路,同時提供負載所需的無功功率。具體而言是將畸變的50Hz正弦波分解成基波及相關的各次主諧波成分,然后采用串聯的諧振原理,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]。它是在已產生諧波的情況下,被動地防御,減輕諧波對電氣設備的危害。
無源濾波方案成本低,技術成熟,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)與系統阻抗可能發生串聯或并聯諧振,造成過負荷。 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70年代初,就有學者提出有源功率濾波器的基本原理,但由于當時缺乏大功率開關元件和相應的控制技術,只能用線性放大器等方法產生補償電流,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。
隨著電力半導體開關元件性能的提高,以及相應的PWM技術的發展,使得研制大容量低損耗的諧波電流發生器成為可能,從而使有源濾波技術走向實用化,當系統中出現諧波發生源時,用某種方法產生一個和諧波電流大小相等、相位相反的補償電流,且和成為諧波發生源的電路并聯連接來抵消諧波發生源的諧波,使直流側的電流僅為基波分量,不含有諧波成分。
當諧波發生源產生的諧波不能被預計出是何種高次諧波電流,且隨時發生變化時,則必須從負載電流il中檢測出諧波電流ih信號,經檢測后的諧波電流 ih信號,經過調制器進行調制,并按制定的方法轉換為開關方式控制電流逆變器工作方式,使電流逆變器產生補償電流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,借助開關元件的通斷,控制輸出電流波形,產生所需的補償電流。
電力有源濾波器作為抑制電網諧波和補償無功功率,改善電網供電質量最有希望的一種電力裝置,與無源電力濾波器相比,具有以下優點[5]:(1)實現了動態補償,可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進行補償,對補償對象的變化有極快的響應;(2)可同時對諧波和無功功率進行補償,且補償無功功率的大小可做到連續調節;(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生過載,并能正常發揮補償作用;(5)受電網阻抗的影響不大,不容易和電網阻抗發生諧振;(6)能跟蹤電網頻率的變化,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 軟開關技術
隨著電力電子技術向著高頻率、高功率密度方向發展,硬開關工作方式的開關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,軟開關技術對任何開關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技術中,不使用額外開關元件、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勢,在工業界單端變換器制造領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源軟開關手段,由此演變而來的所謂無源軟開關技術,實際上就是無損耗吸收技術。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,都存在負載依賴性強,工作頻率范圍窄,附加應力高,網絡過于復雜等問題,實用性較差。同時在開關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也很少見諸文獻。總的來看,適用于逆變模塊化的無源吸收技術因其特殊結構和難度而仍處在進一步研究和發展中[6-7]。
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,得到了越來越廣泛的應用。軟開關技術在一定程度上,也可以實現良好的濾波效果。
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