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(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。弧焊逆變電源對(duì)電網(wǎng)來說,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。低頻畸變問題是當(dāng)前電力電子設(shè)備的一個(gè)共性問題,目前在通信行業(yè)、家電行業(yè)都已引起相當(dāng)?shù)闹匾?。另?目前逆變焊機(jī)多采用硬開關(guān)方式,在功率元件的開關(guān)過程中不可避免地對(duì)空間產(chǎn)生諧波干擾。這些干擾經(jīng)近場和遠(yuǎn)場耦合形成傳導(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。

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)重要問題,應(yīng)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(jù)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(tǒng)的諧波抑制和無功功率補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ请娏o源濾波技術(shù),又稱間接濾除法,即使用電力電容器等無源器件構(gòu)成無源濾波器,與需要補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)載并聯(lián),為諧波提供一個(gè)低阻通路,同時(shí)提供負(fù)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(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(diào)諧(或偏調(diào)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(duì)電氣設(shè)備的危害。

無源濾波方案成本低,技術(shù)成熟,但是也存在以下不足:(1)濾波效果受系統(tǒng)阻抗的影響;(2)由于其諧振頻率固定,對(duì)于頻率偏移的情況效果不好;(3)與系統(tǒng)阻抗可能發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振,造成過負(fù)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(jì)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(dāng)時(shí)缺乏大功率開關(guān)元件和相應(yīng)的控制技術(shù),只能用線性放大器等方法產(chǎn)生補(bǔ)償電流,存在著效率低、成本高、難以大容量化等致命弱點(diǎn)而未能實(shí)用化。隨著電力半導(dǎo)體開關(guān)元件性能的提高,以及相應(yīng)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?qū)嵱没?當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)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(bǔ)償電流,且和成為諧波發(fā)生源的電路并聯(lián)連接來抵消諧波發(fā)生源的諧波,使直流側(cè)的電流僅為基波分量,不含有諧波成分。當(dāng)諧波發(fā)生源產(chǎn)生的諧波不能被預(yù)計(jì)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(fù)載電流il中檢測出諧波電流ih信號(hào),經(jīng)檢測后的諧波電流ih信號(hào),經(jīng)過調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制,并按制定的方法轉(zhuǎn)換為開關(guān)方式控制電流逆變器工作方式,使電流逆變器產(chǎn)生補(bǔ)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(guān)元件可用GTO、GTR、SIT或IGBT等大功率可控型電力半導(dǎo)體元件,借助開關(guān)元件的通斷,控制輸出電流波形,產(chǎn)生所需的補(bǔ)償電流。電力有源濾波器作為抑制電網(wǎng)諧波和補(bǔ)償無功功率,改善電網(wǎng)供電質(zhì)量最有希望的一種電力裝置,與無源電力濾波器相比,具有以下優(yōu)點(diǎn)[5]:(1)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,可對(duì)頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償,對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng);(2)可同時(shí)對(duì)諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償,且補(bǔ)償無功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié);(3)補(bǔ)償無功功率時(shí)不需儲(chǔ)能元件,補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件容量也不大;(4)即使補(bǔ)償對(duì)象電流過大,電力有源濾波器也不會(huì)發(fā)生過載,并能正常發(fā)揮補(bǔ)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(bǔ)償性能不受頻率變化的影響;(7)既可對(duì)一個(gè)諧波和無功功率單獨(dú)補(bǔ)償,也可對(duì)多個(gè)諧波和無功功率集中補(bǔ)償。

弧焊逆變電源中存在大量諧波,危害嚴(yán)重。為了抑制諧波,提高功率因數(shù),必須采取相應(yīng)的抑制措施。傳統(tǒng)的PF方式存在明顯不足,限制了它的應(yīng)用,而AF方式能彌補(bǔ)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(yīng)用。軟開關(guān)技術(shù)在一定程度上,也可以實(shí)現(xiàn)良好的濾波效果。