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。