弧焊逆變電源諧波的產(chǎn)生與抑制分析

　　前 言

　　自20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，逆變技術(shù)逐步被引進(jìn)焊接領(lǐng)域。到了80年代，性能優(yōu)良的大功率電子元器件如功率晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管，IGBT等相繼出現(xiàn)，促進(jìn)了弧焊電源的進(jìn)一步發(fā)展。逆變電源正是運(yùn)用這些先進(jìn)的功率電子元器件和逆變技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，它比傳統(tǒng)的工頻整流電源節(jié)材80%～90%，節(jié)能20%～30%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度提高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。由于優(yōu)點(diǎn)眾多，目前逆變電源已成為弧焊電源的主要發(fā)展方向之一。但逆變電源發(fā)展中還存在不少問(wèn)題，諸如可靠性與市場(chǎng)管理等，其中尤為重要的是諧波干擾的電磁兼容性（EMC） 問(wèn)題。諧波抑制技術(shù)是一個(gè)嶄新的研究方向，國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)諧波的理論和抑制方案進(jìn)行了研究和探索。受各種條件限制，國(guó)內(nèi)焊機(jī)的研制者往往很少考慮產(chǎn)品的電磁兼容性。從1996年開(kāi)始，歐洲共同體市場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)品的電磁兼容性能提出了更嚴(yán)格的要求，解決諧波問(wèn)題也就更加迫在眉睫。我國(guó)雖起步較晚，但也頒布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定自2003年8月開(kāi)始強(qiáng)制執(zhí)行。

　　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(guó)研制出第一臺(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，目前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］。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(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：

　?。?）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。

　?。?）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(chē)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。

　　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?；『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，目前在通信行業(yè)、家電行業(yè)都已引起相當(dāng)?shù)闹匾?。另外，目前逆變焊機(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?chē)姶怒h(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(wèn)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(wú)源濾波器和有源濾波器。

　　2.1 無(wú)源濾波器（PassiveFiLTEr，簡(jiǎn)稱PF）

　　傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ请娏o(wú)源濾波技術(shù)，又稱間接濾除法，即使用電力電容器等無(wú)源器件構(gòu)成無(wú)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(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(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(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(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(guò)負(fù)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(kāi)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(kāi)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?，?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(lái)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(cè)出諧波電流ih信號(hào)，經(jīng)檢測(cè)后的諧波電流ih信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，并按制定的方法轉(zhuǎn)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(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(kāi)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(kāi)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(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)［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(wú)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(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償無(wú)功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié);（3）補(bǔ)償無(wú)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(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(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(wú)功功率單獨(dú)補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無(wú)功功率集中補(bǔ)償。

　　3 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

　　隨著電力電子技術(shù)向著高頻率、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(qiáng)電磁兼容性以及裝置可靠性著眼，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)對(duì)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(cè)手段和控制策略的無(wú)源方式有著附加成本低，可靠性、變換效率及性能價(jià)格比高等諸多優(yōu)勢(shì)，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(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(fù)載依賴性強(qiáng)，工作頻率范圍窄，附加應(yīng)力高，網(wǎng)絡(luò)過(guò)于復(fù)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(xiàn)?？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(jié)構(gòu)和難度而仍處在進(jìn)一步研究和發(fā)展中。

　　4 結(jié)論

　　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(lái)越廣泛的應(yīng)用。軟開(kāi)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。