1、1弧焊逆變電源的諧波分析1.1 諧波產生原因自第一臺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

2、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，鴇極氮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

3、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

4、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，又稱問 接濾除法，即

5、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

6、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PWMJ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

7、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

8、:(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，用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