弧焊逆變電源的諧波分析

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,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。

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，在通信行業、家電行業都已引起相當的重視。另外,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。