弧焊设备网侧电流谐波和传导发射的抑制技术

耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻摘要：分析了弧焊设备的输入电流谐波和传导电磁发射的产生原因，介绍了郧月员缘缘苑怨援员园中关于谐波和传导电磁发射的标准限值，并且阐述了输入电流谐波和传导发射的抑制方法。关键词：弧焊设备；电流谐波；传导发射中图分类号：栽郧源猿源，栽晕园猿文献标识码：粤文章编号：员园园员原圆猿园猿穴圆园园怨雪员圆原园园圆苑原园苑第猿怨卷第员圆期圆园园怨年员圆月灾燥造援猿怨晕燥援员圆阅藻糟援圆园园怨耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻陈树君，于洋，韦婉琰，吴日光，白韶军，白立来穴北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京员园园员圆源雪杂怎责责则藻泽泽蚤燥灶贼藻糟澡灶燥造燥早赠燥枣蚤灶责怎贼糟怎则则藻灶贼澡葬则皂燥灶蚤糟葬灶凿糟燥灶凿怎糟贼藻凿藻造藻糟贼则燥鄄皂葬早灶藻贼蚤糟藻皂蚤泽泽蚤燥灶枣燥则葬则糟憎藻造凿蚤灶早藻择怎蚤责皂藻灶贼悦匀耘晕杂澡怎鄄躁怎灶，再哉再葬灶早，宰耘陨宰葬灶鄄赠葬灶，宰哉砸蚤鄄早怎葬灶早，月粤陨杂澡葬燥鄄躁怎灶，月粤陨蕴蚤鄄造葬蚤穴悦燥造造藻早藻燥枣酝藻糟澡葬灶蚤糟葬造耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早驭粤责责造蚤藻凿耘造藻糟贼则燥灶蚤糟泽栽藻糟澡灶燥造燥早赠袁月藻蚤躁蚤灶早哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠燥枣栽藻糟澡灶燥造燥早赠袁月藻蚤躁蚤灶早员园园员圆源袁悦澡蚤灶葬雪粤遭泽贼则葬糟贼院酝藻糟澡葬灶蚤泽皂燥枣蚤灶责怎贼糟怎则则藻灶贼澡葬则皂燥灶蚤糟泽葬灶凿糟燥灶凿怎糟贼藻凿藻造藻糟贼则燥鄄皂葬早灶藻贼蚤糟藻皂蚤泽泽蚤燥灶枣燥则葬则糟憎藻造凿蚤灶早藻择怎蚤责皂藻灶贼蚤泽葬灶葬造赠扎藻凿蚤灶贼澡蚤泽责葬责藻则援杂贼葬灶凿葬则凿造蚤皂蚤贼增葬造怎藻燥枣澡葬则皂燥灶蚤糟葬灶凿糟燥灶凿怎糟贼藻凿藻皂蚤泽泽蚤燥灶蚤灶葬糟糟燥则凿葬灶糟藻憎蚤贼澡郧月员缘缘苑怨援员园蚤泽蚤灶贼则燥凿怎糟藻凿援杂怎责责则藻泽泽蚤燥灶贼藻糟澡灶燥造燥早赠燥枣蚤灶责怎贼糟怎则则藻灶贼澡葬则皂燥灶蚤糟葬灶凿糟燥灶凿怎糟贼藻凿藻造藻糟贼则燥鄄皂葬早灶藻贼蚤糟藻皂蚤泽泽蚤燥灶蚤泽凿蚤泽糟怎泽泽藻凿援运藻赠憎燥则凿泽院葬则糟憎藻造凿蚤灶早藻择怎蚤责皂藻灶贼曰糟怎则则藻灶贼澡葬则皂燥灶蚤糟曰糟燥灶凿怎糟贼藻凿藻皂蚤泽泽蚤燥灶收稿日期院圆园园怨原员圆原园苑作者简介院陈树君穴员怨苑员—雪，男，黑龙江双城人，教授，博士，主要从事新型焊接电源、电力电子技术、电磁兼容技术、电源可靠性及焊接电弧物理等方面的研究工作。园前言在现代制造业的生产装备中，弧焊设备占据着重要的地位。全世界钢产量的缘园豫以上都要经过焊接加工，才能成为最终的产品。但是弧焊设备在工作时不仅会产生有毒气体和金属氧化物烟尘，还会产生较大的电磁污染。从员怨怨远年起，在欧盟市场销售的弧焊设备及其辅助设备必须通过电磁兼容认证，其所依据的标准也从耘晕缘园员怨怨升级到陨耘悦远园怨苑源原员园穴圆园园苑版雪。自我国加入宰栽韵以来，随着中国电焊机产品走向国际市场以及人们对环境健康意识的增强，电焊机的电磁兼容性问题得到普遍的重视。全国电焊机标准化委员会与北京工业大学合作，对我国市场上电焊机的电磁兼容性水平进行了摸底测试，并联合各大电焊机生产厂家进行了弧焊设备电磁兼容性国家标准郧月员缘缘苑怨援员园的起草工作。经过中国质量技术监督局审查，于圆园园愿年员圆月猿员日正式颁布了编号为郧月员缘缘苑怨援员园原圆园园愿的弧焊设备电磁兼容性国家强制标准穴等同于陨耘悦远园怨苑源原员园雪。就此，中国的弧焊设备将耘酝悦要求纳入国家强制性产品认证范围正式提上日程。电焊机的摸底测试结果表明，电焊机的输入电流谐波和传导电磁发射问题是通过耘酝悦标准要求的主要瓶颈。在此论述了谐波和传导电磁发射的产生机理、标准限值，通过合理设计电源的输入电路和耘酝陨滤波电路，以达到郧月员缘缘苑怨援员园标准的谐波和传导发射的限值要求眼员原圆演。员弧焊设备的网侧电流谐波抑制技术员援员输入电流谐波的产生逆变焊接电源对电网来说，本质上是一个大的整流电源，弧焊逆变电源为保证功率变换器输入电压的稳定，一般在整流桥后接有几百到几千滋云的电解电容，在这种大的容性负载下，负载只是在电专题讨论︱︱弧焊设备耘酝悦及焊接环境耘酝云27窑窑PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建筻{耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻注：淤员圆次以下的偶次谐波电流不能超过穴员远辕灶雪豫。大于员圆次的偶次谐波用与奇次谐波相同方法计入栽匀阅和孕宰匀阅值；于允许相邻的砸泽糟藻各值之间采用线性插值；盂陨员为基波电流，陨灶为各次谐波电流。表圆特定条件下的三相平衡专用设备的电流发射限值穴相电流小于等于苑缘粤雪最小砸泽糟藻允许的单个谐波电流陨灶辕陨员辕豫允许的电流谐波畸变率辕豫陨缘陨苑陨员员陨员猿栽匀阅孕宰匀阅猿猿逸员圆园员园援苑源园援园苑援圆圆缘援园猿援员员缘援园圆援园员园援园员猿源愿圆圆源远网电压高于滤波器的电容电压时才从电网吸取电流，导致电源的输入电流是一种尖角波。弧焊逆变电源的输入级一般采用单相或三相不可控整流加电容滤波，输入电流波形在一个供电周期内是两个穴单相雪或四个穴三相雪尖角波。单相焊接逆变电源一种典型的输入电流波形如图员所示眼猿演。图员单相桥式整流电路的结构及输入电压、电流波形在供电系统中，从变电所和电源方面来看，要求能充分利用设备的容量，减少设备损耗；从用户和负载方面来看，要求电网电压的有效值和频率稳定，并且电压的波形尽可能是正弦波。输入电流的谐波畸变严重，电网的配电损耗就越大，严重时会引起电网无功补偿网络的谐振，导致配电事故。同时，输入电流畸变越严重，电源功率因数的畸变因子就越小。而电源的全功率因数是位移因子和畸变因子的乘积。传统的功率因数只表征了位移因子，即基波电压和电流相位差的余弦。而谐波畸变可以使功率因数的畸变因子大大增加，进而导致整流电源等非线性负载的功率因数降低，浪费了电网的供电容量。为提高逆变电源的功率因数，必须采用谐波抑制技术降低输入电流的谐波畸变率。员援圆输入电流谐波的国家标准限值在郧月员缘缘苑怨援员园标准中，单相电源采用郧月员苑远圆缘援员规定的电流发射限值，要求每相电流小于等于员远粤；三相电源采用陨耘悦远员园园园原猿原源穴每相电流大于苑缘粤雪和陨耘悦远员园园园原猿原员圆穴每相电流大于员远粤，小于等于苑缘粤雪规定的电流发射限值，当每相电流不大于员远粤时，标准对谐波电流的绝对值有要求；当每相电流大于员远粤时，对谐波总失真率穴栽匀阅雪和部分谐波失真率穴孕宰匀阅雪也有要求，表员为单相的非专用设备最大允许谐波电流，表圆为在特定条件下的三相平衡专用设备的电流发射限值穴相电流小于等于苑缘粤雪。其特定条件是指：穴员雪缘次谐波电流相对于基波电压相角在怨园毅耀员缘园毅，这种情况通常可以采用不可控整流桥和电容滤波的设备，包括猿豫交流或源豫直流的电抗来实现。穴圆雪设备的自身设计导致缘次谐波相角在园毅耀猿远园毅内没有一个固定的值，这种情况通常针对于带有晶闸管全控整流桥的设备。穴猿雪缘次和苑次谐波电流都小于基波电流的缘豫，这种情况通常用“员圆脉波”整流设备。目前市场上的电焊机基本上都符合标准所指“特定条件”的设备，所以可以采取相对宽松的谐波限值标准。弧焊电源谐波电流发射试验在最大额定焊接电流情况下测试圆皂蚤灶，弧焊电源使用郧月员缘缘苑怨援员规定的标准阻性负载，需测试每种工作模式下的谐波电流发射值。员援猿弧焊设备的谐波抑制谐波抑制技术一般又可分为无源方法和有源方法两大类。无源方法就是在整流桥的交流侧或直流侧安谐波次数灶辕次谐波电流陨辕粤奇次谐波偶次谐波猿缘苑怨员员员猿员缘臆灶臆猿怨猿援源缘员援苑员员援员远园援远园园援缘园园援猿圆园援圆猿伊员缘辕灶圆源远愿臆灶臆源园员援远圆园援远缘园援源缘园援猿缘伊愿辕灶表员非专用设备最大允许谐波电流穴相电流小于等于员远粤雪谐波专题讨论︱︱弧焊设备耘酝悦及焊接环境耘酝云专题讨论第猿怨卷28窑窑PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻放蕴悦滤波器，这是一种传统的补偿无功功率和谐波的手段，其结构简单，对补偿特定频率范围的谐波有一定效果，但是无源滤波器的等级必须与负载的无功功率相当，而且它的补偿特性容易受到电网阻抗和负载变化的影响，并且容易产生电流谐振和电压谐振，造成设备损坏。尤其是对于负载不断变化的焊接电源来说，很难设计一个能够涵盖整个负载范围谐波的蕴悦滤波器。本研究在整流桥的直流侧设计了一个蕴阅悦滤波电路，如图圆所示，可以抑制蕴悦振荡，降低直流线上的电压纹波。同时通过优化参数设置，可以使弧焊逆变电源的功率因数提高到怨缘豫，电流总谐波畸变率低于猿园豫，采用较低的成本达到了表圆规定的谐波限值要求。葬电路原理遭输入相电压和相电流图圆蕴阅悦滤波电路采用有源的方法解决谐波污染问题，是通过电力电子技术来消除输入电压、电流的谐波分量，通过电力电子元件的开关作用，使输入的电压、电流波形接近于正弦波，将其最低次谐波分量移到高频范围，剩余谐波分量用无源滤波的方法就可以很容易的滤除。与无源谐波抑制相比，有源谐波抑制具有明显的优越性，能够对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，而且补偿特性不受电网特性和负载波动的影响。采用有源谐波抑制的方法，可以大幅度提高功率因数，减少逆变电源对电网的谐波污染，同时也可以降低供电变压器的容量。基本思路有两条：一是采用补偿技术，装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对任何谐波源都是有效的；二是采用校正技术，对成为谐波源的电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为员。后者是绿色逆变焊接电源最主要的内容。有源谐波抑制的研究内容主要集中在有源功率因数校正、可控整流和有源滤波三个方面。功率因数校正通常是在桥式整流之后增加一个月燥燥泽贼电路，如图猿所示。通过功率元件的开关作用，使输入电流变成与电网电压几乎完全同相的正弦波，可以使电流畸变率降到缘豫以下，功率因数提高到园援怨怨或更高。图猿月燥燥泽贼孕云悦电路原理工作原理是：功率管灾栽穴由控制电路控制雪导通时，输入电压哉蚤灶全部加在电感蕴上，随着输入电压哉蚤灶的上升，通过电感蕴的电流也随之上升；当功率管关断时，电感产生与输入电压同极性的感应电压哉蕴。此时，功率管两端的电压为哉蚤灶垣哉蕴，该电压通过二极管灾阅送到电容悦。这样，输入电感蕴的平均电流就会跟踪正弦电压的变化，电流波形接近于和电压同相位的正弦波，功率因数近似为员。为实现谐波抑制功能，月燥燥泽贼孕云悦电路的输出电压哉燥必须大于整流器输出的峰值电压。采用这种技术，可以保证每相电流小于等于员远粤的单相非专用弧焊设备满足表员的谐波限值要求。该电路及其变体形式是实现单相输入焊接设备有效的谐波抑制电路，其主要的问题是如何进一步降低成本，提高效率和提高可靠性。三相大功率电路的有源谐波抑制技术一直是国内外电力电子学领域专家们不懈追求的目标，总体来说是从以下三种途径开展研究工作眼源演：穴员雪在成熟的单相功率因数校正电路基础上，开发简单易行的三相功率因数校正技术，将升压电感专题讨论︱︱弧焊设备耘酝悦及焊接环境耘酝云专题讨论陈树君等：弧焊设备网侧电流谐波和传导发射的抑制技术第员圆期29窑窑PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建耘造藻糟贼则蚤糟宰藻造凿蚤灶早酝葬糟澡蚤灶藻和功率开关放在三相整流桥的输入侧，如图源所示，控制每一相的输入电感电流直接跟踪正弦波波形。由于电感直接接在电网的相线上，控制了电感的平均电流跟踪相应的相电压变化就是控制了输入电流的波形跟踪输入电压的变化，使电路在单位功率因数下工作，具有良好的谐波抑制效果。当然，由于电感接在了交流侧，电流流向是正负两个方向，所以要求功率开关元件也是双向的。从整个电路结构来看，是将整流器的交流输入电压升高，整个电路由三套交流的月燥燥泽贼电路组成，在电路工作的每一瞬时，这三套交流的月燥燥泽贼电路都同时在工作，电源的每一相都向输出端提供能量。这个电路也正是利用这一特点来实现三相电路输入电流的谐波抑制。在任一时刻，每一相都接有一