使逆變焊機高效節能的電源設計方案

標簽：電源 高次諧波電流 逆變焊機

前言

逆變焊機已經普及應用，較之晶閘管整流式焊機在提高效率、縮小體積、減少質量等方面有了很大改進。但是采用普通儀表測得的逆變焊機(特別是單相220 V逆變焊機)的AC/DC的電效率其實是很低的，這并不是因逆變器本身的損耗和發熱所致，而是由于它的高次諧波電流降低了焊機的功率因數，而且高次諧波電流對電網造成了很大的污染和破壞。隨著逆變焊機和其他類似逆變電源(如不停電供電電源UPS、通信開關型電源)的使用越來越多、越來越普及，供電系統損耗增大，供電質量下降，已經引起了國家有關方面的重視。其實早在20世紀90年代，歐美國家就已經相繼制定了市售電氣設備用電的高次諧波電流的限制標準，如IEC555-2、IEClooO一3、國際電工委員會61000—3—2和VDE0838厄N5006等標準，這些標準的制定強迫設備制造廠家必須采用諧波抑制技術。我國堅持科學發展觀，重視電網的質量，焊機將制定EMC標準，估計不久的將來，EMC標準中的諧波限制標準將會強迫實施。

逆變焊機是單相電源的逆變焊機，ACmC的實測效率為什么總是很低?這一方面與測量方法和計算方法有很大關系，但另一方面，其實質是電容輸入的整流電源是一個非線性負載，它使供電線路的電流發生了嚴重畸變，進而導致電壓的波形畸變所致。為了說明這個問題，下面以一個最基本的電容輸入整流器電路為例來加以分析，電容輸入濾波整流電路如圖1所示。

在圖l中可以看出，AC電源的電流k波形是脈沖波形，由于該脈沖電流的影響，使得交流電壓波形也發生了畸變。電容輸入濾波的電容量，要按負載大小和濾波器紋波電壓大小的要求而定。一般來說，負載越重，要求電容量越大;要求整流紋波電壓值越低，所需要的電容量越大。另一方面，濾波電容量越大，導致脈沖電流峰值，P越高，寬度角越小，整流電壓配才能提高。電容器電壓以與交流電壓的有效值之比稱為整流比。在工程設計中都追求較高的整流比，所采用的基本方法是加大濾波電容量，這樣就使供電線路電流產生嚴重畸變，降低了用電的功率因數。

1 電容輸入整流負載功率因數

正弦交流系統中，線性電路的功率因數PF定義為：

按照功率因數PF的上述定義，在非線性電路系統中，電容輸入整流負載的PF為：

根據諧波分析原理：

根據電工學原理，高次諧波電流的平均功率為零，所以：

Kd為畸變因數，代表基波電流相對于總電流的比值，Kd：

除了基波電流，t之外，其他高次諧波電流的均方根值以無代表，稱為總諧波電流。電工學中定義的總諧波畸變系數刪D，是以百分比表示的總諧波電流與基波電流之比：

功率因數PF與總諧波畸變系數THD之間的關系：

電容輸入整流器負載線路上的脈沖電流相對予電壓量不產生相移，此時PF為：

用諧波分析儀測得THD，即可用式(9)計算出PF，這種方法較為復雜。在沒有諧波分析儀的條件下，還可用另一種簡單實用的方法計算功率因數。

在圖1中，用電流傳感器LEM測得脈沖電流k，然后將寬度為0角的脈沖電流近似看成一個矩形波電流，該電流的均方根值(有效值)為

，n=0.9bx/0/Ⅱ，用該電流乘以輸入電壓，即為線路的輸入功率，它與直流輸出功率Po之比，即為該非線性電路的功率因數鞏電容輸入整流器負載的功率因數隨耳和p變化，如果昂減小，0增大，可獲得較高的PF，反之則PF較低。普通電容輸入整流器負載的功率因數一般在0.5-0.7。