使逆變焊機高效節(jié)能的電源設(shè)計方案

標(biāo)簽：電源 高次諧波電流 逆變焊機

前言

逆變焊機已經(jīng)普及應(yīng)用，較之晶閘管整流式焊機在提高效率、縮小體積、減少質(zhì)量等方面有了很大改進(jìn)。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(fā)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(shù)，而且高次諧波電流對電網(wǎng)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(guān)型電源)的使用越來越多、越來越普及，供電系統(tǒng)損耗增大，供電質(zhì)量下降，已經(jīng)引起了國家有關(guān)方面的重視。其實早在20世紀(jì)90年代，歐美國家就已經(jīng)相繼制定了市售電氣設(shè)備用電的高次諧波電流的限制標(biāo)準(zhǔn)，如IEC555-2、IEClooO一3、國際電工委員會61000—3—2和VDE0838厄N5006等標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)的制定強迫設(shè)備制造廠家必須采用諧波抑制技術(shù)。我國堅持科學(xué)發(fā)展觀，重視電網(wǎng)的質(zhì)量，焊機將制定EMC標(biāo)準(zhǔn)，估計不久的將來，EMC標(biāo)準(zhǔn)中的諧波限制標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系，但另一方面，其實質(zhì)是電容輸入的整流電源是一個非線性負(fù)載，它使供電線路的電流發(fā)生了嚴(yán)重畸變，進(jìn)而導(dǎo)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(fā)生了畸變。電容輸入濾波的電容量，要按負(fù)載大小和濾波器紋波電壓大小的要求而定。一般來說，負(fù)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(dǎo)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(shè)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(chǎn)生嚴(yán)重畸變，降低了用電的功率因數(shù)。

1 電容輸入整流負(fù)載功率因數(shù)

正弦交流系統(tǒng)中，線性電路的功率因數(shù)PF定義為：

按照功率因數(shù)PF的上述定義，在非線性電路系統(tǒng)中，電容輸入整流負(fù)載的PF為：

根據(jù)諧波分析原理：

根據(jù)電工學(xué)原理，高次諧波電流的平均功率為零，所以：

Kd為畸變因數(shù)，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(xué)中定義的總諧波畸變系數(shù)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(shù)PF與總諧波畸變系數(shù)THD之間的關(guān)系：

電容輸入整流器負(fù)載線路上的脈沖電流相對予電壓量不產(chǎn)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(fù)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(shù)。

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(shù)鞏電容輸入整流器負(fù)載的功率因數(shù)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(fù)載的功率因數(shù)一般在0.5-0.7。