有源功率因数校正技术在焊接设备上的应用

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1、2011焊接技术论坛有源功率因数校正技术在焊接设备上的应用孙腾鲍云杰赵智江宋朝乐（北京时代科技股份有限公司北京100085）摘要：焊接设备国家标准的实施要求焊机研发工作必须考虑设备的电磁兼容性。本文分析了焊接设备电磁骚扰的来源、危害以及解决方法，研制了等离子切割机功率因数校正电路，实验证明电路有效提高了功率因数，降低了谐波含量。关键词：电磁兼容APFCUC38540.引言与“水、气、渣、声”等传统环境污染不同，“电磁污染”对人体健康的潜在危害严重。逆变焊接设备因具有节能、成型好、控制精度高、热效率高等优点，是焊接电源的重要发展方向。逆变焊接电

2、源通常采用二极管接电容进行整流，电容起到滤波的作用并且容量很大，因此产生一个网侧尖峰电流，导致设备功率因数低，谐波含量大，污染电网，降低用户供电变压器实际使用容量和使用寿命。除此之外，弧焊设备也会对电网造成传导性电磁骚扰和对空间的辐射性电磁骚扰。在GB15579.10-2008/IEC60974-10强制性国家标准实施之下，如何改善逆变焊机的电磁兼容性(EMC)，使得逆变焊机达到标准要求，是开发人员的研究重点，应将产品的电磁兼容性纳入开发环节必须考虑的内容。1.焊接设备电磁兼容问题电磁兼容性（EMC），是指电子设备在电磁场环境中能相互兼顾并能

3、正常工作的性能。随着电力电子器件的不断涌现，焊接设备向着大容量的方向发展，产生了大量电磁干扰问题：如高频噪声、谐波、切断设备时的瞬时噪声和接通负载时的冲击电流等。这不仅影响了焊接设备自身工作的可靠性，同时也对电网造成了污染。由于电磁干扰的危害严重，因此国家实施了强制性电磁兼容标准，使得设计焊机时必须采取相应的解决措施来降低电磁干扰。92011焊接技术论坛1.1.电磁兼容标准电磁兼容标准体系分为基础标准[1]、通用标准、产品族标准和专用产品标准。电焊机的IEC60974-10（国际电工术语）标准属于专用产品标准，对电磁兼容性能要求与相应的产品族

4、标准一致。试验方法、试验环境参照基础标准。只是考虑到电焊机的特殊性，对试验项目进行了删减，对电磁兼容性能要求做了一些改变。弧焊设备的电磁兼容性测试包括电磁骚扰发射测试和抗扰性测试两个方面。骚扰发射测试包括谐波电流发射测试、电压波动及闪烁测试、传导骚扰发射测试和辐射骚扰发射测试等。抗扰度试验包括静电放电抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌抗扰度、射频传导抗扰度和电压暂降抗扰度等。标准适用于弧焊及相关设备，包括电源及辅助设备，如送丝机、冷却系统、引弧及稳弧设备等。特别的是，电磁兼容标准的实施要求国内电焊机在设计过程中必须对谐

5、波电流加以抑制。1.2干扰源1.2.1输入整流引起的低频谐波骚扰网侧电流谐波产生的主要原因是电源电路的非线性，逆变焊机电源输入环节的主电路如图1所示，三相380V交流电源首先要经过三相整流桥整流和电容C1滤波。在整流中，由于电容容量很大，因此只有在网侧电压瞬时高过电容电压时二极管才导通，随着电容电压迅速上升超过网侧电压，二极管迅速关断，二极管导通时间较短。滤波电容充电电流的瞬时值很大，电流波形近似为尖脉冲，使50Hz正弦电流波形发生畸变，从而产生谐波电流。IGBT逆变焊机的输入相电流、相电压波形如图2所示。由图2可知，输入电流已不再是正弦波，

6、而是一种前后沿都比较陡峭的脉冲，这种电流波形畸变是IGBT逆变焊机的共性问题。畸变的高次谐波电流会沿电源输入电缆，传导至供电网，严重污染电网。92011焊接技术论坛图1整流主电路图2电流畸变1.2.2逆变环节引起的高频骚扰大多数IGBT逆变焊机主电路采用20kHz桥式逆变电路，焊机的开关器件、快恢复整流管在运行时均会产生高频电磁骚扰，高频骚扰可通过线路和多种途径耦合向外传输。另外，IGBT在很高的电压下以高频开关方式工作，开关电压、电流接近方波。由频谱分析可知，方波含丰富的高次谐波，其频谱可达基波频率的1000倍以上，辐射能力很强。同时，由于

7、主变压器的漏感和分布电容存在，IGBT开关时常常产生高频、高压尖峰震荡。由此而产生的高次谐波可由多种途径传入内部电路，也可通过散热器及主变压器等途径向空间辐射。用于次级整流的快恢复二极管也是产生高频骚扰的一个原因，整流工作于高频开关状态时，由于二极管的引线寄生电感、结电容的存在，以及反向恢复电流的影响，使得二极管工作在很高的电压和电流变化率下，且产生高频震荡。由次级整流快恢复二极管产生的高频骚扰很容易通过焊机输出端输出。1.2.3传导大功率弧焊逆变器工作时功率器件开关电路寄生参数引起的电路寄生振荡，是电磁骚扰产生的重要原因。在硬开关电路中，开

8、关管关断时，变压器的漏感所产生的反电势会使开关管的集射极之间出现电压振荡。这种电压突变会产生与变压器一次侧接通时一样的磁化冲击电流瞬变，产生传导型电磁骚扰，通过电源