逆变器谐波处理方案



逆变电焊机逆变电焊机电源的谐波抑制分析

弧焊逆变电源的谐波问题分析

1. 谐波产生的原因

自晶闸管逆变电源以来，弧焊逆变技术不断进步，如今是焊接设备主流。然而，逆变电路的整流和逆变环节导致电流波形失真，产生高次谐波。主要源于两个方面：一是逆变电源内部的干扰，如高电流引发的电磁场干扰、高频引弧等，以及智能化控制系统的谐波干扰；二是外部电网的负载变化和高频设备产生的谐波污染。

2. 谐波的特点与危害

逆变电源的高效率转换带来了谐波问题，尤其是高频化和大容量趋势下。逆变过程产生的脉冲引发严重的谐波干扰，导致电网功率因数降低，对周围电磁环境和设备运行造成负面影响。低频畸变是电力电子设备的共性问题，需妥善处理。

3. 谐波抑制措施

常用的谐波抑制手段包括无源滤波器（PF）和有源滤波器（AF）。PF成本低，但滤波效果受系统阻抗影响，且不能应对频率变化。AF则能动态补偿，实现谐波和无功功率补偿，但早期因技术限制存在效率低等问题，现在随着电力半导体技术的发展，AF已走向实用化。

4. 软开关技术的作用

随着电力电子技术的进步，硬开关的缺点日益突出。软开关技术通过改进开关策略，降低损耗，增强兼容性和可靠性，对逆变模块有重要价值，尤其是在无损耗吸收技术的研究中，尽管面临挑战，仍在持续发展。

总之，弧焊逆变电源中的谐波问题需通过有效抑制措施来解决，AF和软开关技术是关键手段，以提高功率因数并保护电力系统稳定运行。

扩展资料

逆变式弧焊电源，又称弧焊逆变器，是一种新型的焊接电源。这种电源一般是将三相工频（50Hz）交流网路电压，先经输入整流器整流和滤波，变成直流，再通过大功率开关电子元件（晶闸管SCR、晶体管GTR、场效应管MOSFET或IGBT）的交替开关作用，逆变成几kHz~几十kHz的中频交流电压，同时经变压器降至适合于焊接的几十V电压，后再次整流并经电抗滤波输出相当平稳的直流焊接电流。

谐波的产生原因与治理方法

谐波的产生： 在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。 在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整倍数。

解决方法有：装用谐波滤波器、装用隔离变压器和装用有源的谐波调节器：

1、装用谐波滤波器：对于电动机控制器产生的谐波，谐波的形状很分明，可以用滤波器来降低谐波电流。

2、装用隔离变压器：均衡的三次谐波电流传回到电源去的问题可以用一台Dyn接法的隔离变压器来削弱。

3、装用有源的谐波调节器：由变流器/逆变器产生的边频带和谐波不能很好地用普通的滤波器来滤除，这是因为边频带上的频率是随传动装置的速度而变化的，并且时常很接近于基波频率。

电力系统中谐波是什么呢

供电系统中的谐波问题及解决方案

在供电系统中，谐波电流的出现已有多年历史，最初由电气化铁路和工业中的直流调速传动装置产生，这些装置将交流转换为直流电时，会释放出水银整流器产生的谐波电流。近年来，随着产生谐波的设备类型和数量激增，我们必须审慎考虑谐波及其不良影响，并努力减少这些影响。

谐波的产生涉及非线性负荷。在实际供电系统中，由于存在非线性负荷，电流流过与所加电压非线性关系的设备时，形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为基频正弦波和其整倍数频率的正弦波，即谐波。例如，基频为50Hz时，二次谐波为100Hz，三次谐波则为150Hz。电流波形可能由二次谐波、三次谐波等组成，直至第三十次谐波。

产生谐波的设备包括：开关模式电源（SMPS）、电子荧光灯镇流器、调速传动装置、不间断电源（UPS）、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。

开关模式电源（SMPS）在现代电子设备中广泛使用。与传统的降压器和整流器相比，SMPS通过直接使用电源经可控制的整流器件给储能电容器充电，并以适合输出电压和电流的方式输出所需的直流电流。然而，设备使用脉冲电流而非连续电流，这包含了大量的三次及高次谐波。

电子荧光灯镇流器在工作于高频时提高了灯管效率，但其逆变器在电源电流中产生谐波和电气噪声。通过使用带有功率因数校正的型号产品可减少谐波，但成本较高。

直流调速传动装置采用三相桥式整流电路，输出直流电流中存在300Hz的脉动波，改变供电电流波形。不间断电源（UPS）根据能量变换方式和外部供电到内部供电的转换方式不同，有多种类型。主要类型包括在线、离线和线路交互作用UPS。由UPS供电的负荷多为电子设备，非线性且含有大量低次谐波。

磁芯器件上的励磁电流和磁通密度之间关系的非线性导致磁化过程中的高次谐波。在串联电阻较大时，电流为正弦波，磁场中的高次谐波被认为是强迫磁化；在串联电阻较小时，磁通密度为正弦波，电流波形则含高次谐波，这被认为是自由磁化。

谐波电流在电源系统内和装置内均引发问题，解决措施需分别对待。谐波在装置内的问题包括电压畸变、过零噪声、中性线过热、变压器过热、断路器误动作等。解决方法包括将产生谐波的负荷与敏感负荷供电线路分离，使用Dyn接线的变压器，以及采用能检测电流均方根值的断路器。

为减少供电电源的谐波问题，可采用装用谐波滤波器、隔离变压器和有源谐波调节器等方法。谐波滤波器可降低由电动机控制器产生的谐波电流。隔离变压器则削弱均衡的三次谐波电流返回电源的问题。有源谐波调节器主动注入电流以精确补偿负荷产生的谐波电流，实现纯粹的正弦波输出。

消除谐波的方法

谐波是指电力系统中频率为基波频率的整数倍的电磁波分量。由于谐波有可能会导致变压器过载、功率因数下降和设备故障等问题，因此需要采取一些方法进行消除。常用的谐波消除方法包括：

1. 滤波器消除：在电路中加入合适的滤波器，能够将谐波频率的电磁波分量滤除。

2. 谐波抑制变压器消除：在电路中加入谐波抑制变压器，通过将谐波分量从电路中引出并通过抑制线圈转化为热能来消除谐波。

3. 反谐波电源：反谐波电源是由逆变器和谐振电路组成的系统。它可以将不可逆的电能转化为谐波能量以回收电能，并将消除后的基波电能送给负载。

4. 无功补偿：采用无功补偿装置，能够改善电力系统的功率因数，减少谐波的取余现象。

5. 降低非线性负载：非线性负载是造成谐波的重要因素之一。降低非线性负载，如使用交流调光器替换PC机上的电子灯光等，可以降低非线性负载对电力系统的谐波干扰。

以上是几种消除谐波的方法，实际应用需要根据实际情况选择合适的方法，在实践中要注意操作安全和效果验证。

单相全桥逆变器的操作

单相全桥逆变器的操作主要基于以下原理和步骤：

电子开关的成对工作：

在一个半波周期内，S1和S2闭合，而S3和S4断开。在另一个半波周期内，S3和S4闭合，而S1和S2断开。

输出交流电压的产生：

逆变器的输出是可变频率的交流电压，该频率取决于驱动设备的波形频率。当电子开关按上述方式切换时，负载承受的电压会根据开关元件的不同状态而变化，从而产生交流输出。

电流路径与开关电阻：

电流路径取决于电子开关的逻辑状态，并受到电子开关电阻值的影响。在二极管D1和D2导通时，循环电流作为正反馈返回到电压发生器。

输出电压的有效值计算：

可以使用特定的等式来确定输出电压的理论有效值。

死区时间的实现：

为避免相反的开关同时导通，在两个电源命令之间实现了一个小的死区时间。这有助于防止短路和损坏设备。

谐波的处理：

如果负载是电感性的，则其电流和电压可能是正弦曲线，但可能包含谐波。这些谐波应该通过与电压发生器并联一个大电容来消除或减少。

电子元件的选择：

基于SiC和GaN的电子设备可以提高逆变器的效率，因为它们具有更优异的电性能，如更高的耐温性和更低的内阻。

应用场合：

单相全桥逆变器非常适合用于住宅和工业应用，因为它们可以处理可变的直流输入电压并产生非常稳定的交流输出电压。此外，它们还可以处理非线性负载，如电感负载、电容负载和混合负载。

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