逆变器谐波电压大

逆变电焊机的谐波分析

       1.1谐波产生原因

       自第一台300A晶闸管弧焊逆变电源以来,弧焊逆变电源有了很大发展,经历了晶闸管逆变,大功率晶体管逆变,场效应逆变以及IGBT逆变,其容量和性能大大提高,目前弧焊逆变电源已成为工业发达国家焊接设备的主流产品[1]。弧焊逆变电源作为一种典型的电力电子装置,虽然具有体积小、质量轻、控制性能好等优点,但其电路中存在整流和逆变等环节,导致电流波形畸变,产生大量的高次谐波。高次电压和电流谐波之间存在严重相移,导致焊机的功率因数很低。谐波产生的原因主要有以下两方面因素:

       (1)逆变电源内部干扰源逆变电源是一个强电和弱电组合的系统。在焊接过程中,焊接电流可达到几百甚至上千安培。因电流会产生较大的电磁场,特别在逆变主电路采用高逆变频率的焊接电源系统中,整流管整流,高频变压器漏磁,控制系统振荡,高频引弧,功率管开关等均会产生较强的谐波干扰。

       其次,钨极氩弧焊机如果采用高频引弧时,由于焊机利用频率达几十万赫兹,电压高达数千伏的高频高压击穿空气间隙形成电弧,因此高频引弧也是一个很强的谐波干扰源。对于计算机控制的智能化弧焊逆变电源来说,由于采用的计算机控制系统运行速度越来越高,因此控制板本身也成了一个谐波干扰源,对控制板的布线也提出了较高的要求。

       (2)逆变电源外部干扰源电网上的污染对电源系统来说是较为严重的干扰,由于加到电网上的负载千变万化,这些负载或多或少对电网产生谐波干扰,如大功率设备的使用使电网电压波形产生畸变,偶然因素造成瞬时停电,高频设备的开启造成电网电压波形具有高频脉冲、尖峰脉冲成分。

       另外在焊接车间内,由于不同焊接电源在使用时接地线可能相互连接,因此如不采取相应的措施,高频成分的谐波信号很容易窜入控制系统,使电源不能正常工作,甚至损坏。

       1.2谐波的特点及危害

       弧焊逆变电源以其高效率电能转换著称,随着功率控制器件向实用化和大容量化方向发展,弧焊逆变电源也将跨入高频化、大容量的时代。弧焊逆变电源对电网来说,本质上是一个大的整流电源,由于电力电子器件在换流过程中产生前后沿很陡的脉冲,从而引发了严重的谐波干扰。逆变电源的输入电流是一种尖角波,使电网中含有大量高次谐波。高次电压和电流谐波之间存在严重相移,导致焊机的功率因数很低。低频畸变问题是当前电力电子设备的一个共性问题,目前在通信行业、家电行业都已引起相当的重视。另外,目前逆变焊机多采用硬开关方式,在功率元件的开关过程中不可避免地对空间产生谐波干扰。这些干扰经近场和远场耦合形成传导干扰,严重污染周围电磁环境和电源环境,这不仅会使逆变电路自身的可靠性降低,而且会使电网及临近设备运行质量受到严重影响。

       弧焊逆变电源常用的谐波抑制措施

       2.1无源滤波器(PassiveFilter,简称PF)

       传统的谐波抑制和无功功率补偿的方法是电力无源滤波技术,又称间接滤除法,即使用电力电容器等无源器件构成无源滤波器,与需要补偿的非线性负载并联,为谐波提供一个低阻通路,同时提供负载所需的无功功率。具体而言是将畸变的50Hz正弦波分解成基波及相关的各次主谐波成分,然后采用串联的谐振原理,将由L,C(或者还有R)组成的各次滤波支路调谐(或偏调谐)到各主要谐波频率形成低阻通道而将其滤除[2-3]。它是在已产生谐波的情况下,被动地防御,减轻谐波对电气设备的危害。

       无源滤波方案成本低,技术成熟,但是也存在以下不足:(1)滤波效果受系统阻抗的影响;(2)由于其谐振频率固定,对于频率偏移的情况效果不好;(3)与系统阻抗可能发生串联或并联谐振,造成过负荷。

       在中小功率场合,正逐步被有源滤波器所替代。

       2.2有源滤波器(ActiveFilter,简称AF)早在20世纪70年代初,就有学者提出有源功率滤波器的基本原理,但由于当时缺乏大功率开关元件和相应的控制技术,只能用线性放大器等方法产生补偿电流,存在着效率低、成本高、难以大容量化等致命弱点而未能实用化。随着电力半导体开关元件性能的提高,以及相应的PWM技术的发展,使得研制大容量低损耗的谐波电流发生器成为可能,从而使有源滤波技术走向实用化,当系统中出现谐波发生源时,用某种方法产生一个和谐波电流大小相等、相位相反的补偿电流,且和成为谐波发生源的电路并联连接来抵消谐波发生源的谐波,使直流侧的电流仅为基波分量,不含有谐波成分。当谐波发生源产生的谐波不能被预计出是何种高次谐波电流,且随时发生变化时,则必须从负载电流il中检测出谐波电流ih信号,经检测后的谐波电流ih信号,经过调制器进行调制,并按制定的方法转换为开关方式控制电流逆变器工作方式,使电流逆变器产生补偿电流ifm并注入到电路中,以便抵消谐波电流ih逆变主电路一般采用DC/AC全桥式逆变器电路,其中的开关元件可用GTO、GTR、SIT或IGBT等大功率可控型电力半导体元件,借助开关元件的通断,控制输出电流波形,产生所需的补偿电流。

       电力有源滤波器作为抑制电网谐波和补偿无功功率,改善电网供电质量最有希望的一种电力装置,与无源电力滤波器相比,具有以下优点[5]:(1)实现了动态补偿,可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿,对补偿对象的变化有极快的响应;(2)可同时对谐波和无功功率进行补偿,且补偿无功功率的大小可做到连续调节;(3)补偿无功功率时不需储能元件,补偿谐波时所需储能元件容量也不大;(4)即使补偿对象电流过大,电力有源滤波器也不会发生过载,并能正常发挥补偿作用;(5)受电网阻抗的影响不大,不容易和电网阻抗发生谐振;(6)能跟踪电网频率的变化,故补偿性能不受频率变化的影响;(7)既可对一个谐波和无功功率单独补偿,也可对多个谐波和无功功率集中补偿。 弧焊逆变电源中存在大量谐波,危害严重。为了抑制谐波,提高功率因数,必须采取相应的抑制措施。传统的PF方式存在明显不足,限制了它的应用,而AF方式能弥补PF的不足,有效抑制弧焊逆变电源的谐波,得到了越来越广泛的应用。软开关技术在一定程度上,也可以实现良好的滤波效果。

三相逆变器中，在调制波里面注入三次谐波为什么可以提高直流电压利用率

       如果调制波只含有基波的时候，基波的最大值不会超过直流电压值。但是如果在调制波里面加入三次谐波，调制波会变成基波与三次谐波之和，也就是一个平顶波。基波最大值时刻，三次谐波是负的最大值，二者之和是平顶波的最大值。也就是说，平顶波的最大值要小于基波的最大值。如果逆变器按照平顶的调制波工作，那么平顶波的最大值可以达到直流电压值。这时候基波的最大值就大于了直流电压值，也就是可以提高直流电压的利用率（输出更大的功率）。对于三相电路，三次谐波会互相抵消，所以也不会影响输出波形的质量。

怎么降低逆变器输出谐波？

       硬件考虑涉及跟踪响应的的特性反馈，即修正的响应；漏电流大约有40~50mA并不大；外接释放可以有改进；矢量控制可以有特性的针对性改变（转距和速度）；漏电流不一定是分布电容；建议该变响应的宽度，阶跃或变化率小就有适应性的平稳。微分和积分（硬件或软件）环节可修正和平滑处理。

逆变器谐振提高载频的原理

该仪器工作原理如下。

       逆变器谐振提高载频的原理是利用逆变器输出电压的高次谐波分量与负载电路的谐振频率相匹配，从而增加负载电流的幅值，提高逆变器的输出功率。逆变器谐振可以分为串联谐振和并联谐振两种类型，工作原理和特点有所不同。

       提高载频可以减少逆变器输出端的高次谐波分量，降低对负载和供电系统的干扰，同时也可以减少开关损耗，提高逆变器的效率。但是，提高载频也会增加开关次数，造成开关元件的过热和寿命降低。因此，需要根据实际情况选择合适的载频，并采取一些措施来抑制或补偿谐波，如安装滤波器、隔离变压器、电抗器等。

逆变器输出电压超前电网电压的角度对于并网功率控制,有哪些影响

电网电压稳定性、电网电流谐波和反射。

       1、逆变器输出电压超前电网电压的角度可以降低电网电压波动，提高电网的电压稳定性。通过优化功率因数，减少电网中的电流谐波和反射，从而降低电网电压的波动。

       2、逆变器输出电压超前电网电压的角度可以减少电网中的电流谐波和反射。当逆变器的功率因数设置为较高的值时，系统输出的有用功会增加，而无用功则减少。这将减少电网中的电流谐波和反射，从而降低电网电压的波动。

几个光伏逆变器在400v侧并网，会引起电压升高，并引起逆变器过压报警吗

       无论同时并网，还是逐一并网，主要是看瞬间的功率冲击。如果太阳特好的大白天同时并网，会短时间引起电流谐波过大，可能致使一台或多台逆变器电流谐波异常，停机。但终究会重新并网。

       但是，我认为电压升高并不显著。电网是无底洞，可看成是无穷大负载，且并网逆变器为电压控制型，主要追随电网电压，所以注入电网时，电压变化不会有问题。

       关键在于考察三相电并网点的接入能力，如接入的配电房或接入的变电所的额定承载能力。若几台逆变器同时注入电网，其注入功率接近并网点额定功率余量或几乎使其功率接入余量不足，则可导致电流冲击过大，电流畸变显著发生。会使部分逆变器启动保护，暂缓并网。

       建议考察并网点容量，余量足够的情况下，选择在早晨或半晚逐步并网！

       5年光伏系统设计经验，希望能帮助您，不对请指正！

关于"怎么降低逆变器输出谐波"的问题

       1 漏保跳可能是零线电流未通过开关N，或电机有重复接地；我的理解交流零-直流负-负载零都是有阻值的。

       2 大功率变频器配备外接释放控制和电阻，小功率内释放性能较外接差之，外接释放一般可降低直流过压和再生能量，相对改善调制频率。

       3 闭环系统反馈量最好是小范围的变化；避免阶跃情况；如是双闭环系统调整，精度为准稳定为好，P合适不易过大，I和D稳定前提的调整为好。变频器频率参数与输入关系应是可更改的。

       4 平波电抗器也是一个办法。

三相逆变器的输出电流中含有高次谐波时将带来哪些不利影响

       高次谐波的危害具体表现在以下几个方面：

       1、电力电子设备

       电力电子设备通常靠精确电源零交叉原理或电压波形的形态来控制和操作，若电压有谐波成分时，零交叉移动、波形改变、以致造成许多误动作。

       2、电力电容器

       当高次谐波产生时，由于频率增大，电容器阻抗瞬间减小，涌人大量电流，因而导致过热、甚至损坏电容器，还有可能发生共振，产生振动和噪声。

       3、变压器

       电流和电压谐波将增加变压器铜损和铁损，结果使变压器温度上升，影响绝缘能力，造成容量裕度减小。谐波还能产生共振及噪声。

       4、感应电动机

       电流和电压谐波同样使电动机铜损和铁损增加，温度升。同时谐波电流会改变电磁转距，产生振动力矩，使电动机发生周期性转速变动，影响输出效率，并发出噪声。

       5、开关设备

       由于谐波电流使开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率，使暂态恢复峰值电压增大，破坏绝缘，还会引起开关跳脱、引起误动作。

       6、保护电器

       电流中含有的谐波会产生额外转距，改变电器动作特性，引起误动作，甚至改变其操作特性，或烧毁线圈。

       7、计量仪表

       计量仪表因为谐波会造成感应盘产生额外转距，引起误差，降低精度，甚至烧毁线圈。

       8、其它

       高次谐波还会对电脑、通信、设备电视及音响设备、载波遥控设备等产生干扰，使通信中断，产生杂讯，甚至发生误动作，另外还会对照明设备产生影响。

如何改变逆变器的频率？

       若要增大SPWM逆变器的输出电压基波频率,可采用的控制方法是：增大正弦调制波频率 。

       SPWM是在PWM的基础上，将期望输出的正弦电压波形假想成有一组等宽不等幅的片断组合而成，然后用一组冲量对应相等的等幅不等宽(即脉冲宽度调制)脉冲将它们依次代替，从而在滤波器输出端得到期望的正弦电压波形。这样的脉冲可以由电子开关的通断控制实现。理论推导和实际的频谱分析表明:SPWM脉冲电压具有与理想正弦电压相一致的基波分量，而且最低次谐波的频率可以提高到SPWM调制频率(即开关频率，对应于每基波周期的脉冲个数)附近。因此，当开关频率足够高时，利用较小的滤波器就能将其中的谐波滤除掉。此外，只需改变SPWM脉冲宽度，就可以平滑地调节输出电压的基波幅值。采用了SPWM技术的逆变器即为SPWM逆变器，它在波形质量和控制性能上相对方波型逆变器有了巨大的进步。

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