逆變焊機(jī)的電能質(zhì)量和檢測(cè)

錢偉

摘 要：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，新型大功率器件不斷出現(xiàn)，逆變技術(shù)得到了快速發(fā)展。逆變技術(shù)引入焊接領(lǐng)域后，又促進(jìn)了弧焊電源的發(fā)展。逆變弧焊機(jī)的核心是逆變弧焊電源。目前逆變焊機(jī)已成為市場(chǎng)主流，但其接入電網(wǎng)后會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，影響電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定，還會(huì)對(duì)其他用電設(shè)備產(chǎn)生一定程度上的不利影響。同時(shí)電能質(zhì)量又會(huì)影響焊機(jī)的正常運(yùn)行。因此開展電能質(zhì)量檢測(cè)很重要。本文針對(duì)這些影響和電能質(zhì)量的檢測(cè)進(jìn)行了分析，對(duì)逆變焊機(jī)的質(zhì)量提高、電能質(zhì)量的檢測(cè)和改善以及逆變焊機(jī)的節(jié)能檢測(cè)有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：逆變焊機(jī) 電能質(zhì)量 檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TG433 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)1672-3791（2014）05（a）-0119-02

電焊機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)必不可少的重要工藝裝備。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種性能優(yōu)良的功率器件相繼出現(xiàn)，逆變技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。由于具節(jié)省銅、硅鋼片等原材料，大幅度降低制造成本，減少電耗，改善焊接性能，易于實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化等特點(diǎn)，逆變焊機(jī)自問世以來(lái)得到了廣泛應(yīng)用。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家和中國(guó)的許多焊機(jī)制造企業(yè)幾乎全部進(jìn)入到逆變式焊機(jī)時(shí)代。隨著科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，電網(wǎng)電能質(zhì)量的好壞直接影響到逆變焊機(jī)的工作質(zhì)量、工作效率甚至能否正常工作；另一方面由于逆變焊機(jī)其電源部分帶有整流逆變環(huán)節(jié)，在作業(yè)過程中其輸入、輸出電流存在非正弦、非周期現(xiàn)象，使電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的高次諧波，引起電網(wǎng)電壓波形畸變或電壓波動(dòng)和閃變，對(duì)供電電能質(zhì)量造成干擾或污染，對(duì)其他鄰近設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

1 逆變焊機(jī)原理

逆變焊機(jī)其原理為：工頻交流電經(jīng)整流、濾波后變成直流電，再通過大功率開關(guān)電子元件（如場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET或IGBT）的交替開關(guān)作用，把直流電逆變幾千赫茲到幾萬(wàn)赫茲的中頻交流電壓，經(jīng)主變壓器降壓后，再經(jīng)整流濾波獲得平穩(wěn)的直流輸出焊接電流。其工作過程簡(jiǎn)單表示為：工頻交流-直流-中頻交流-直流。

2 逆變焊接機(jī)對(duì)電能質(zhì)量的影響

在供電線路末端，大功率逆變焊接機(jī)在焊接工作時(shí)往往會(huì)引起電壓的跌落，引起電壓的偏差，這種偏差是穩(wěn)態(tài)的。其原因是電流流經(jīng)供電線路阻抗產(chǎn)生壓降所致。電壓偏差大小與傳輸導(dǎo)線的線徑、傳輸距離、調(diào)壓手段、負(fù)荷用電特性等有關(guān)。電壓偏差過大會(huì)對(duì)焊機(jī)的額定性能和電網(wǎng)的正常運(yùn)行造成危害。

大部分焊機(jī)在實(shí)際工作中是間歇通電的波動(dòng)性負(fù)荷，它會(huì)引起一系列的電壓波動(dòng)；而逆變焊機(jī)這種非線性的波動(dòng)負(fù)荷在工作中又可能產(chǎn)生間諧波，其危害之一就是可能引起照明閃爍（閃變）。電壓波動(dòng)和閃變不僅影響人體健康，還會(huì)中斷照明電源，使設(shè)備效率降低，電腦系統(tǒng)運(yùn)行不正常，引起變頻調(diào)速系統(tǒng)停頓等事故。

大量單相逆變焊機(jī)的使用導(dǎo)致電力系統(tǒng)三相電壓的不平衡。三相供電電壓不平衡將使電機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備熱損耗增加、絕緣壽命降低、電機(jī)發(fā)生振動(dòng)，干擾保護(hù)、控制設(shè)備的運(yùn)行，對(duì)多相變流器還會(huì)產(chǎn)生非特征諧波。如6脈沖整流器，其特征諧波為6k±1次，當(dāng)電壓不平衡時(shí)還會(huì)出現(xiàn)6k±3次非特征諧波，且隨著電壓不平衡度的增加，6k±3次非特征諧波也加大。

諧波的產(chǎn)生。逆變焊機(jī)其電路輸入部分為整流電路，為非線性負(fù)載，當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加電壓不呈線性關(guān)系，形成非正弦電流，交流輸入電流波形嚴(yán)重失真，從而產(chǎn)生諧波。而諧波電流在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生電壓降，導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)諧波電壓。諧波將使電氣設(shè)備及導(dǎo)線過載運(yùn)行，縮短使用壽命并可能導(dǎo)致繼電保護(hù)、安全自動(dòng)裝置誤動(dòng)作。公用電網(wǎng)諧波不能超過一定的限值。

逆變焊機(jī)在焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量高次諧波，高次電壓和電流諧波之間存在相移，使無(wú)功功率增大，導(dǎo)致焊機(jī)的功率因數(shù)降低，增加了線路損耗，降低了電壓質(zhì)量，使一些用戶增加了電費(fèi)支出。

3 逆變焊機(jī)電能質(zhì)量的檢測(cè)

3.1 電壓電流檢測(cè)

逆變焊機(jī)輸入電壓波形為周期性非正弦波。將其分解成基波和諧波電壓，基波周期與非正弦電壓周期相同。以電壓半周期的方均根值來(lái)衡量電壓的大小。將工頻電壓半周期T/2分成N個(gè)等分點(diǎn)，每隔T/2N逐點(diǎn)取電壓瞬時(shí)值。設(shè)在KT/2N時(shí)刻電壓的瞬時(shí)值為uk，于是方均根值電壓

（1）

同理

測(cè)量應(yīng)采用真有效值儀器，真有效值測(cè)量適用于所有正弦波和非正弦波電路。如采用平均響應(yīng)儀器，對(duì)于單相整流的測(cè)量結(jié)果會(huì)比真有效值儀器測(cè)得的結(jié)果低40%以上。

3.2 電壓偏差檢測(cè)

電壓是電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，電壓產(chǎn)生偏差，將會(huì)給用電負(fù)荷帶來(lái)很多的影響，所以在電能質(zhì)量檢查中，電壓需要保證其合格性，產(chǎn)生的偏差需要在允許的范圍內(nèi)。

電壓偏差為實(shí)際運(yùn)行電壓對(duì)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的偏差相對(duì)值，以百分?jǐn)?shù)表示。

獲得電壓有效值的基本測(cè)量時(shí)間窗口應(yīng)為10周波。

電壓偏差過大，會(huì)給焊接機(jī)帶來(lái)嚴(yán)重的影響，不僅會(huì)影響其性能，還會(huì)造成焊機(jī)的損壞。

3.3 電壓波動(dòng)檢測(cè)

電壓波動(dòng)值為相鄰電壓方均根值的兩個(gè)極值Umax和Umin之差，以與標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)表示。公式為

3.4 功率檢測(cè)

通過對(duì)逆變焊機(jī)功率的檢測(cè)可知焊機(jī)的功能和能效是否滿足設(shè)計(jì)要求。功率分為三種：有功功率、無(wú)功功率、視在功率。有功功率又稱之為平均功率，非正弦系統(tǒng)中一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)功率的平均值為有功功率，其公式為

基于傅立葉變換，以諧波形式表示為

即

視在功率定義為

功率因數(shù)為

在交流正弦波形、線性負(fù)載電路中，有功功率為

其中，為電壓與電流相位角

三相系統(tǒng)可采用兩表法或三表法測(cè)量總功率。但在三相非正弦系統(tǒng)中，視在功率的定義還沒有統(tǒng)一，計(jì)算公式不同使計(jì)算出來(lái)的功率因數(shù)也有很大差別，不能正確反映設(shè)備的利用率。endprint

3.5 諧波檢測(cè)

諧波是一個(gè)周期里傅立葉級(jí)數(shù)中次數(shù)高于1的分量。根據(jù)傅立葉理論，任何重復(fù)波形都可以分解為含基波頻率和一系列頻率為基波整數(shù)倍的正弦波分量。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都有不同的頻率、幅度和相角。

在逆變焊接機(jī)焊接的過程中，使用大功率進(jìn)行焊接工作時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，進(jìn)而影響焊機(jī)的焊接質(zhì)量和焊接機(jī)自身的性能和運(yùn)行的安全性，為此檢測(cè)逆變焊接機(jī)的電能質(zhì)量，應(yīng)對(duì)焊接機(jī)工作中產(chǎn)生的諧波進(jìn)行檢測(cè)[3]。發(fā)生畸變的波形有諧波含有率、諧波含量、畸變率等特征量，畸變波形諧波電壓含有率：

Uh為發(fā)生第h次諧波的電壓，U1為基波電壓。在第h次諧波時(shí)，諧波電流含有率：

Ih為第五次諧波時(shí)的電流，I1為基波電流。諧波電壓含量：

電壓諧波畸變率反應(yīng)了系統(tǒng)電壓的質(zhì)量水平，其公式為

在我國(guó)380V標(biāo)稱電壓系統(tǒng)中，電壓總諧波畸變率限值為5%。

逆變焊機(jī)電能檢測(cè)要獲得滿意準(zhǔn)確的結(jié)果，所使用的儀器儀表必須滿足相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，如IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)等。

4 供電容量和供電電源阻抗對(duì)電能質(zhì)量檢測(cè)的影響

在一些逆變焊機(jī)使用現(xiàn)場(chǎng)，觀察三相輸入電壓波形，常?？梢钥吹秸也ǖ捻敳孔兊闷教?，也就是說出現(xiàn)了平頂現(xiàn)象。其原因是由于供電電源容量太低，致使整流負(fù)載的脈沖型電流引起電源電壓的波形畸變。加大電源容量后這種現(xiàn)象就改善。因此，加大供電系統(tǒng)容量可以抑制諧波影響，減小諧波造成的危害。供電容量越大，系統(tǒng)短路阻抗就越小，諧波電壓水平就越低。

同樣，輸入電流的峰值和真有效值測(cè)量結(jié)果也受供電電源阻抗的影響。GB15579.1-2004《弧焊設(shè)備安全要求 第一部分：焊接電源》規(guī)定測(cè)量輸入電流真有效值時(shí)供電電源阻抗應(yīng)小于等于焊接電源輸入阻抗的4%。

因此，提高供電系統(tǒng)容量是保障焊機(jī)電能質(zhì)量檢測(cè)準(zhǔn)確性，也是抑制諧波影響和危害的主要措施之一。

在對(duì)逆變焊機(jī)的電能質(zhì)量檢測(cè)中要保證供電電壓符合要求，包括供電電壓的幅值、頻率和波形。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了逆變焊機(jī)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響和產(chǎn)生原因，并對(duì)電能質(zhì)量和電能檢測(cè)做了介紹，指出提高電能質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確性，除使用的儀器儀表應(yīng)滿足相應(yīng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求以外，還要關(guān)注供電電源的容量和電源阻抗的影響，使供電電壓滿足測(cè)試要求。對(duì)逆變焊機(jī)的質(zhì)量提高、電能質(zhì)量的檢測(cè)和改善以及逆變焊機(jī)的節(jié)能檢測(cè)有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 康偉.電能質(zhì)量檢測(cè)方法及應(yīng)用研究[D].華北電力大學(xué)（河北），2008.

[2] 陳陣，楊維.數(shù)字化焊機(jī)的電能質(zhì)量[J].電焊機(jī)，2013（9）：95-96.

[3] 萬(wàn)鈞力，李艷琴，鄧文輝，等.電能質(zhì)量檢測(cè)分析方法的研究[J].電測(cè)與儀表，2009（12）：76-77.endprint

3.5 諧波檢測(cè)

諧波是一個(gè)周期里傅立葉級(jí)數(shù)中次數(shù)高于1的分量。根據(jù)傅立葉理論，任何重復(fù)波形都可以分解為含基波頻率和一系列頻率為基波整數(shù)倍的正弦波分量。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都有不同的頻率、幅度和相角。

在逆變焊接機(jī)焊接的過程中，使用大功率進(jìn)行焊接工作時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，進(jìn)而影響焊機(jī)的焊接質(zhì)量和焊接機(jī)自身的性能和運(yùn)行的安全性，為此檢測(cè)逆變焊接機(jī)的電能質(zhì)量，應(yīng)對(duì)焊接機(jī)工作中產(chǎn)生的諧波進(jìn)行檢測(cè)[3]。發(fā)生畸變的波形有諧波含有率、諧波含量、畸變率等特征量，畸變波形諧波電壓含有率：

Uh為發(fā)生第h次諧波的電壓，U1為基波電壓。在第h次諧波時(shí)，諧波電流含有率：

Ih為第五次諧波時(shí)的電流，I1為基波電流。諧波電壓含量：

電壓諧波畸變率反應(yīng)了系統(tǒng)電壓的質(zhì)量水平，其公式為

在我國(guó)380V標(biāo)稱電壓系統(tǒng)中，電壓總諧波畸變率限值為5%。

逆變焊機(jī)電能檢測(cè)要獲得滿意準(zhǔn)確的結(jié)果，所使用的儀器儀表必須滿足相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，如IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)等。

4 供電容量和供電電源阻抗對(duì)電能質(zhì)量檢測(cè)的影響

在一些逆變焊機(jī)使用現(xiàn)場(chǎng)，觀察三相輸入電壓波形，常?？梢钥吹秸也ǖ捻敳孔兊闷教?，也就是說出現(xiàn)了平頂現(xiàn)象。其原因是由于供電電源容量太低，致使整流負(fù)載的脈沖型電流引起電源電壓的波形畸變。加大電源容量后這種現(xiàn)象就改善。因此，加大供電系統(tǒng)容量可以抑制諧波影響，減小諧波造成的危害。供電容量越大，系統(tǒng)短路阻抗就越小，諧波電壓水平就越低。

同樣，輸入電流的峰值和真有效值測(cè)量結(jié)果也受供電電源阻抗的影響。GB15579.1-2004《弧焊設(shè)備安全要求 第一部分：焊接電源》規(guī)定測(cè)量輸入電流真有效值時(shí)供電電源阻抗應(yīng)小于等于焊接電源輸入阻抗的4%。

因此，提高供電系統(tǒng)容量是保障焊機(jī)電能質(zhì)量檢測(cè)準(zhǔn)確性，也是抑制諧波影響和危害的主要措施之一。

在對(duì)逆變焊機(jī)的電能質(zhì)量檢測(cè)中要保證供電電壓符合要求，包括供電電壓的幅值、頻率和波形。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了逆變焊機(jī)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響和產(chǎn)生原因，并對(duì)電能質(zhì)量和電能檢測(cè)做了介紹，指出提高電能質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確性，除使用的儀器儀表應(yīng)滿足相應(yīng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求以外，還要關(guān)注供電電源的容量和電源阻抗的影響，使供電電壓滿足測(cè)試要求。對(duì)逆變焊機(jī)的質(zhì)量提高、電能質(zhì)量的檢測(cè)和改善以及逆變焊機(jī)的節(jié)能檢測(cè)有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 康偉.電能質(zhì)量檢測(cè)方法及應(yīng)用研究[D].華北電力大學(xué)（河北），2008.

[2] 陳陣，楊維.數(shù)字化焊機(jī)的電能質(zhì)量[J].電焊機(jī)，2013（9）：95-96.

[3] 萬(wàn)鈞力，李艷琴，鄧文輝，等.電能質(zhì)量檢測(cè)分析方法的研究[J].電測(cè)與儀表，2009（12）：76-77.endprint

3.5 諧波檢測(cè)

諧波是一個(gè)周期里傅立葉級(jí)數(shù)中次數(shù)高于1的分量。根據(jù)傅立葉理論，任何重復(fù)波形都可以分解為含基波頻率和一系列頻率為基波整數(shù)倍的正弦波分量。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都有不同的頻率、幅度和相角。

在逆變焊接機(jī)焊接的過程中，使用大功率進(jìn)行焊接工作時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，進(jìn)而影響焊機(jī)的焊接質(zhì)量和焊接機(jī)自身的性能和運(yùn)行的安全性，為此檢測(cè)逆變焊接機(jī)的電能質(zhì)量，應(yīng)對(duì)焊接機(jī)工作中產(chǎn)生的諧波進(jìn)行檢測(cè)[3]。發(fā)生畸變的波形有諧波含有率、諧波含量、畸變率等特征量，畸變波形諧波電壓含有率：

Uh為發(fā)生第h次諧波的電壓，U1為基波電壓。在第h次諧波時(shí)，諧波電流含有率：

Ih為第五次諧波時(shí)的電流，I1為基波電流。諧波電壓含量：

電壓諧波畸變率反應(yīng)了系統(tǒng)電壓的質(zhì)量水平，其公式為

在我國(guó)380V標(biāo)稱電壓系統(tǒng)中，電壓總諧波畸變率限值為5%。

逆變焊機(jī)電能檢測(cè)要獲得滿意準(zhǔn)確的結(jié)果，所使用的儀器儀表必須滿足相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，如IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)等。

4 供電容量和供電電源阻抗對(duì)電能質(zhì)量檢測(cè)的影響

在一些逆變焊機(jī)使用現(xiàn)場(chǎng)，觀察三相輸入電壓波形，常常可以看到正弦波的頂部變得平坦，也就是說出現(xiàn)了平頂現(xiàn)象。其原因是由于供電電源容量太低，致使整流負(fù)載的脈沖型電流引起電源電壓的波形畸變。加大電源容量后這種現(xiàn)象就改善。因此，加大供電系統(tǒng)容量可以抑制諧波影響，減小諧波造成的危害。供電容量越大，系統(tǒng)短路阻抗就越小，諧波電壓水平就越低。

同樣，輸入電流的峰值和真有效值測(cè)量結(jié)果也受供電電源阻抗的影響。GB15579.1-2004《弧焊設(shè)備安全要求 第一部分：焊接電源》規(guī)定測(cè)量輸入電流真有效值時(shí)供電電源阻抗應(yīng)小于等于焊接電源輸入阻抗的4%。

因此，提高供電系統(tǒng)容量是保障焊機(jī)電能質(zhì)量檢測(cè)準(zhǔn)確性，也是抑制諧波影響和危害的主要措施之一。

在對(duì)逆變焊機(jī)的電能質(zhì)量檢測(cè)中要保證供電電壓符合要求，包括供電電壓的幅值、頻率和波形。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了逆變焊機(jī)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響和產(chǎn)生原因，并對(duì)電能質(zhì)量和電能檢測(cè)做了介紹，指出提高電能質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確性，除使用的儀器儀表應(yīng)滿足相應(yīng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求以外，還要關(guān)注供電電源的容量和電源阻抗的影響，使供電電壓滿足測(cè)試要求。對(duì)逆變焊機(jī)的質(zhì)量提高、電能質(zhì)量的檢測(cè)和改善以及逆變焊機(jī)的節(jié)能檢測(cè)有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 康偉.電能質(zhì)量檢測(cè)方法及應(yīng)用研究[D].華北電力大學(xué)（河北），2008.

[2] 陳陣，楊維.數(shù)字化焊機(jī)的電能質(zhì)量[J].電焊機(jī)，2013（9）：95-96.

[3] 萬(wàn)鈞力，李艷琴，鄧文輝，等.電能質(zhì)量檢測(cè)分析方法的研究[J].電測(cè)與儀表，2009（12）：76-77.endprint