使逆變焊機高效節能的電源設計方案
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前言
逆變焊機已經(jīng)普及應用，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(shí)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，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(zhù)逆變焊機和其他類(lèi)似逆變電源(如不停電供電電源UPS、通信開(kāi)關(guān)型電源)的使用越來(lái)越多、越來(lái)越普及，供電系統損耗增大，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(shí)早在20世紀90年代，歐美國家就已經(jīng)相繼制定了市售電氣設備用電的高次諧波電流的限制標準，如IEC555-2、IEClooO一3、國際電工委員會(huì )61000—3—2和VDE0838厄N5006等標準，這些標準的制定強迫設備制造廠(chǎng)家必須采用諧波抑制技術(shù)。我國堅持科學(xué)發(fā)展觀(guān)，重視電網(wǎng)的質(zhì)量，焊機將制定EMC標準，估計不久的將來(lái)，EMC標準中的諧波限制標準將會(huì )強迫實(shí)施。
逆變焊機是單相電源的逆變焊機，ACmC的實(shí)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(shí)質(zhì)是電容輸入的整流電源是一個(gè)非線(xiàn)性負載，它使供電線(xiàn)路的電流發(fā)生了嚴重畸變，進(jìn)而導致電壓的波形畸變所致。為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，下面以一個(gè)最基本的電容輸入整流器電路為例來(lái)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，要按負載大小和濾波器紋波電壓大小的要求而定。一般來(lái)說(shuō)，負載越重，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(chēng)為整流比。在工程設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(xiàn)路電流產(chǎn)生嚴重畸變，降低了用電的功率因數。
1 電容輸入整流負載功率因數
正弦交流系統中，線(xiàn)性電路的功率因數PF定義為：
按照功率因數PF的上述定義，在非線(xiàn)性電路系統中，電容輸入整流負載的PF為：
根據諧波分析原理：
根據電工學(xué)原理，高次諧波電流的平均功率為零，所以：
Kd為畸變因數，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(wú)代表，稱(chēng)為總諧波電流。電工學(xué)中定義的總諧波畸變系數刪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PF與總諧波畸變系數THD之間的關(guān)系：
電容輸入整流器負載線(xiàn)路上的脈沖電流相對予電壓量不產(chǎn)生相移，此時(shí)PF為：
用諧波分析儀測得THD，即可用式(9)計算出PF，這種方法較為復雜。在沒(méi)有諧波分析儀的條件下，還可用另一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法計算功率因數。
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(gè)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(xiàn)路的輸入功率，它與直流輸出功率Po之比，即為該非線(xiàn)性電路的功率因數鞏電容輸入整流器負載的功率因數隨耳和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載的功率因數一般在0.5-0.7。
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