前言

自20世紀(jì)70年代以來，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，逆變技術(shù)逐步被引進(jìn)焊接領(lǐng)域。到了80年代，性能優(yōu)良的大功率電子元器件如功率晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管，IGBT等相繼出現(xiàn)，促進(jìn)了弧焊電源的進(jìn)一步發(fā)展。逆變電源正是運(yùn)用這些先進(jìn)的功率電子元器件和逆變技術(shù)發(fā)展起來的，它比傳統(tǒng)的工頻整流電源節(jié)材80%～90%，節(jié)能20%～30%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度提高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。由于優(yōu)點(diǎn)眾多，目前逆變電源已成為弧焊電源的主要發(fā)展方向之一。但逆變電源發(fā)展中還存在不少問題，諸如可靠性與市場(chǎng)管理等，其中尤為重要的是諧波干擾的電磁兼容性（EMC）問題。諧波抑制技術(shù)是一個(gè)嶄新的研究方向，國(guó)內(nèi)外很多專家和學(xué)者對(duì)諧波的理論和抑制方案進(jìn)行了研究和探索。受各種條件限制，國(guó)內(nèi)焊機(jī)的研制者往往很少考慮產(chǎn)品的電磁兼容性。從1996年開始，歐洲共同體市場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)品的電磁兼容性能提出了更嚴(yán)格的要求，解決諧波問題也就更加迫在眉睫。我國(guó)雖起步較晚，但也頒布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定自2003年8月開始強(qiáng)制執(zhí)行。

1弧焊逆變電源的諧波分析

1.1諧波產(chǎn)生原因

自1972年美國(guó)研制出第一臺(tái)300A晶閘管弧焊逆變電源以來，弧焊逆變電源有了很大發(fā)展，經(jīng)歷了晶閘管逆變，大功率晶體管逆變，場(chǎng)效應(yīng)逆變以及IGBT逆變，其容量和性能大大提高，目前弧焊逆變電源已成為工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家焊接設(shè)備的主流產(chǎn)品［1］。弧焊逆變電源作為一種典型的電力電子裝置，雖然具有體積小、質(zhì)量輕、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，但其電路中存在整流和逆變等環(huán)節(jié)，導(dǎo)致電流波形畸變，產(chǎn)生大量的高次諧波。高次電壓和電流諧波之間存在嚴(yán)重相移，導(dǎo)致焊機(jī)的功率因數(shù)很低。諧波產(chǎn)生的原因主要有以下兩方面因素：

（1）逆變電源內(nèi)部干擾源逆變電源是一個(gè)強(qiáng)電和弱電組合的系統(tǒng)。在焊接過程中，焊接電流可達(dá)到幾百甚至上千安培。因電流會(huì)產(chǎn)生較大的電磁場(chǎng)，特別在逆變主電路采用高逆變頻率的焊接電源系統(tǒng)中，整流管整流，高頻變壓器漏磁，控制系統(tǒng)振蕩，高頻引弧，功率管開關(guān)等均會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波干擾。

其次，鎢極氬弧焊機(jī)如果采用高頻引弧時(shí)，由于焊機(jī)利用頻率達(dá)幾十萬赫茲，電壓高達(dá)數(shù)千伏的高頻高壓擊穿空氣間隙形成電弧，因此高頻引弧也是一個(gè)很強(qiáng)的諧波干擾源。對(duì)于計(jì)算機(jī)控制的智能化弧焊逆變電源來說，由于采用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行速度越來越高，因此控制板本身也成了一個(gè)諧波干擾源，對(duì)控制板的布線也提出了較高的要求。

（2）逆變電源外部干擾源電網(wǎng)上的污染對(duì)電源系統(tǒng)來說是較為嚴(yán)重的干擾，由于加到電網(wǎng)上的負(fù)載千變?nèi)f化，這些負(fù)載或多或少對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾，如大功率設(shè)備的使用使電網(wǎng)電壓波形產(chǎn)生畸變，偶然因素造成瞬時(shí)停電，高頻設(shè)備的開啟造成電網(wǎng)電壓波形具有高頻脈沖、尖峰脈沖成分。另外在焊接車間內(nèi)，由于不同焊接電源在使用時(shí)接地線可能相互連接，因此如不采取相應(yīng)的措施，高頻成分的諧波信號(hào)很容易竄入控制系統(tǒng)，使電源不能正常工作，甚至損壞。

1.2諧波的特點(diǎn)及危害

弧焊逆變電源以其高效率電能轉(zhuǎn)換著稱，隨著功率控制器件向?qū)嵱没痛笕萘炕较虬l(fā)展，弧焊逆變電源也將跨入高頻化、大容量的時(shí)代?；『改孀冸娫磳?duì)電網(wǎng)來說，本質(zhì)上是一個(gè)大的整流電源，由于電力電子器件在換流過程中產(chǎn)生前后沿很陡的脈沖，從而引發(fā)了嚴(yán)重的諧波干擾。逆變電源的輸入電流是一種尖角波，使電網(wǎng)中含有大量高次諧波。高次電壓和電流諧波之間存在嚴(yán)重相移，導(dǎo)致焊機(jī)的功率因數(shù)很低。低頻畸變問題是當(dāng)前電力電子設(shè)備的一個(gè)共性問題，目前在通信行業(yè)、家電行業(yè)都已引起相當(dāng)?shù)闹匾?。另外，目前逆變焊機(jī)多采用硬開關(guān)方式，在功率元件的開關(guān)過程中不可避免地對(duì)空間產(chǎn)生諧波干擾。這些干擾經(jīng)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)耦合形成傳導(dǎo)干擾，嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境和電源環(huán)境，這不僅會(huì)使逆變電路自身的可靠性降低，而且會(huì)使電網(wǎng)及臨近設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。