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电焊机高频骚扰解决方案

时间:2018-10-18 | 作者:绿波杰能

  电焊机的整流模块引起的电流畸变会产生谐波骚扰;电焊机的逆变器大多采用了 PWM 脉冲宽度调制技术,逆变模块高速开关时会产生大量耦合性噪声,对与电焊机共处同一电源环境的其他的电子、电气设备来说,电焊机是一个电磁干扰源,且长期以来未得到重视,更未采取有效措施加以改善,因此,解决电焊机设备造成的电网污染问题,十分迫切……


一、电焊机电磁骚扰的主要来源
1、输入整流引起的低频谐波骚扰
  三相380V电源首先要经过三相整流桥QL1整流和C2滤波,滤波电容器的等效容量一般在50~1000µf之间,在采用大电容器滤波的整流滤波电路中,整流二极管导通时间较短,滤波电容充电电流瞬时峰值大,电流波形为近似尖脉冲,使50Hz正弦电流波形发生畸变,产生谐波电流。
  畸变的电流、电压高次谐波会沿电源电缆、供电网络产生传导骚扰和辐射骚扰,由于频率相对较低,其辐射水平并不会很高。
2、由逆变器引起的高频骚扰
  大多数工业应用的电焊机主电路采用了20kHz全桥或半桥逆变电路,电焊机的逆变器开关器件、快恢复整流管、主变压器在运行时均会产生频率较高的电磁骚扰,高频骚扰可通过线路和多种途径耦合传输以外,以电磁场的形式向外辐射的强度远大于低频谐波骚扰,对使用金属外壳的电焊机而言,由于机壳的屏蔽作用,这些有害辐射的受害者往往是焊机本身,向外辐射一般只能通过输入电缆、焊接电缆实现。
  在电焊机中,逆变模块在很高的电压下以高频开关方式工作,开关电压、电流均接近方波。由频谱分析可知,方波含有丰富的高次谐波,其频谱可达基波频率的1000次以上,辐射能力大大提高。
  逆变模块开通、关断电压、电流(软开关)的同时,由于主变压器的漏感及分布电容在逆变模块开通、关断时,常常产生高频高压尖峰震荡,由此而产生的高次谐波可由多种途径传入内部电路,也可通过散热器及主变压器等途经向空间辐射。
  用于次级整流的快恢复二极管也是产生高频骚扰的一个重要原因,整流管工作于高频开关状态时,由于二极管的引线寄生电感、结电容的存在,以及反向恢复电流的影响,使之工作在很高的电压及电流变化率下,且产生高频震荡。由次级整流快恢复二极管产生的高频骚扰很容易通过焊机输出端馈出。

IGBT全桥逆变焊机简图

二、电焊机高频骚扰解决方案
  UPS/EPS电源产生的电磁谐波,可以通过绿波杰能自主研发、生产、销售的如下器件进行抑制:
1、MLAD-W系列电焊机专用滤波器
2、MLAD-WR系列电焊机专用电抗器
3、MLAD-MR系列磁环滤波器
4、MLAD-ZR系列零相电抗器
5、MLAD-WFC系列电焊机专用滤波器柜
6、MLAD-GFC系列泛用进阶谐波滤波器柜
7、MLAD-HIC系列抗谐型智能电容器
8、MLAD-APF系列有源电力谐波滤波器

IGBT全桥逆变焊机输入电流电压波形

三、电焊机高频骚扰抑制器件综合对比表

绿波杰能产品名称 绿波杰产品系列 安装位置 滤波效果 占地面积 投资额
电焊机专用滤波器 MLAD-W 进线侧 30~50% 较低
电焊机专用电抗器 MLAD-WR 进线侧 30~50% 较低
磁环滤波器 MLAD-MR 进线侧 <30%
零相电抗器 MLAD-ZR 进线侧 <30%
电焊机专用滤波器柜 MLAD-WFC 进线侧 ≤95%
泛用进阶谐波滤波器柜 MLAD-GFC 进线侧 ≤95% 较大
抗谐型智能电容器 MLAD-HIC 进线侧 ≤75% 较大 较高
有源电力谐波滤波器 MLAD-APF 进线侧 ≤99% 很高

IGBT全桥逆变焊机输入电流谐波频谱

四、其它电焊机高频骚扰解决方案
1、采用软开关逆变技术
  采用IGBT软开关电路的电焊机在国内已经很普遍,软开关电路可以减小IGBT的di/dt和dv/dt,能在一定程度上减小高频EMI电平。 但据一些研究结果表明,采用相同的主电路拓扑和开关频率,比较硬开关技术和零电压软开关技术的两个电焊机所产生的传导EMI电平。实验结果表明,零电压软开关电焊机的EMI能谱分布在低频段甚至比硬开关变换器更大一些,只有在较高频率才会得到比硬开关电焊机稍低的EMI电平。虽然软开关一般只能在高频段使EMI电平降低几个dBµV,但也是可用有效手段之一。
2、选择适当的电路参数和功率器件
  首先应该对IGBT、FRD(快恢复二极管)或FRED(外延型快恢复二极管)吸收、保护电路的参数进行优化设计,并通过实验验证,把IGBT、FRED关断时的dv/dt、尖峰电压限值在尽量低而合理的水平上,为了取得良好的效果,吸收、保护电路的电阻应为无感电阻,电容器应采用凸波吸收电容器。
  快恢复二极管反向恢复造成的电磁骚扰还可以通过选择恢复时间短、 恢复特性软的器件获得一些改善,例如FRED就较一般的FRD在恢复时间、反向电压等方面有一定的优势。
3、制作工艺
  减小主变压器漏磁可以使电路中的尖峰电压得到一定程度的抑制,在主变压器的设计、制作时在初、次级绕组的绕制、出线方式上应多加注意。
  主电路各功率器件的摆放位置对电磁骚扰的产生也是有影响的,所以在设计定型前应通过试验确定其合理的位置。

五、电焊机谐波对用电设备的危害
1、电焊机谐波对变压器的损害
  在基波频率时,变压器损耗最小,但电压畸变对其附加发热影响较大。负荷电流中有谐波存在时,会引起变压器发热损耗。
2、电焊机谐波对电机的影响
  电机受谐波的影响较大。在电机末端的谐波电压畸变,在电机内部表现为谐波磁链。谐波磁链是以异于同步转速的频率旋转,在转子中感应出高频电流。谐波电压畸变将引起电机的效率下降、发热、震动和高频噪声。
3、电焊机谐波对电力计量及继电保护的影响
  由于谐波电能的反向流动,采用现有的计量方式会使计量结果小于负载从电网吸收的基波电能,从而导致电能计量不准确;谐波会改变保护继电器的性能,引起拒动或者误动。
4、电焊机谐波对通信系统的干扰
  一般会引起通信噪声,因电网与通信设备间有电磁耦合感应,存在电容的静电耦合感应且与谐波频率成正比,特别是当那些电话线距离输电线很近,而平行距离又很长时,这种影响更加严重。
5、电焊机谐波对敏感用电设备的影响
  家庭、商业中计算机的大量使用,电路导线变得越来越细小,电路板上相邻导线也越来越挤,相邻信号的干扰也增大了。某些微小的瞬间过电压可能导致计算错误,避免瞬间过电压和高频干扰对敏感设备是非常必要的。
6、焊机谐波对电容器的影响
  当电网中存在谐波时,电容器投入之后,会使端电压增大,通过电容器的电流增加得更大,使电容器损耗功率增加。当谐波含量过高,超出电容的允许条件,会使电容器过电压或者过电流,加速电容器的绝缘老化。

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