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弧焊逆变电源功率因数校正技术的研究

黄继强  
【摘要】:常规弧焊逆变电源的前级多为采用二极管整流的不控桥式整流器,后接较 大的电容滤波,这种电路结构将导致弧焊逆变电源在电网端的输入电流产生畸 变的尖角波,而并非正弦波。同时,弧焊逆变电源经常出现负载变动过程,变 动负载也会造成输入电流的畸变。弧焊逆变电源输入电流的畸变不仅对电网造 成污染,而且降低设备本身的功率因数,增加了设备对电网配备容量的要求, 造成电网容量的浪费。随着人们对电网污染认识的不断加深以及相关谐波限制 标准的出台和实施,解决弧焊逆变电源产生的输入电流的谐波污染势在必行。 常规弧焊逆变电源所采用的不控电压型整流器是一种通用整流器的电路结 构形式,稳态负载情况下,具有这种电路结构的整流器会产生相应的电流畸变, 电流波形呈非连续的尖角波形,输入电流的谐波分布为:单相为2n+1次,三相 为6n±1次。当弧焊逆变电源的负载为理想的稳态负载时,输入电流的谐波具有 这一特点。实际焊接负载是变动的,尤其是脉冲焊接时,人为地产生出了脉动 的负载,脉动负载会对输入电流产生调制作用,这时的输入电流畸变不仅包含 电路结构造成的电流畸变,还包含有负载调制作用产生的电流畸变。负载调制 作用使输入电流的谐波分布发生明显变化,出现了偶次谐波和直流分量,因为 很多供电系统中设置的滤波设备主要是针对3次、5次、7次和11次等特定次 谐波。谐波限制标准中一般不允许有直流分量的出现,且对偶次谐波的限制严 格,所以从这个角度来说,偶次谐波和直流分量对电网的污染程度大,也就是 弧焊逆变电源对电网的造成污染更为严重。 弧焊逆变电源输入电流的谐波分析有利于了解其谐波的分布情况,通过分 析可以得到其稳态负载工作时的近似电流解析表达式,对其进行傅立叶级数展 开就可以得到各次谐波含量。但是当弧焊逆变电源处于脉动负载工作状况下, 其输入电流的表达式比较复杂,为此利用双边带调幅原理(DSBM),在一定的 工作条件下,得到了弧焊逆变电源输入电流谐波的近似解析表达式,经过傅立 叶级数展开可得各次谐波含量,对变动负载状况下输入电流谐波的分析作了有 益的探索,丰富了输入电流谐波的分析手段。 弧焊逆变电源功率因数校正的电路结构采用了三相PWM整流器。通过理 北京工业大学工学博士学位论文 论推导,在各坐标系下得出了PWM整流器的开关状态模型和平均状态模型。 并在此基础上,得到了三相PWM整流器小信号模型,为PWM整流器的分析 提供了理论基础,同时分析了PWM整流器的系统特性。结合瞬时功率理论和 功率平衡的关系,分析了整流器的功率控制的实质,为三相PWM整流器的控 制提供了理论依据。 弧焊逆变电源功率因数校正的控制最终都体现在PWM整流器的开关的动 作上,对于PWM整流器的开关调制方式的研究是很有必要的。通过滞环调制 方式、SPWM调制方式和空间矢量调制方式等开关方式的对比分析,利用开关 周期内纹波电流轨迹的概念,描述了各种开关调制方式谐波电流情况,得出开 关调制方式中以空间矢量调制方式的纹波电流最小。通过对比分析,得出空间 矢量隐含的调制波为注入零序分量的调制波,并分析了零矢量分配方案。借助 调制比的概念解释了空间矢量调制线性调制范围大的特点。 PWM整流器的控制策略的选取也直接关系到弧焊逆变电源功率因数校正 的实施效果,所以对整流器的三种控制方式进行了分析和比较,尤其对电压控 制方式和直接电流控制方式进行了详细的分析,得出了各自的控制模型,并由 此分析了它们各自的控制特点:电压控制方式为单电压闭环控制,电流为开环 控制,动态响应慢,且振荡剧烈;电流控制方式为双闭环控制,引入了电流内 环控制作为电压外环的一个随动系统,整个控制可以达到较好的控制品质。 将整流器的控制方式和调制方式结合起来组成弧焊逆变电源功率因数校正 系统的整体控制方案,通过仿真分析,结合弧焊逆变电源的特点,采用了矢量 调制电流控制方案,电流控制方式使PFC系统既有较好的动态响应品质,适应 弧焊逆变电源负载变动的要求,矢量调制方式又具有较低的电流纹波,利于降 低输入电流谐波。 在前面研究分析的基础上,研制了一台带有功率因数校正功能的三相弧焊 逆变电源样机。样机的研制工作主要是弧焊逆变电源功率因数校正系统的设计, 包括对主电路的构成、以DSP为控制核心的控制电路以及控制软件的编制工作 作了详细的介绍,展示了弧焊逆变电源功率因数校正过程实际实施过程和工作 要点。最后对研制的样机进行了实验和测试,并对测试结果进行了分析。实验 证明研究的实验样机有较好的功率因数校正效果,功率因数可以达到98%以上, 同时对输入电流的谐波抑制效果明显,THDi可以控制在16%以下。 摘要 采用功率因数校正的弧焊逆变电源在进行脉冲焊时,在一定程度仍然存在 脉冲负载的调制效应,不利于降低输入电流的总谐波畸变率和提高弧焊逆变电 源的功率因数。在满足其它设计要求下,适当调整PFC系统的响应速度,可以 降低调制作用对输入电流产生的影响,改善输入电流的波形,将输入电流畸变 率控制在合适的范围内,


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