錢偉

摘 要：隨著電力電子技術的發(fā)展，新型大功率器件不斷出現(xiàn)，逆變技術得到了快速發(fā)展。逆變技術引入焊接領域后，又促進了弧焊電源的發(fā)展。逆變弧焊機的核心是逆變弧焊電源。目前逆變焊機已成為市場主流，但其接入電網后會對電能質量產生影響，影響電網的安全、穩(wěn)定，還會對其他用電設備產生一定程度上的不利影響。同時電能質量又會影響焊機的正常運行。因此開展電能質量檢測很重要。本文針對這些影響和電能質量的檢測進行了分析，對逆變焊機的質量提高、電能質量的檢測和改善以及逆變焊機的節(jié)能檢測有一定的指導作用。

關鍵詞：逆變焊機 電能質量 檢測

中圖分類號：TG433 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2014）05（a）-0119-02

電焊機是現(xiàn)代工業(yè)必不可少的重要工藝裝備。隨著科學技術的發(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，易于實現(xiàn)智能化、自動化等特點，逆變焊機自問世以來得到了廣泛應用。目前，發(fā)達國家和中國的許多焊機制造企業(yè)幾乎全部進入到逆變式焊機時代。隨著科學技術和國民經濟的發(fā)展，對電能質量的要求越來越高，電網電能質量的好壞直接影響到逆變焊機的工作質量、工作效率甚至能否正常工作；另一方面由于逆變焊機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，使電網中產生大量的高次諧波，引起電網電壓波形畸變或電壓波動和閃變，對供電電能質量造成干擾或污染，對其他鄰近設備產生嚴重影響。

1 逆變焊機原理

逆變焊機其原理為：工頻交流電經整流、濾波后變成直流電，再通過大功率開關電子元件（如場效應管MOSFET或IGBT）的交替開關作用，把直流電逆變幾千赫茲到幾萬赫茲的中頻交流電壓，經主變壓器降壓后，再經整流濾波獲得平穩(wěn)的直流輸出焊接電流。其工作過程簡單表示為：工頻交流-直流-中頻交流-直流。

2 逆變焊接機對電能質量的影響

在供電線路末端，大功率逆變焊接機在焊接工作時往往會引起電壓的跌落，引起電壓的偏差，這種偏差是穩(wěn)態(tài)的。其原因是電流流經供電線路阻抗產生壓降所致。電壓偏差大小與傳輸導線的線徑、傳輸距離、調壓手段、負荷用電特性等有關。電壓偏差過大會對焊機的額定性能和電網的正常運行造成危害。

大部分焊機在實際工作中是間歇通電的波動性負荷，它會引起一系列的電壓波動；而逆變焊機這種非線性的波動負荷在工作中又可能產生間諧波，其危害之一就是可能引起照明閃爍（閃變）。電壓波動和閃變不僅影響人體健康，還會中斷照明電源，使設備效率降低，電腦系統(tǒng)運行不正常，引起變頻調速系統(tǒng)停頓等事故。

大量單相逆變焊機的使用導致電力系統(tǒng)三相電壓的不平衡。三相供電電壓不平衡將使電機、變壓器等電氣設備熱損耗增加、絕緣壽命降低、電機發(fā)生振動，干擾保護、控制設備的運行，對多相變流器還會產生非特征諧波。如6脈沖整流器，其特征諧波為6k±1次，當電壓不平衡時還會出現(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。

諧波的產生。逆變焊機其電路輸入部分為整流電路，為非線性負載，當電流流經負載時，與所加電壓不呈線性關系，形成非正弦電流，交流輸入電流波形嚴重失真，從而產生諧波。而諧波電流在系統(tǒng)阻抗上產生電壓降，導致電網出現(xiàn)諧波電壓。諧波將使電氣設備及導線過載運行，縮短使用壽命并可能導致繼電保護、安全自動裝置誤動作。公用電網諧波不能超過一定的限值。

逆變焊機在焊接時會產生大量高次諧波，高次電壓和電流諧波之間存在相移，使無功功率增大，導致焊機的功率因數(shù)降低，增加了線路損耗，降低了電壓質量，使一些用戶增加了電費支出。

3 逆變焊機電能質量的檢測

3.1 電壓電流檢測

逆變焊機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衡量電壓的大小。將工頻電壓半周期T/2分成N個等分點，每隔T/2N逐點取電壓瞬時值。設在KT/2N時刻電壓的瞬時值為uk，于是方均根值電壓

（1）

同理

測量應采用真有效值儀器，真有效值測量適用于所有正弦波和非正弦波電路。如采用平均響應儀器，對于單相整流的測量結果會比真有效值儀器測得的結果低40%以上。

3.2 電壓偏差檢測

電壓是電能質量的一個重要指標，電壓產生偏差，將會給用電負荷帶來很多的影響，所以在電能質量檢查中，電壓需要保證其合格性，產生的偏差需要在允許的范圍內。

電壓偏差為實際運行電壓對系統(tǒng)標稱電壓的偏差相對值，以百分數(shù)表示。

獲得電壓有效值的基本測量時間窗口應為10周波。

電壓偏差過大，會給焊接機帶來嚴重的影響，不僅會影響其性能，還會造成焊機的損壞。

3.3 電壓波動檢測

電壓波動值為相鄰電壓方均根值的兩個極值Umax和Umin之差，以與標稱電壓的百分數(shù)表示。公式為

3.4 功率檢測

通過對逆變焊機功率的檢測可知焊機的功能和能效是否滿足設計要求。功率分為三種：有功功率、無功功率、視在功率。有功功率又稱之為平均功率，非正弦系統(tǒng)中一個周期內瞬時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，計算公式不同使計算出來的功率因數(shù)也有很大差別，不能正確反映設備的利用率。endprint

3.5 諧波檢測

諧波是一個周期里傅立葉級數(shù)中次數(shù)高于1的分量。根據傅立葉理論，任何重復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，每個諧波都有不同的頻率、幅度和相角。

在逆變焊接機焊接的過程中，使用大功率進行焊接工作時，就會產生大量的諧波，進而影響焊機的焊接質量和焊接機自身的性能和運行的安全性，為此檢測逆變焊接機的電能質量，應對焊接機工作中產生的諧波進行檢測[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，諧波電流含有率：

Ih為第五次諧波時的電流，I1為基波電流。諧波電壓含量：

電壓諧波畸變率反應了系統(tǒng)電壓的質量水平，其公式為

在我國380V標稱電壓系統(tǒng)中，電壓總諧波畸變率限值為5%。

逆變焊機電能檢測要獲得滿意準確的結果，所使用的儀器儀表必須滿足相應的測試標準要求，如IEC61000系列標準等。

4 供電容量和供電電源阻抗對電能質量檢測的影響

在一些逆變焊機使用現(xiàn)場，觀察三相輸入電壓波形，常?？梢钥吹秸也ǖ捻敳孔兊闷教梗簿褪钦f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量結果也受供電電源阻抗的影響。GB15579.1-2004《弧焊設備安全要求 第一部分：焊接電源》規(guī)定測量輸入電流真有效值時供電電源阻抗應小于等于焊接電源輸入阻抗的4%。

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

在對逆變焊機的電能質量檢測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 結語

本文分析了逆變焊機對電網電能質量的影響和產生原因，并對電能質量和電能檢測做了介紹，指出提高電能質量檢測的準確性，除使用的儀器儀表應滿足相應測試標準的要求以外，還要關注供電電源的容量和電源阻抗的影響，使供電電壓滿足測試要求。對逆變焊機的質量提高、電能質量的檢測和改善以及逆變焊機的節(jié)能檢測有一定的指導作用。

參考文獻

[1] 康偉.電能質量檢測方法及應用研究[D].華北電力大學（河北），2008.

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

[3] 萬鈞力，李艷琴，鄧文輝，等.電能質量檢測分析方法的研究[J].電測與儀表，2009（12）：76-77.endprint

3.5 諧波檢測

諧波是一個周期里傅立葉級數(shù)中次數(shù)高于1的分量。根據傅立葉理論，任何重復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，每個諧波都有不同的頻率、幅度和相角。

在逆變焊接機焊接的過程中，使用大功率進行焊接工作時，就會產生大量的諧波，進而影響焊機的焊接質量和焊接機自身的性能和運行的安全性，為此檢測逆變焊接機的電能質量，應對焊接機工作中產生的諧波進行檢測[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，諧波電流含有率：

Ih為第五次諧波時的電流，I1為基波電流。諧波電壓含量：

電壓諧波畸變率反應了系統(tǒng)電壓的質量水平，其公式為

在我國380V標稱電壓系統(tǒng)中，電壓總諧波畸變率限值為5%。

逆變焊機電能檢測要獲得滿意準確的結果，所使用的儀器儀表必須滿足相應的測試標準要求，如IEC61000系列標準等。

4 供電容量和供電電源阻抗對電能質量檢測的影響

在一些逆變焊機使用現(xiàn)場，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量結果也受供電電源阻抗的影響。GB15579.1-2004《弧焊設備安全要求 第一部分：焊接電源》規(guī)定測量輸入電流真有效值時供電電源阻抗應小于等于焊接電源輸入阻抗的4%。

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

在對逆變焊機的電能質量檢測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 結語

本文分析了逆變焊機對電網電能質量的影響和產生原因，并對電能質量和電能檢測做了介紹，指出提高電能質量檢測的準確性，除使用的儀器儀表應滿足相應測試標準的要求以外，還要關注供電電源的容量和電源阻抗的影響，使供電電壓滿足測試要求。對逆變焊機的質量提高、電能質量的檢測和改善以及逆變焊機的節(jié)能檢測有一定的指導作用。

參考文獻

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

[3] 萬鈞力，李艷琴，鄧文輝，等.電能質量檢測分析方法的研究[J].電測與儀表，2009（12）：76-77.endprint

3.5 諧波檢測

諧波是一個周期里傅立葉級數(shù)中次數(shù)高于1的分量。根據傅立葉理論，任何重復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，每個諧波都有不同的頻率、幅度和相角。

在逆變焊接機焊接的過程中，使用大功率進行焊接工作時，就會產生大量的諧波，進而影響焊機的焊接質量和焊接機自身的性能和運行的安全性，為此檢測逆變焊接機的電能質量，應對焊接機工作中產生的諧波進行檢測[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，諧波電流含有率：

Ih為第五次諧波時的電流，I1為基波電流。諧波電壓含量：

電壓諧波畸變率反應了系統(tǒng)電壓的質量水平，其公式為

在我國380V標稱電壓系統(tǒng)中，電壓總諧波畸變率限值為5%。

逆變焊機電能檢測要獲得滿意準確的結果，所使用的儀器儀表必須滿足相應的測試標準要求，如IEC61000系列標準等。

4 供電容量和供電電源阻抗對電能質量檢測的影響

在一些逆變焊機使用現(xiàn)場，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量結果也受供電電源阻抗的影響。GB15579.1-2004《弧焊設備安全要求 第一部分：焊接電源》規(guī)定測量輸入電流真有效值時供電電源阻抗應小于等于焊接電源輸入阻抗的4%。

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

在對逆變焊機的電能質量檢測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 結語

本文分析了逆變焊機對電網電能質量的影響和產生原因，并對電能質量和電能檢測做了介紹，指出提高電能質量檢測的準確性，除使用的儀器儀表應滿足相應測試標準的要求以外，還要關注供電電源的容量和電源阻抗的影響，使供電電壓滿足測試要求。對逆變焊機的質量提高、電能質量的檢測和改善以及逆變焊機的節(jié)能檢測有一定的指導作用。

參考文獻

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

[3] 萬鈞力，李艷琴，鄧文輝，等.電能質量檢測分析方法的研究[J].電測與儀表，2009（12）：76-77.endprint