低频谐波的研发

1、目录目录1一、立项理由21.1国外相关产品与技术发展概况21.2国内相关产品与技术现状21.3该项目曾列入过哪级哪种科技计划，取得的阶段成果31.4市场需求前景、推广应用领域3二、实施方案32.1技术特点、关键技术和关键工艺32.2实施的具体内容和技术路线92.3实施方式92.4项目进度与完成期限92.5与后续技术改造计划的衔接10三、技术经济指标103.1与现有产品、技术、装备的对比103.2达到的技术性能指标和参数103.3采用的技术标准113.4 经济效益分析11一、立项理由1.1国外相关产品与技术发展概况 自20世纪80年代初推出商用逆变焊接电源以来，逆变焊接电源因体积小、质量轻、节能

2、省材、控制性能好、动态响应快、易于实现焊接过程实时控制等特点，备受用户青睐。随着功率器件水平和电源制造工艺的提高，焊接逆变电源的可靠性也得到很大提高，其市场占有率逐年提高，已经成为焊接电源发展的主流方向。 常用逆变焊接电源大都采用前级采用单相或三相不控整流，后接电容滤波，为后级 DCAC 逆变电路提供恒定的直流电压源的电路结构形式这种不控整流电路结构，因滤波电容的作用，只有当输入端电压高于直流母线上的电压时整流二极管上才会有电流流过，也就是说，在一个电周期内，二极管的导通角较小，这将造成输入电流产生较大的畸变 。输入电流的畸变不仅给电网注入谐波，造成电网污染，同时又降低了逆变焊接电源本身的功率

3、因数，增加了对供电容量的要求。1.2国内相关产品与技术现状 在大量使用非同步电气设备（电焊机、点焊机）的行业，负荷具有快速或极快的无功变化需求，无功功率损耗大，三相负荷不平衡，燃弧、直流装置会有谐波产生等。如汽车制造厂、船舶、钢结构、摩托车制造厂等点焊机、缝焊机、焊接机的负的功率变化非常快，无功功率波动以致电压产生波动，致使焊接质量变差，生产效率降低，直接导致电焊质量变差并影响焊接的生产效率。相对稳定的电流能提高焊接质量、消除闪烁、充分地利用现有设备，减少基本费用的开支。汽车、等制造企业的点焊机、缝焊机、焊接机使用常规接触器投切电容器组的补偿器，响应速度赶不上负载的变化，系统功率因素总是处于欠

4、补偿或处于过补偿状态，达不到补偿无功功率的目的。由于常规无功补偿装置不能发挥作用，系统的功率因数很低，增加了电能损耗，供电变压器容量的实际使用率只有50%以下我公司自主研发的TSC低压动态无功补偿装置是采用晶闸管作为投切开关，且在10ms内快速响应,并实时跟踪负荷无功变化需求而自动补偿无功的装置。该装置能有效改善用电负荷的功率因数，具有显著的节能效果；同时在TSC系统中采用专用的电抗器，可有效抑制谐波放大、并及时吸收谐波电流，进而达到谐波治理的目的。如果使用普通的接触器投切电容器组，会产生极大的浪涌电流、极慢的补偿时间、高的维护费用和短的使用寿命。我公司生产的TSC（TSF）可以在补偿的同时又

5、滤除谐波的功能，对2次、3次、5次、7次等主要特征谐波，进行有效的滤除。1.3该项目曾列入过哪级哪种科技计划，取得的阶段成果 获得发明专利1项（名称：逆变焊机用实现焊机空载、轻载时软开关装置，专利号：ZL200410036435.8），实用新型1项（名称：一种低谐波输入电流电容滤波的三相整流电路，专利号：ZL200720023159.0；），外观设计1项（名称：焊机控制板（NBC），专利号：ZL200530136225.1）。1.4市场需求前景、推广应用领域焊接占金属加工量的三分之一，焊接电源是实现焊接的主要设备。随着焊接设备应用越来越多，大家对变频器引起谐波问题越来越重视，低谐波变频器在很多

6、应用场合崭露头角，为设备提供精确控制和节约能源的同时，也提供一个良好干净的用电环境。如：大型船舶上安装较大功率的变频器，而且由于供电容量限制，谐波对系统危害严重，低谐波变频器能够适用这种应用场合的要求。此外，半导体工业对电力系统的谐波要求极为严苛，对大功率变频器要求谐波很低，低谐波变频器尤其适用于此场合。二、实施方案2.1技术特点、关键技术和关键工艺2.1.1技术特点1. 采用晶闸管作为投切开关，响应速度快。2、采用专用电抗器，可有效抑制谐波放大，吸收谐波电流。3. 焊机主回路采用移相谐振软开关电路，开关损耗小，功率因数大。4. 焊机与无功补偿装置一体，使用方便，用户无需对供电设施做任何改动，

7、就可以实现无功补偿，谐波抑制，确保焊增质量，提高生产效率。2.1.2 关键技术及工艺关键技术一：采用晶闸管作为投切开关，响应速度快无功补偿是当前电能质量治理最为突出、紧迫的问题。目前普遍采用的装置主要为静止无功补偿器（SVC）。它主要包括：晶闸管投切电容型无功补偿器（TSC）、晶闸管控制电抗型无功补偿器（TCR）及磁阀控制电抗型无功补偿器（MCR）。TSC型无功补偿转置，采用晶闸管开关器件分组投切电容器技术改变装置的无功出力，相比于TCR、MCR方式的无功补偿装置具有损耗小、成本低、安装维护方便、可靠性高、应用范围宽、技术成熟等特点，是目前无功补偿领域的主力军。按照电容分组投切开关的类型，TS

8、C 型的补偿装置可以分为：机械开关、复合开关及采用电力电子无触点开关投切。由于采用电力电子无触点开关投切其能在每个周波内无应力打开、关断，采用此开关的 TSC 型无功补偿装置可以做到系统无功补偿的快速、精确，使系统运行于较高的功率因数下，有效的解决电力传输中的线损、设备容量能力，改善用户端的电压降低等特点，逐渐成为目前电容分组投切型无功补偿设备的性能最为优越的开关器件。电力电子无触点开关可采用的器件有SCR、GTO、IGBT、IGCT、IEGT等，一般情况下，基于无功补偿的应用及成本考虑，目前主要以晶闸管器件为主。 为了准确获取晶闸管的端电压信号，本设用比例放大器进行差分采样，电路原理如图1所

9、示图中的ESD为静电保护芯片，其内阻远小于采样电阻Rs及反馈电阻Rf，电阻R1与Rf阻值相同。采样信号来自晶闸管的K1、K2端，电压分别记为 Vk1 、Vk2。根据运放电路的工作原理，差分运放的输出电压信号VSAM，满足下式： VSAM=(VK2-VK1 )*RF/R1 +VREF1 （1） 图1 晶闸管端电压的差分采样原理图 晶闸管的驱动信号需要采取电气隔离措施，目前常见的隔离方式有光耦隔离及变压器隔离两种。变压器隔离具有速度快，隔离强度高等特点，本设计采用变压器对驱动信号进行隔离。由于变压器只能传递交流信号，因此需要将将过零点脉冲与高频脉冲信号进行叠加，使变压器将控制信号传递至晶闸管控制端

10、。高频脉冲信号发生及其与触发脉冲的叠加信号采用如图2所示的电路处理，图中U1A为斯密特触发器，其与C1、R1构成震荡电路，产生高频脉冲，U1C、U1D完成触发脉冲与高频信号的叠加，高频信号的频率需要与隔离变压器的特性相匹配。图2产生的触发脉冲信号经过隔离放大电路（如图3所示）送至晶闸管的控制端。图3中U2完成信号放大，其 EN 脚由外部输入，表示是否需要在过零点打开晶闸管开关，U3为双路 MOSFET芯片，负责对隔离变压器的驱动。U2芯片的SEN端采样MOSFET管的驱动电流，当出现过流时进行保护。 图2 晶闸管驱动脉冲信号发生电路图3 晶闸管驱动脉冲信号隔离放大电路 本设计具有良好的通用性，

11、不仅在晶闸管端电压存在过零情况下能够安全、准确的触发晶闸管，当晶闸管端电压偏离电压零点时，依然能在晶闸管端电压最小值时将其触发，从而保证了系统的无功响应时间，同时避免电容电压的持续上升问题。试验结果表明该晶闸管端电压过零检测及触发电路具有良好的电气性能，晶闸管开关投切准确、可靠，投切过程不产生电流涌流，相比于传统的MOC3083晶闸管触发电路，在单个周波内完全能安全触发晶闸管。基于该触发电路设计的TSC无功补偿装置，能够做到无功功率的周波响应，同时能够避免由于电压波动而导致的晶闸管端电压过零点消失的复杂工况，可应用于中频炉、电焊机等快速无功变换的环境，提高系统功率因数，节约能源。 关键技术二：

12、采用专用电抗器，有效抑制谐波放大、吸收谐波电流 并联电容器进行无功补偿是电力系统改善功率因素和跳崖的有效措施。然而电力系统中大量非线性负载的投运，特别是以晶闸管作为换流元件的电力半导体器件，由于它以开关方式工作，将会引起电网电流、电压波形的畸变，产生大量高次谐波。而电容器对高次谐波反应比较敏感，会对谐波电刘起到放大作用，严重时还会产生谐振，造成电容器自身的损坏或无法工作，还危及附近其他电器设备的安全。 在具有高次谐波背景中装设补偿电容器，一般采用在电容器回路中串联电抗器的措施，这既不影响电容器的无功补偿作用，又能抑制高次谐波。但串联电抗器必须考虑电容器接入处电网的谐波背景，绝不可任意组合。只有

13、合理选择串联电抗器的电抗率，使之与电容器进行合理匹配，才能有效地起到抑制谐波的作用，并有限制合闸涌流的效果。 1.抑制高次谐波 当无功补偿电容器接入电网存在有高次谐波时，电容器对n次谐波的容抗降为xc/n，系统电感对n次谐波的感抗升高为nxL。在电网存在有n次谐波电流时，如果符合nxL=xc/n的条件，则将产生n次谐波的谐振现象。其n次谐波电流与基波电流迭加后，使流过电容器的电流骤增，此时产生的过电流必将危及电容器自身安全或无法工作。同时谐波电流在系统阻抗上产生的谐波电压与源电压迭加后产生过电压，此过电压也会威胁到电容器的安全运行。采用并联电容器进行无功补偿而构成的电路中，若电容器支路与系统发

14、生并联谐振，此时谐振点的谐振次数为：n0=xc/（xL+xs）式中： xs系统等值基波短路电抗； xL电抗器基波电抗；xc电容器基波电抗； （xL=Axc，A为电抗率）从上式看出，串入电抗器电感量越大，则谐波次数n0越低，因而可通过串入电抗器电感量的大小来控制并联谐振点，从而达到避开谐波源中的各次谐波。由此可见，在补偿电容器回路中串联一定电抗率的电抗器，即能有效地避开谐振点。在电容器接入处电网存在高次谐波时，当谐波次数大于谐振点的谐波次数时，电容器回路阻抗呈感抗，此时谐波电流全部流入电容器回路中，故而电容器对谐波电流不起放大作用。但在谐波次数小于谐振点的谐波次数时，电容器回路阻抗特性呈容性，此

15、时串联的电抗器不会起到抑制谐波作用，反而对谐波电流起到放大作用。为此，在电容器回路串联的电抗器绝不能任意组合，一定要考虑接入处电网的谐波背景，只有根据谐波背景选择合适的电抗率的电抗器，才能起到抑制高次谐波的作用。2.限制合闸涌流 无功补偿电容器在投运合闸瞬间，往往会产生冲击性合闸涌流，这是因为首次合闸的电容器处于未充电状态，流入电容器的电流仅受回路阻抗的限制，因该回路处于接近短路状态，回路阻抗很小，故而在合闸瞬间往往会产生很大的冲击涌流。GB50227-95并联电容器装置设计规范中给出合闸涌流的计算式为：Is=2 Ie(a+xc/xs) =2 Ie(a+sd/QC)式中： Ie电容器组的额定电

16、流； xc电容器组一相容抗值；xs电容器组与电网间电抗值； sd合闸点系统的短路容量；Qc电容器组容量。合闸涌流倍数: K=1+sd/QCK值是随合闸点短路容量的增大及电容器组容量的减小而增大，一般为310倍。电容器组回路加装串联电抗器后的合闸涌流倍数为：K=1+xc/（xL+xc）K值是随母线短路容量的增大，或电抗器占电容器容抗的百分数的增大而大幅度减小。故而在电容回路串联合适电抗率的电抗器后，将起到限制合闸涌流的效果。 3.电抗器电抗率的选择电抗率是电抗器的重要参数，而电抗率的大小将直接影响它的作用与系统的安全。为能合适的选用电抗率，必须了解电容器接入处电网存在谐波的背景。只有通过实测各次

17、谐波后，才能使用电容器与之串联的电抗器相匹配。1) 补偿电容器接入处的背景谐波为三次，而且含量已超过或接近标准时，宜选用12%的串联电抗器。2) 补偿电容器接入处的背景谐波为3次和5次为主，而且两者含量均较大，宜选用12%与4.5%6%两种电抗率混装方式的串联电抗器，以保证抑制3次谐波放大为前提。该方案优点比全部采用串联12%方案可降低无功损耗。 3)当补偿电容器接入处的背景谐波为3次为主，并含有5次以上谐波，但含量较少，可选用0.1%1%的电抗器。 4)当补偿电容器接入处的背景谐波以3次和5次为主，但3次谐波含量较少，而5次谐波含量已超过或接近标准值，应选用5%6%的电抗器。 5)当补偿电容

18、器接入处的背景谐波为5次及以上时，而且5次谐波含量较大，应选用6%的串联电抗器。6)当补偿电容器接入处电网含有多种谐波成分，并且含量都较大时，串联单抗器电抗率可按下式确定。此时该电容支路对于较大含量的各次谐波均不会产生放大作用。xL=xc/n2式中：可靠系数（一般取=1.21.5）； xc电容器组基波电抗； n具有较大含量的最低谐波次数。2.2实施的具体内容和技术路线 为实现焊机低谐波功能，我公司在现有产品的基础上采取了一下改进措施：.采用新的无功补偿装置，利用晶闸管作为投切开关，且在10ms内快速响应.采用专用的电抗器，有效抑制谐波放大，并及时吸收谐波电流，进而达到谐波治理的目的2.3实施方式 本项目由济宁奥太电气有限公司完全自主研发，属于将科技成果进行转化实现产业化。2.4项目进度与完成期限本项目从2013年1月开始研发，预2013年10月完成研发。详细进度安排和完成期限见下表：阶段工作名称主要工作内容计划起止时间一、立项阶段1、调研