（山东省济南市环境卫生设备修制厂 山东济南 250023）
摘要：本文以焊接车间的配电情况为例，主要介绍了焊接车间主要生产工具-逆变焊机产生谐波的原因，谐波的危害，针对焊接车间存在的谐波问题，提出了解决方案。通过本厂实际安装的谐波治理设备为例，对治理前后的数据分析论证，并得出结论。
关键词：逆变焊机；谐波治理；数据分析
引言
自第一台300A晶闸管弧焊逆变电源问世以来，弧焊逆变电源有了很大的发展，经历了晶闸管逆变、大功率晶体管逆变、场效应逆变以及IGBT逆变，其容量和性能大大提高，目前弧焊逆变电源已成为工业发达国家焊机设备必配的主流产品，此类焊机统称为逆变焊机。逆变焊机电路中存在整流和逆变等环节，导致电流波形畸变，产生大量的高次谐波。高次电压和电流谐波之间存在严重相移，导致焊机的功率因数很低。因此解决谐波问题对焊接车间整体用电量的节省尤为重要。
1 焊接车间产生谐波的主要原因
逆变焊机内部的干扰逆变电源是一个强电和弱电组合的系统。在焊接过程中，焊接电流可达到几百甚至上千安培。因电流会产生较大的电磁场，特别在逆变主电路采用高逆变频率的焊接电源系统中，整流管整流，高频变压器漏磁，控制系统振荡，高频引弧，功率管开关等均会产生较强的谐波干扰。
其次，逆变焊机如果采用高频引弧时，由于焊机利用频率达几十万赫兹，电压高达数千伏的高频电压击穿空气间隙形成电弧，因此高频引弧也是一个很强的谐波干扰源。对于计算机控制的智能化弧焊逆变焊机来说，由于采用的计算机控制系统运行速度越来越高，因此对控制本身也成了一个谐波干扰源，对控制板的布线也提出了较高的要求。
2 谐波的危害
理想的电网所提供的电压应该是单一而固定的频率已经规定的电压幅值。谐波的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。近年来由谐波引起的各种故障和事故不断发生，谐波危害的严重性才引起高度关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面[1]：
（1）、谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗,降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。
（2）、谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。
（3）、谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述的（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起更严重事故。
另外在焊机车间内，由于不同焊接电源在使用时接地线可能相互连接，因此若不采取相应的措施，高频成分的谐波信号很容易窜入控制系统，使焊机不能正常工作，甚至损坏。
3 谐波的解决方案
针对逆变焊机工作时产生的各种谐波，最经济有效的解决方法就是采用谐波治理设备。静止无功发生器（SVG）是当今谐波治理领域最新技术的代表，属于灵活柔性交流输电系统的重要组成部分。它利用可关断大功率电力电子器件组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态调压、无功补偿的目的。
随着SVG技术的逐渐成熟以及功率器件的成本下降，相对于传统的TSC无功补偿设备，SVG针对于焊机这种冲击性负荷，显示出越来越大的优越性。首先，SVG具有快速的无功功率调节能力，可以维持负荷侧电压，提高负荷侧供电系统的电压稳定性；其次，SVG能够快速地提供变化的无功电流，可在容性与感性之间瞬间切换，以补偿负荷变化引起的电压波动和闪变现象；再次，目前SVG的功能不仅局限于补偿无功功率，还具有滤除谐波、抑制三相不平衡的功能。正因如此，针对逆变焊机这种设备运行的电网现状，采用SVG进行电能质量整体治理，是切实有效的手段。
4 典型应用案例及数据分析
以本厂焊接车间为例，通过对比谐波治理前后配电网电能数据的变化，验证了谐波治理后对经济效益的提高。
本厂焊接车间存在的主要问题是，由于逆变焊机采用线电压供电，瞬间冲击电流较大，三相电流严重不平衡，加之母线供电距离较长，系统电压波动剧烈，焊机工作时线电压下跌到260V以下。较低的工作电压不仅影响焊机的工作特性，致使参数不断调整，降低工作效率，同时还影响焊接成品的质量，造成次品率上升。普通的无功补偿设备投切速度达不到补偿要求，高速无功补偿设备虽然采用晶闸管投切电容器，但针对逆变焊机这种特殊负荷，存在无功、谐波、不平衡等多种电能质量问题，没有合理有效的运算控制原理和解决方案，无法解决配电系统存在的问题。
现场安装一台SVG后，治理前后FLUKE434/435测量数据[2]对比效果如下：
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图三 无功功率治理前趋势图图四：无功功率治理后趋势图
从系统电压趋势展开图中可以看出，SVG投入前A相最低电压为153.5V，而SVG投入后A相最低电压为198.4V，提高了近50V，且电压跌落的密度明显变疏；从无功功率趋势图中也可以看出，无论是波动范围还是波动密度都大幅降低，说明SVG补偿效果明显。对于快速变化且高冲击性焊机负荷，SVG能够有效跟踪补偿，稳定系统电压，保证焊机正常工作。
5 结论
通过对逆变焊机工作原理的分析，得出由于焊接电源的工作特性，配电系统电压波动较大，致使焊机无法正常工作，同时导致电网额外损耗严重，影响了生产的安全运行。采用SVG对配电系统进行综合治理，有效的抑制了系统电压的波动，提高了系统工作电压和功率因数，降低了电网的有功冲击和无功损耗，用电环境得到明显改善。
系统电压的稳定和提高是逆变焊机可靠工作的保证，可以使逆变焊机工作在最佳参数下，提升焊接产品的品质，降低次品率，提高车间生产效率，达到安全生产、节能降耗的目的。
参考文献
[1]王兆安等，谐波抑制和无功功率补偿[M]，北京：机械工业出版社，2006:40-41。
[2]FLUKE434/435电能质量分析仪使用手册[M]，美国：FLUKE公司，2004.
作者简介
秦怀强，男，1984.01出生，籍贯山东定陶，中级职称，工程师，大学本科，工学学士，已经在省级刊物发表论文三篇。
从事研究方向：早期致力于谐波治理、电能治理方面的研究，现主要从事垃圾处理设备的开发和应用。
论文作者:秦怀强
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/12
标签：谐波论文; 焊机论文; 电压论文; 逆变论文; 电网论文; 车间论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第21期论文;