逆变焊机的电能质量和检测

钱伟

摘 要：随着电力电子技术的发展，新型大功率器件不断出现，逆变技术得到了快速发展。逆变技术引入焊接领域后，又促进了弧焊电源的发展。逆变弧焊机的核心是逆变弧焊电源。目前逆变焊机已成为市场主流，但其接入电网后会对电能质量产生影响，影响电网的安全、稳定，还会对其他用电设备产生一定程度上的不利影响。同时电能质量又会影响焊机的正常运行。因此开展电能质量检测很重要。本文针对这些影响和电能质量的检测进行了分析，对逆变焊机的质量提高、电能质量的检测和改善以及逆变焊机的节能检测有一定的指导作用。

关键词：逆变焊机 电能质量 检测

中图分类号：TG433 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2014）05（a）-0119-02

电焊机是现代工业必不可少的重要工艺装备。随着科学技术的发展，各种性能优良的功率器件相继出现，逆变技术得到了迅猛发展。由于具节省铜、硅钢片等原材料，大幅度降低制造成本，减少电耗，改善焊接性能，易于实现智能化、自动化等特点，逆变焊机自问世以来得到了广泛应用。目前，发达国家和中国的许多焊机制造企业几乎全部进入到逆变式焊机时代。随着科学技术和国民经济的发展，对电能质量的要求越来越高，电网电能质量的好坏直接影响到逆变焊机的工作质量、工作效率甚至能否正常工作；另一方面由于逆变焊机其电源部分带有整流逆变环节，在作业过程中其输入、输出电流存在非正弦、非周期现象，使电网中产生大量的高次谐波，引起电网电压波形畸变或电压波动和闪变，对供电电能质量造成干扰或污染，对其他邻近设备产生严重影响。

1 逆变焊机原理

逆变焊机其原理为：工频交流电经整流、滤波后变成直流电，再通过大功率开关电子元件（如场效应管MOSFET或IGBT）的交替开关作用，把直流电逆变几千赫兹到几万赫兹的中频交流电压，经主变压器降压后，再经整流滤波获得平稳的直流输出焊接电流。其工作过程简单表示为：工频交流-直流-中频交流-直流。

2 逆变焊接机对电能质量的影响

在供电线路末端，大功率逆变焊接机在焊接工作时往往会引起电压的跌落，引起电压的偏差，这种偏差是稳态的。其原因是电流流经供电线路阻抗产生压降所致。电压偏差大小与传输导线的线径、传输距离、调压手段、负荷用电特性等有关。电压偏差过大会对焊机的额定性能和电网的正常运行造成危害。

大部分焊机在实际工作中是间歇通电的波动性负荷，它会引起一系列的电压波动；而逆变焊机这种非线性的波动负荷在工作中又可能产生间谐波，其危害之一就是可能引起照明闪烁（闪变）。电压波动和闪变不仅影响人体健康，还会中断照明电源，使设备效率降低，电脑系统运行不正常，引起变频调速系统停顿等事故。

大量单相逆变焊机的使用导致电力系统三相电压的不平衡。三相供电电压不平衡将使电机、变压器等电气设备热损耗增加、绝缘寿命降低、电机发生振动，干扰保护、控制设备的运行，对多相变流器还会产生非特征谐波。如6脉冲整流器，其特征谐波为6k±1次，当电压不平衡时还会出现6k±3次非特征谐波，且随着电压不平衡度的增加，6k±3次非特征谐波也加大。

谐波的产生。逆变焊机其电路输入部分为整流电路，为非线性负载，当电流流经负载时，与所加电压不呈线性关系，形成非正弦电流，交流输入电流波形严重失真，从而产生谐波。而谐波电流在系统阻抗上产生电压降，导致电网出现谐波电压。谐波将使电气设备及导线过载运行，缩短使用寿命并可能导致继电保护、安全自动装置误动作。公用电网谐波不能超过一定的限值。

逆变焊机在焊接时会产生大量高次谐波，高次电压和电流谐波之间存在相移，使无功功率增大，导致焊机的功率因数降低，增加了线路损耗，降低了电压质量，使一些用户增加了电费支出。

3 逆变焊机电能质量的检测

3.1 电压电流检测

逆变焊机输入电压波形为周期性非正弦波。将其分解成基波和谐波电压，基波周期与非正弦电压周期相同。以电压半周期的方均根值来衡量电压的大小。将工频电压半周期T/2分成N个等分点，每隔T/2N逐点取电压瞬时值。设在KT/2N时刻电压的瞬时值为uk，于是方均根值电压

（1）

同理

测量应采用真有效值仪器，真有效值测量适用于所有正弦波和非正弦波电路。如采用平均响应仪器，对于单相整流的测量结果会比真有效值仪器测得的结果低40%以上。

3.2 电压偏差检测

电压是电能质量的一个重要指标，电压产生偏差，将会给用电负荷带来很多的影响，所以在电能质量检查中，电压需要保证其合格性，产生的偏差需要在允许的范围内。

电压偏差为实际运行电压对系统标称电压的偏差相对值，以百分数表示。

获得电压有效值的基本测量时间窗口应为10周波。

电压偏差过大，会给焊接机带来严重的影响，不仅会影响其性能，还会造成焊机的损坏。

3.3 电压波动检测

电压波动值为相邻电压方均根值的两个极值Umax和Umin之差，以与标称电压的百分数表示。公式为

3.4 功率检测

通过对逆变焊机功率的检测可知焊机的功能和能效是否满足设计要求。功率分为三种：有功功率、无功功率、视在功率。有功功率又称之为平均功率，非正弦系统中一个周期内瞬时功率的平均值为有功功率，其公式为

基于傅立叶变换，以谐波形式表示为

即

视在功率定义为

功率因数为

在交流正弦波形、线性负载电路中，有功功率为

其中，为电压与电流相位角

三相系统可采用两表法或三表法测量总功率。但在三相非正弦系统中，视在功率的定义还没有统一，计算公式不同使计算出来的功率因数也有很大差别，不能正确反映设备的利用率。endprint

3.5 谐波检测

谐波是一个周期里傅立叶级数中次数高于1的分量。根据傅立叶理论，任何重复波形都可以分解为含基波频率和一系列频率为基波整数倍的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都有不同的频率、幅度和相角。

在逆变焊接机焊接的过程中，使用大功率进行焊接工作时，就会产生大量的谐波，进而影响焊机的焊接质量和焊接机自身的性能和运行的安全性，为此检测逆变焊接机的电能质量，应对焊接机工作中产生的谐波进行检测[3]。发生畸变的波形有谐波含有率、谐波含量、畸变率等特征量，畸变波形谐波电压含有率：

Uh为发生第h次谐波的电压，U1为基波电压。在第h次谐波时，谐波电流含有率：

Ih为第五次谐波时的电流，I1为基波电流。谐波电压含量：

电压谐波畸变率反应了系统电压的质量水平，其公式为

在我国380V标称电压系统中，电压总谐波畸变率限值为5%。

逆变焊机电能检测要获得满意准确的结果，所使用的仪器仪表必须满足相应的测试标准要求，如IEC61000系列标准等。

4 供电容量和供电电源阻抗对电能质量检测的影响

在一些逆变焊机使用现场，观察三相输入电压波形，常常可以看到正弦波的顶部变得平坦，也就是说出现了平顶现象。其原因是由于供电电源容量太低，致使整流负载的脉冲型电流引起电源电压的波形畸变。加大电源容量后这种现象就改善。因此，加大供电系统容量可以抑制谐波影响，减小谐波造成的危害。供电容量越大，系统短路阻抗就越小，谐波电压水平就越低。

同样，输入电流的峰值和真有效值测量结果也受供电电源阻抗的影响。GB15579.1-2004《弧焊设备安全要求 第一部分：焊接电源》规定测量输入电流真有效值时供电电源阻抗应小于等于焊接电源输入阻抗的4%。

因此，提高供电系统容量是保障焊机电能质量检测准确性，也是抑制谐波影响和危害的主要措施之一。

在对逆变焊机的电能质量检测中要保证供电电压符合要求，包括供电电压的幅值、频率和波形。

5 结语

本文分析了逆变焊机对电网电能质量的影响和产生原因，并对电能质量和电能检测做了介绍，指出提高电能质量检测的准确性，除使用的仪器仪表应满足相应测试标准的要求以外，还要关注供电电源的容量和电源阻抗的影响，使供电电压满足测试要求。对逆变焊机的质量提高、电能质量的检测和改善以及逆变焊机的节能检测有一定的指导作用。

参考文献

[1] 康伟.电能质量检测方法及应用研究[D].华北电力大学（河北），2008.

[2] 陈阵，杨维.数字化焊机的电能质量[J].电焊机，2013（9）：95-96.

[3] 万钧力，李艳琴，邓文辉，等.电能质量检测分析方法的研究[J].电测与仪表，2009（12）：76-77.endprint

3.5 谐波检测

谐波是一个周期里傅立叶级数中次数高于1的分量。根据傅立叶理论，任何重复波形都可以分解为含基波频率和一系列频率为基波整数倍的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都有不同的频率、幅度和相角。

在逆变焊接机焊接的过程中，使用大功率进行焊接工作时，就会产生大量的谐波，进而影响焊机的焊接质量和焊接机自身的性能和运行的安全性，为此检测逆变焊接机的电能质量，应对焊接机工作中产生的谐波进行检测[3]。发生畸变的波形有谐波含有率、谐波含量、畸变率等特征量，畸变波形谐波电压含有率：

Uh为发生第h次谐波的电压，U1为基波电压。在第h次谐波时，谐波电流含有率：

Ih为第五次谐波时的电流，I1为基波电流。谐波电压含量：

电压谐波畸变率反应了系统电压的质量水平，其公式为

在我国380V标称电压系统中，电压总谐波畸变率限值为5%。

逆变焊机电能检测要获得满意准确的结果，所使用的仪器仪表必须满足相应的测试标准要求，如IEC61000系列标准等。

4 供电容量和供电电源阻抗对电能质量检测的影响

在一些逆变焊机使用现场，观察三相输入电压波形，常常可以看到正弦波的顶部变得平坦，也就是说出现了平顶现象。其原因是由于供电电源容量太低，致使整流负载的脉冲型电流引起电源电压的波形畸变。加大电源容量后这种现象就改善。因此，加大供电系统容量可以抑制谐波影响，减小谐波造成的危害。供电容量越大，系统短路阻抗就越小，谐波电压水平就越低。

同样，输入电流的峰值和真有效值测量结果也受供电电源阻抗的影响。GB15579.1-2004《弧焊设备安全要求 第一部分：焊接电源》规定测量输入电流真有效值时供电电源阻抗应小于等于焊接电源输入阻抗的4%。

因此，提高供电系统容量是保障焊机电能质量检测准确性，也是抑制谐波影响和危害的主要措施之一。

在对逆变焊机的电能质量检测中要保证供电电压符合要求，包括供电电压的幅值、频率和波形。

5 结语

本文分析了逆变焊机对电网电能质量的影响和产生原因，并对电能质量和电能检测做了介绍，指出提高电能质量检测的准确性，除使用的仪器仪表应满足相应测试标准的要求以外，还要关注供电电源的容量和电源阻抗的影响，使供电电压满足测试要求。对逆变焊机的质量提高、电能质量的检测和改善以及逆变焊机的节能检测有一定的指导作用。

参考文献

[1] 康伟.电能质量检测方法及应用研究[D].华北电力大学（河北），2008.

[2] 陈阵，杨维.数字化焊机的电能质量[J].电焊机，2013（9）：95-96.

[3] 万钧力，李艳琴，邓文辉，等.电能质量检测分析方法的研究[J].电测与仪表，2009（12）：76-77.endprint

3.5 谐波检测

谐波是一个周期里傅立叶级数中次数高于1的分量。根据傅立叶理论，任何重复波形都可以分解为含基波频率和一系列频率为基波整数倍的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都有不同的频率、幅度和相角。

在逆变焊接机焊接的过程中，使用大功率进行焊接工作时，就会产生大量的谐波，进而影响焊机的焊接质量和焊接机自身的性能和运行的安全性，为此检测逆变焊接机的电能质量，应对焊接机工作中产生的谐波进行检测[3]。发生畸变的波形有谐波含有率、谐波含量、畸变率等特征量，畸变波形谐波电压含有率：

Uh为发生第h次谐波的电压，U1为基波电压。在第h次谐波时，谐波电流含有率：

Ih为第五次谐波时的电流，I1为基波电流。谐波电压含量：

电压谐波畸变率反应了系统电压的质量水平，其公式为

在我国380V标称电压系统中，电压总谐波畸变率限值为5%。

逆变焊机电能检测要获得满意准确的结果，所使用的仪器仪表必须满足相应的测试标准要求，如IEC61000系列标准等。

4 供电容量和供电电源阻抗对电能质量检测的影响

在一些逆变焊机使用现场，观察三相输入电压波形，常常可以看到正弦波的顶部变得平坦，也就是说出现了平顶现象。其原因是由于供电电源容量太低，致使整流负载的脉冲型电流引起电源电压的波形畸变。加大电源容量后这种现象就改善。因此，加大供电系统容量可以抑制谐波影响，减小谐波造成的危害。供电容量越大，系统短路阻抗就越小，谐波电压水平就越低。

同样，输入电流的峰值和真有效值测量结果也受供电电源阻抗的影响。GB15579.1-2004《弧焊设备安全要求 第一部分：焊接电源》规定测量输入电流真有效值时供电电源阻抗应小于等于焊接电源输入阻抗的4%。

因此，提高供电系统容量是保障焊机电能质量检测准确性，也是抑制谐波影响和危害的主要措施之一。

在对逆变焊机的电能质量检测中要保证供电电压符合要求，包括供电电压的幅值、频率和波形。

5 结语

本文分析了逆变焊机对电网电能质量的影响和产生原因，并对电能质量和电能检测做了介绍，指出提高电能质量检测的准确性，除使用的仪器仪表应满足相应测试标准的要求以外，还要关注供电电源的容量和电源阻抗的影响，使供电电压满足测试要求。对逆变焊机的质量提高、电能质量的检测和改善以及逆变焊机的节能检测有一定的指导作用。

参考文献

[1] 康伟.电能质量检测方法及应用研究[D].华北电力大学（河北），2008.

[2] 陈阵，杨维.数字化焊机的电能质量[J].电焊机，2013（9）：95-96.

[3] 万钧力，李艳琴，邓文辉，等.电能质量检测分析方法的研究[J].电测与仪表，2009（12）：76-77.endprint