（材料加工工程专业论文）基于虚拟仪器的弧焊电源检测及分析方法.pdf

摘 要 摘 要 弧焊电源的专用检测设备是认识弧焊电源性能的必需工具。基于对日益涌现 的新型弧焊电源性能的认识与高精度检测的需要，本论文在弧焊电源电参数检测 方面进行了研究，并研制开发了一台交、直流弧焊电源检测系统，在此平台上对 不同类型的弧焊电源做了电参数测量和分析的试验工作。 论文研制开发的多功能弧焊电源检测系统以虚拟仪器为技术平台，系统整合 了包括电子技术、计算机技术、传感和检测技术、数字技术和虚拟仪器技术等在 内的现代信息技术。利用传感器技术将待测物理量 ( 电参量和非电参量)变成采 集系统可以接受的电压信号;利用数字技术完成了信号的采样、各子系统和主机 系统的通信;利用计算机技术和虚拟仪器技术编制了 功能强大的软件;信号处理 技术将数字信号加工成最终表示形式。系统不仅具有测量外特性、动特性、静态 参数、电焊机温升等传统电焊机测试台所有的功能，同时还可以测量三相功率因 数、输入端电流谐波和频谱分析、弧焊电源效率的功能。该系统的开发对于信息 技术在焊接设备检测领域的应用有重要的理论与实用意义。 谐波是电力电子设备的重要特征，也是一大危害。本论文开发了谐波分析和 谐波电流检测两个模块。其中，谐波分析模块基于快速傅立叶变换算法，将输入 电流信号在频域内展开，从而得到各次谐波的幅值;谐波电流检测则利用瞬时无 功功率理论，采用坐标变换和空间旋转的方法，实时得到输入端各相谐波电流。 系统中瞬时无功功率理论的谐波电流检测模块在功能的实现上与其他系统不同， 全部功能由软件实现，可以观察、记录检测过程的所有中间量，为研究弧焊电源 的瞬时无功功率提供了一个很好的平台。 为了研究电子控制的弧焊电源的谐波特征，设计了可控硅整流和i g b t逆变 两种焊机在电弧和电阻负载下的谐波测量实验。发现在一般情况下，设备的结构 是影响谐波成分的主要因素，但是负载对焊机的谐波也会造成影响，不稳定负载 的影响主要体现在增加了非整数次谐波。在电阻负载情况下，焊机的输出电流改 变，各次谐波的分布也会改变， 总的畸变变小。 在测量输入电流谐波频谱的同时， 测量了谐波电流，并将基于傅立叶变换的测量方法和基于瞬时无功功率理论方法 得到的结果做了比较。结果表明，利用基于瞬时无功功率理论的方法实时检测弧 焊电源的谐波电流是可行的。 电子控制的弧焊电源的输入电流波形严重畸变，其功率因数不能再用功率因 数角 ( 相移)来描述，同时基于相移原理测量功率因数的仪器或设备已无法准确 测量部分弧焊电源的功率因数了， 必须采用新的测量原理。 文中利用波形计算法， 华南理工大学博士学位论文 根据i e e e 1 4 5 9 - 2 0 0 0 视在功率定义设计了功率因数测量模块，并成功的应用于 下相电源的功率因数测量。 论文中引入的视在功率定义将考察对象作为一个整体 而不是看作分立的三相，使视在功率具有明确的意义。三相视在功率的定义突出 了非正弦信号和不平衡系统的影响: 定义解决了以往功率定义以相电压为基本量 但工程实践中无法准确检测相电压的问题。 效率对用电设备非常重要。一般采用输出端有用功率和输入端有用功率的比 值作为弧焊电源的效率。系统实现了输入端电功率和输出端功率的同步测量，有 效地提高了弧焊电源效率测量的精度。 论文中测量了可控硅整流焊机和i g b t逆变焊机在不同负载下的效率，并研 究了不同规范下，两种焊机效率不同的原因。电阻负载下，逆变焊机效率比较稳 定，在规范调整时效率变化不大，并且效率始终保持较高的水平:在真实电弧负 载下，逆变焊机的效率在小规范时效率有所下降，但是随着规范的调节效率逐渐 提高，在输出电流较大时，效率接近电阻负载时的值。可控硅整流焊机无论电阻 负载还是电弧负载，随着输出电流的增加，效率增加，且效率值变化明显。 本文所研制的交、直流弧焊电源检测设备，对弧焊电源电参数的精确检测和 对弧焊电源性能的认识深化，在理论和实际应用两个方面都具有重要的意义。 关键词:虚拟仪器;弧焊电源;测试;功率因数;谐波 ab s t r a c t 二 二 刀侣翻 . 目 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 刁二 二 二 二 二 二 二 二 目 二 二 . 翻 二 . 目 . . .刀二 二 . . 口. . 吕 . 翻 目 . . . ab s t r a c t s p e c i a l d e v i c e f o r a r c w e l d i n g p o w e r s u p p l y i s n e c e s s a r y t o c o m p l e t e l y c o g n i z e t h e p e r f o r m a n c e o f a r c w e l d i n g p o w e r s u p p l y . b a s e d t h e d e m a n d t o d e e p l y c o n g n i z e t h e p e r f o r m a n c e s o f a r c w e l d i n g p o w e r s u p p l y , s o m e r e s e a r c h e s o n t e s t o f e l e c t r i c p a r a m e t e r s o f a r c w e l d i n g p o w e r s u p p l y a r e m a d e , a n d a t e s t s y s t e m t o t e s t a c / d c a r c w e l d i n g p o w e r s u p p l y h a v e b e e n d e v e l o p e d . s o m e m e a s u r e m e n t s a n d a n a l y s e s o f t h e e l e c t r i c p a r a m e t e r s o f a r c w e l d i n g p o w e r s u p p l y h a v e b e e n d o n e u s i n g t h i s s y s t e m . t h e s y s t e m i s b a s e d o n v i r t u a l i n s t r u m e n t t e c h n o l o g y , a n d i n t e g r a t i n g m a n y n e w t e c h n o l o g i e s i n c l u d i n g t h e t e c h n o l o g y o f d i g i t a l , c o m p u t e r , c o n t r o l , a n d t e s t . t h e s y s t e m n o t o n l y c a n m e a s u r e t h e o u t e r a n d d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d s t a t i c e l e c t r i c p a r a m e t e r s , b u t a l s o c a n m e a s u r e t h r e e - p h a s e p o w e r f a c t o r , i n p u t h a r m o n i c c u r r e n t a n d f r e q u e n c y s p e c t r u m, a n d e f f i c i e n c y o f a r c w e l d i n g m a c h i n e . t h e d e v e l o p m e n t o f t h i s s y s t e m i s v e r y m e a n i n g f u l t o t h e u s e o f i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y i n f i e l d o f t e s t o f w e l d i n g ma c h i n e . h a r m o n i c i s a c h a r a c t e r i s t i c o f p o w e r e l e c t r o n d e v i c e . i n t h i s p a p e r , t w o m o d u l e s i s d e v e l o p e d , o n e f o r f r e q u e n c y a n a l y s i s o f i n p u t c u r r e n t a n d t h e o t h e r f o r t e s t i n g h a r m o n i c c u r r e n t . t h e m o d u l e t o a n a l y z e f r e q u e n c y i s b a s e d o n f f t , a n d t h e m o d u l e t o t e s t h a r m o n i c c u r r e n t s i s b a s e d o n i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o w e r t h e o r y . i n t h i s s y s t e m, a l l f u n c t i o n s o f t h e m o d u l e t o t e s t h a r mo n i c c u r r e n t s a r e f u l f i l l e d b y s o f t w a r e , s o w e c a n o b s e r v e a n d r e c o r d a l l v a r i a b l e s . t h e m o d u l e i s a g o o d p l a t f o r m t o r e s e a r c h t h e i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o w e r t h e o r y . i n o r d e r t o r e s e a r c h t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f h a r m o n i c o f a r c w e l d i n g p o w e r s u p p l y c o n t r o l l e d b y e l e t r o n , s o m e e x p e r i m e n t s a r e d e s i g n e d t o t e s t t h e h a r mo n i c o f s c r - r e c t i f i e r a n d i g b t i n v e r t e r w e l d i n g ma c h i n e w i t h r e s i s t o r a n d a r c l o a d . i t i s d i s c o v e r e d t h a t t h e s t r u c t u r e o f d e v i c e i s t h e ma i n f a c t o r t o a f f e c t h a r mo n i c , a n d t h e l o a d a f f e c t s t h e h a r m o n i c t o o , t h e e f f e c t s o f v o l a t i l e l o a d a r e e m b o d i e d b y t h e n o n - i n t e g r a l h a r m o n i c . wi t h r e s i s t o r l o a d , t h e d i s t r i b u t i o n o f h a r m o n i c c h a n g e s f o l l o w i n g t h e c h a n g e o f o u t p u t c u r r e n t o f w e l d i n g m a c h i n e , s o m e c o m p o n e n t s o f h a r m o n i c i n c r e a s e , b u t t h e t h d d e c r e a s e s . a t t h e s a m e t i m e o f m e a s u r i n g f r e q u e n c y s p e c t r u m o f i n p u t c u r r e n t , h a r m o n i c c u r r e n t s a r e m e a s u r e d , a n d t h e m e a s u r i n g r e s u l t s a r e c o m p a r e d . t h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t i t i s f e a s i b l e t o t e s t r e a l t i me h a r mo n i c c u r r e n t u s i n g t h e m e t h o d b a s e d o n i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o w e r t h e o r y 1 1 1 p h d d i s s e r t a t i o n o f s o u t h c h i n a u n i v e r s i t y o f t e c h n o l o g y i n p u t c u r r e n t s o f e l e c t r i c a r c w e l d i n g p o w e r s u p p l y h a v e s e r i o u s d i s t o r t i o n , i t s p o w e r f a c t o r c a n n o t b e d e s c r i b e d b y p h a s e - s h i f t t h e o r y a g a i n , c o n s e q u e n t l y t h e i n s t r u m e n t s a n d d e v i c e s b a s e d o n p h a s e - s h i f t t h e o r y c a n n o t tr e a s u r e t h e p o w e r f a c t o r o f s o m e a r c w e l d i n g p o w e r s u p p l y c o r r e c t l y , s o i t n e c e s s a r y t o a d o p t a n e w t h e o r y . i n t h i s p a p e r , w a v e f o r m - c o m p u t i n g a r i t h m e t i c i s u s e d t o m e a s u r e p o w e r f a c t o r , a n d a m o d u l e t o m e a s u r e p o w e r f a c t o r i s d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e d e f i n i t i o n o f a p p a r e n t p o w e r o f i e e e s t a n d a r d 1 4 5 9 - 2 0 0 0 , a n d t h e m o d u l e i s u s e d s u c c e s s f u l l y t o m e a s u r e p o w e r f a c t o r o f t h r e e - p h a s e p o w e r s u p p l y . t h e d e f i n i t i o n , w h i c h i s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r , o f a p p a r e n t p o w e r r e g a r d s t h e o b j e c t t o b e m e a s u r e d a s a w h o l e . t h e d e f i n i t i o n o f a p p a r e n t p o w e r g i v e s p r o m i n e n c e t o t h e e f f e c t o f n o n - s i n u s o i d a l s i g n a l a n d a s y m m e t r i c s y s t e m. t h e d e f i n i t i o n s o f a p p a r e n t p o w e r a n d c o r r e s p o n d i n g p o w e r f a c t o r h a v e s o l v e d t h e p r o b l e m o n g e t t i n g p h a s e v o l t a g e i n t r a d i t i o n a l d e f i n i t i o n . e f f i c i e n c y i s v e r y i m p o r t a n t t o e l e c t r i c d e v i c e . t h e r a t i o o f o u t p u t a c t i v e p o w e r a n d i n p u t a c t i v e p o w e r i s o f t e n u s e d t o d e s c r i b e t h e e f f i c i e n c y o f a r c w e l d i n g p o w e r s u p p l y . t h e s y s t e m c a n m e a s u r e t h e i n p u t p o w e r a n d o u t p u t p o w e r s y n c h r o n o u s l y , e f f e c t i v e l y i n c r e a s e s t h e p r e c i s i o n o f m e a s u r e m e n t o f e f f i c i e n c y . i n t h i s p a p e r , t h e e f f i c i e n c i e s o f d i f f e r e n t w e l d i n g m a c h i n e w i t h d i f f e r e n t l o a d a r e m e a s u r e d , a n d t h e r e a s o n s o f t h e c h a n g e o f e f f i c i e n c y a r e s t u d i e d . wi t h r e s i s t o r l o a d , e f f i c i e n c y o f i n v e r t e r w e l d i n g m a c h i n e i s s t a b l e , w h e n o u t p u t c u r r e n t c h a n g e s , t h e e f f i c i e n c y c h a n g e s v e r y s m a l l a n d t h e e f f i c i e n c y a l w a y s k e e p s a h i g h d e g r e e ; w i t h a r c l o a d , e f f i c i e n c y o f i n v e r t e r w e l d i n g ma c h i n e i s l o w w h e n o u t p u t c u r r e n t i s s m a l l , b u t w h e n o u t p u t c u r r e n t i n c r e a s e s , t h e e f f i c i e n c y i n c r e a s e s . t h e e f f i c i e n c y o f s r c - r e c t i f i e r i n c r e a s e s f o l l o w i n g t h e i n c r e a s e o f o u t p u t c u r r e n t w i t h b o t h t h e a r c l o a d a n d r e s i s t o r l o a d , a n d t h e i n c r e a s e i s o b v i o u s . t h e e f f i c i e n c y o f s r c - r e c t i f i e r w e l d i n g m a c h i n e i s l o w e r t h a n t h a t o f i n v e r t e r w e l d i n g m a c h i n e w i t h t h e s a m e o u t p u t c u r r e n t . t h e t e s t s y s t e m o f a c / d c a r c w e l d i n g p o w e r s u p p l y , d e v e l o p e d i n t h i s p a p e r , i s m e a n i n g f u l b o t h i n t h e o r y a n d i n p r a c t i c e f o r t e s t i n g a c c u r a t e l y e l e c t r i c p a r a m e t e r s a n d c o g n i z i n g t h e p e r f o r m a n c e s o f a r c w e l d i n g p o w e r s u p p l y m o r e d e e p l y . k e y w o r d : v i r t u a l i n s t r u m e n t ; a r c w e l d i n g p o w e r s u p p l y ; t e s t ; e l e c t r i c p a r a me t e r n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的论文是本人在导师的指导一下 独立进行研 究所取得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体， 均己 在文中以明确方式标明。 本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作 者 签 “ : ) 辱日 期 : 21- p* 月 旧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华南理工大学可以 将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不 保 密 虱 ( 请在以上相应方框内打 “ , / ) 作 者 签 名 : 弥冷日 期 :z o o ,* 月 ! 诩 导 师 签 : i 、日 期 :2,0 -so, 4 - 62,0 “ 2 日 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1 . 1论文背景 本论文的工作是以交、直流弧焊电源作为研究对象，主要研究内容为弧焊电 源电工参数 ( 论文中简称电参数)的检测。通过对弧焊电源相关电参数测量、计 算与分析，形成对某些参数的认识，从而从原理 的测量提出了新的思路，并和传统方 一 法作了对比 、测量准确性等方面对这些参数 1 . 1 . 1弧焊电源的种类 在过去几十年中，弧焊电源从普通的交流弧焊电源、直流弧焊电源、发展到 脉冲弧焊电源、逆变式直流电源。 交流弧焊电源: 传统的交流弧焊机相当于 5 0 ( 6 田 赫兹的可调节降压变压器， 因此也称为弧焊变压器。 直流弧焊电源:直流弧焊电源分为两类，弧焊整流器和直流弧焊发电机。弧 焊整流器已非纯粹的电工产品，而是由电工技术、电磁技术、电力电子技术、反 馈控制技术等结合的现代电源技术结晶，当前应用较多。 脉冲弧焊电源: 脉冲弧焊电源的焊接电流以低频调制脉冲方式馈送， 一般由 普通的弧焊电源与脉冲发生电路组成。 弧焊逆变器:弧焊逆变电源将交流电整流后，由逆变器转变为几百至几万赫 兹的中频交流电，经降压后输出交流或者直流电。整个过程由电子电路控制，使 电源具有符合需要的外特性和动特性“ 一 洲 。 从弧焊电源发展的趋势看， 弧焊发电机、 弧焊变压器已经或正退出历史舞台， 直流焊机中弧焊发电机 ( 仅在野外使用)和硅整流焊机所占比重也越来越少。弧 焊电源朝电子控制、高效率、低故障发生率方向发展。电子控制的弧焊电源成为 电焊机行业舞台的主角。 电子控制的弧焊电源中，电力电子开关器件成为核心部件。这些新器件的应 用在带来诸多优越性的同时，也带来了一系列的电力传输和测量上的问题恤 ， ， 如信号的畸变造成的电压、电流有效值测量问题;畸变造成的功率计算和测量问 题:畸变造成的电网传输问题等等。 研究新型焊机的电参数测量，对于认识这些问题可以提供一个很好的平台， 通过测量既可以认识电焊机的相关电参数特征，又可以研究电力电子器件带来的 华南理工大学博士学位论文 问题 。 1 . 1 . 2相关电参数的概念 1 . 2 . 1电压、电流相关参数 . 交流有效值 交流电压的有效值是指在一个周期内， 如果通过某纯电阻负载 所产生的热量与一个直流电压在同一个负载产生的热量相等，则该直流电压的数 值就是交流电压的有效值” 。在数学上表示为均方根，可写成公式 ( 1 - 1 ): v二 z ( t ) d t ( 1 一 1 ) 同理，电流有效值为: i = i “ ( t ) d t ( 1 - 2) 现代很多逆变或者整流系统的电压、电流信号不是标准正弦信号而是带有大 量畸变成分的周期波 对于畸变的电压、电流信号，电压有效值定义为 v= v z + j v 2kr k - v2 + v 2 + v2 + 二+ v2 +二 (1 - 3) 0 1 2 k 式 ( 1 - 3 )中v为电压有效值;v o 为基波电压有效值;v k 为各次谐波有效值。 电流有效值定义为: i= to + 客 1 2k =1 12 + 1 2 + 12 + . . . + i 2 + ( 1 - 4) 0 1 2 k 式 ( 1 - 4 )中，i 是电流有效值;t o 是电流信号的基波有效值; i k 是各次谐波 有效值。 2 ， 峰值和峰峰值 峰值是周期信号的最大值 ( 或最小值) ， 峰峰值是周期信号 最大值和最小值之间的差值。 1 . 1 . 2 . 2功率相关参数 按照经典电路理论，功率一般分为有用功率、无用功 率及视在功率。下述为正弦信号功率相关参数的定义。 1 . 有功功率 又叫平均功率。 交流电的瞬时功率不是一个恒定值， 功率在一个 周期内的平均值叫做有功功率，它是指在电路中电阻部分所消耗的功率，以字母 尸表示，单位瓦特。p =u l c o s 0, 0 是标准正弦信号的功率因数角，即电压和电 流信号的相位角的差值 。计算公式如下: p=tj at u ( ， “ d t ( 1 - 5 ) 2 . 无功功率 在具有储能元件的电路里， 储能元件在半周期的时间里把电源能 第一章 绪 论 量变成磁场 ( 或电场)能量保存， 在另半周期的时间里把所保存的磁场 ( 或电场) 能量送还给电源。它们只是与电源进行能量交换，并没有真正消耗能量。我们把 与电源交换能量的速率的幅值叫做无功功率。 用字母q表示， 单位为乏。 与有功 功率对应，无功功率可表示成q = u i s i n 0 a 3 ， 视在功率 电阻、电抗的电路中，电压与电流有效值的乘积叫做视在功率， 用 字 母s 来 表 示 ， 单 位 为 伏 安 。 s = u l 或 s = 币; 。 一 般 认 为 电 力 设 备 的 容 量是由视在功率决定的。 4 . 功率因数 在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。 但在交流电路里，电 压乘电流是视在功率，而能起到作功作用的一部分功率 ( 即有功功率)将小于视 在功率。有功功率与视在功率之比叫做功率因数，以c o s 表示，0 就是相位角。 畸变信号和三相电路中也有上述功率参数定义，但涵义将有所不同，论文将 在后续章节讨论畸变信号和三相电路功率参数问题。 1 . 2认识当前弧焊电源的几个参数 就电焊机检测的国际标准“ ，来说，弧焊电源型式检验要求测试的电参数除包 含上节中的一些基本物理量外，还有其他一些重要的参数同样值得我们关注，如 谐波，功率因数和效率等。 1 . 2 . 1 谐波 谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，这是谐 波的含义卜 ， 。 . 2 . 1 . 1 谐波的产生 如果给定的周期信号f ( t ) = f ( t十t ) 满足狄里赫利条 件，则可以展开成一个收敛的傅立叶级数，如公式 ( 1 - 1 1 )。 f ( t ) =a o + a , , c o s ( 码t + 叭) + a = ,n c o s ( 2 码t + 叭) + + a k , c o s ( k o ) i t + 汽) + a o + 艺a k m c o s ( k co lt + y k ) ( 1 一 1 1 ) 公式 1 - 1 1 )中的第一项a 。 称为周期函数f ( t ) 的直流分量;第二项 a , m c o s ( w i t t 汽) 称为基波分量， 其频率和原函数相同，其他统称为高次谐波， 各项根据角频率不同依次称为2 次、3 次、4 次、. . k 次谐波。 当前电子控制的弧焊电源， 一般都有整流部分， 在整流后往往接大电容滤波 如逆变焊机就是典型的这种装置。整流二极管只有在输入电压 v ;， 大于整流输出 华南理工大学博士学位论文 电压 v p 时才导通， 就是说只有在电容充电期间才有电网电流， 设备才会从电网抽 取电流，形成尖角波。这种波形不是正弦量，而是畸变严重的周期信号。经傅立 叶变换，该信号可以展开成包含基波和高次谐波的信号。电焊机谐波就在电力电 子开关器件的突然导通和关断之间产生了。 1 . 2 . 1 . 2 谐波的危害谐波的危害己逐渐被大家认识，从不同方面考虑谐波 的危害，可归纳成如下情况71 “: 1 . 对变压器的危害 电流谐波将增加铜损， 电压谐波将增加铁损， 综合效果是 使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。谐波也可能引起变 压器绕组及线间电容之间的共振，及引起铁心磁通饱和或歪斜而产生噪声。 2 . 对电动机的危害 输出谐波对电动机的影响主要有，引起电动机附加发热， 导致电动机的额外温升，电动机往往要降额使用，由于输出波形失真，增加电动 机的重复峰值电压，影r im 电动机的绝缘，谐波还会引起电动机转矩脉动，以及噪 声增加。 3 . 对电力电容器组的危害 一般电容器的标准规范规定其最大电流只允许 3 5 %的超载，但实际运转时，由于谐波的影响，常发生严重过载。由于电容器的 阻抗随频率的增加而减少，故谐波产生时，电容器阻抗降低，流入大量电流，导 致过热，甚至损坏电力电容器。当电容器与线路阻抗达到共振条件时，会发生振 动短路、过电流及产生噪声。 4 . 对开关设备的危害 由于谐波电流的存在， 开关设备在起动瞬间产生很高的 电流变化率，致使增加暂态恢复电压的峰值，以致破坏绝缘。 5 . 对保护电器的危害 电流中含有谐波， 必产生额外的转矩， 改变电器的动作 特性，以致引起误动作。 6 . 对计量仪表的危害 电能表等计量仪表， 因谐波会造成感应转盘产生额外的 电磁转矩，引起误差，降低精确度。 7 . 对电力电子设备的危害 在多种场合，电子设备常会产生带谐波的电流源， 且很容易由于谐波失真而误动作。 8 . 其它 如照明设备、 等都容易受谐波的干扰 ， 通信设备、电视及音响设备、电脑设备、 而影响其正常的工作或减少其使用寿命。 载频遥控设备 可见谐波影响范围广，并且对很多对象是致命的影响，为了克服这些不 良的 影响，充分的、从多角度认识谐波是必须的。 2 . 1 . 3对谐波的限制 谐波问题已经引起国际上一些学会组织的重视，制定 了相关的标准，并且各国也根据 自己的情况制定了相应的标准 电网谐波分电压谐波和电流谐波，谐波源 ( 如弧焊电源 )的谐波 电流作用在 电网的阻抗 上， 产生了谐波电压， 但是一般电网容量很大，电网电压的畸变较小 所以本文主要以谐波电流作为研究对象。这里介绍相关的谐波电流的限制规定。 第一章 绪 论 作为单台设备谐波电流限制标准有. :i e c制定的 i e c 6 1 0 0 0 - 3 - 2 ( 设备侮相 输入电流小于或等于 1 6 a)，i e c 6 1 0 0 0 - 3 - 4( 设备每相输入电流大于 1 6 a)等; i e e e标准有i e e e - 5 1 9 ; 我国的相应标准一一低压电气及电子设备发出的谐波电 流限值 ( 设备每相输入电流小于等于 1 6 a) ( g b 1 7 6 2 5 . 1 - 1 9 9 8 )。作为参考，表 1 - l a 和 1 - l b 给出了i e c 6 1 0 0 0 - 3 - 2的部分限制值:表 1 - 2 给出了i e e e的限制值。 表 1 - 1 a l e c 6 1 0 0 0 - 3 - 2 对 d类设备的奇次谐波电流限制值 谐波次数( h ) 3 5791 11 31 5. . . 3 9 最大i h ( a) 2 . 31 . 1 40 . 7 70. 4 00. 3 30 . 210 . 1 51 5 小 表 1 - l b i e c 6 1 0 0 0 - 3 - 2 对d类设备的偶次谐波电流限制值 t a b . l 一 1 6 e v e n c u r r e n t d i s t o r t i o n l i m i t s f o r d t y p e d e v i c e o f l e c 6 1 0 0 0 - 3 - 2 谐波次数 ( h )8 . . . 4 0 最 大 h ( a )1 .0 6 一 注:设备输入电流不大于 1 6 a / 相 0 . 430 . 3 00 . 2 3 x 8 / h 对于弧焊电 源的电流谐波限制规定，在文献1 8 1 中推荐参考1 e c 6 1 0 0 0 - 3 - 2 和 i e c 6 1 0 0 0 - 3 - 4两个标准中覆盖到的部分。 谐波限制标准是抑制谐波污染的依据。对于弧焊电源产生的谐波也应该认真 研究，发现其特征，不同的电源其谐波分布不同，即使相同的电源在不同负载下 其谐波分布也发生变化，应根据电源结构和负载 ( 电弧)对电源产生谐波的影响 来进一步制定合理的谐波抑制策略。 1 . 2 . 2功率因数和效率 功率因数是衡量设备用电质量的一个重要指标 4 3 1 。为了认识功率因数问题 有必要研究功率因数的定义和正确测量方法 。 效率反映了电能的利用率4 4 1 ， 高效率是新型焊机的特点。 研究新型焊机的效 率在不同情况下的变动对全面认识和提高焊机电能利用率有较大帮助。 华南理工大学博士学位论文 表 1 - 2 i e e e - 5 1 9中谐波电流限制值 ( 2 0 v -6 9 0 0 0 v) t a b . 1 - 2 c u r r e n t d i s t o r t i o n l i m i t s f o r g e n e r a l d i s t r i b u t i o n s y s t e m s ( 2 0 v t h r o u g h 6 9 0 0 0 ) ma x i mu m h a r m o n i c c u r r e n t d i s t o r t i o n i n p e r c e n t o f 左 i n d i v i d u a l h a r mo n i c o r d e r ( o d d h a r mo n i c ) 1 1 h 1 7 1 7蕊h延2 3 2 3 石 h 毛 3 53 51 0 0 0 2 0 . 0 e v e n h a r mo n i c a r e l i mi t e d t o 2 5 % o f t h e o d d h a r mo n i c l i mi t s a b o v e c u r r e n t d i s t o r t i o n s t h a t r e s u l t i n a d o o f f s e t , e . g . , h a l f - w a v e c o n v e r t e r s , a r e n o t a l l e d * a l l p o w e r g e n e r a t i o n e q u i p m e n t i s l i m i t e d t o t h e s e v a l u e o f c u r r e n t d i s t o r t i o n , r e g a r d l e s s o f a c t u a l 乙 刀l . w h e r e i _ = ma x i m u m s h o r t - c i r c u i t c u r r e n t a t p c c i l = ma x i m u m d e ma n d l o a d c u r r e n t ( f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y c o mp o n e n t a t p c c ) 1 . 3焊接电源的检测技术研究现状 弧焊电源的电参数测量内容包括: 1 、 2, 验等; 3, 4, 5, 6, 电源的静外特性; 电源的动特性:电源阶跃响应的上升时间，下降特性焊机的 6 0次冲击实 约定负载的电参数; 寻找稳态工作点; 电焊机绕组温度上升时的电量输出等; 谐波、效率和功率因数等。 可见般的通用测量设备，很难满足焊机测量的需要，如测电焊机外特性 甚至n量焊机的功率因数、效率等基本参数当前通用仪器都很难满足要求。 电焊机电参数测量和检测技术关系到电焊机设计、生产和产品质量的提高。 因此，研制电焊机检测设备是必要的。检测设备应该可以满足电焊机复杂参数的 测量要求，有一定的自动化测量能力，并在测量原理上满足电焊机发展带来的新 第一章 绪 论 测量需求。 国内尝试过利用微型计算机开发一套自 动化测试系统【旧 。该系统以p c - 3 8 6 为主控单元，微机通过1 / o接口控制原、次级的接通、关断、量程选择、原端的 电压调节、负载的升降等;同时，微机通过 a / d转换采集输入输出端的电量如电 流、电压等。 对于运行d o s 系统的3 8 6 微机， 该设备曾应用于生产实践， 但是并 没有推广开来，当前几乎已经没有踪影。分析原因，不难发现在当时的软硬件技 术条件下，完成上述功能很困难。原因有二: 首先，对于单任务的操作系统d o s ，是按照顺序依次执行的，在一个任务没 有完成之前不能做其他任务。检测过程中，需要同时处理的任务如输入端调压和 输出端负载切换等就很难同时完成。也就是说软件平台不许可。 其次，对于当时的硬件平台，一些复杂的算法需要的时间比较长，如果在测 量 ( 如测量电压真有效值)过程中采样频率较高，则数据量大，这样得到计算结 果势必要耗费较多的时间。而如果牺牲采样频率，把采样频率降低，则对于逆变 电源 ( 其逆变频率在几百到几万赫兹)，将导致信号失真。测试系统性能受到了 硬件平台的限制。 所以早在儿年前就有了尝试，但是由于软、硬件限制，并没有开发出成熟的 自动化检测设备。 近几年，有学者研制了一些单项功能测试的系统，如文献 1 3 介绍的电焊机 外特性测试仪，其他还有弧焊电源外特性动态分析仪、弧焊电源动特性微机测试 及分析系统， ， ， 。另外，也有一些过程质量或者设备质量分析系统的介绍，国外 如德国汉诺威大学的汉诺威分析仪，可以分析焊接过程稳定性，同时在一定的实 验条件下，可以根据电源的输出电压和输出电流判断焊接设备的质量。在国内有 “ 弧焊机和电弧参数测试分析系统”和 “ 弧焊电源智能检测与评价系