引言逆变式电焊机体积小、质量轻、动特性好、节能省材，在各种直流弧焊设备中正逐步发展成主流 产品<1，2>。随着逆变式电焊机的大量使用，也带来了严重的电网污染问题，图1和图2分别 给出了ZX7－400IGBT逆变式电焊机的输入电流波形及其频谱，可见其谐波远远超出了国 家标准GB/T14549－93规定的THD不超过5%，单项奇次谐波含量不超过4%，单项 偶次谐波含量不超过2%的规定。考虑到我国电力法规的逐步完善和加入WTO后与国际接轨，逆 变式电焊机的污染治理问题已提到日程上来。造成大量谐波和EMI干扰的主要原因是硬开关的P WM调节方式和输入整流滤波电路。一般来说，解决的办法是采用软开关PWM调节方式，并在输 入端增加一级PFC电路<3>。由于这种电路有两级功率变换，导致效率降低、控制复杂、成本 增加。为此，以应用最广的ZX7－400IGBT逆变式电焊机为例，研究了一种使PFC级和 DC/DC变换级集成为单级，同时完成输入功率因数校正和软开关逆变的新型单级高功率因数零开关逆变式电焊机。仿真结果表明，该电路具有良好的效果。iL1≈
t，（1）iL2≈iL2max+t，(3)式中0≤t≤DTS 。图2ZX7－400IGBT电焊机输入电流频谱1主电路工作过程分析图3即为这种新型的无污 染大功率变换器的主电路，电路输入电源为三相三线制，通过输入电感后，由三相整流桥及电容C d整流滤波得到较平稳的直流电压U，再通过带可饱和电感Ls和隔直电容Cb的PS-ZVSC S-PWM<4>全桥逆变器、变压器、二次侧整流滤波即得到稳定的直流输出。该电路结构的新 颖之处在于利用三相输入电容C人造一个中点N'连接到逆变器超前桥臂2个开关管IGBT1、 IGBT3中间，在开关管IGBT1或IGBT3导通时为输入电感构成储能回路。下面，首先简要分析逆变桥的软开关工作过程。1.1逆变器工作过程全桥逆变器采用移相控制方式，各开关管所加脉冲如图4所示。开关管IGBT1、 IGBT2共同导通期间，可饱和电感Ls饱和，相当于短路，电源向负载输图3主电路结构图出 功率；开关管IGBT1先关断（由于开关管并联缓冲电容C1，IGBT1为零电压关断），变 压器一次侧电流对电容C1充电、C3放电，当电容C3放电到零，VD9自然导通，之后完成I GBT3的零电压开通；一次侧电流经IGBT2、VD9续流，并在谐振电容Cb的作用下迅速 下降，当下降至可饱和电感的临界饱和电流时，可饱和电感退出饱和，阻止一次侧电流反向，在此 阶段关断IGBT2，即为零电流关断；由于可饱和电感还没有退出饱和，使得延迟一定时间（滞 后臂死区时间）零电流开通IGBT4；开关管IGBT3、IGBT4共同导通，可饱和电感饱 和，电源向负载输出功率。之后，进入下半周期，运行模式与上面所述相似。1.2 功率因数校正 原理在电路分析过程中，把各开关器件（包括二极管）视为理想器件。在逆变桥超前臂开关管导通 期间，通过人造中点N'为输入电感构成独立回路，由于人为中点N'和三相三线制电源中点N等 电位，则A、B、C3点电位相对于N'就是三相三线制电源电压。由于开关周期TS远远小于电 源交流电周期T，在开关周期TS内，可认为电源Ua、Ub、Uc不变；且设A相电压和C相电 压大于零，B相电压小于零。显然，一个电源周期内有T/TS个开关脉冲，设IGBT1在一个 电源周期内的第n个脉冲（第n个脉冲的对应时刻为nTS）到来时开通，开关管IGBT1的开 通使P、N'点等电位，为输入电感L1、L2、L3构成独立回路，加在L1、L2、L3两端 的电压分别为Ua、UCd＋Ub、Uc。在此期间，加在电感上的电压近似于恒定值，电感L1 和L2的电流iL1和iL3近似线性增长，在开关管关断时达到最大值；电感L2上的电流iL 2从负的最大值向零线性减小。各电流表达式如下：８··很显然，当一个交流电周期内的第n个 脉冲结束时，电感电流iL１和iL２达到最大值iL１max和iL３max。由此可见，电感 电流峰值是近似按照正弦规律变化的。在超前臂开关管IGBT1关断、IGBT3开通之后，开 关管IGBT3的开通使G、N'点等电位，加在电感L1和L2上的电压分别为Ua－UCd和 Ua－UCd，加在电感L2上的电压为Uc。在此期间，加在电感上的电压近似于恒定值，电感 电流iL1和iL3从最大值近似线性减小到零；iL2从零负向线性增加到负最大值。各电流表 达式如下：由式（１）和式（４）得出，在nTS时间内流过L１的电流的平均值为：式中Ton 是开关管导通时间。在这种主电路中，由式(7)知iav受开关管导通时间Ton的影响。由于 采用移相调节方式，IGBT1、IGBT3的导通时间Ton恒定不变，可见iav为一正弦函 数。显然，电感L2和L3平均电流也和电感L1的平均电流一样近似按正弦规律变化，并且和各 自电压同相。由于三相输入电容C除了作为人造中点为电感构成储能回路外，还起到滤除开关频率 整数倍高次谐波的作用，这样，功率因数可达到0.995，THD=1%，比传统变换器的功率 因数要高得多。2仿真试验仿照400A直流手弧焊的要求，对图3所示的电路进行了PSPIC E仿真。电路参数为：输入电感L1~L3为50H；开关管并联电容C1~C2为0.01F； 输入滤波电容Cd为470F；开关频率fs为25kHz；占空比D为0.4；变压器变比为7 :1；输出滤波电感Lf为100H；输出滤波电容为1F；输出36V、400A。其仿真波形 如图5~图8所示。图5为完成双重功能的超前臂开关管零电压开关波形；图6为输入电感电流波 形，可见输入电感工作在不连续导电状态(DCM)，其包络线是与该相电压同相的正弦波形；图 7为经过高频滤波之后得到的电源线电流波形，图8即为其频谱。图4各开关管控制脉冲时序波形图5额定负载（400A）时超前臂开关管电压、电流波形图6输入电感电流波形图7电源输入线电流波形iL1≈iL1max+t，(4)iL2≈t，(6)式中0≤t≤(1－D）TS 。iav≈Ton２E２TSL１sin(ωnTS)，(7) 图8电源输入线电流频谱3结束语上述仿真结果表明该拓扑结构是正确合理的该新型单级高功率因数 零开关逆变式电焊机实现了对电网的无污染，且只在零开关逆变器的基础上增加几个小容量电感和 电容，成本增加不多，是一种比较好的解决逆变电焊机污染电网问题的办法。高功率因数零开关逆变式电焊机@凡木文$四川大学电气信息学院!四川成都610065
@黄念慈$四川大学电气信息学院!四川成都610065
@窦国珍$四川大学电气信息学院!四川成都610065 电焊机;; 逆变器;;功率因数校正;; 软开关;;单级提出了一种新型的单级高功率因数零开关逆变式电焊机主电路拓扑方案,该焊机的 逆变器采用零开关技术,且同时完成功率因数校正功能,仿真试验证实了其良好的效果。<1>周 孟龙,黄锦耀,樊绰,等.电焊机行业的现状及其发展.电焊机,2001,31(2):3-7.
<2>李建国,朱旗,刘和君,等.统一认识全面推广使用逆变焊机.电焊机,2000,30(6):3-5.
<3>JinrongQian,FredCLee.Voltage-sourcecharge-pump power-factor-correctionAC/DCconverters.IE EETransOnPowerElectronics,1999,14(2):350-358.
<4>刘亚梅.伪相移式混合全桥ZVSCS-PWM变换器成都:四川大学,1999.ǖ 绺蠰f为100H；输出滤波电容为1F；输出36V、400A。其仿真波形如图5~图8所示 。图5为完成双重功能的超前臂开关管零电压开关波形；图6为输入电感电流波形，可见输入电感 工作在不连续导电状态(DCM)，其包络线是与该相电压同相的正弦波形；图7为经过高频滤波 之后得到的电源线电流波形，图8即为其频谱。图4各开关管控制脉冲时序波形图5额定负载（4 00A）时超前臂开关管电压、电流波形图6输入电感电流波形图7电源输入线电流波形iL1≈iL1max+t，(4)iL2≈t，(6)式中0≤t≤(1－D）TS 。iav≈Ton２E２TSL１sin(ωnTS)，(7) 图8电源输入线电流频谱3结束语上述仿真结果表明该拓扑结构是正确合理的该新型单级高功率因数 零开关逆变式电焊机实现了对电网的无污染，且只在零开关逆变器的基础上增加几个小容量电感和 电容，成本增加不多，是一种比较好的解决逆变电焊机污染电网问题的办法。高功率因数零开关逆变式电焊机@凡木文$四川大学电气信息学院!四川成都610065
@黄念慈$四川大学电气信息学院!四川成都610065
@窦国珍$四川大学电气信息学院!四川成都610065电焊机;;逆变器;;功率因数校正;; 软开关;;单级提出了一种新型的单级高功率因数零开关逆变式电焊机主电路拓扑方案,该焊机的 逆变器采用零开关技术,且同时完成功率因数校正功能,仿真试验证实了其良好的效果。<1>周孟龙,黄锦耀,樊绰,等.电焊机行业的现状及其发展
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