典型諧波源的諧波特性分析

李青　馬天嬌

摘要：典型的諧波源主要有三種類型，即電弧型、電子開關(guān)型和鐵磁飽和型，這剛好對應(yīng)著電弧爐、電力電子類負(fù)荷以及鐵芯變壓器和電抗器三類可能導(dǎo)致大量諧波產(chǎn)生的非線性負(fù)荷。牽引類負(fù)荷和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備屬于電力電子類負(fù)荷。本文以下就此三類負(fù)荷的諧波特性進(jìn)行詳細(xì)分析。

1、 電弧型諧波源的諧波特性

由于電弧爐煉鋼在技術(shù)，經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性，近年來這種方法得到了很快的發(fā)展。根據(jù)電弧爐的容量及冶煉要求，熔煉的負(fù)載周期為2-8小時(shí)。熔煉過程的前0.5-1小時(shí)為融化期，其特征是在電極和固態(tài)原料之間形成極不穩(wěn)定的電弧，該時(shí)期的三相電流大而不平衡，波動(dòng)較大，向固態(tài)原料提供大量的能量使其融化;接著為包括氧化和還原過程的精練期，此時(shí)的電弧電流比較穩(wěn)定，波動(dòng)大為減小，只需供給補(bǔ)償熱量損失而使溫度保持恒定的能量，所以三相電流小而比較平衡。

在煉鋼的過程中交流電弧爐的電弧電流會(huì)產(chǎn)生非正弦畸變和各次諧波，對電網(wǎng)產(chǎn)生極大的干擾。交流電流過零后的起燃及形成電弧，伏安特性高度非線性，電流波形產(chǎn)生不規(guī)則的畸變。隨著熔煉過程的進(jìn)行，各相、各時(shí)刻的電流波形大小各不相同，電流變化大、諧波含量高、具有很大隨機(jī)性。在整個(gè)熔煉周期，融化期的諧波含量大于精練期，此時(shí)電流波形的不對稱還會(huì)產(chǎn)生較大的偶次諧波。根據(jù)實(shí)際測量和分析，電弧爐的諧波電流成分主要為2-7次，其中2、3次最大，其平均值可達(dá)基波分量的5%-10%。

2、 電力電子類諧波源的諧波特性

隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，在電力系統(tǒng)中，各種不同類型、不同容量、服務(wù)于不同目的的電力電子換流設(shè)備不斷得到廣泛應(yīng)用。由于電力電子設(shè)備中存在非線性元件，如晶體管和晶閘管等，它們大都具有開關(guān)電路的特性，其輸出電壓、電流往往是周期性或非周期性變化的非正弦波。電力電子設(shè)備已經(jīng)成為了電力系統(tǒng)中的主要諧波源之一。

電力電子裝置產(chǎn)生的諧波有特征次諧波和非特征次諧波之分。特征諧波指裝置正常運(yùn)行條件下所產(chǎn)生的諧波，非特征次諧波主要指設(shè)備異常運(yùn)行條件下產(chǎn)生的諧波。

以三相橋式全控整流電路為例，三相橋電路中電力電子元件的導(dǎo)通順序如圖2-3所示，元件導(dǎo)通的依據(jù)是奇偶編號元件上哪兩個(gè)元件承受的電壓最大（奇數(shù)為正，偶數(shù)為負(fù)），則這兩個(gè)元件導(dǎo)通。例如，當(dāng)uab最大時(shí)，T1和T6導(dǎo)通，之后uac大于uab，這時(shí)T2代替T6導(dǎo)通，由于電源為三相對稱電源，每個(gè)元件導(dǎo)通120°。

圖 2 3三相整流橋及其諧波電流波形

T1導(dǎo)通時(shí)，有ia為正矩形波的電流，當(dāng)T4導(dǎo)通時(shí)，有ia為負(fù)矩形波的電流，正負(fù)矩形波的幅值均為恒定的直流電流Id。兩個(gè)矩形波各寬120°，相距180°。對ia的波形進(jìn)行傅立葉級數(shù)展開，可得：

在三相橋式全控整流電路中，交流側(cè)的電流中僅含6k±1（k為正整數(shù)）次諧波，各次諧波的有效值與諧波的次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。而在重疊角γ = 0的情況下，α的改變僅將電流波形平移了一個(gè)α角度，電流的波形及寬度并沒有發(fā)生變化，其特征諧波、諧波有效值與基波有效值的比值都不會(huì)發(fā)生變化。

3、 鐵磁飽和類諧波源的諧波特性

鐵磁飽和類設(shè)備主要為各種變壓器和鐵芯電抗器，由于鐵芯磁路的飽和特性，使系統(tǒng)側(cè)（電源側(cè)）提供的激磁電流波形產(chǎn)生畸變。下面我們主要以變壓器為例，對這類負(fù)荷的非線性特性進(jìn)行分析。

變壓器的勵(lì)磁回路實(shí)質(zhì)上就是具有鐵芯繞組的電路，在不考慮磁滯及鐵芯飽和狀態(tài)時(shí)，它基本上是線性電路。鐵芯飽和后它就是非線性的，即使外加電壓是正弦波，電流也會(huì)發(fā)生畸變，飽和越深電流的畸變現(xiàn)象就會(huì)越嚴(yán)重。根據(jù)變壓器的工作原理，當(dāng)忽略繞組的電阻和漏抗時(shí)，變壓器原邊電壓u1與電動(dòng)勢e1的瞬時(shí)方程式為：

公式 2 4

公式 2 5

式中，Em為電動(dòng)勢e1的最大值，ω為正弦電動(dòng)勢的角頻率，N1為變壓器原邊繞組的匝數(shù)，Φ為鐵芯中的主磁通，Φm為主磁通的最大值?？蛰d時(shí)原邊正弦電壓產(chǎn)生正弦磁通，由于磁通和勵(lì)磁電流為非線性的關(guān)系，所以原邊電流不是純正弦波。

圖 2 4變壓器磁化曲線和勵(lì)磁電流對應(yīng)關(guān)系

磁通Φ和它產(chǎn)生的勵(lì)磁電流i是用鐵芯的磁化曲線來表征的。由鋼片疊成的沒有磁滯損耗的理想鐵芯的磁化曲線如圖2-4所示，當(dāng)原邊電壓u1為正弦波，變壓器的鐵芯主磁通Φ及其產(chǎn)生的反電動(dòng)勢e1也應(yīng)該為正弦波，以使其一次側(cè)達(dá)到電動(dòng)勢平衡，即 u1=-e1。主磁通Φ通過鐵芯的磁滯回線由系統(tǒng)側(cè)的空載電流i0激磁產(chǎn)生。勵(lì)磁電流i0為圖中所示的尖頂波，主要含三次諧波。

為了供給鐵芯的磁滯損失，i0中包含了一個(gè)很小的與e1反相的正弦基波成分，造成其波形的左右扭曲。不計(jì)磁滯，純由鐵芯飽和基本磁化曲線產(chǎn)生的勵(lì)磁電流畸變波形可以從i0波形中扣除該正弦波成分，便得到左右對成的尖頂波。因此，空載電流和勵(lì)磁電流中的諧波成分相同。鐵磁飽和型諧波源產(chǎn)生的諧波電流有以下特點(diǎn)：

（1）空載電流i0為對于橫軸鏡像對稱的尖頂波，僅含有奇次諧波，以3、5、7次為主。

（2）諧波電流的大小與鐵磁材料的飽和特性及設(shè)計(jì)時(shí)選擇的工作點(diǎn)即工作磁通密度有關(guān)，前者決定飽和特性，后者決定飽和程度。磁通密度高，可以節(jié)約鐵芯原材料，但會(huì)使諧波含量增大。

（3）諧波電流的大小與設(shè)備運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)電壓u1有關(guān)。系統(tǒng)運(yùn)行電壓越高，運(yùn)行點(diǎn)越深入飽和區(qū)，i0的波形畸變越大，諧波含量急劇上升。夜間，系統(tǒng)負(fù)荷減小，電壓升高，其諧波對系統(tǒng)影響增大。

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