曹 海

（東莞市中科煤氣化有限公司，廣東 東莞 523061）

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)工作時(shí)，可控硅設(shè)備會(huì)產(chǎn)生諧波，同時(shí)勵(lì)磁裝置工作電源通常由開關(guān)電源供電。這兩部分產(chǎn)生的諧波，直接影響著發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如何抑制諧波危害，保證發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的正常運(yùn)行，已成為相關(guān)工作人員關(guān)注的重點(diǎn)。

1 諧波危害

1.1 諧波能增加發(fā)電機(jī)的功率損耗。產(chǎn)生諧波的線路上，其電阻會(huì)隨著頻率的升高而增大，導(dǎo)致電能的損耗加大，浪費(fèi)電能資源；諧波對(duì)中性線產(chǎn)生的危害很嚴(yán)重，因?yàn)橹行跃€通常比較細(xì)，當(dāng)大量諧波電流經(jīng)過時(shí)，電阻加大、放熱量增加，造成導(dǎo)線過熱，極容易使導(dǎo)線老化而喪失絕緣能力，嚴(yán)重時(shí)甚至能燒損導(dǎo)線，釀成火災(zāi)。

1.2 電氣設(shè)備的運(yùn)行也受到諧波的影響。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)異常情況，比如運(yùn)行時(shí)噪聲比較大且不規(guī)律，出現(xiàn)不正常的振動(dòng)現(xiàn)象，放出大量的熱導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過熱。諧波也能對(duì)斷路器造成不利影響，諧波的存在使得斷路器不能正常開斷，不能及時(shí)斷開故障電源，可能引發(fā)觸電事故，威脅員工安全。

1.3 串聯(lián)和并聯(lián)諧振現(xiàn)象在局部系統(tǒng)中的出現(xiàn)，使得諧波放大數(shù)倍，增加了諧波所帶來的危害。

1.4 諧波能干擾附近的通信系統(tǒng)，使通信系統(tǒng)中的處理器不能正常工作，降低了通信質(zhì)量，甚至?xí)咕植客ㄐ畔到y(tǒng)陷入癱瘓。

2 可控硅晶閘管諧波分析及抑制

2.1 可控硅設(shè)備產(chǎn)生諧波原因分析

即使可控硅整流器在理想條件下工作（三相交流系統(tǒng)完全對(duì)稱，感抗無窮大而電抗為零），分析其電流波形可知：工作電流波形由全方波變?yōu)樘菪尾?，說明電流波形已經(jīng)發(fā)生了畸變；分析諧波可知：6 脈沖整流器，會(huì)產(chǎn)生5、7……次諧波電流，若換成12脈沖，仍存在11、13……次諧波電流。在實(shí)際工作中，諧波成分更加復(fù)雜，電流波形畸變程度更大，對(duì)發(fā)電勵(lì)磁系統(tǒng)的危害也相應(yīng)增大。

2.2 可控硅設(shè)備諧波的抑制策略

2.2.1 整流變壓器使用Y，d（Y/△）或D，g（△/Y）接線

整流變壓器使用Y/△接線方式，高次諧波電流通過副邊△繞組形成環(huán)流時(shí)，因?yàn)槿嘞辔灰粯樱? 的倍數(shù)的高次諧波電流將在繞組的電阻上損耗掉。三次諧波磁通不會(huì)出現(xiàn)在變壓器鐵心中，原邊Y 繞組感應(yīng)不到相應(yīng)的電流與電勢。

如果使用△/Y 接線方式，三相相位一樣的3 的倍數(shù)的高次諧波電流不會(huì)經(jīng)過副邊Y 繞組。所以，變壓器鐵心中產(chǎn)生3 的倍數(shù)的諧波磁通，原邊△繞組能感應(yīng)相應(yīng)的電勢，形成環(huán)流，繞組的電阻能損耗這部分電能。因此，使用這兩種接線方式，能有效地抑制諧波。

2.2.2 增大整流相數(shù)

由于整流相數(shù)的增多，經(jīng)整流后，高次諧波的含量將減少。比如采用12 相脈沖整流，5、7、17……次高次諧波含量將變少，如果采用6 脈沖整流，5 次諧波電流含量達(dá)到18.5%，而12 次脈沖整流卻只有4.5%，差距明顯。

2.2.3 使用調(diào)諧濾波器

將調(diào)諧濾波器安裝在整流變壓器原邊母線上，因?yàn)閷?duì)于諧波電流具有較小阻抗的特點(diǎn)，能針對(duì)性地吸收諧波，起到很好的抑制作用，對(duì)于負(fù)荷變化較大的可控硅設(shè)備，其諧波電流也相應(yīng)地呈現(xiàn)快速變化的特點(diǎn)，可通過安裝靜止無功補(bǔ)償裝置吸收動(dòng)態(tài)諧波，該裝置具有吸收能力強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間短、運(yùn)行維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.4 使用帶移相繞組的整流變壓器

當(dāng)擁有較多的可控硅整流器時(shí)，通常使用帶移相繞組的整流變壓器。該設(shè)備的使用，能經(jīng)過移相使三臺(tái)整流變壓器之間的相位互差一個(gè)相等的角度，等同于形成了18 脈沖的電壓波形，不僅改善了電壓波形，而且減少了高次諧波含量，從而有效抑制諧波。

2.2.5 電抗器的安裝

當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)中安裝有無功補(bǔ)償電容器時(shí)，通過安裝與該裝置串聯(lián)的電抗器，能組成低通濾波器，這樣能將高次諧波頻率降低，從而減輕了高次諧波的危害。

2.2.6 增大供電網(wǎng)絡(luò)的斷路容量

對(duì)可控設(shè)備的供電方式進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮供電電壓的合理選擇，接著采取合理方式與大短路容量電網(wǎng)連接，或者增大整個(gè)系統(tǒng)的短路容量，減少了電網(wǎng)中諧波電流的產(chǎn)生。

2.2.7 控制諧波電壓含量

運(yùn)用電網(wǎng)信息化系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行中的諧波電壓含量實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證電網(wǎng)中諧波含量不超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如在11kv 電網(wǎng)中，諧波電壓含量不得大于1.5%； 在35kv 電網(wǎng)中，不得大于3%。

3 勵(lì)磁裝置工作電源諧波分析及抑制

勵(lì)磁裝置工作電源由開關(guān)電源供電，所以它產(chǎn)生的諧波都與開關(guān)電源點(diǎn)的諧波有關(guān)。

3.1 開關(guān)電源諧波產(chǎn)生機(jī)理

3.1.1 對(duì)單相逆變電路的諧波分析

圖1 單相逆變電路

電壓為零時(shí)將電路開通，電流為零時(shí)將電流斷開，其開、斷動(dòng)作不需時(shí)間，即為開關(guān)管的理想工作狀態(tài)，同時(shí)設(shè)電壓為E。圖1 為單相逆變電路。

由圖中電路可得：

其中頻率與周期信號(hào)相同的分量為1 次諧波，通常稱之為基波，高次諧波為周期信號(hào)的3 倍及3 倍以上。高次諧波疊加能形成方波電壓，負(fù)載電流也是由各次諧波電流疊加形成的。

3.1.2 單相大功率整流器的諧波分析

正弦波因其不含諧波，可降低損耗率而提升發(fā)電機(jī)效率。對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，普遍將供電電源假設(shè)為正弦波，但是實(shí)際情況中，供電電源不可能是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，會(huì)產(chǎn)生諧波，帶來危害。下圖為單相整流電路。

圖2 單相大功率整流電路

在電路中加入一個(gè)較大的電感能使負(fù)載電流的紋波變小，近似直流。由于負(fù)載的電感電流不會(huì)突變，開關(guān)管在實(shí)際開、關(guān)時(shí)都需要時(shí)間，不可能處在理想工作狀態(tài)。其負(fù)載電流如圖3。

圖3 單相整流負(fù)載電流

由圖中可得出：i=Id（C1sinωt+c3sin3ωt+c5sin5ωt+…）

由上式可知單相整流負(fù)載電流能產(chǎn)生諧波。

3.2 開關(guān)電源諧波危害抑制及實(shí)驗(yàn)實(shí)例

3.2.1 開關(guān)電源諧波危害抑制方法

開關(guān)電源諧波危害抑制方法主要有兩類： 補(bǔ)救性和預(yù)防性。預(yù)防性方式就是從開關(guān)電源設(shè)計(jì)要求著手，采取有效的控制方法控制開關(guān)管，但是這種方式卻不能消除諧波成分。采用補(bǔ)救性的方式主要是為了抑制已存在諧波的成分，使用比較多的是有源和無源濾波器，其中有源濾波器在實(shí)際應(yīng)用中仍存在許多困難，比如如何對(duì)諧波進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，能消除多少諧波成分等，所以運(yùn)用無源濾波器比較多。

3.2.2 諧波抑制實(shí)例

圖4 無源濾波器電路

圖4 為設(shè)計(jì)的無源濾波器，將無源濾波器并聯(lián)在電路中，選擇合適的諧振點(diǎn)，否則不能起到抑制諧波危害的作用，如圖5。選定如下參數(shù)：L1=348mH，C1=32uF，R1=6Ω，L2=180mH，C2=23LF，R2=6Ω，L3=75.6mH，C3=2.7LF，R3=10Ω。

圖5 無源濾波器安裝接線

使用該無源濾波器，對(duì)型號(hào)為TZ-3X100 的三相級(jí)整流凸焊機(jī)進(jìn)行諧波測試。圖6 為沒有安裝濾波器的情況下對(duì)開關(guān)電源諧波測試的結(jié)果，圖7 為安裝無源濾波器對(duì)開關(guān)電源諧波測試的結(jié)果。通過比較兩者結(jié)果，前者諧波含量高達(dá)17%，而后者諧波含量只有2%，對(duì)比表明安裝無源濾波器的效果非常明顯。

圖6 未安裝無源濾波器電壓波形圖

圖7 安裝無源濾波器后電壓波形圖

4 結(jié)語

對(duì)變頻器和開關(guān)電源產(chǎn)生諧波原因進(jìn)行詳細(xì)分析，通過相關(guān)實(shí)例和測試，可以知道發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中存在著大量的諧波，因此采取合理措施抑制諧波危害，已成為保障發(fā)電機(jī)正常安全運(yùn)行的重點(diǎn)。總之，除了采取合理措施之外，還要對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)科學(xué)設(shè)計(jì)、 運(yùn)行過程中出現(xiàn)非線性負(fù)荷時(shí)采取科學(xué)的控制措施，減輕諧波對(duì)系統(tǒng)的危害，降低損耗，提高系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量，提升整體的效益。

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