王鋅桐， 王曉波

(安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 合肥 230051)

常用家用電器的波形測(cè)量與分析

王鋅桐， 王曉波

(安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 合肥 230051)

高次諧波是影響電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，家用電器絕大部分屬于非線性負(fù)荷，使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波[1]，雖然功率不大，但是數(shù)量巨大，匯集在一起，仍然會(huì)對(duì)電能質(zhì)量造成很大的影響。因此，測(cè)量常見家用電器的電氣波形，會(huì)對(duì)諧波分析、諧波治理或其他諧波研究具有指導(dǎo)意義。

高次諧波；家用電器；電氣波形

0 引言

電網(wǎng)的高次諧波含量是衡量電能質(zhì)量是否合格的一項(xiàng)重要指標(biāo)，高次諧波在波形當(dāng)中所占的比例和波形畸變的程度反映了電力系統(tǒng)受到高次諧波影響的程度，高次諧波也會(huì)影響電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備及其安全運(yùn)行，如果諧波所占比例過(guò)大，就會(huì)影響用電設(shè)備的正常工作，甚至可能損壞用電設(shè)備和負(fù)荷。由于電網(wǎng)中存在大量的諧波源和非線性設(shè)備，產(chǎn)生的高次諧波電流，匯集到電網(wǎng)中，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波形畸變[2]。在我國(guó)，每戶居民的用電容量近幾年來(lái)有很大增長(zhǎng)。目前，家用電子設(shè)備主要是電視機(jī)和個(gè)人電腦，以及用于熱力泵和空調(diào)機(jī)的ASD、緊湊式熒光燈(電子鎮(zhèn)流器)和電池充電器等。此外，還包括微波爐、電磁灶、洗衣機(jī)、電冰箱和調(diào)光燈等電氣設(shè)備[3]。根據(jù)現(xiàn)有的負(fù)荷特性，單個(gè)居民客戶注入的諧波電流值都較小，而且實(shí)際上對(duì)單個(gè)居民客戶注入的諧波電流值，目前也沒(méi)有任何標(biāo)準(zhǔn)來(lái)加以限制。但是，隨著家用電子設(shè)備擁有量的增長(zhǎng)，以及換流式開關(guān)電源的大量使用，將會(huì)加大居民客戶電流的畸變率；成百上千的居民客戶的匯合，可能會(huì)成為該地區(qū)配電系統(tǒng)重大的諧波源。家用電子負(fù)荷的電源輸入端都帶有二極管橋整流器，它們的快速增長(zhǎng)所帶來(lái)的主要問(wèn)題是這些負(fù)荷會(huì)影響供電電流的波形，這是帶電容器平滑環(huán)節(jié)的二極管橋整流器的固有特性所決定的，這些負(fù)荷產(chǎn)生的低次諧波在配電系統(tǒng)中經(jīng)小量的抵消后進(jìn)行疊加。對(duì)于連接到變壓器二次的相線與中線之間的單相負(fù)荷，三次諧波是配電系統(tǒng)中需要特別注意的問(wèn)題。

文章將通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試一些常見的家用電器的電器波形，觀察其中高次諧波的含量，分析不斷增長(zhǎng)的住宅區(qū)非線性負(fù)荷可能帶來(lái)的影響，為諧波治理提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 高次諧波的產(chǎn)生

在電力系統(tǒng)中，如果使用了非線性負(fù)荷，由于非線性負(fù)荷的特性，電氣設(shè)備上所加的電壓與在設(shè)備上產(chǎn)生的電流不成正比關(guān)系，而成非線性關(guān)系，在電氣設(shè)備使用過(guò)程中就會(huì)造成正弦波扭曲，發(fā)生波形畸變，從而產(chǎn)生高次諧波。

如果電氣設(shè)備或負(fù)荷的伏安特性是成線性關(guān)系，見圖1中的直線1，給負(fù)荷外加正弦波形電壓u時(shí)[4]，即會(huì)產(chǎn)生正弦波電流i，同樣，給負(fù)荷外加正弦波形電流i時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生正弦波電壓u。由于負(fù)荷是線性的，電流和電壓仍然保持線性關(guān)系，此時(shí)電氣波形不會(huì)發(fā)生任何扭曲，沒(méi)有波形畸變，所以不會(huì)產(chǎn)生高次諧波。

如果電氣設(shè)備或負(fù)荷的伏安特性為非線性負(fù)荷，見圖1中的曲線2，給電氣負(fù)荷外加正弦波電壓u時(shí)，由于負(fù)荷的非線性特性，產(chǎn)生的電流不可能為正弦波，而是非正弦波，其頻率仍和工頻相同(50Hz)，同樣，給電氣負(fù)荷外加正弦波電流時(shí)，由于負(fù)荷非線性的特性，產(chǎn)生的電壓u為非正弦波[5]。此時(shí)電氣波形發(fā)生扭曲，產(chǎn)生了畸變，高次諧波隨即產(chǎn)生[6]。

任何一個(gè)非正弦的周期波，不管是電氣量還是非電氣量(如電流、磁通、電壓和聲音等)，通過(guò)一定的數(shù)學(xué)方法，可以分解為某一個(gè)頻率和這個(gè)頻率整數(shù)倍頻率的正弦波之和。如圖2為矩形波電流(顯然為非正弦波)i=f(ωt)的分解，ω=2πfrad/s為電網(wǎng)的角頻率(工頻)[7]。分解出的i1=f1(ωt)為工頻正弦波，與原來(lái)的非正弦波的頻率相同，把它稱為基波[8]；i3=f3(3ωt)、i5=f5(5ωt)、i7=f7(7ωt)、i9=f9(9ωt)等為3倍工頻、5倍工頻、7倍工頻和9倍工頻的正弦波，稱為3次諧波、5次諧波、7次諧波和9次諧波等，統(tǒng)稱為高次諧波[9]。很明顯，諧波次數(shù)越高，它們與基波的合成波形就越逼近于原來(lái)的波形——矩形波[8]。

根據(jù)數(shù)學(xué)原理，任何一個(gè)角速度為ω非正弦周期波f(ωt)的正弦波可以分解為[10]：

(1)

式中，a0——直流分量；

N——正整數(shù)，h=1，2，3，4…，稱為諧波次數(shù)；

fh(Nωt)——基波頻率N倍的正弦波分量[11]。其中：N=1的正弦波分量為基波；N=2，3，4…的各正弦波分量，稱為高次諧波或諧波，其頻率為基波頻率的2、3、4倍等[12]。

由此可見，從數(shù)學(xué)的角度上來(lái)看，高次諧波實(shí)際上就是一個(gè)周期變化電氣量的正弦波分量，它的頻率為基波頻率的整數(shù)倍[13]。

電氣量中出現(xiàn)的一些物理現(xiàn)象與諧波類似，但仍有區(qū)別，要注意區(qū)分。比如，高次諧波中，次數(shù)N必須為正整數(shù)，而鐵磁分頻諧振現(xiàn)象，則可能出現(xiàn)倍數(shù)為分?jǐn)?shù)次或小數(shù)次的電壓電流量。

2 常見家用電器電氣波形的測(cè)量及分析

根據(jù)電器測(cè)量波形的測(cè)量與分析，可將常見家用電器從產(chǎn)生諧波的角度分為下列幾個(gè)類型。

2.1 純阻性線性負(fù)荷

此次測(cè)量的負(fù)荷中，電飯鍋、電吹風(fēng)、空調(diào)(制冷、制熱)和電冰箱等都屬于此類負(fù)荷。此類負(fù)荷功率較大，一般可以達(dá)到一千瓦至數(shù)千瓦，但是在使用過(guò)程中負(fù)荷特性接近于純阻性負(fù)荷，所以對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量幾乎沒(méi)有影響。圖3為電飯鍋的電壓電流波形，圖4為電吹風(fēng)的電壓電流波形，圖5為空調(diào)(制冷)的電壓電流波形，圖6為空調(diào)(制熱)的電壓電流波形，圖7為電冰箱的電壓電流波形，表1為純阻性線性負(fù)荷電流中的諧波比例。

表1 純阻性線性負(fù)荷電流中的諧波比例

諧波次數(shù)幅值比(%)電飯鍋電吹風(fēng)空調(diào)(制冷)空調(diào)(制熱)電冰箱諧波次數(shù)幅值比(%)電飯鍋電吹風(fēng)空調(diào)(制冷)空調(diào)(制熱)電冰箱110010010010010020．10．110．112．33．1343．713．511．416．94003．32．31．050．90．76．34．1136001．61．8070．30．53．81．86．480000．7090．50．50．91．42．8

2.2 電子電源模塊負(fù)荷

現(xiàn)代城市家庭中相當(dāng)一部分家用電器都屬于這一類型。LED燈、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、CRT電視和LED電視等都具有完成交直流轉(zhuǎn)換的電源模塊，為微電子元件供電。這些負(fù)荷大部分為單相的，供電電壓是220V，一般單相電子電源的實(shí)際功率為數(shù)百瓦到數(shù)千瓦。這類負(fù)荷由于存在交直流轉(zhuǎn)換模塊，所以產(chǎn)生了較大的波形畸變，甚至出現(xiàn)了相當(dāng)高次的諧波。此類負(fù)荷的特點(diǎn)是，會(huì)產(chǎn)生一定量的高次諧波，但是一般來(lái)說(shuō)功率不是太大，由于用電負(fù)荷較小，所以對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，它們對(duì)電能質(zhì)量的影響一般。圖8為L(zhǎng)ED燈的電壓電流波形，圖9為筆記本電腦中的電壓電流波形，圖10為PC機(jī)電腦中的電壓電流波形，圖11為CRT電視的電壓電流波形，圖12為L(zhǎng)ED電視的電壓電流波形，表2為電子電源模塊負(fù)荷電流中的諧波比例。

表2 電子電源模塊負(fù)荷電流中的諧波比例

2.3 熒光燈

熒光燈通過(guò)電弧發(fā)光照明，由于電弧的特性使得熒光燈的工作電壓和電流關(guān)系呈現(xiàn)非線性。熒光燈實(shí)際工作電流中所含高次諧波分量的多少，與所用的鎮(zhèn)流器有著直接聯(lián)系。一般來(lái)說(shuō)，使用電子鎮(zhèn)流器的熒光燈的三次諧波含量要比使用電磁鎮(zhèn)流器的熒光燈三次諧波的諧波含量大。如在實(shí)測(cè)中，測(cè)試的樣品使用的為電子鎮(zhèn)流器，它的三次諧波含量達(dá)到了40.4%。圖13為熒光燈的電壓電流波形，表3為熒光燈電流中的諧波比例。

表3 熒光燈電流中的諧波比例

諧波次數(shù)幅值比(%)諧波次數(shù)幅值比(%)諧波次數(shù)幅值比(%)1100215．7340．440528．460713．580951001151201310．61401512．1160179．2180196．4200212．8

2.4 交流調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置(ASD)負(fù)荷

交流電動(dòng)機(jī)將逐漸被ASD所替代，這種替代可以提高它們的工作效率，同時(shí)具有明顯的節(jié)約電能的作用，變頻空調(diào)和變頻洗衣機(jī)等變頻家用電器就屬于此類負(fù)荷。此類負(fù)荷使電氣波形中產(chǎn)生大量的高次諧波，同時(shí)由于此類負(fù)荷功率一般較大，使用時(shí)間長(zhǎng)，所以對(duì)電能質(zhì)量造成了較大的影響。圖14為變頻洗衣機(jī)的電壓電流波形，表4為變頻洗衣機(jī)電流中的諧波比例。

表4 變頻洗衣機(jī)電流中的諧波比例

3 結(jié)論

常見家用電器用電負(fù)荷除了少量的阻性負(fù)荷屬于線性設(shè)備，大部分設(shè)備為非線性設(shè)備。在現(xiàn)代城市家庭中，LED燈、個(gè)人計(jì)算機(jī)、節(jié)能燈、洗衣機(jī)和變頻空調(diào)等，都是典型的非線性設(shè)備。一般來(lái)說(shuō)，常見家用電器單拿出任何一個(gè)來(lái)看，設(shè)備容量都比較小，但是千家萬(wàn)戶都在使用家用電器，加在一起的數(shù)量十分巨大，所以負(fù)荷不容小覷。由于在城市住宅小區(qū)中，一般都是以三相四線制供電方式進(jìn)行供電，當(dāng)這些單相用電設(shè)備過(guò)多的集中在其中一相供電時(shí)，就會(huì)造成三相負(fù)荷不平衡，這時(shí)應(yīng)當(dāng)注意在家用電器集中開啟時(shí)間(如晚上)，中性線上通過(guò)的電流是否發(fā)生過(guò)流等情況。如果在預(yù)期的公有連接點(diǎn)所注入的高次諧波電流超過(guò)了允許規(guī)定值，那么此時(shí)，必須要及時(shí)地采取一些有效的諧波消除或者抑制措施。所以，家庭中常見家用電器負(fù)荷的電氣波形可以為諧波評(píng)估提供有效數(shù)據(jù)，也可以為諧波治理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯：王敏]

Waveform Measurement and Analysis of Common Household Appliances

WANGXin-tong,WANGXiao-bo

(AnhuiElectricalEngineeringProfessionalTechniqueCollege,Hefei230051,China)

High harmonics is an important indicator of impacting on power quality. The vast majority of household appliances are non-linear loads, and the process of using the household appliances is able to produce the high harmonics. Although the active power of the household appliances is not large, the number is huge, assembling together, which comes into being the great impact. Therefore, the electrical waveform measurement of common household appliances has the guiding significances for harmonic analysis, harmonic control or other harmonic study.

high harmonics; household appliances; electrical waveform

2014-12- 05

2014年安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2013ybxm003)。

王鋅桐(1981-)，女，講師，吉林松原人，從事電力系統(tǒng)分析教學(xué)、電能質(zhì)量研究工作。 王曉波(1979-)，男，講師，安徽壽縣人，從事繼電保護(hù)教學(xué)及開發(fā)、電能質(zhì)量研究工作。

TM925.06

A

1672-9706(2015)03- 0035- 06