李青　馬天嬌

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

1、 電弧型諧波源的諧波特性

由于電弧爐煉鋼在技術，經濟上的優(yōu)越性，近年來這種方法得到了很快的發(fā)展。根據電弧爐的容量及冶煉要求，熔煉的負載周期為2-8小時。熔煉過程的前0.5-1小時為融化期，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，該時期的三相電流大而不平衡，波動較大，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，此時的電弧電流比較穩(wěn)定，波動大為減小，只需供給補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產生非正弦畸變和各次諧波，對電網產生極大的干擾。交流電流過零后的起燃及形成電弧，伏安特性高度非線性，電流波形產生不規(guī)則的畸變。隨著熔煉過程的進行，各相、各時刻的電流波形大小各不相同，電流變化大、諧波含量高、具有很大隨機性。在整個熔煉周期，融化期的諧波含量大于精練期，此時電流波形的不對稱還會產生較大的偶次諧波。根據實際測量和分析，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，在電力系統中，各種不同類型、不同容量、服務于不同目的的電力電子換流設備不斷得到廣泛應用。由于電力電子設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。電力電子設備已經成為了電力系統中的主要諧波源之一。

電力電子裝置產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行條件下所產生的諧波，非特征次諧波主要指設備異常運行條件下產生的諧波。

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通順序如圖2-3所示，元件導通的依據是奇偶編號元件上哪兩個元件承受的電壓最大（奇數為正，偶數為負），則這兩個元件導通。例如，當uab最大時，T1和T6導通，之后uac大于uab，這時T2代替T6導通，由于電源為三相對稱電源，每個元件導通120°。

圖 2 3三相整流橋及其諧波電流波形

T1導通時，有ia為正矩形波的電流，當T4導通時，有ia為負矩形波的電流，正負矩形波的幅值均為恒定的直流電流Id。兩個矩形波各寬120°，相距180°。對ia的波形進行傅立葉級數展開，可得：

在三相橋式全控整流電路中，交流側的電流中僅含6k±1（k為正整數）次諧波，各次諧波的有效值與諧波的次數成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。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，使系統側（電源側）提供的激磁電流波形產生畸變。下面我們主要以變壓器為例，對這類負荷的非線性特性進行分析。

變壓器的勵磁回路實質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，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，電流也會發(fā)生畸變，飽和越深電流的畸變現象就會越嚴重。根據變壓器的工作原理，當忽略繞組的電阻和漏抗時，變壓器原邊電壓u1與電動勢e1的瞬時方程式為：

公式 2 4

公式 2 5

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

圖 2 4變壓器磁化曲線和勵磁電流對應關系

磁通Φ和它產生的勵磁電流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，當原邊電壓u1為正弦波，變壓器的鐵芯主磁通Φ及其產生的反電動勢e1也應該為正弦波，以使其一次側達到電動勢平衡，即 u1=-e1。主磁通Φ通過鐵芯的磁滯回線由系統側的空載電流i0激磁產生。勵磁電流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。不計磁滯，純由鐵芯飽和基本磁化曲線產生的勵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，空載電流和勵磁電流中的諧波成分相同。鐵磁飽和型諧波源產生的諧波電流有以下特點：

（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計時選擇的工作點即工作磁通密度有關，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，但會使諧波含量增大。

（3）諧波電流的大小與設備運行時的系統電壓u1有關。系統運行電壓越高，運行點越深入飽和區(qū)，i0的波形畸變越大，諧波含量急劇上升。夜間，系統負荷減小，電壓升高，其諧波對系統影響增大。

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