（电力电子与电力传动专业论文）单晶炉电气系统谐波检测技术的研究.pdf

s u b j e c t：s t u d yo fh a r m o n i c sd e t e c t i o nf o rs i n g l ec r y s t a lg r o w t h f u r n a c ep o w e rs y s t e m s p e c i a l t y ：p o w e re l e c t r o n i c s & p o w e r d r i v e s n a m e ：z h a n gg u o - k a i ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：g u 0x i u - c a i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 知池。凶 w i t ht h er a p i dd e v e l o p i n go fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，a p p l i c a t i o no f n u m e r o u sp o w e r e l e c t r o n i c sc o m p o n e n t s ，n u m e r o u sh a r m o n i ci sp r o d u c e db yt h es w i t c h i n go f t h ec o m p o n e n t s t h eh a r m o n i cp r o b l e m si nt h ep o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e si n f l u e n c et h ed e v e l o p m e n to f p o w e r e l e c t r o n i c ss e r i o u s l ya n d 州t h r e a t e no t h e re l e c t r i c a lu s e r s s oi ts h o w s i o i 弓a n dm o i m p o r t a n tt h a tq u i c ka n de x a c td e t e c t i o na n ds u p p r e s s i o nt ot h eh a r m o n i c t h es i n g l ec r y s t a l g r o w t hf u r n a c ei st h ee q u i p m e n tf o rm a k i n gs i n g l ec r y s t a l i ti sm 她a l o to f h a r m o n i c sa si t w o r k i n g i nv i e wo ft h e c h a r a c t e r so ft h es i n g l ec r y s t a lg r o w t hf u r n a c ep o w e rs y s t e m h a r m o n i c s t h i sa r t i c l ec o n d u c t sat h o r o u g hr e s e a r c ha n dd i s c u s s i o nt ot h es i n g l ec r y s t a l g r o w t hf u r n a c ep o w e rs y s t e mh a r m o n i c sd e t e c t i o na n dp r o p o s e so mh a r m o n i c sd e k 虻t i o n m e t h o db i s c do nw a v e l e tp a c k e t t h i sa r t i c l em a i nc o n t e n ti n c l u d e s ：( 1 ) h t r o d u c et h ew o r kp r i n c i p l eo fs i n g l ec r y s t a l g r o w t hf u r n a c e ；( 2 ) a n a l y z et h ep r o d u c t i o na n dd i s s e r v i c eo fh a r m o n i c sc a u s e db ys i n g l e c r y s t a lg r o w t hf u r n a c ep o w e rs y s t e m ；( 3 ) b ya m d y z m ga n dc o m p a r i n gb e t w e e ns e v e r a l c o m m o nm e t h o d sa b o u th a r m o n i c sd e t f c t i o na tp r e s e n ta n dc o n s i d e r i n gt h er e a ls i t u a t i o ni n s g c n e , a p p l yw a v e l e tp a c k a g et os i n g l ec r y s t a lg r o w t hf u r n a c eh a r m o n i c sd 觚t i o na n dc a r r y o u tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o nr e s e a r c hf o r 如( 4 ) d e s i g nt h es i n g l ec r y s t a l g r o w t hf u r n a c eh a r m o n i c sd e t e c t i o ns y s t e m t h e h a r d w a l em a i n l yc o n t a i n ：c o n t r o l t m r ( d s p ) 、s i g n a l - p r o c e s s i n gc i r c u i t , f r e q u e n c ya n dp h a s em e a s u r i n gc i r c u i t , w a t c h d o ga n d c o m m u n i c a t i n gc o n n e c t i o nu n i t t h es o 丘w 躲m a i n l yc o n t a i n ：d s pa n da ds a m p l i n ga n d c o n t r o l l i n gm o d u l ea n dt h em o d u l ec o m m u n i c a t i n gw i t hu p p e rm a c h i n e ( 5 ) o nt h eb a s eo f t h ea b o v e ，e x p e r i m e n ti sd o n ea n dt h e 聆s u l ti sa n a l y z e d b yd e s i g n i n g , d e b u g g i n ga n de x p e r i m e n to n t h eh a r m o n i c sd e t e c t i o n , t h ei x 爆u l ti n d i c a t e s ： t h es i d l ec r y s t a lg r o w t hf u r n a c eh a r m o n i c sd e t e c t i o nd e v i c eb a s e do nw a v e l e tp a c k e th a s c h a r a c t e r i s t i c so f h i g hs p e e da n dp r e c i s i o na n di tc a ns a t i s f yt h en e e do f a c t u a lp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：s i n g l ec r y s t a lg r o w t hf u m a c ep o w e rs y s t e m h a r m o n i c sd c t e c t l o l l w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r mm u l t i - - r e s o l u t i o n a n a l y s i s 妥拜技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 靴敝储鹕积州移期：川一 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：勿目锣乙导教师签名岛考彳 j 9 一一 年占月加日 1 绪论 1 1 单晶体和单晶炉的发展 l 绪论 随着科学技术的飞速发展，单晶体应用于各行各业( 航空航天、微电子等) 从而推 动了单晶炉的发展，单晶炉的应用越来越普遍。单晶炉是一种在惰性气体环境中，用石 墨电阻加热或中频感应加热将多晶材料熔化，用直拉法生长无位错单晶的设备。单晶炉 应用非常广泛，单晶硅、单晶锗、单晶砷化镓等众多产品是电子工业及其他高科技行业 极其重要的原材料。 自2 0 世纪5 0 年代以来，人工晶体对发展高新技术的作用越来越大，人工晶体的品 种也越来越多。1 9 6 1 年，在中国科学院半导体物理研究所林兰院士的亲自指挥下，北京 机械学院工厂( 现西安理工大学工厂) 的技术人员与半导体物理研究所的技术人员共同 研制出了我国第一台人工晶体生长设备t d k - 3 6 型单晶炉，并且成功制出了我国第一根 无位错的硅单晶，单晶质量接近当时的国际先进水平，n ) k 3 6 型单晶炉荣获国家级新 产品奖。t d k - 3 6 型单晶炉投料量只有l k g ，拉制单晶直径3 5 m m 。1 9 7 3 年开发了t d k - 4 0 型单晶炉，投料量3 k g ，拉制单晶直径5 0 m m 。2 0 世纪8 0 年代后期，我国半导体工业 迅速发展，国内半导体材料制造厂家大量引进美国k a y c ) g 3 0 0 0 型软轴提拉单晶炉。 为满足我国半导体工业不断发展的需要，1 9 8 8 年西安理工大学工厂承担了国家“七五” 科技攻关项目，研制成功了t d r - 6 2 系列软轴单晶炉，投料量增值3 0 k g ，拉制单晶直径 1 2 5 m m 。该炉型采用软轴提拉，大大降低了设备高度i i j 。 1 2 谐波问题研究的现状 电力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的注意。当时的 德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流的波形畸变。1 9 4 5 年j c r e a d 发 表的关于变流器谐波的论文是最早有关谐波研究的经典论文 2 1 。 到了2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流 器引起电力系统谐波问题的大量论文。e w k i m b a r k 在其著作中对此进行了总结【2 】。7 0 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子技术装置在电力系统、工业， 交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日益严重。世界各国都对谐波问题 予以充分的关注。 单晶炉加热系统是采用电力电子变频的中频感应加热装置，由于变频器频繁的开关 作用，致使单晶炉在使用中产生大量的谐波，导致单晶产品合格率降低且给电网带来严 重的谐波污染。这已经成为众多单晶炉用户的心头之痛，业已问世的种种产品技术均无 西安科技大学硕士学位论文 法有效解决这一难题。面对众多单晶炉用户环保节能和追求高产品合格率的迫切需求， 近年来越来越多地得到电力、科研部门和高等院校的重视，不少研究者做了很多有益的 努力和尝试。 由于国内各行各业单晶炉拥有量越来越大，市场潜力可观，为了开拓这一极具潜力 的节能环保市场，自2 0 0 4 年1 月起，艾能能效技术研究所抽调精兵强将组建了“单晶炉 能效项目组”，开始对这一领域进行深入的技术探索与研究。为进行项目协调研究，从 多所大学和研究机构聘请单晶炉方面的专家教授指导产品设计开发工作，保证技术的高 起点和高水准。为满足广大单晶炉用户消除谐波，改善电能质量，提高产品品质起到显 著的推动作用。 谐波是一个周期电气量中频率为大于l 倍基波频率的正弦波分量，单晶炉的谐波给 电力系统带来污染，使电力系统的安全和经济运行造成了极大的影响，它对发电机、电 网及单晶炉设备本身和单晶产品质量的危害都很大，因此，必须对单晶炉的谐波进行有 效的监控及治理。图1 1 为单晶炉谐波管理和治理示意图。 图1 1 单晶炉谐波管理和治理示意图 由图1 1 可以看出：谐波检测是对谐波监控和治理的基础和核心所以，对单晶炉 电气系统谐波的检测方法进行研究，对保障电力系统的可靠、经济运行和单晶炉设备以 及产品质量的提高有着十分重要的意义。 目前的主要检测方法有：( 1 ) 建立在模拟电路基础上的硬件检测法；( 2 ) 建立在傅 里叶变换、瞬时无功功率补偿理论和人工神经网络等基础上的软件检测法。目前各种谐 波检测方法可能在某一方面具有优势，但都不尽完善，特别在检测方法、检测精度和实 2 1 绪论 时跟踪方面还有待于进一步深入研究和探讨。 国外在谐波检测方面技术比较先进、成熟。如美国的f l u k e 公司、瑞士的l e m 公 司和日本的日立公司等，他们生产的谐波检测仪技术先进、成熟；国内也出现了一些专 门研究、生产谐波检测产品的公司。 1 3 本课题的研究内容和意义 谐波问题涉及面很广，包括对畸变波形的分析、谐波源分析、电网谐波潮流计算、 谐波补偿和抑制、谐波限制标准以及谐波测量及在谐波情况下对各种电气量的测量方法 等【4 5 】。谐波检测是谐波问题的一个重要分支，也是研究谐波问题的出发点【3 】和主要依据。 本文将重点研究单晶炉电气系统的谐波检测方法，主要内容有： ( 1 ) 对单晶炉电气系统产生的谐波进行了深入分析，得出单晶炉电气系统谐波的 特点并对目前谐波检测方法进行比较。 ( 2 ) 利用小波分析可以检测突变信号的特性，将小波分析运用在单晶炉电气系统 的谐波检测中，通过对f f t 、小波包变换方法的仿真对比，证明了小波包变换在单晶炉 电气系统谐波检测中的可行性。 ( 3 ) 设计了基于小波包变换的单晶炉电气系统谐波检测装置。通过对装置的调试 验证了所设计的谐波检测装置应用于单晶炉电气系统的有效性和可行性。 由此可见，对单晶炉电气系统谐波检测方法进行探讨研究具有重要的理论价值和现 实指导意义。 首先，谐波的存在使单晶炉自身电源不稳定，从而使单晶受热不均并影响单晶提拉 系统，引发一系列的产品质量问题；其次，在于对电力电子自身发展的影响；再次，更 可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说， 无谐波就是“绿色”的主要标志之一伫l 。在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子” 的呼声也日益高涨。对电力系统谐波污染的治理也已成为电工科学技术界所必须解决的 问题。 1 4 本章小结 本章主要论述了以下三方面的内容 ( 1 ) 阐述单晶体和单晶炉的发展背景； ( 2 ) 介绍电力系统谐波问题的研究现状，单晶炉谐波的危害；单晶炉的谐波引起 单晶炉用户和电力管理部门的重视； ( 3 ) 最后提出了本文所作的工作。 3 西安科技大学硕士学位论文 2 单晶炉电气系统的谐波分析 谐波是电力质量的重要指标之一，在理想的情况下，优质的供电系统应该提供具有 正弦波形的电压。但随着经济的高速增长，工业电网大量非线性负载的投入运行，这些 非线性负载在工作时向电网反馈大量的高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形发生 畸变，使电力质量变坏，特别是单晶炉电气系统( 中频电源) 的大量挂网运行导致工业 电网谐波污染日趋严重。本章将分析单晶炉电源交流侧的谐波特性和对目前主要的检测 方法作简单介绍。 2 1 单晶炉的组成及其工作原理 单晶炉是一种在惰性气体环境中。用石墨电阻加热器或中频电源感应加热器将多晶 材料熔化，用直拉法生长无位错单晶的设备。单晶炉由主机和电气控制两个部分组成 【1 3 。主要技术指标： 电源：三相，5 0 h 2 ，3 8 0 v + 1 0 ) 中频电源：2 5 k h z ，2 5k w ； 最高熔炼温度：1 7 0 0 ； 溶料量：1 0 k g 。 单晶炉的主机由底座及立柱、炉筒、加热装置、加热装置升降部件、籽晶升降与旋 转部件、电子秤，水冷系统等部件组成，如图2 1 所示。立柱、炉筒及加热装置升降部 件座落在底座平台上。籽晶升降与旋转部件安装于立柱上电子秤固定置于底座内部。 1 耔品杆2 立柱3 炉筒4 底座5 与电机连接的带轮6 楔形带7 与籽晶杆连接的带轮 s 加热装置升降部件9 加热装置l o 电子秤1 1 籽晶引降与旋转部件 图2 i 单晶炉主机结构 4 2 单晶炉电气系统的谐波分析 ( 1 ) 底座及立柱部件 底座是其它部件的支撑连接部件。采用矩形管组焊柜架结构，固联有台板，炉筒、 立柱、加热装置升降部件，通过螺钉紧固在上面。底座内部还固联有电子秤支架，电子 秤紧固在上面。 一 ( 2 ) 炉筒 炉筒为拉晶工艺提供炉室环境，炉室内的过程不受周围环境干扰，起到良好的屏蔽 作用。对炉筒水冷后，室内高温不会影响周围的环境，炉筒设计成蚌壳式结构，便于操 作。设备采用中频电源感应加热。在前壳设有观察窗，在拉晶时可通过窗口观察炉内拉 晶情况，窗口在工作时装有墨绿色保护玻璃，以保护工作人员的眼睛和便于观察炉内的 高温工作情况，不用时可以取下。为了便于观察籽晶连杆调整，在炉筒项盖也设置观察 窗。 ( 3 ) 加热装置升降部件 加热装置升降部件作为加热装置升降运动的导向和传动机构，置于底座台板之上， 结构示意图如图2 2 所示。整个部件由坚固精密铸铁立柱( 3 ) 支撑，最上端装有力矩电 机( 1 ) ，通过谐波减速器( 2 ) 与精密滚珠丝杠副( 7 ) 相连，经直线滚动导轨( 4 ) 导 向，拖动滑座( 5 ) 实现加热装置的慢速性工作运动；加热装置快速调节位置是通过手 轮( 1 0 ) 经一对斜齿轮( 9 ) ，谐波减速器( 2 ) 后驱动滚珠丝杠副( 7 ) 实现手动快速。 在谐波减速器( 2 ) 的蜗杆轴端，装有电磁制动器，正常拉晶时，手轮与牙嵌离合器脱 开，电磁制动器吸合，钢轮制动，慢速运动才能顺利进行手动升降时则需将手轮压入 牙嵌离合器后，方可摇动手轮。 1 力矩电机2 谐波减速器3 铸铁立柱4 线滚动导轨副 5 滑座6 加热装置托板7 滚珠丝杠副8 齿笋支座9 斜齿轮i 0 手轮 图2 2 加热装置升降部件 5 西安科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 加热装置 单晶炉通常采用中频电源感应加热和石墨电阻加热两种加热方式。本课题研究的单 晶炉采用k g p f 型中频电源感应加热。由图2 3 可以清楚地看到线圈( 4 ) 正负极连接 至铜排( 2 ) ，铜排固连在电缆接线媒体( 3 ) 上，电缆( 6 、8 ) 接到电源正负极。冷却 水由水嘴二( 7 ) 进入，经过线圈( 4 ) 后流出水嘴一( 1 ) ，对线圈进行强制冷却。 l 冰嘴一2 连接铜捧3 电缆接线媒体4 加热线圈 5 线圈支柱6 、8 电缆7 水嘴二9 绝缘支柱1 0 加热装置托板 图2 3 单晶炉感应加热装置示意图 k g p f 型中频电源主电路采用并联谐振结构，在运行时产生的谐波致使温度失控， 严重地影响单晶质量品质，造成企业成本增加；并且注入电网的5 次和7 次等谐波电流严 重超标。这些现象引起了用电管理部门、特别是单晶炉用户的高度重视，根据“谁干扰， 谁污染，谁治理”的原则，单晶炉用户必须就地采取治理谐波的措施。 ( 5 ) 籽晶升降与旋转部件 籽晶升降与旋转部件作为籽晶杆直线运动和旋转运动的导向和传动机构，置于底座 的立柱上端。其籽晶杆装于滑座上，升降运动的原理与加热装置升降部件相似，不再赘 述，只简要介绍籽晶杆的旋转运动，如图2 4 所示。籽晶杆的旋转运动由力矩电机( 5 ) 经楔形皮带( 2 ) 直接驱动，在完成自身旋转运动的同时，随滑座( 7 ) 上下运动。 ( 6 ) 电子秤 电子秤是用来称量坩埚杆、坩埚、晶体熔液及保温系统的装置。由秤架和传感器两 部分组成，秤架为机械称重机构，传感器将秤的机械位移量转化为电信号。秤架由承重 盒、称重杠杆、刀口、配重盒及锁紧杠杆组成。 ( 7 ) 水冷系统 水冷系统是由进出水分水器，各冷却部位水网和供水水管等组成的水系，一般都采 用强制冷却。分水器固定在底座立柱上，各进出水嘴分别通过软管与设备的各冷却部位 接通，两根进出水管与车间的供水系统相连。 6 2 单晶炉电气系统的谐波分析 u 1 轴承座2 楔形皮带3 带轮支座4 电机支座 5 力矩电机6 耔晶杆7 滑座8 冰套挡板9 冷却水嘴l o 冰套 图2 4 耔晶旋转运动 2 2 电气系统的谐波分析 2 2 1 谐波分析理论 国际上公认谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量。其频率为基波的 整数倍数， 【1 5 1 。 在电气系统中。通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压可表示为 1 2 , 2 0 1 ： 甜= 4 2 u s i n ( a t + o o ( 2 1 ) 式中：u 一电压有效值； 口一初相角； 国一角频率，国= 2 万厂= 2 t i t ； 7 r 一频率； r 一周期。 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、积 分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变 为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形变为非正弦波；当然， 非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦的。对于周期为t = 2 x w 的非正弦 电压甜( 耐) ，一般满足狄里赫利条件，可以分解为如下形式的傅里叶级数： u ( a , t ) = a o + ( a , c o s v 埘+ b s i n w o o ( 2 2 ) 7 西安科技大学硕士学位论文 式中：= 去r “( 耐y ( 硼 = 妻r 。材( 耐) c o s 砌耐( 硼 屯= 砉r * u ( o a ) s i n n a , t d ( o x ) 其中硝，2 , 3 或“( 砷：+ 量q 酬删+ 纯) ( 2 3 ) 式中：c l 、纯和以，6 _ 的关系为： c ，= 0 d ? + b ? 纯= a r c t a n ( a 吒) = 巳s i n c p 6 - = q c o s 纯 在式( 2 2 ) 或式( 2 3 ) 的傅里叶级数中，频率为1 t 的分量称为基波，频率为大 于l 整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数甩为谐波频率和基波频率的比值。以上 公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，把式中u ( c o t ) 转 为f ( 耐) 即可。 刀次谐波电压含有率以h r u 表示： ， 舰q = 詈1 0 0 ( 2 4 ) u l 式中以一第栉次谐波电压有效值； u 一基波电压有效值。 一次谐波电流含有率以h r 表示： ， h r , , = ? - x l o o ( 2 5 ) 1 1 式中厶一第n 次谐波电流有效值； 正一基波电流有效值。 谐波电压含量l 0 和谐波电流含量分别定义为： u h ：瓯 y = 2 i h ：再 ln * 2 8 ( 2 6 ) 2 单晶炉电气系统的谐波分析 电压谐波总畸变率珏d _ 和电流谐波总畸变率t h d , 分别定义为： 以上介绍了与谐波有关的基本概念。可以看出，谐波是一个周期电气量中频率为大 于i 倍基波频率的正弦波分量，当谐波次数行为整数时称为整数次谐波。当行为非整数 的正弦波分量出现时，被分析的电气量已经不是周期为r 的电气量了，但考虑到分数次 波产生的原因，危害及抑制方法均和整数次谐波相似，故把分数次谐波也放在本课题研 究之列。 2 2 2 加热电源的主电路结构 目前大多数单晶炉是采用中频感应电源加热的工作方式，中频电源的主电路形式有 很多种，根据负载谐振回路的不同，一般可分为并联逆变式、串联逆变式和串并联混合 逆变式 1 3 , 1 4 。其中k g p f 型中频电源主电路采用并联谐振式结构，其主电路基本结构如 图2 5 所示。 0 c l v 1v 3垤v a垤 重z 至2至 三 7 弋7 啪 l f 型 z至2 至2f 三 7 弋7 一 v v 2 v c v d c 图2 5 单晶炉加热电源主电路结构 中频电源主电路包括整流电路、滤波电路、单相桥式逆变电路和并联谐振电路。其 中整流电路采用三相全控桥式整流电路，作用是将三相5 0 h z 工频交流电压整流成波动 的直流电压。滤波电路采用电感滤波，使得逆变侧获得一个恒定的直流电流源；另外， 还可以防止中频电流进入工频电网，起到隔离的作用。单相桥式逆变器的负载是由感应 线圈和补偿电容器组成的，联接成并联谐振电路。其作用是将平直的直流电流逆变成所 需频率的单相中频交流电流。中频交流电流近似为矩形方波，频率较高。 2 2 3 谐波分析 按照负载性质和运行特点的不同，整流电路可分为阻感性负载的整流电路和阻容性 负载的整流电路。根据2 2 2 对单晶炉电源主电路结构分析得知：单晶炉的主电源为阻 9 嗍 慨 争扣 = = 觋 啦 西安科技大学硕士学位论文 感性负载的整流电路。现对单晶炉电源产生的谐波进行分析，假设： ( 1 ) 电压基波及各次谐波幅值恒定，且在一个周期内瞬时极大值与极小值之间波 形的单调性不变。 ( 2 ) 不计交流侧内阻，且基波感抗恒定。 ( 3 ) 整流部分的晶闸管具有理想特性，如果忽略整流电路的换相过程和电流脉动， 同时设整流电路为零触发。 ( 4 ) 直流侧电流连续。 三相6 脉波整流电路作为单晶炉电源的整流电路时，则电源交流侧的线电流波形如 图2 6 所示。 谐镀次教 彻 ( 曩) 交流侧电流波形( b ) 交流侧电流的谐波频谱 图2 6 单晶炉交流侧电流波形和谐波频谱图 假设单晶炉电源电压为三相平衡电源，即： 玑= 玑s i n ( 耐+ 力= 勿酬耐+ 咖 = 以s i n ( 耐+ 伊一尹2 7 1 = , j 2 u s i n ( o # + 矿一争 虬= u s i n ( o , t 埘争= , j 2 u s i n ( 埘争 ( 2 8 ) 从图2 6n - - i 知，交流侧a 相的线电流波形为正负半周各等的矩形方波，b 、c 两相 电流波形相同，只是在相位上依次相差等，其电流有效值j 与中频电源整流电路直流侧 电流厶的关系为：，= 。根据傅里叶级数原理可将交流侧电流波形可分解为如下的 级数形式： 1 0 2 单晶炉电气系统的谐波分析 乇= b , s i n n o x ( n 为奇数) ( 2 9 ) 系数瓦可由式( 2 1 0 ) 计算： 屯= 昙r i s s i n n o j t d ( 耐) = 厶去 s 了n j t c o s 等 ( 2 1 0 ) 可见只有玎= 6 k + l 时屯才不为0 ，故可得： 乞= 竽厶 s i n 饼一吾如5 耐一号s i n 7 研+ 吾血1 1 耐+ 吉如1 3 甜+ ( 2 1 1 ) 同理可得b 、c 相的电流表达式： = 竽 s 喊耐一争一；妇舻耐一争一；豳( 协一争+ 击s i i l ( - - 耐一等) + 去s i l l ( ，科一争+ ( 2 1 2 ) t = 竽铀m + 争邮耐+ 争一；蛳，研+ 争+ 击叫t - 耐+ 争咭s 坝胁+ 2 ，z 7 ，4 - 。 ( 2 1 3 ) 可见各相电流只有基波和疗= 6 k + l = 1 ，2 ，3 “) 次谐波，其有效值分别为： = 击等厶= 誓厶 ( 2 1 1 2 西了1 d 2 i k “j 引 厶= 塑厶 行= 6 k ：l ：l = 1 ，2 ，3 ) ( 2 1 5 ) 式中：厶是整流装置直流侧电流有效值，是基波电流的有效值，厶是 次谐波电流有 效值。由此可见，单晶炉的中频电源产生的谐波电流仅含玎= 6 k + l ( 七= 1 , 2 ，3 ) 次，且 各次谐波有效值与谐波次数成反比和与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。 2 2 4 谐波的危害 对某厂单晶炉在正常工作状态下进行检测，统计分析表明：5 次超标6 3 6 倍、7 次 超标3 5 7 倍、1 1 次超标1 4 5 倍、1 3 次超标2 8 2 倍、1 7 次超标2 3 8 倍、1 9 次超标2 5 5 倍，远高于国家标准l o b t 1 4 5 4 9 - - 电能质量公用电网谐波( 详见附录a ) ，可见， 谐波的污染是相当严重的。谐波会导致继电保护和自动装置误动作；造成电气测量仪表 计量不准确；对临近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导致信 息丢失，使通信系统无法正常工作。由于谐波严重超标，导致单晶合格率近为6 0 。 为了提高单晶体的产品质量、降低成本；再者为净化电网的谐波污染。已经引起了 该厂和用电管理部门的高度重视，正做技术改进的前期准备工作，要解决以上问题必须对 单晶炉产生的谐波进行抑制，抑制谐波的前提必须能够准确地检测。 西安科技大擘硕士学位论文 2 3 谐波检测方法 谐波检测方法从实现方式上看可分为硬件法和软件法，目前的几种主要谐波检测方 法应用于单晶炉谐波检测时存在着某些不足。 2 3 1 硬件检测法 硬件检测是完全以模拟电子器件构成测量电路，通过不同参数的元件将谐波中不同 频率的分量分离到多个通道中去，再利用各通道的检测电路和元件直接测量出其幅值或 相角等信息。 比较早的谐波电流检测方法是采用模拟滤波器来实现的，即采用陷波器将基波电流 分量滤除，得到谐波分量。或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到 谐波分量。 ： 硬件检测方式中要用到大量模拟电路，主要包括滤波器和检波器，同时还需要对输 入信号进行预处理的前置放大器及输出用的多路显示器等，图2 7 是其结构原理图。 信 号 誓 兰竺! h 兰竺! 卜一 输 叫至寸匡寸一 多 入路 放曼 大 l 不 嚣嚣 i 可f 斗 图2 7 谐波检测的硬件电路结构原理图 这种方法可以实现实时谐波检测，但装置结构复杂、设计难、误差大、所需元器件 多，成本高；另外，检测特性受元器件参数影响，而模拟带通滤波器( b p f - - b a n dp a s s f i l t e r ) 等模拟元件对环境的温度、湿度以及系统频率等的变化非常敏感，使其测量精度 和控制性能大受影响，使得基波幅值误差很难控制在1 0 以内。因此，很多研究人员开 始考虑用软件实现检测环节。 2 3 2 软件检测法 软件检测就是利用微机、单片机或数字信号处理器的运算功能，将分离和检测通过 软件算法来实现。目前，应用的软件方法大多是基于c o o l e y 和t u k e y 提出的快速傅里 叶变换( f f t f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 及其改进算法和新兴的小波变换( w t - - w a v e l e t t r a n s f o r m ) 。软件检测方法具有估计精度较高，运算量小等优点，已成为电力系统谐波 检测中常用的分析算法 ( 1 ) 基于傅里叶变换的谐波测量 2 单晶炉电气系统的谐波分析 基于傅里叶变换( f t - - f o u r i e rt r a n s f o r m ) 的谐波测量是当今应用最多也是最广泛 的一种方法。它由离散傅里叶变换( d f t - - d i s e r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m ) 过渡到快速傅里 叶变换( f f t f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 的基本原理构成。使用此方法检测谐波具有精度 较高，功能较多，使用方便等优点；其缺点是需要一定时间的电流值和需要进行两次变 换，而且在采样过程中，当信号频率和采样频率不一致时，会产生栅栏效应和频谱泄漏 现象，使计算出的信号参数( 频率、幅值和相位) 不准确，尤其是相位的误差很大，无 法满足测量精度的要求，因此必须对算法进行改进 ( 2 ) 基于瞬时无功功率的谐波测量 1 9 8 3 年，日本学者赤木泰文等提出瞬时无功功率理论，并在此基础上提出了两种谐 波电流的检测方法：p q 法和f 。一法。这两种方法都能准确地测量对称的三相三线制 电路的谐波值。其中f 。一屯法适用范围广，不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不 对称时同样有效，而p q 法测量电网电压畸变时的谐波会存在较大误差 2 1 。 这两种方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分量( 基波正序无功分量、 不对称分量及高次谐波分量) 的测量电路比较简单，并且延时小。虽然被检测对象中的 谐波构成和采用滤波器的不同会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期。如电 网中最典型的谐波源一三相桥式整流器，其检测的延时约为1 6 周期。可见，该方法具 有很好的实时性，缺点是硬件多、体积大、成本高。 ( 3 ) 基于人工神经网络的谐波检测 理论上，人工神经网络在计算能力、对任意连续函数的逼近能力、学习理论及动态 网络的稳定性分析方面都取得了可喜成果，成功应用于许多领域，如模式识别与图象处 理、控制与优化、预测与管理、通信等。在谐波检测方面主要有以下应用：谐波源辨识、 谐波预测和谐波检测。将人工神经网络应用于谐波检测，主要涉及网络构建、样本的确 定和算法的选择，目前己有一些研究成果用。 该检测方案不仅对周期性变化的电流具有很好的跟踪性能，而且对各种非周期变化 的电流也能进行快速跟踪，对高频随机干扰有良好的识别能力。然而人工神经网络应用 于单晶炉电气系统的谐波检测尚属起步、探索阶段。 ( 4 ) 小波分析法在谐波检测中的应用 小波变换在时域和频域同时具有良好的局部性，而且由于高频段采取逐渐精细的时 频步长，可以聚焦到分析对象的任意细节，在谐波检测方面人们开始把目光转向小波变 换【9 l 。 小波变换的特点在于按频带而不是按频点的方式处理频域信息。因此，信号频率的 微小波动不会对信号的处理产生很大影响；当信号的局部发生波动时，它不会像傅里叶 变换那样把影响扩散到整个频谱，而只改变当时- 4 , 段时间的频谱分析，这使其可以跟 踪时变和暂态信号。关于小波变换的谐波检测方法将在第3 章和第4 章中做详细的讨论。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 2 3 3 小波变换与傅里叶变换的比较 小波变换是傅里叶变换的发展与延拓，既密切相关，又各具特色，可以从以下几个 方面加以比较。 从分辨率看，小波变换较好地解决了时间和频率分辨率的矛盾。它巧妙地利用了非 均匀分辨率：在低频段用高的频率分辨率和低的时间分辨率，而在高频段则采用低的频 率分辨率和高的时间分辨率。也就是说，小波变换的窗宽是可变的，它在高频时使用窄 窗口，而在低频时则使用宽窗口，充分体现了自适应分辩率分析的思想，与时变信号特 性也是一致的。 从正交性看，傅里叶变换是一种时一频二维分析方法，也是正交的，但正交基底展 开后为无限长的s i 嘲t ) 、c o s ( 耐) 和唧( 耐) ，在频率轴上只是“点频率”。这样对于时变 信号而言，由于其频率成份比较丰富，展开系数的能量必然分散。而小波变换并不一定 要求是正交的，其时宽频宽乘积很小，因而展开系数的能量较为集中。 从频谱分析看，傅里叶变换对不同的频率分量在时域中都取相同的窗宽，而小波变 换的窗宽则是可调的。这种以非线性方式处理频率的方法对时变信号具有明显的优越 性。 2 4 本章小结 本章主要论述了以下三方面的内容 ( 1 ) 阐述了单晶炉的组成及其工作原理； ( 2 ) 对单晶炉加热电源( 中频电源) 的工作原理作了介绍，对其产生的谐波进行 了分析； ( 3 ) 对目前电力系统谐波检测的几种方法作了比较。 1 4 3 基于小波变换的单晶炉电气系统谐波检测 3 基于小波变换的单晶炉电气系统谐波检测 从原则上讲，凡使用傅里叶分析的地方都可以用小波变换和小波包变换来代替。本 章将小波变换应用于单晶炉电气系统的谐波检测中，本章首先对小波和小波包进行了阐 述，把小波包应用于谐波检测进行论述。 3 i 小波和小波包理论 3 1 i 小波的定义 小波( w a v e l e t ) ，即小区域的波【2 1 1 ，如图3 1 所示。 定义3 1 设妒( f ) 为一平方可积函数，即y ( f ) 謦( 置) ，若其傅里叶变换矿( ) 满足条 件弘强2 6 l ： q ：鲜砌一 - ， 则称( f ) 是一个基本小波或小波母函数，称式( 3 i ) 为小波函数的可容许条件。 由定义可知小波函数具有两个特点： 1 是“小”，即在时域和频域都具有紧支集或近似紧支集； 2 是正负交替的“波动性”，由可容性条件知( 彩) f 。= 0 ，即直流分量为零，如图3 1 1 5 西安科技大学硕士学位论文 3 1 2 连续小波变换 将母函数少( ，) 经过平移、缩放得到的正交函数族 ，= i 口f - ；妒睁) 置鲫 2 ， 称为一个小波序列。其中a 为伸缩因子，6 为平移因子。 对于任意函数( ，) l 2 ( r ) 进行的一种连续的小波变换为： 竹( 删= j 口r 1e f ( t 矽( 等户 ( 3 s ) 对应的重构公式( 逆变换) 为： 胁专亡e 如( 口，6 妒( 姗 姐4 ， l “l “ 由于基小波( f ) 生成的小波虬。( f ) 在小波变换中对被分析的信号起着观测窗的作 用，所以y ( f ) 还应满足一般函数的约束条件： e l ( ，) 陋 佃 ( 3 5 ) 故( 国) 是一个连续函数。这意味着，为了满足完全重构条件( 即式( 3 5 ) 成立) ， ( 功在原点必须等于o ，即 ( o ) 2 【妒( f 弦= 0 ( 3 6 ) 为了使信号重构的实现在数值上是稳定的，除了完全重构条件外，还要求小波缈( ，) 的傅里叶变换满足下面的稳定性条件： _ 舒( r 7 水丑 限7 ， 式中：m 漶! b 0 ( 3 9 ) q c 4 自相似性：对应不同尺度参数a 和不同平移参数b 的连续小波变换之间是自相似 的。 5 冗余性：连续小波变换中存在信息表述的冗余度，小波变换的冗余度事实上也是 自相似的直接反映。 3 1 3 二进小波变换 为了分析非平稳信号，我们希望小波变换具有可变的时间和频率分辨率，这就需要 改变口和b 的大小，以使小波变换具有“变焦距”的功能。换句话说，在实际应用中采用 动态的采样网格，最常用的是二进制的动态采样网格，即：a o = 2 = l ，每个网格点 对应的尺度为2 ，平移为2 s k 。可得s u d , 波； 虼j ( f ) = 2 - n y ( 2 - s t d ，七z ( 3 1 0 ) 称式( 3 1 0 ) 为二进小波。 二进小波介于连续小波和离散小波之间，只是对尺度参数进行离散化，在时间域上 仍是连续的，故二进小波具有连续小波变换的时移共变性，在奇异性检测和图像处理等 方面很有用刚 定义3 2 设函数 ( f ) r 似) ，如果存在两个常数彳，b ，且o 彳 矗 + 使得处 处稳定，即 2 彳i 痧( 2 o i s 口 ( 3 。1 1 ) 则y 膳( 功为一个二迸小波。式( 3 1 1 ) 是其稳定条件，a = b 是最稳件。函数序列 厂( | ) k z 为的二进小波变换，其中： w 2 f f ( k ) = ( ，( 七) ) = 1 工f ( t ) v z ( 2 - s t - k ) d t ( 3 1 2 ) 二进小波的特点：假定一开始选择一个放大倍数2 ，它可以观测到信号的某一部 分内容。想进一步观测信号的更小细节，就需要增大放大倍数即减小_ ，的值；反之，若 1 7 西安科技大学硕士学位论文 想了解信号更粗的内容，则要减小放大倍数，即加大，的值。因此，有人把小波变换称 为数学显微镜嘲。 3 1 4 多分辨率分析 多分辨思想可以作一个简单的比喻：当看一幅图a 时，如果站得很近，那么一切细 节都非常清楚；往后退几步，图画就要模糊一些，看到的就是a ；再往后退；细节群就 更加模糊，只能看到图画中占主导地位的口。如果把含谐波的电流比作这幅图画那么 其中的谐波就可看作为画中的细节露。基波c ? 就是图画的主体。站得越远，谐波就越 模糊，基波就越突出。从数学理论上讲，多分辨就是不断地滤除频率相对较高的频带上 的分量群，同时保存这些分量以进行信号重构，这就是多分辨思想用于谐波检测的原理 网 定义3 3 空间f 似) 中的多分辨率分析是指f ( 置