（电力系统及其自动化专业论文）基于单台感应加热设备的谐波分析与研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于单台感应加热设备的 谐波分析与研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导 下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注 和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并 表示了谢意。 学位论文作者签名： 泮j l 日 期：丝! ：垒：! ! ? 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：监 导师签名： 日期：日期： 啦 砷事 砖f 鹚 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 “谐波”一词起源于声学，有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已经奠定 了良好的基础，傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐 波问题早在2 0 世纪二、三十年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静 止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变，到了五、六十年代，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。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趋严重，世界各国都对谐波问题予 以充分的关注。 国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定 了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。在国际上，各个国际组织，如 国际电气电子工程师协会( i e e e ) ，国际电工委员会( i e c ) 和国际大电网会议( c i g r e ) 也纷纷推出了各自建议的谐波标准，其中较有影响的是i e e e 5 1 9 1 9 9 2 和i e c 5 5 5 2 ，我国原水利电力部于1 9 8 4 年制定并发布了s d l 2 6 - - 8 4 电力系统谐波管理暂 行规定，国家技术监督局于1 9 9 3 年发布了国家标准g b t1 4 5 4 9 - - 9 3 电能质量公 用电网谐波 1 - s 】。 1 1 谐波的研究 1 1 1 谐波的概念 国际公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基 波频率的整数倍”。 这是将一个周期电气量按傅立叶级数展开而获得的，说明谐波频率和该周期频 率之比为正整数，如我国电力系统的额定频率为5 0 h z ，即基波频率的额定值为 5 0 h z ，二次谐波的频率为1 0 0 h z ，三次谐波的为1 5 0 h z 等。同时，根据傅立叶级数 的基本理论，该周期量必须是周期性重复的。 此外，实际电力系统中常存在一些频率不是基波频率整数倍的正弦分量，这些 分量频率与基波频率之比，有些是分数，如1 2 ，1 3 等，则称之为次谐波 ( s u b h a r m o n i c ) 或分数次谐波( f r a c t i o n a l h a r m o n i c ) ，有些则介于两个整数之间如2 5 ， 3 6 等，则称之为闻谐波( i n t e r - h a r m o n i c ) 【6 7 1 。 1 ：1 2 谐波的产生 自从采用交流电作为电能输送的一种方式起，人们就己经知道电力系统中的谐 波问题。电力系统稳态方式下的谐波，都来自各自谐波源。“谐波源”，通常是指各 1 华北电力大学硕士学位论文 类特定的用电设备，即非线性用电设备，同时也包括变压器和各类铁心电抗器。所 谓非线性设备就是在正弦供电电压下产生非正弦电流或者在正弦供电电流下产生 非正弦电压的设备，它是最主要的谐波源，并且可以划分为下列几类。 1 电力电子装置。电力电子装置近年来发展迅猛，是最严重的谐波源。它有多 相和单相之分：从功能上看，有整流、逆变、交流调压和变频之分；大型的有达百 万千瓦级的h v d c 装置和大型铝厂的整流装置，小型的有电动机节能器、家用充电 器和家用调光灯等。影响面较大的有用于工频交流电力机车的单相换流装置、用于 电解铝厂的变流装置、用于大型电动机的变频装置等。 2 电弧炉。通常所谓的电弧炉是指交流电弧炉，用于钢铁冶炼。大型电弧炉的 发展方向是采用更经济有效的直流电弧炉。在谐波源分类上，直流电弧炉是由整流 器馈电，故应列入电力电子装置。铁合金矿石炉、电石炉和电弧炉虽都采用石墨电 极来注入熔化电流，但用电特性有很大差别。 3 家用电器。例如日光灯、电视机、调速风扇、空调、电冰箱等。 4 高新技术应用的多种设备。例如电子计算机、敏感电子器件、功调器、激光 切割设备、卫星传送器、核磁共振设备、节能灯( 例如高压钠灯和其他气体放电灯) 等。 谐波源虽然是供给谐波电流的能量源，但它的能量却是工频基波提供的。非线 性设备产生谐波的过程，实际上是一个消耗工频能量，并将其中一部分工频能转换 为各次谐波能量向系统回送的过程。由此可见，高次谐波是电力系统的一种“污染”， 据国外的经验，各种非线性用电设备容量的增长率大大超过电网的发电设备容量的 增长率，这一事实决定了谐波监督和治理工作的长期性和艰巨性。 1 1 3 谐波的基本概念和数字特征量 1 ) 正弦波形畸变 习惯上，认为电网稳态的供电电压波形为工频正弦波形，其数学表达式为： “( f ) = x 2 u s i n ( 脚t - i - 口) ( 卜1 ) 其中，岱= 2 n f = 等 式中u 一电压的有效值，其幅值为4 2 u 口一初相角 、f 和r 一工频角频率、和周期。 在电路中线性无源元件上的电压和电流的关系，不外乎比例0 = r i ) ，微分 ( “= 工誉) 和积分( “= 吉p r ) 等关系。正弦周期函数在进行加、减、微分和积分等 运算时仍保持正弦函数的特点，所以在电网中要求尽可能由正弦波形的电源供电。 但是由于非线性负荷的存在，目前电网电压的波形往往偏离正弦波形而发生畸变， 华北电力大学硕士学位论文 而且波形畸变日益严重己成为电能质量的一个重大问题。 2 ) 畸变波形的基本分析方法 以图1 - 1 所示的周期性方波为例，畸变波形可以以一组正弦波形叠加综合来近 似表示。 厂、，、 ， 一一 飞 ，a x ( 8 毡铆+ i 3 m 3 m r + 1 ，5 8 蛔5 嘞1 ) t 2t 露 一一 八f 图卜1 周期性波形 s i n ( q f ) 项称为基波，其周期与原畸变波形的周期相同，其它各相均为谐波。由 于谐波的频率是基波频率的整数倍，所以s i n ( 3 c o ，f ) 项称为三次谐波，s i n ( 5 q f ) 项称为 五次谐波，。电力系统的基波频率规定为工频。通常将奇数次的谐波统称为奇 次谐波，将偶数次的谐波统称为偶次谐波。图1 1 所示的方波中不含偶次谐波。 理论上任何周期性波形都可分解为傅立叶级数，称为谐波分析或称为频域分 析。谐波分析是计算周期性波形的基波和谐波的幅值和相角的基本方法。 华北电力大学硕士学位论文 应当指出，实际上的畸变波形所含各次谐波分量的幅值，在各个周期内不会完 全相同，其数值可能相差较大，而且还可能是随机变化的。国际大电网会议工作组 建议，在测量和计算各次谐波的方均根值时，应当给出它在3 s 内平均的方均根植， 这样，便可以对暂态现象和谐波加以区别。例如，对于第h 次谐波，设在第k 次谐 波分析时所得到的第h 次谐波的方均根值为巩。，若在3 s 内取得m 个数据，则在3 s 内第h 次谐波平均的方均根值为 u h = 辱1 2 ( 1 2 ) 3 ) 畸变波形的数字特征量 1 畸变波形的方均根值 周期性电压和电流的瞬时值都随时间而变，在工程实际应用中常采用方均根值 这个数字特征量来衡量电流和电压的大小。以周期电流i o ) 为例，它的方均根值定义 为 i = 取丽 ( 1 - 3 ) 即通常我们所说的有效值。 在时域分析中，对f ( f ) 在一个周期t 内作n 次等间隔采样，设t 。时刻的采样电流 瞬时值为i k ，则此电流的方均根值的算式为 ，= 后善蠢 ( 1 4 ) 在频域分析中，将畸变的周期性电压和电流分解成傅立叶级数 “o ) ：u , j 乏u hs i ( h c o t + a h ) ( 1 s i n ( h c o 一5 ) “o ) = ) ( 一5 ) h f f i l m f ( f ) = 2 ls i n ( h c o ；h 反) ( 1 6 z l 式中以一一基波的角频率； 乩、厶一一第h 次谐波电压和电流的方均根值； 南一一谐波次数。必须为正整数； m 一一电压和电流截取的谐波最高次数，由波形的畸变程度和分析的准确 度要求所决定，通常取ms5 0 。 若将式( 1 - 6 ) 代入式( 1 - 5 ) 便可得到畸变波形电流方均根值的算式 一厅广 i = n + i j + i j + i j + + l j + = 范i ： ( 、- ) 4 华北电力大学硕士学位论文 由此可见，非正弦周期性电流的方均根值，等于其各次谐波电流方均根值的平 方和的平方根值。 所以，非正弦量的方均根值只与其所含各次谐波分量的方均根值的大小有关， 而与它们的相位无关。电压方均根值有相同的定义和形式 一厅r u = 移；+ u ；+ u ；+ u ；+ + 移；+ = 1 f ： ( 1 8 ) yh m 2 畸变波形的峰值 畸变波形分解成基波和各次谐波，因为它们都是正弦函数，所以它们的各自峰 值和方均根值之间存在2 的比例关系。但是非正弦波形的周期性函数f ( f ) ，它的峰 值和方均根值之间却不存在这样简单的比例关系。 3 谐波含有率 工程上常要求给出电压或电流畸变波形所含某次谐波的含有率，以便检测和采 取抑制措施。 电压畸变波形的第h 次谐波电压含有率等于其第h 次谐波电压方均根值巩与其 基波电压方均根值玑的百分比 rr h r u 。= 卫1 0 0 ( 1 9 ) ” “1 电流畸变波形的第h 次谐波电流含有率等于其第h 次谐波电流方均根值，。与其 基波电流方均根值j 的百分比 ， h m h = 竺1 0 0 ( 1 1 0 ) 。 1 实际工作中常以频谱( 幅频特性) 来表示谐波含有率。 4 总谐波畸变率 波形畸变的程度，常以其总谐波畸变率来表示，作为衡量电能质量的一个指标。 各次谐波含有率的平方和的平方根值称为总谐波畸变率t h d ( t o t a lh a r m o n i c d i s t o r t i o n ) ，简称畸变率d f ( d i s t o r t i o nf a c t o r ) 。 电压的总谐波畸变率 t h d v = ( 1 - 1 1 ) 式中u 为常用基波电压的有效值，但有的用额定电压u ，来代替u 。 许多国家规定低压供电电压的畸变率不得超过5 ，通常将符合这种标准的工 业供电的电压波形，近似认为是实际上的正弦波形。 电流的总谐波畸变率则为 华北电力大学硕士学位论文 t h d ，= 1 1 4 研究谐波的重要性 1 0 0 ( 1 1 2 ) 和许多其它形式的污染一样，谐波的产生影响整体( 电气) 环境，而且可能影响 到距其源点较远的距离之处。 电力系统谐波最明显的后果也许是因感应谐波噪音所引起的电话通信的劣化。 但是还有其它的较少出现、然而却常常有更为灾难性影响的情况，例如重要的控制 和保护装置引起系统的误动作以及电力设备的过载。波形的污染存在常常仅在代价 昂贵的事故( 例如无功补偿电容器的损坏) 之后才被发现。此外，在没有电气福利的 国家，上述损坏必须由用户来修复和更换，即便采用由用户安装保护设备的滤波器 这一措施，也只是对整体电气环境进行了少许改善。 近些年，工业方面由于采用了晶闸管整流而有了可观的发展，但也因此产生了 电流谐波。设计设备时通常是假设有一个没有谐波畸变的电压源，这种假设只是在 向该设备供电的系统具有很低的谐波阻抗时才能成立。因而较小的电力用户正在面 临其自身的控制设备和供电电流的相互作用而引起的日益增加的困难。 还有，在现代工矿企业和运输部门中，非线性负荷大量增加。首先是硅整流和 换流技术的发展，例如化工部门在电解中广泛采用硅整流；电气化铁道中采用单相 交流整流供电的机车；冶金和矿山部门大量用可控硅整流电源作拖动；高压大容量 直流输电中的换流站；家用电器( 如电视机，洗衣机) 中广泛采用硅整流等等。其次 是冶金、机械工业的发展使电弧炼钢炉容量不断扩大，单台容量由过去几吨发展到 3 0 0 4 0 0 吨，相应的电炉变压器容量也由几个兆伏安发展到几十甚至一、二百兆伏 安。此外，工业中广泛使用的电弧和接触焊设备，硅铁炉、高频炉等等均属非线性 负荷。电力变压器容量在不断发展，也成为电力系统的一个重要的非线性负荷。随 着工业的发展预计非线性负荷还将不断增加。非线性负荷从电网吸收非正弦电流， 引起电网电压畸变。不对称的波动谐波源( 例如电弧炉、电气化铁道) 还引起电压波 动、闪变和负序分量，使电能质量严重恶化，危及电力系统安全和经济运行，并影 响某些用户的正常生产。 综合来看，谐波污染对电力系统的危害主要概括为： 1 ) 在感应电机和同步电机中发生过度的损耗一发热，甚至引起感应电机和同步 电机的机械振动： 2 ) 增加变压器和电网的损耗。当发生谐振或放大现象时，损耗可达到相当大的 程度； 3 ) 对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因过负荷 6 华北电力大学硕士学位论文 或过电压而损坏，对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿： 4 ) 系统中谐波电压和电流谐振造成过电压和过电流或者引起电缆介质绝缘的破 坏； 5 ) 对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。尤其是一些衰 减时间较长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值和含量都很 大，更容易引起继电保护的误动作； 6 ) 干扰大电机的控制器和发电厂的励磁系统( 据报告曾引起过发电机故障和不 对称输出； 7 ) 干扰脉动控制和电力载波系统，引起遥控转换，负荷控制和仪表显示功能的 系统误动： 8 ) 位于零点电压交叉检波和闭锁触发电路的不稳定运行； 9 ) 电度表出现测量误差。一方面是增加电度表本身的误差，另一方面是谐波源 负荷从系统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率。这样受害的用户既从系统中吸 收基波功率，又从谐波源吸收无用的谐波功率，其后果是谐波源负荷用户少付电费， 而受害的用户多 , - t 电费； 1 0 ) 谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还将对相邻通讯线路产生 干扰影响。 总之，谐波对各种电力设备、通讯设备及线路都会产生有害的影响，严重时会 造成设备损坏和电力系统事故。尤其是近年来电子设备和电力电子设备迅速的增 长，而对它们的谐波影响问题还缺乏足够的研究，因此，对谐波问题的研究是非常 重要和紧迫的。 当然这些影响取决于谐波源的类型，谐波源在系统中的位置和促进谐波传播的 网络特征。 目前国际上公认，谐波的“污染”是电力系统的公害，必须采取措施加以限制。 供电部门为了避免谐波问题的副作用，对用户间公共耦合点上的电压谐波水平，一 般要给出谐波限制的允许标准。 但是确定谐波水平的限制不是件简单的事。现有的知识还不够充分和先进到足 以确定这样一个限制：即在这个限制内，任一给定的电力系统，都可以承受这个谐 波水平，在此水平下，系统具备对它所要求的各种功能。因为大部分现有的谐波知 识是从事件背景中产生出来的，迄今为止所制定的标准和限值都反映了过去的实际 经验，以防止类似问题今后再出现【引。 1 2 感应加热设备的工作特点和对电力系统的影响 1 2 1 感应加热设备的特点和应用 7 华北电力大学硕士学位论文 感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量对工件进行加热 的。由于感应加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热，易于实 现机械化和自动化等优点，已在熔炼，铸造，弯管，热锻，焊接和表面热处理等行 业得到广泛的应用。在国外，感应加热技术己日趋成熟。在铸造方面，正在迅速发 展双联熔炼工艺，即利用中频炉保温改性，进行球墨铁或合金钢的精密浇铸：在锻 造方面，利用感应加热实现快速透热热锻，其材料利用率可达8 5 ，锻件表面光洁 度可小于5 0 朋；焊接，淬火方面，国外一方面致力于开发大功率全固态高频电源， 一方面致力于开发高度自动化的热处理成套处理系统。我国铸件用量大，而铸造行 业仍以冲天炉熔炼为主，温度及成分波动大，废品率高。县前，我国较好的铸造业 废品率也在6 1 5 间，而一般铸造厂的废品率高达3 0 。随着我国电力供应的改 善，环保要求的提高，发展和扩大感应加热的规模，在大型企业推广双联熔炼工艺， 改造我国铸造行业是符合我国煤炭资源丰富特点的一条有效途径。这项改造工程不 但涉及到保温炉的设计制造，双联熔炼工艺的最佳化控制系统设计，还涉及到大功 率中频感应加热电源等。同样地，在锻造，焊接，淬火热处理方面全面推广国外先 进技术，改造我国传统产业是必然趋势p j 。 近年来在菜些高新技术的研究开发中也使用了感应加热。上述这些先进技术的 推广和发展均与感应加热电源技术的研究和发展密切相关。 1 2 2 感应加热设备对电力系统的影响 大型感应加热设备己成为电力系统中的一类重要负荷，一方面是由于其对供电 可靠性要求较高，另一方面，由于单台感应加热设备容量不断增大，感应加热电源 的不良影响也随之越来越明显。 感应加热设备的电流一电压特性具有明显的非线性，作为大容量的菲线性负荷， 感应加热电源向电力系统注入的谐波电流是不可忽视的。 感应加热电源多应用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁，冶金和金 属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载 是一有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。 由于感应加热用电源一般功率都很大，目前对它的功率因数，谐波污染指标还 没有具体要求。但随着减少电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数( 采 用大功率三相功率因数校正技术) 及低谐波污染电源必将成为今后发展趋势i l 玑“j 。 当今高新技术飞速发展，新材料、新工艺不断涌现，感应加热是一个重要的研 发和加工手段。因此，感应加热电源是某些高新技术研发中心不可缺少的装备。可 以肯定的说，随着科学技术的发展，感应加热电源在离薪技术领域会有更广泛的应 用。在这一领域，对感应加热电源的可靠性和可控性要求更高。如何设计制造大功 率超高频、高性能的、低谐波的感应加热电源，是电力电子科技工作者的重要课题。 华北电力大学硕士学位论文 1 3 感应加热设备的谐波研究现状 六十年代至今开展的谐波研究的内容主要涉及各种谐波源的特性，元件、负荷 和系统的谐波阻抗特性，谐波分析方法，谐波测量，谐波的危害，限制谐波的措施， 谐波标准等方面。 随着电力系统的迅速发展，人们对电网的电能质量也愈来愈高。大量感应加热 设备的应用，从技术和经济上都显示出了其优越性，但同时它也对电力工作者带来 了新的挑战。挑战之一就是谐波电压和电流的控制和预测。作为主要的谐波源之一， 我们必须对感应加热电源产生韵谐波进行分析并加以治理。以往人们分析谐波对， 通常是分析母线上的谐波，很少针对单台设备的谐波分析。本文从单台感应加热设 备的特性出发，对其不同工况条件运行时的谐波进行分析。 1 4 本文的主要工作 本论文的主要工作有： 1 ) 抑制谐波的技术措施 给出一些谐波抑制的措施，如无源滤波、有源滤波以及其他一些抑制谐波的技 术。 2 ) 感应加热设备的等效模型的研究 感应加热设备的等效模型，把逆变器、负载及滤波器全部看成整流器的负载， 这样我们可以把感应加热设备等效为三种情况：带阻性负载，带感性负载和带容性 负载。为接下来的谐波分析奠定基础。 3 ) 感应加热设备的谐波分析 采用傅立叶级数的分析方法对感应加热设备等效电气模型的谐波进行分解。重 点分析带阻感负载的整流电路和带滤波电容的整流电路等几种电路交流侧的谐波。 4 ) 系统仿真 对感应加热设备在不同负载的情况下，各个工况条件下运行时网侧电流的谐波 进行m a t l a b 仿真，并得出相应的谐波含量，对谐波分析的结果进行仿真验证。 5 ) 对单台l o o k w l o k h z 感应加热设备的谐波进行分析，并提出补偿方案及原 则，并进行仿真试验研究。 9 华北电力大学硕士学位论文 第二章谐波的限制措施 谐波源就是接入电网的非线性负载元件，从电网取得5 0 h z 基波电流，同时向 电网注入两倍于5 0 h z 及以上整倍数频率的电流( 包括反向谐波电流) 的电气设备，统 称谐波源。 在实际电网中，各种非线性负荷元件，如换流装置、电弧炉、感应加热炉等谐 波源的内阻抗z 抒，远大于系统阻抗z 。，即谐波阻抗z 。 z s 把这类非线性负荷元件 视为谐波恒流源。 对谐波恒流源，可用单调谐滤波器吸收其谐波电流，防止它流入电网。但是， 用单调谐滤波器，却不能消除谐波恒压源在电网中产生的恒定的谐波电压。 在电网实际运行的发电机和变压器等电力设备，如果参数选择和结构设计合 理，其输出的谐波分量是很少的。因此，在电力系统中存在并实际发生作用的谐波 源，主要是谐波电流源。由此可见，限制电力系统谐波的主要任务是，根据限制谐 波的标准或规定，限制谐波源注入电网的谐波电流，把电力系统的谐波电压控制在 允许的范围内 6 , s l 。 2 1 限制措施 限制谐波源注入电网的谐波电流，主要有两方面的措施：一是对谐波源采取措 施，减少产生的谐波含量；二是在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生的谐 波电流。现分述如下： 2 1 1 减少谐波源的谐波含量 对于正在设计中的各种换流装置，增加换流装置的相数或脉冲数，是减少换流 装置产生的谐波电流的十分有效的措施。 在正常情况下，换流装置产生的谐波电流的次数，由下式求得 n = m p 士1 ( 2 - 1 ) 式中m 从l 开始的任意正整数； p 一一换流装置的脉冲数。 在正常情况下，用傅立叶级数分析并考虑到重叠角的影响， 效值，由下式求得： l ，= k n l l 各次谐波电流的有 式中，一一基波电流有效值； k 。因重叠角影响的谐波系数一般k ! ，于是，。量 ，i 1 0 ( 2 - 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 由式( 2 1 ) 和式( 2 - 2 ) 可见，当换流装置的脉冲数愈多，则谐波电流的次数愈高，即不 产生较低次谐波( 例如p = 1 2 ，只产生1 1 次和1 3 次以上谐波电流) 。同时，由于谐波 电流与谐波次数成反比，所以次数愈高，谐波电流值也就愈小。可见，增加换流装 置脉冲数，即可消除较低次谐波，减少其产生的谐波电流。 增加换流装置脉冲数的有效方法是，利用y y 和y 两台连接法不同的变 压器相差3 0 0 的原理，将两台三相六脉冲全波换流器，分别接入上述两台不同接线 方式的变压器。这样，即将两组6 脉冲换流器，做成了1 2 脉冲换流器。由于1 2 脉 冲换流器不产生5 次和7 次谐波，所以也就不需要投资装5 次和7 次滤波器。 当然，如果采用2 4 脉冲换流器，产生的谐波电流就更少。现在有的国家正在 研制发生少量谐波电流的换流器，基本原理就是在不过份地增加换流变压器技术复 杂程度的情况下，把三相全波换流器变成3 6 脉冲换流器。 2 1 2 滤波器的装设 在谐波源处就近安装滤波器，是在谐波源设备已经确定的情况下防止谐波电流 注入电网的有效措施。靠近谐波源吸收谐波电流，是安装滤波器的基本原则。因为， 待谐波电流进入高压电网后再采取措施，无论在技术上还是经济上都是不合理的。 除目前广泛使用的滤波器外，有的国家正在研制利用时域补偿原理的有源滤波 器。这种滤波器的优点是能做到适时补偿，且不增加电网的容性元件，但造价较高， 现还处于工业性试验阶段。 2 1 3 选择合理的供电电压 由于高压电网的短路容量大，有承担较大谐波的能力。因此大容量的谐波设备， 可以由更高一级电压电网供电。另一方面，随着电器产品创造技术水平的提高，已 能制造出高电压大容量的滤波装置。因此，是选用大容量滤波器，或是用更高一级 电压供电，应在进行详细的技术经济论证后，再行确定。 2 2 抑止谐波的技术措施 研究有效的治理谐波措施，是确保谐波标准得以全面有效执行的技术基础。各 国都在致力于这方面研究，积极探索各种抑制谐波的技术和手段，其中包括：限制 谐波源谐波电流的注入量；提高各种设备的抗谐波能力；新型滤波装置的研制等。 2 2 1 交流无源滤波装置【1 2 1 交流无源滤波装置由电力电容、电抗和电阻等无源元件通过适当组合而成，即 所谓r c 滤波器。迄今为止这种无源滤波器仍是使用最普遍，在技术和经济上都较 华北电力大学硕士学位论文 合理的抑制谐波的方式。 无源滤波装置常用的接线方式示于图2 一l 。 图2 - i 中，单调谐滤波器和二阶高通滤波器( 图2 1 ( a ) ，( d ) ) 应用最广泛，其 典型配置是由若干组单调谐滤波器加上一组二阶高通滤波器，组成一套滤波装置。 a d 对6 脉动整流装置进行滤波时，其典型配置为5 ，7 ，1 1 次单调谐滤波器加上1 3 次以上的高通滤波器( 有的还加3 次单调谐滤波器) 。这两种滤波器的接线较简单、 灵活，调谐容易，参数的设计也较简便，因此在用户滤波工程中得到广泛应用。 双调谐以及双调谐带高通的滤波器( 图2 一l ( b ) ，( c ) ) 有两个谐振频率，与两个 单调滤波器相比，其基波损耗小，并且只有一个电抗器承受全部冲击电压，占地和 投资都较节省。图2 - 1 ( c ) 的双调谐滤波器增加了一个阻尼电阻，可以防止滤波器 参数变化时导致谐波放大，并兼有高通滤波器的特性。 三阶高通滤波器( 图2 一l ( e ) ) 与二阶滤波器比较，其优点是基波损耗显著减小。 c 型阻尼高通滤波器( 图2 - 1 ( f ) ) 性能优越，损耗小，截止频率可以做到很低。 ( a )( b )( c )( d ) ( e )( f ) ( a ) 单调谐滤波器：( b ) 双调谐滤波器； ( c ) 双调谐带高通滤波器；( d ) 二阶高通滤波器； ( e ) 三阶高通滤波器：( f ) c 型阻尼高通滤波器 图2 - 1 滤波器常用的接线方式 2 2 2 静止无功补偿 有的谐波源负荷除产生谐波电流外，还使供电系统的母线电压波动，并带来闪 变，如大型轧机、电弧炉等负荷，使得电能质量的几个指标都出现问题a 为了统一 解决这些问题，提出了静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，缩写为s v c ) 的 解决方案，在冶金部门也常称为动态无功补偿器，这是相对固定的并联补偿器而言。 s v c 有各种接线方式，参见图2 - 2 。图( a ) 为晶闸管相控电抗器( t h y r i s t o rp h a s e c o n t r o l l e dr e a c t o r ，缩写为t c r ) ；图( b ) 为晶闸管投切电容器( t h y r i s t o r s w i t c h e d 工t之睾inv上 华北电力大学硕士学位论文 c a p c i t o r ，缩写为t s c ) ；图( c ) 为晶闸管相控高阻抗变压器( t h y r s t o rp h a s e c o n t r o l l e dt r a n s f o r m e r ，缩写t c t ) 。 就s v c 本身的功能而言，只起快速调节无功功率的作用，并不能滤除谐波，有 些s v c 自身还产生低次谐波。因此s v c 通常要与无源滤波器( f c ) 一起使用。在电力 系统，为了能吸收和供出无功功率，常采用t c r t s c a f c 的使用方式，其中用t s c 适合于容性无功功率调节。饱和电抗器s r 则利用电抗器铁芯的饱和磁化特性调节 感性无功功率的大小，其自身也产生谐波电流，故在s r 的铁芯结构和接线方式上 应采取措施以消除谐波。晶闸管相控变压器t c t 是t c r 的变形，晶闸管用于控制变 压器二次侧的电流，而变压器的漏抗高达7 0 以下，一次侧可按到高压母线供电。 s v c 的主要功能是调节无功与抑制电压波动和闪变。 ( a ) t c r( b ) t s c( c ) t c t 图2 2 静止无功补偿器的形式 2 2 3 有源电力滤波器 无源滤波器虽然应用十分广泛，但也存在一些问题，如当系统结构或参数发生 变化或滤波器本身参数变化时，滤波器可能产生谐波放大，且对电压波动、负序等 不能综合治理。随着大功率电力电子器件技术的发展和突破，逐步出现采用脉冲调 制( p w m ) 技术等构成的有源电力滤波器( a p f ) 。图2 - 3 给出了并联( 电压) 型a p f 的原 理示意图，如果将图中的电容c 换成电感元件，则为串联( 电流) 型a p f 。a p f 提供 基波无功电流及全部谐波电流；面供电系统只提供基波有功电流。因此它抑制了谐 波电流注入系统，同时提高了功率因数。 华北电力大学硕士学位论文 n 审卜占l i 2l 皿c 囝囱 图2 - 3 并联有源滤波器的原理图 a p f 主电路中的逆变桥由功率开关器件构成( 接线与整流桥相同) 。功率开关器 件可采用可关断晶闸管( g t o ) 、或电力晶体管( g t r ) 以及绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 等 器件。逆变器一般采用脉宽调制( p w m ) 技术，即由检测到的i ，作为调制信号，由一固 定频率的高频三角波作为载波信号。调制信号和载波信号经过比较后得到一脉冲宽 度随f ，规律变化的矩形脉冲，由该脉冲控制全控器件的门极，在逆变桥的得到脉宽 随i ，变化的矩形脉冲电流，经过滤波滤除载波信号，得到一放大了的i ，信号，经过 变压器注入到负荷，可见，逆变桥相当于功率放大器。 为改善a p f 的性能，提出了矢量控制策略，使a p f 可以起到抑制谐波和闪变并 平衡三相电压或电流的作用。从无功补偿和抑制闪变的性能看，a p f 与s v c 是等同 的，但s v c 与f c 一起使用才有滤除谐波的作用，而a p f 本身就可以抑制谐波和负 序，这是a p f 与s v c 的不同之处。a p f 的研究在西方国家起步较早，其装置基本达 到实用水平，我国仍处于工业试验阶段。 2 2 4 混合型滤波器【1 3 j 有源滤波器的响应快，补偿效果好，且不受电网谐波阻抗的影响，不足之处是 价格昂贵。图2 3 中的若将a p f 的优良性能与f c 的低成本结合。即可构成混合型 滤波器。将a p f 的输出变压器改成无滤波器f c ，则得到混合型滤波器，如图2 4 所 示。 图2 4 混合型有源滤波器的原理图 1 4 华北电力大学硕士学位论文 其中有源滤波器部分的原理同上，p c c 的基波电压全部降落在f c 上，而a p f 逆 变器上的基波电压近似为零。即通过采取适当的控制策略可使负荷的谐波电流由 a p f 提供，负荷的基波无功功率则由f c 提供。图2 4 中的f c 为c 型滤波器。 按滤波器输出同等的无功功率比较，混合型滤波器开关逆变器的容量只有上述 a p e 容量的2 7 左右，逆变器容量明显减小，则成本可以大幅度降低。因此混合滤 波器是一种很有前途的滤波及补偿方式。a b b 公司将这种滤波器应用于高压h v d c 换 流阀直流侧的滤波，取得较好效果。 2 2 5 抑制谐波的其他技术措施 1 加强系统承受谐波的能力 1 ) 增大系统容量，可以增强系统承受谐波的能力并降低系统的谐波电压水平， 但这有待于电力系统的发展。 2 ) 将谐波源负荷改由容量较大的母线供电，或改由高一级电压的电网供电。很 多用户的整流装置经由数千米馈线( 6 k v 或l o k v ) 供电，装置供电母线的短路容量较 小，由此产生的谐波干扰很大，常使用户附近的用电设备无法正常上作。如果在设 计时对谐波源负荷由容量较大的母线或高一级电压的电网供电，则可避免这些问 题。 2 提高供用电设备抗谐波干扰的能力 按电磁兼容的有关标难，系统中的各种供、用电设备的抗谐波干扰的能力应高 于系统的谐波兼容值。在设备的设计生产中应制定相应的标准加以规定。 3 合理选择变压器额定运行磁密 电力变压器在系统中量大、分布广，变压器的励磁电流中的谐波不可忽视。制 造厂家为了减小体积、降低成本，其额定运行磁密一般取得较高，在额定电压下已 接近饱和。当系统运行电压提高5 左右，励磁电流会增加4 0 以上，有的甚至达到 1 0 倍左右，造成谐波电流急剧上升，这是高压系统谐波电压水平偏高的重要原因 之一，因此降低变压器的额定运行磁密是降低系统电压谐波水平的措施之一。降低 变压器额定运行磁密会增加制造成本，但从变压器运行角度看，可以减少空载损耗 和由谐波引起的附加损耗，降低运行费用。因此可以将两者进行技术经济比较，以 得出一个合理的变压器额定运行磁密。 4 系统运行电压控制在合理的水平 系统运行电压高于额定电压会给系统带来诸多不利的影响。从目前看，系统谐 波电压一般在深夜至清晨这段时间内较高，从而使变压器铁芯饱和，励磁电流谐波 增加，而此时全网负荷较轻，系统谐波阻抗增加，使得系统谐波电压水平提高。从 降低系统谐波电压水平看，将系统运行电压控制在合理水平是有效措施之一。 5 并联补偿电容器组改造避免并补电容器谐波电流放大 华北电力大学硕士学位论文 并联无功补偿电容器对谐波电流的放大是电力系统中带有普遍性的问题，一旦 电容器对某次谐波电流产生放大作用，不仅使电容器产生过流、过压，也危及系统 安全。 根据设备情况应将并联补偿电容器的串联电抗器进行适当调整。当附近存在较 大谐波源时，应将其改成单调谐滤波器并供出一定无功功率。 6 制定谐波源设备谐波电流限值标准 变压器的空载电流谐波含量目前尚无标推。虽然在按国标g b l 0 4 1 中要求测量 变压器的空载电流谐波含量，但它属于特殊试验项目，不作强制性要求，对于测量 方法和仪器没有作具体的规定，测量结果也不作为产品是否合格的依据。因此即使 是同一种型号的变压器，空载电流中的谐波含量差别很大，特别是在测量方法、测 量设备及仪器上存在的问题更多，致使很多测量结果可信度很低，因此有必要在相 应的国家标准中对其空载电流中的谐波含量限值加以规定；对其测量方法、测量电 源、测量仪器、不同连接组别变压器的测量方式等作统一的要求和规定，并在产品 的出厂试验报告中提供空载电流的谐波测量结果。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 第三章感应加热设备的等效模型 随着电力电子学及功率半导体器件的发展，感应加热电源拓扑结构经过不断的 完善，己形成一种固定的a c d c a c 变换形式，基本结构如图3 一l 所示。一般由整 流器、滤波器、逆变器及一些控制和保护电路组成【9 1 。 3 1 整流器 图3 一l 感应加热设备的基本结构 如图3 2 ，整流器部分主要由三相桥式整流构成。 图3 - 2三相整流器电路图 三相桥式全控整流电路，通过控制整流器触发延迟角掰，实现对整流器的电压 和功率控制l m l7 1 。 整流器的作用是把交流电能转换成直流电能。在感应加热装置中，整流器的负 载是逆变器，对整流器的基本要求如下： ( 1 ) 提供负载所需要的直流功率，为了满足感应加热的工艺要求连续可调。 ( 2 ) 电流型逆变器要求整流器输出电流连续、电流脉动系数小，应采用电抗器滤 波；而电压型宽逆变器则要求整流器的输出电压干稳、电压脉动小，这应采用电容 器滤波。 ( 3 ) 在出现负载短路或逆变颠覆时，必须采取保护措施。电流型逆变器要求整流 器能把储存在电路元件中的能量迅速反馈回电网。电压型逆变器则要求整流器立即 1 7 华北电力大学硕士学位论文 停止工作。 ( 4 ) 要求整流电路在加热负载变化时，能自动限制输出电压和电流值，以及具有 系统过电流和过电压保炉功能。 ( 5 ) 尽量使供电电网的负载平衡对称，谐波干扰小。 3 2 滤波器 由于整流器，特别是可控整流器输出波形一般都是脉动很大的电压( 尤其是电 阻性负载时) 。为此，需要采用平滑滤波器，将脉动电压成分减少，使输出直流电 压变得平坦一些【9 】。 平滑滤波器是一种只允许直流电流( 或电压) 通过，而阻挡交流电流( 或电压) 通 过的电路。当然，要使通过于滑滤波器以后的电压只有直流成分而丝毫不包含交流 成分是办不到的，只能使交流成分减到适合于要求的程度。 整流电路的输出波形与整流电路的形式和负载性质有着密切约关系，不过可以 把任何整流电路的输出波形展开成级数。也就是说，可以把整流电路的输出波形看 成是很多次谐波电压之和，其中以基波的振幅最大，以后随谐波次数的增高，振幅 逐渐减小。为了表征输出直流电流( 电压) 中合有交流成分的大小，规定在整流输出 电流( 电压) 中交流分量的峰值与直流分量之比为脉动系数，一般用字母s 表示。由 于高次谐波的幅值比基波幅值低得多、而滤波器对高次谐波所起的衰减作用也更显 著，为便于计算，往往忽略高次谐波的影响，而只考虑基波的幅值来计算脉动系数。 脉动系数的表达式： s ：丝。垒。3 - 。，s ：互。监( 1 ) e de a 式中舡一一整流电压的最大值与最小值之差； 玩一一整流电压的平均值； 置。整流电压交流分量中的基波幅值。 有时也引用纹波因数日来表示负载上电压或电流的脉动程度： 负载上交流分量的总有效值 ie 9 2 面积嘻一。i 2 百 ( 3 2 ) 为了表征平滑滤波器的滤波能力，引入了平滑滤波器输入端的脉动系数对输出 端的脉动系数的比值珐。这一数值说明了经过滤波器后电压脉动减低的程度，一般 称它为平滑系数或滤波系数，即 酝= 导 ( 3 - 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中s 整流输出电压的脉动系数( 未滤波) ； 经过滤波后的直流电压的脉动系数。 平滑滤波器的电路是多种多样的，但可归纳成电感输入式和电容输入式两大 类。其中最典型的线路是图3 3 所示的三种，其他形式的线路均可以由此三种线路 串联组成。 ( a ) 电感滤波器( b ) 电容滤波器( c ) f 型滤波器 图3 - 3 典型的平滑滤波器 3 2 1 电感滤波器 电感滤波器又叫型滤波器，如图3 3 ( a ) 所示。由于负载电阻和电感是串 联的，这使得整流后的交流脉动成分大部分都降在电感上上( 因其交流阻抗c o l 很 大) ，而直流成分在工上的压降则很小( 因其直流电阻很小) ，从而大大减小了输出电 压中的脉动成分。从能量的观点来看，三是个储能元件，当整流器的输出电压为零 或负时，储藏在电感中的磁场能将转变成电场能，有继续维持负载电流不变的趋势， 从而使输出电压更平滑。e 。是整流器输出电压，f 和e 。分别是负载电阻r 上的电流 和电压的。 为了分析脉动电压钆中所含的直流成分与交流成分，可将整流器的输出电压展 成级数： = r d 1 + a ls i n 0 刎+ 仍) + 口2s i n ( 2 m c o t + 1 ) + 】 ( 3 4 ) 式中e 一整流器输出电压的平均值o m 一整流器输出电压包络线在一周期内的重复次数，单相半波时，m = 1 单 相全波时。玳= 2 ；三相半波时，辨= 3 ；三相全波时，拼= 6 等等； 国一整流电源的角频率，m = 2 万。 公式中右边第一项是整流器输出电压的直流成分，也是零次谐波。第二项、第 三项、都是交流成分，在交流成分小，第二项的量值最大，是交流中的基波成 分，其幅值为a e a 。 e 。只取决于整流电路，其波形与电感滤波无关。因此，当没有串时，在电阻r 上的交流电压基波成分就是式( 3 - 4 ) 中的第二项a l e 。s i n 耐+ 纪) ，其振幅是 e 。= q e 。；在串入工后，整流电压中的直流成分玩不会在三中引起压降( 因工本身 的直流电阻极小，可忽略) 。几乎全部都加在电阻r 上，而整流电压中的交流成分则 1 9 华北电力大学硕士学位论文 必然在l 上产生压降，从而使r 上的交流成分显著降低。对于基波成分来说，在电 路中引起的基波电流为： f i = 盟掣= ! ! 皇41 1 呈鱼竺! 竺! ! 。 r j m l ! ! 生理亟尘型( 3 - 5 ) m ( g l 式中耐计入阻抗z 时的幅角 显然，在忽略电阻r 的情况下，纠= 伊一9 0 。在实际电路中m e a l r 是无疑的， 否则电感太小，起不到滤波作用，所以忽略r 是合理的。 电阻r 上的基波压降为： e 。：f l r - 二二q e ds i n 如m r + 妒：) ( 3 6 ) 同理，可找到电阻r 上的其他各次谐波的压降： = e d sin(2mo)t+q,；a2ed) ( 3 7 ) 8 22 互蕊j 。一 g r 3 = 岛玩s i n ( 3 m a ) t + 妒- ( 3 8 ) 8 r 32 j 忑岛+ 刑一 。3 一子 因此，e 尺= 五d + p 尉+ p 再2 + = e a 【1 + 届s i n 研+ 妒i ) + 岛s i n ( 2 m c o t + 口o ；) + 】 ( 3 9 ) 式中属= 忑rq ；岛= 盎即 整流电压e 。中的各高次谐波幅值较基波幅值小得多，经滤波后就更小( 因为l 对 高次谐波的阻抗更大) 了。因此，在计算脉动系数时，可只考虑基波成分，其他高 次谐波可忽略。这样，未加滤波电感三时，脉动系数为： s ：! 益= a (3一i 1 0 ) 乜 加上滤波电感上后，脉动系数为： 趾华：届r 了口1 ( 3 1 1 ) em 越1 电感滤波器的平滑系数为： 酝= 导= 去= 警 净蚴 对于三相桥式整流器，在其输出端直流电流i d 中，包含有6 次谐波的脉动电流 l “1 ，直流滤波电感的电抗值为 乙( 6 ) = 6 c o l d ( 3 1 3 ) 式中：口，一一电网的角频率 2 0