1、电气设备的干扰及其抑制1 引言 随着电力电子技术的发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，特别是静止变流器，从低压小容量家用电器到高压大容量用的工业交、直流变换装置，应用广泛。由于静止变换器是以开关方式工作的，会引起电网电流、电压波形发生畸变，使高次谐波显著增加。尽管供电系统中电弧炉、电焊机、变压器、旋转电机、荧光灯等其它非线性负载都会在电网中产生不同频率和幅值的高次谐波，但静止变流器产生的高次谐波最为严重，成为电网中的“公害”。 2 高次谐波产生的主要原因 2.1 整流器 作为直流电源装置，整流器广泛应用于各种场合。其典型电路如图 1 所示。在整流装置中，交流电源的电流为矩形波，该矩形波为工
2、频基波电流波形和奇数倍频率的高次谐波电流波形的合成波形。图 2 给出了 6脉冲 3 相桥式整流器在不同时的高次谐波含有率。 2.2 交流调压器 交流调压器多用于调光装置、电阻炉和感应电动机等工业设备的电力调整。其典型电路如图 3 所示。交流电力调压器产生的谐波次数与整流器基本相同。 2.3 频率变换器 频率变换器是 AC-AC 变换器的代表设备。当用作电动机的调速装置时，它含有随输出频率变化的边频带，由于频率连续变化，出现的谐波含量比较复杂。 2.4 通用变频器 通用变频器的输入电路通常由二极管全桥整流电路和直流侧电容器所组成，如图 4(a)所示，这种电路的输入电流波形随阻抗的不同相差很大。在
3、电源阻抗比较小的情况下，其波形为窄而高的瘦长型波形，如图4(b)所示;反之，当电源阻抗比较大时，其波形为矮而宽的扁平型波形，如图 4(b)虚线所示。 2.5 高频开关电源 除了上述典型变流装置会产生大量的谐波以外，近年来彩电、个人电脑、电池充电器等装置的迅速普及，使得电容滤波的整流电路迅猛增加。对其交流侧谐波的分析已经开始成为谐波源分析领域关注的焦点之一。3 高次谐波的危害 3.1 对电力电容器的影响 由于电容器的容抗与频率成反比，因此在高次谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的波形畸变更比谐波电压的波形畸变大得多，即便电压中谐波所占的比例不大，也会产生显著的谐
4、波电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流，使电容器成倍地过负荷，导致电容器因过流而损坏。 3.2 对旋转电机的影响 谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系，定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。 另外，谐波电流还会增大电机的噪音和产生脉动转矩。转子第 k 次谐波电流与基波旋转磁场产生的脉动转矩可由下式表示: (2) 式中: Er 为转子基波电势 (折算到定子侧); f1 为定子基波频率; p 为电机的极对数; 时，Irk 与 Er 的相位差。 3.3 对输电系统的影响 谐波电流一方面在输
5、电线路上产生谐波电压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电损耗。据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约 60。 3.4 对变压器的影响 变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应。在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。其附加损耗可用下式表示: (3) 式中， IkT 为通过变压器的 k 次谐波电流; rs 为变压器的短路电阻; kkT 为考虑集肤效应和邻近效应影响的系数。 另外，3 的倍数次零序电流会在接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使绕组电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器的磁路
6、饱和。从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。 3.5 对继电保护、自动装置的影响 谐波能够改变保护继电器的动作特性，这与继电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。高次谐波会使保护装置失灵和动作不稳定。 3.6 对电力测量的影响 测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如果供电的波误差与频率的关系曲线。由图 5 可知，电度表对设计参数以外的频率的响应不灵敏，频率越高，误差越大，而且为负误差，当频率约为 1000Hz 时，电度表将会停止转动。 3.7 对通信的干扰 供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧变化，该换相电流会在正常供电电压中注入
7、一个脉冲电压，该脉冲电压所包含的谐波频率较高，甚至达到 1MHz，因而会引起电磁干扰。它对通信线路、通信设备会产生很大的影响。 4 抑制高次谐波的方法 为了保证供电质量，防止谐波的各种危害，必须采取措施来抑制供电系统中的高次谐波。目前国内外主要从高次谐波发生源、配电系统以及谐波抑制装置三方面来抑制高次谐波。本文主要从设置谐波抑制装置方面来抑制高次谐波的方法。 静止变流器本身可以表示为产生谐波电流的恒流源，可以用图 7 来表示高次谐波电流的等效电路。从图 7可看出流向电源系统的高次谐波电流和母线上的高次谐波电压可用式(4)表示: (4) 从式(4)可知，与电源阻抗相比，相对减小补偿装置的阻抗就可
8、以减小流向电源的高次谐波电流和减小母线上的高次谐波电压(畸变电压)。高次谐波的干扰取决于流向电源的高次谐波电流或畸变电压的大小，因此抑制高次谐波从根本上就是要降低流向电源的高次谐波电流。抑制高次谐波的方法主要有两种，一是减小的方法，即无源滤波方法，它是利用 L-C 无源滤波器谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗元件，从而减小流向电网的高次谐波电流;二是让补偿装置提供反相的高次谐波电流，以抵消静止变流器所产生的高次谐波电流，即有源滤波方法。 4.1 LC 无源滤波器 (1) LC 无源滤波器的结构和特性 高品质因数 Q 和低品质因数 Q 滤波器电路及其阻抗随频率变化的典型例子如图 8 和图 9
9、所示。滤波器的品质因数 Q 确定了调谐的锐度。高 Q 型滤波器的典型值在 30-60 之间，它一般用于消除特定次数的谐波。低 Q 型滤波器的典型值在 0.5-5 之间，它在很宽的频率范围内呈现为低阻抗，可以抑制多个频率的谐波。 (2) LC 无源滤波器的不足之处 目前实际装置中大都采用 LC 无源滤波器，它在吸收高次谐波的同时还具有改善负载功率因数的功能。但这种滤波器还存在一些不足之处。 由于调谐偏移和残余电阻的存在。调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果，并且还存在滤波器过负荷的可能性。 随着电源侧谐波发生源的增加，可能会引起滤波器的过负荷。 根据高次谐
10、波次数的多少，需设置多个 LC 滤波电路，并且当滤波器投入运行之后，如果高次谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。 同一系统内，在装有很多滤波器的情况下，欲取得高次谐波流入的平衡是很困难的。 LC 滤波器电路会因系统阻抗参数变化而发生与系统并联谐振问题，从而使装置无法运行。 消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。 4.2 有源电力滤波器 (1) 有源电力滤波器的工作原理和基本结构 有源电力滤波器的基本工作原理是由 HSasaki 和 HMachida 于 1971 年首先提出的，如图 10 所示。有源电力滤波器向电网注入一个与负载谐波电流幅值相等、相位相反的电流，从而抵消了电网中的谐
11、波电流。 1976 年，LGyugyi 和 ECStyaula 提出了用 PWM 逆变器构成的有源电力滤波器，如图 11 所示。这些采用PWM 逆变器构成的有源电力滤波电路现已成为有源电力滤波器的基本结构。电压型逆变器按照要求控制输出电压，向电网提供准确的电流，如图 11(a)所示。电流型逆变器将直流电流 (DC)调制成脉冲列(AC)，该脉冲列通过交流输出侧的滤波器解调成准确的电流，如图 11(b)所示。电流型逆变器的直流电流必须与最大补偿电流相匹配，如图 11(b)所示;电流型逆变器的缺点是损耗大，需要解调滤波器;因此通常不采用电流型逆变器，而采用电压型逆变器。 (2) 有源电力滤波器的优点
12、 作为高次谐波电流源，不受系统阻抗的影响; 没有共振现象，系统结构的变化不会影响补偿效果; 原理上比 LC 滤波器更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的补偿; 即使高次谐波的频率发生变化，也能准确地补偿; 由于装置本身能完成输出限制，因此即使高次谐波量增大也不会过载; 其规格的确定与电源系统的条件基本无关，这对于高次谐波补偿来说是一个很大的优点; 4.3 单位功率因数变流器 开发新型交流器，使其不产生谐波且功率因数为 1。这种变流器被称为单位功率因数变流器(Unity Power Factor Converter)。高功率因数变流器可近似看成单位功率因数变流器，也有人称之为采用 PFC(Pow
13、er Factor Correction，功率因数校正)技术的变流器。 图 12 示出了各种容量下高功率因数变流器主要采用的技术。大容量变流器提高功率因数和减少谐波的主要方法是采用多重化技术。其中，如果要求总功率因数为 1，甚至提供超前的无功功率，则一般需使用自换相变流器。多重化技术如果能再配合多电平技术和 PWM 控制技术，可获得更为理想的效果。 中等容量(十千伏安到几百千伏安) 的单位功率因数变流器主要采用 PWM 整流技术，一般需要使用自关断器件。对电流型整流器，可直接对各个电力半导体器件的通断进行 PMM 调制，使得输入电流为接近正弦且与电源电压同相的 PWM 波形，从而得到接近于 1
14、 的功率因数。对电压型整流器，需要将整流器通过电抗器与电源相连，有两类控制方法，一类就是直接对整流器进行 PWM 调制，使其输入端电压为接近正弦的 PWM 波形，并保持一定的相位，可使通过电抗器输入的电流为与电源电压同相的正弦波;另一类是检测输入电流，通过电流反馈信号对整流器进行跟踪型 PWM 调制，达到控制输入电流波形和相位的目的。PWM 整流器与 PWM 逆变器用直流储能元件联结起来，可构成理想的四象限交流调速用变流器，有人称之为双 PWM 变流器。这种变流器不但输出电压电流均为正弦波，输入电流也为正弦波，且功率因数为1，必要时还可为其他负载提供无功功率补偿，而且能量转换效率高，可实现能量
15、的双向传送(即可实现再生制动)。国外某些公司已有采用这种技术的实用化产品推出。小容量的整流器为实现单位功率因数，除也可采用 PWM 整流技术外，还可采用二极管整流加 PWM 斩波的方式。这一方式在各种开关电源中有非常广泛的应用前景，必将对谐波污染的治理做出巨大的贡献。这种整流器中能量只能单方向流动，即从交流侧流向直流侧，因而如果负载是驱动电机的逆变器，则无法实现再生制动。目前，在单相电路中性能较为理想，已能做到满负载情况下输入电压在 85-265V 之间时电流的总谐波畸变率小于 5，已有商业化的专用控制芯片面市，并且与主电路封装在一起成为小功率开关电源的带功率因数校正的输入模块。对三相电路来说，目前其输入电流的波形却不如单相电路那样理想，还有待进一步研究。 还有其他形式的变流器也可实现接近于 1 的功率因数，如矩阵式变频器、谐振交流中间环节的变频器等等，特别是矩阵式变频器，它是在传统的周波变流器基础上发展而来的交-交直接变频器，却可以输出比输入频率还高的交流电压，并且能实现能量的双向流动。
