1、石家庄铁道大学毕业设计负载识别器的设计The Design of Load Identifier 2011 届 电气工程 系专 业 电气工程及其自动化学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 2011 年 5月 25日毕业设计成绩单学生姓名学号班级专业电气工程及其自动化毕业设计题目负载识别器的设计指导教师姓名指导教师职称讲师评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长（主任）签字： 年 月 日毕业设计任务书题目负载识别器设计学生姓名学号班级专业电气工程及其自动化承担指导任务单位电气工程系导师姓名导师职称讲师一、主要内容分析电力负荷中，负载的种类；通过采集来的数据，进行分析。能识别
2、出功率较大的纯电阻性负载，并自动断电。二、基本要求负载识别的算法，并根据要求，完成软硬件电路。三、主要技术指标（或研究方法）电网电压：180220V，瞬时功率：300W；查阅相关资料，进行理论研究四、应收集的资料及参考文献高锋单片微型计算机与接口技术北京：科学出版社，2007刘卫国C语言程序设计北京：中国铁道出版社，2008阳宪慧现场总线技术及其应用北京：清华大学出版社，1999五、进度计划1-2周 课题调研、收集、学习参考资料，查阅外文资料，做开题报告3-5周 制定毕业设计方案6-9周 设计硬件电路，确定各元件参数10-11周 设计软件部分12-13周 设计整体系统14-15周 整理并撰写毕
3、业设计论文，提交论文给指导老师16周 答辩教研室主任签字时间2010 年12 月 16 日 毕业设计开题报告题目负载识别器的设计学生姓名学号班级专业电气工程及其自动化一、本课题的研究背景及意义近年来，随着高校规模的不断扩大，学生人数急剧上升，许多高校都实行后勤管理社会化。与此同时，关于高校学生公寓火灾事故的报道也日益增多。据相关数据表明，这类火灾大部分是由于学生违章使用热得快、电炉子等大功率阻性负载造成的。为杜绝此类事故的发生,在确保学生正常用电的前提下，限制大功率阻性负载的使用，保障学生用电的安全性是亟待解决的问题。针对这种情况而研制开发的智能负载识别器，可自动识别宿舍用电电器。计算机、电视
4、机等电器可不加限制地正常使用，而电炉子、热得快等违章电器则无法使用，从而消除了因使用违章电器带来的安全隐患。二、国内外发展状况目前市场上的负载识别器有3种：(1)功率识别控制器: 此类识别器以功率为识别参数，超过系统设定的功率阈值时，系统自动跳闸。随着电器类型的增多，大功率安全负载的产生，这种产品因无法满足现代需求而被市场淘汰。(2)模拟技术的恶性负载识别器：该产品的优点是成本较低，效果明显，对一般的大功率阻性电热负载基本都能识别，基本解决了学生宿舍的安全用电问题；缺点是只能识别大功率的阻性电热负载(一般产品只能识别300W以上的阻性负载)，而且随着用电系统中改变相位设备(如计算机，日光灯)的
5、增多，产品动作值的偏差就会变大。(3)数字技术的恶意负载识别器：采用单片机技术，通过判断负载的变化，负载的特性对恶性负载进行控制，不仅可以有效的控制恶性负载的使用，而且成功解决了模拟产品因用电系统中感性设备的增多导致相位偏移的问题。三、本课题的研究方案 (1)负载的种类及特性非线性整流性负载：这类负载在供电电压为标准正弦波的情况下，电流畸变成非正弦波呈脉冲状，包含了大量的谐波分量，如计算机、电视机、充电器、采用电子整流器的荧光灯等。 感性负载：电流和电压波形相同相位不同，电流滞后电压一定角度，cos小于零而大于-1，如日光灯。纯电阻性负载：电流和电压同相位，即cos=1，如热得快、电热杯、电饭
6、煲、吹风机等。(2)识别的原理阻性负载尤其是恶性负载接入电路时，电路中的功率值发生台阶性变化，电路中的谐波值变化很小，功率因数接近于1。计算机类负载接入时，电路中的3次谐波值变化很大。(3)研究方法电路的稳态发生变化时，首先判断电路的功率和电流值是否超过设定的阈值，超过的话系统跳闸，没有超过，系统继续进行判断。如果电路中的3次谐波电流增加，证明有计算机类负载接入，系统不做任何动作；如果电路中的功率发生台阶性变化，功率因数增加，数值接近于1，并且谐波分量变化很小，证明有阻性负载接入，系统做进一步判断，如果功率值在瞬间达到平稳值，证明是电磁类加热负载接入，系统不做任何判断，如果功率以及电流经过若干
7、周期后达到平稳值，证明有电阻丝加热类负载接入，系统跳闸；几秒后，没有恶性负载的前提下，系统重新供电。四、预期效果能自动识别房间内的用电情况，控制热得快、电炉子、电暖器等大功率恶性负载的使用，在插上恶性负载后能在几秒内断电，拔除恶性负载后能立即自动恢复供电。对电脑、日光灯、充电器等日常用电不加限制，从而大大地降低了火灾的发生概率，起到了安全节能的作用。指导教师签字时 间 年 月 日摘要为避免学生因使用大功率违章电器导致宿舍用电线路过载过热而引发火灾等严重隐患，设计了一种负载识别器。对学生公寓用电主回路上的负载进行智能识别，采用单片机进行处理和控制，准确地判断电路中接入负载的功率、电压、电流、谐波
8、等特性，从而识别出大功率阻性负载电器并限制其使用，在节约用电、减少安全隐患的同时又不影响常规电器的正常使用。首先对电压电流采样，经过信号调理后送入单片机对其进行处理，用C语言程序实现恶性负载的识别并断电，拔除恶性负载后，系统重新供电，并用CAN通信实现了上位机与下位机之间的数据传输。本设计主要分为硬件、软件和通信三大部分，本文详细介绍了负载的种类及特性，负载的识别原理及研究方法，经实验验证，初步达到了恶性负载识别的目的，从而消除了因使用违章电器带来的安全隐患，对学生安全用电具有重大意义。关键词：功率识别谐波分离恶性负载AbstractTo avoid the students using hi
9、gh-powered violate for electrical leads to dormitory electricity line overload overheat and create a risk of fire hidden such serious，designed a kind of load identifierRecognizing the load in the apartment of students on the electricity main circuit，Adopts single-chip microcomputer process and contr
10、ol，Accurately determine access to the load circuit power，voltage，current，harmonics and other characteristics，To identify high-power electrical resistance load and limit its use，In the conservation of electricity，reduce security risks at the same time without affecting the normal use of conventional
11、appliancesFirst，the sampling voltage and current，After conditioning the signal into the microcontroller through its processing，using C language program to identify and implement the load off a vicious，vicious removal of the load，the system resupplyUsing the CAN communication to realize data transmis
12、sion between the PC and the lower level computerThe design consists of hardware，software and communications of three parts，the paper describes the types and characteristics of the load，the load identification theory and research methods，validated by experiment，preliminary achieved the purpose of mal
13、ignant load identificationEliminated the safety hidden danger of students because of the use of illegal appliances，it is of great significance in a safe manner Key words：Power recognitionHarmonic separationMalignant load 目 录第1章 绪论1.1课题研究的目的意义1.2 课题发展现状1.3 本设计主要研究内容及创新点1.3.1 主要研究内容1.3.2 主要创新点第2章 负载分类
14、及特征2.1 学生公寓常见的用电负载类型及其特性2.1.1 负载分类及其特性2.1.2 各类负载接入电路后的特点第3章硬件设计3.1 硬件设计思路3.2 基本构成3.3 基本工作原理3.4 S3C44B0X单片机简介3.5 A/D转换模块的设计3.6通信模块第4章软件设计104.1 软件设计概述104.2 负载识别理论的作用及其主要类型104.2.1基于小波变换的负载识别的应用104.2.2基于人工神经网络的负载识别的应用114.3 谐波检测方法114.3.1谐波检测方法114.3.2学生公寓供电电流谐波分析114.4 本系统采用的负载识别方法144.4.1识别的原理144.4.2研究方法14
15、4.5 程序设计及流程图144.6 C语言程序164.7 实验数据184.8 本章小结18第5章CAN通信设计195.1 CAN总线概述195.2 CAN总线的主要特征195.3 CAN通信数据帧格式205.3.1 数据帧格式205.3.2 下传负载判断表205.3.3数据查询类205.4 CAN接口通信软件设计205.5 CAN总线的抗干扰能力215.5.1CAN总线硬件抗干扰分析及措施215.5.2CAN总线软件抗干扰分析及措施21第6章结论与展望236.1 结论236.2 展望23参考文献24致谢25附录26附录A外文资料26附录B电路图36附录C负载识别数据表37石家庄铁道大学毕业设计
16、第1章绪论1.1课题研究的背景意义市场上各种质量不合格的电器产品越来越多，由电器故障造成的触电、电起火等事故屡见不鲜。现在电能越来越紧张，社会各界都越来越重视安全用电及节约用电。近年来，随着高校规模的不断扩大，学生人数急剧上升，许多高校都实行后勤管理社会化。与此同时，关于高校学生公寓火灾事故的报道也日益增多。据相关数据表明，这类火灾大部分是由于学生违章使用热得快、电炉子等大功率阻性负载造成的。为杜绝此类事故的发生,在确保学生正常用电的前提下，限制大功率阻性负载的使用，保障学生用电的安全性是亟待解决的问题。针对这种情况而研制开发的智能负载识别器，可自动识别宿舍用电电器。计算机、电视机等电器可不加
17、限制地正常使用，而电炉子、热得快等违章电器则无法使用，从而消除了因使用违章电器带来的安全隐患。1.2 课题发展现状随着电子技术、计算机网络技术和通讯技术的发展，人们已经研制出供配电智能控制系统。其中有两方面非常突出1：(1)集群式供电智能管理系统的下位机软件编程。下位机的软件程序包括与上位机串口通信、单片机数据采集和数据保存等工作。集群式供电智能管理系统以上位机（PC）为主机，下位机（单片机）为从机，利用RS485总线通过串口进行通讯。(2)对用电过程中的负载类型进行识别。一般情况下，电压波形为正弦波，即标准电压;由于各种电力电子设备的使用，尤其是非线性负载接入电路后，会产生大量的谐波分量，使
18、电压电流波形产生畸变，成为非正弦波，即削顶电压。因此控制系统要实现在以上两种电压波形下负载类型的识别。目的是：（1）限制大功率阻性负载如（电炉子、热水器等）；（2）放开计算机类负载的使用；（3）可以根据学校的具体要求设定限制允许使用的计算机功率的值（一般定为300-500W），当检测到用户使用非法电器时，将立即断电，去掉非法负载后恢复供电。1.3本设计主要研究内容及创新点1.3.1主要研究内容本设计运用单片机原理与接口技术、电子线路CAD、模拟电子技术和数字电子技术、程序设计等2，对公寓用电主回路上负载的智能识别进行研究，采用单片机进行处理和控制，准确地判断电路中接入负载的功率、电压、电流、谐
19、波等特性，从而识别出大功率阻性负载电器并限制其使用，在节约用电、减少安全隐患的同时又不影响常规电器的正常使用。1.3.2主要创新点本系统可根据实际情况，通过软件灵活设置用户的最大负载功率，能够识别出阻性负载中的恶性负载，并限制其使用。第2章负载分类及特征2.1 学生公寓常见的用电负载类型及其特性2.1.1负载分类及其特性通过调查研究，学生公寓常用的用电器可分为三大类：(1)计算机类负载：这类负载在供电电压为标准正弦波的情况下，电流畸变成非正弦波，呈脉冲状，包含了大量的谐波分量，如计算机、充电器等。(2)阻性负载：电流和电压同步变化，相位差为“零度”，工作时会产生热量（焦耳热），常见的阻性负载有
20、电炉、电热杯、电热毯、饮水机、白炽灯等。(3)感性负载：电压和电流的波形相同，相位不同，电流的变化滞后电压变化一个相位差，如日光灯。恶性负载是指那些类似于纯电阻性的用电器，也称为类阻性负载，如：白炽灯、电炉子、热得快、电吹风等。这可以从两个方面来理解：其一，从能量角度来看，恶性负载是指将吸收的电能大部分转化为热能释放，只有很少一部分转化为其他能量（如：光能、机械能）；其二，从伏安特性（V-I）角度来看，凡是V-I特性类似于电阻V-I特性的用电器，统称为恶性负载3。恶性负载具有以下特性：（1）电压和电流的波形相同；（2）电压和电流的相位相同；（3）功率因数等于1。2.1.2各类负载接入电路后的特
21、点(1)计算机类负载接入电路后，其电流波形有两个尖峰，已完全不同于正弦信号，包含了大量谐波，奇次谐波都有不同的分量存在，但幅度较大的主要是1、3、5、7、9次谐波，其它谐波的幅度较小。(2)阻性负载接入电路后，电路的总功率增加，功率因数提高，达到0.99以上，电压电流波形近似于正弦波，电流信号中只含有1次谐波和3次谐波，其它谐波的幅度近似为0，且1次谐波幅度很大，3次谐波幅度很小。(3)感性负载接入电路后，电压电流波形近似于正弦波，电流信号中只含有1次谐波和3次谐波，其它谐波的幅度近似为0，且1次谐波幅度很大，3次谐波幅度很小。热得快、电炉子等恶性负载，有些因内部构造不同，负载呈螺旋状特性，既
22、有阻性负载特征又有感性负载特征，接入电路后会出现3次谐波和5次谐波，但其含量比较小，可以忽略不计。计算机的电源是开关电源，属于非线性负载（也叫整流性负载）。开关电源的原理是先把220V/50HZ交流电整流为高压直流，再把高压直流逆变为高压高频交流，再通过高频变压器降为低压高频交流，再转为低压直流输出，这种电源的效率要比传统稳压器高得多。把计算机的开关电源当作220V电网的一个负载，这种负载在220V市电输入端看来等效于一个容性负载，虽然它的电压波形还是正弦波，但是它的电流波形已经畸变了，不再是规则的正弦波，而是接近脉冲波的波形。第3章硬件设计3.1 硬件设计思路利用各个负载的功率特性不同，利用
23、电流互感器采集主电路电流的线性变化量，通过单片机处理采样数据并控制继电器。设置禁用下限值，对学生宿舍内使用的电器进行智能识别，能自动识别所用电器是常规电器还是禁用的大功率阻性电器，从而限制大功率禁用电器的使用。3.2 基本构成该系统主要由主控制模块、信息检测模块、A/D转换模块、输出控制模块、保护模块等组成。其中主控制模块完成数据处理和输出控制功能；信息检测模块完成对负载用电回路电流的采集功能；A/D转换模块主要完成对主电路的电流进行采样；输出控制模块实现控制负载用电回路通断的功能；保护模块完成短路保护功能；通信模块可以实现上位机与下位机之间的通信；备用电源是为防止系统掉电时数据丢失而设置的。
24、系统的总流程图如图3-1所示。系统中是用两个74HC04（反相器）构成的滞回比较器，滞回比较器又叫施密特触发器。在这里之所以采用具有滞回特性的比较器，是因为普通的单限比较器抗干扰能力差，如输入端受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低电平之间反复跳变，如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生不利的影响，故我们采用了具有滞回特性的比较器。继电器输出形式的输出通道，一般要加驱动电路，以提高驱动能力，从而控制继电器动作。继电器驱动方法是采用大功率三极管和一个小的继电器。为了提高供电可靠性，电路设计时加了强制开关。一旦主模块不能控制继电器，则强制开关闭合让S2直接接地，强制继
25、电器接通为用户供电。图3-1系统总流程图FLASH据确定运行状态中的数读取 /功率计算电压采集电流存储数据负载识别跳闸YNCAN口中断开有无上位机命令命令处理YN系统初始化上电在本管理系统中控制宿舍是否断电由继电器执行的，继电器串联在公寓供电电线上，当发现违章电器或者定额电费用完时，S3C44B0X会发出关断信号，信号从通用I/O发出，经过滞回比较器、三极管和小继电器，送到12 V直流继电器，关断对应宿舍的供电。3.3 基本工作原理 用电流互感器采集主电路中的电流信号，经过信号调理后送入单片机对其进行处理。根据功率最小禁用电器（一般为300W）接入时，设定单个电器的上限值。由于学生宿舍使用的常
26、规电器一般单个功率都不大于300W，所以当有常规小功率电器接入时，电流的瞬间变化量将不会超过设定值，电网能正常供电。而当有单个功率在300W以上的大功率电器接入时，瞬时电流的变化量将超过允许使用单个电器的上限值，单片机主控器将记忆该值，并在规定的时间内连续采样N次，通过进一步的比较和分析判断：若为某一电器（小于设定值）接入时的冲击或电网干扰电流，输出模块不动作，继续供电；若是恒定的大功率电器接入，则单片机输出控制信号使继电器动作并停止供电，延时30s后再自动重合闸恢复送电，而设置的总功率上限值，一方面可限制总用电功率，另一方面可实现用电安全保护。该控制器还可以配合其他控制器来设置触电、过载和短
27、路等保护功能，更加有效地防止了一些用电事故。3.4 S3C44B0X单片机简介S3C44B0X是以ARM7TMDI为内核的高性能CPU，是ARM公司最早为业界普遍认可并且赢得最广泛应用的处理核。ARM7TDMI体系结构的特点是它集成了Thumb代码压缩器，一个片上ICE断点调试支持和一个32位的硬件乘法器。工作电压范围：内核2.5V，I/O口：3.0V3.6V。主要功能：(1)存储器控制器：支持FP/EDO/SDRAM/ROM/SRAM类型的存储芯片； (2)Cache存储控制器与内部SRAM（共8KB）；(3)DMA控制器：两通道通用DMA控制器ZDMA，两通道DMA桥控制器BDMA；(4)
28、通用I/O端口控制器（GPIO）：71个引脚可以通过编程的方法定义输入/输出功能，8个引脚可以作为外部中断请求信号的输入引脚；(5)UART 控制器：两个通道支持基于中断有DMA方式传送数据，数据位可编程5-8位；(6)多主IIC总线控制器：支持串行、8位、双向数据传输，标准速率100Kbps，最高方式可达400Kbps；(7)IIS总线控制器：基于DMA方式操作，用作音频信号接口；(8)PWM定时与内部定时器：5通道PWM定时器和1个内部定时器，各定时器均为16位；(9)看门狗定时器：1通道16位看门狗定时器，定时溢出能够产生中断请求或系统复位；(10)中断控制器：支持多达30个中断源，支持
29、快速中断和普通中断两种方式。3.5 A/D转换模块的设计A/D转换器的功能是将模拟量转换为与其大小成正比的数字量信号。随着大规模集成电路技术的发展，各种高精度、低成本、低功耗、可编程的A/D芯片不断推出，使得仪器仪表和微机测控系统的电路设计更加简洁，可靠性更高。由于单片机独特的I/O操作和控制功能，高精度、接口简单而又价格低廉的串行A/D芯片在单片机应用系统中受到欢迎。本设计采用TLV2548串行A/D转换器。TI公司生产TLV2548芯片是一个共性能、低功耗、高速度的12位模数转换器。它具有转换速度快、精度高、多通道等优点，并且具有采样保持功能。它具有内置转换时钟(OSC)可以采用外部SCL
30、K作为转换时钟源以获取更高的转换速度（在20MHz的SCLK时可高达3.6s）。本系统一共用到了五个通道分别采集的模拟信号分别是电压信号、电流信号以及电流的3次、5次、7次谐波信号。每个周期采集200次，并且每个周期五路都要采集。由于它的采样最高处理速度可高达200多Ksps，所以完全能满足本系统的需要。TLV2548和微处理器之间的数据传输最快和最有效的方法是用串行外设接口(SPI)。芯片引脚如图3-2，引脚说明如表3-1。图3-2TLV2548引脚图 表3-1主要引脚说明名称引脚号I/O说明SDO1OA/D转换结果通向ARM的三态串行输出端SDI2I串行数据输入端SCLK3I外部串行时钟输
31、入端EOC/（INT）4I转换结束或者主处理器中断VCC5I电源3.3VA0A769I需要转换的模拟信号输入端，内部多路复用CSART14I用于控制模拟输入的开始和启动转换GND15I用于接地CS20I片选信号输入3.6通信模块系统的通信部分可以实现下位机与上位机之间的通信。上位机可以对下位机进行参数修改，控制下位机及整个系统的运行状态。下位机也可以将系统的数据随时传送给上位机，以实现上位机对系统数据的监测和系统运行状态的画面显示，校时、继电器的断合、电量等操作。 CAN控制器芯片有两种：一种是独立的，一种是和微控制器集成在一起。我们这个系统的微控制器是S3C44B0X本身没有集成CAN控制器
32、芯片，选用了独立的Microchip公司的MCP2510芯片。MCP2510 是一种带有SPI 接口的CAN 控制器，通过SI 接口与微控制器进行数据。S3C44B0X芯片内置同步串行口模块,他可以和各种需要串行数据总线的外部设备进行连接，SIO接口直接接在MCP2510的SPI接口上。传输最高数据传输速率可达5Mb/s，其工作电压范围为3.05.5V。第4章软件设计4.1 软件设计概述软件设计采用的是模块化设计方法，根据设计要求分成相应的模块，然后分头进行，提高软件设计的工作效率。软件设计时应从以下几个方面加以考虑45：(1)根据软件功能要求，将系统软件分成若干个相对独立的部分，使系统软件总
33、体结构清晰、简捷、流程合理。(2)各功能程序实行模块化、子程序化，这样便于调试、修改和扩展。(3)建立正确的数学模型，它是关系到系统性能好坏的重要因素。(4)为提高软件设计的总体效率，在编写应用程序之前，应绘制出程序流程图。这是程序设计的一个重要组成部分，也是决定成败的关键部分。(5)注意在程序的有关位置处写上功能注释，提高程序的可读性。4.2 负载识别理论的作用及其主要类型大功率电器智能识别的实现，主要靠负载识别理论的发展。一种负载识别理论的新出现或更新都会促使智能管理系统走上一个新台阶。目前负载识别理论有基于小波变换的负载识别和基于人工神经网络的负载识别。4.2.1基于小波变换的负载识别的
34、应用小波分析是一种信号的时间尺度（时间频率）分析方法，它具有多分辨率分析的特点。原则上讲，传统上使用傅立叶分析的地方，都可以用小波分析取代。小波分析优于傅立叶变换的地方是，它在时域和频域同时具有良好的局部化性质。目前，小波分析已经广泛地应用于信号处理、地震勘探、语音识别与合成、机械故障诊断与监控等科技领域。由负载的电压和电流信号的波形可推测，电压和电流信号是由几个不同频率的正弦信号所组成，因此可以采用小波变换来进行负载识别。利用小波变换的方法可识别用电负载中是否含有计算机负载，是单纯的计算机负载还是计算机与其它电器的混合负载，还可以进一步识别出计算机的台数。此种方法的不足之处是不能区分是正弦电
35、压还是非正弦电压，需要通过观察电压和电流的波形得到电压的工作状态6。4.2.2基于人工神经网络的负载识别的应用BP神经网络通常是指基于误差反向传播算法的多层前馈神经网络。典型BP神经网络模型可分为输入层、隐层和输出层，其特点是：各层神经元仅与相邻层神经元之间有连接，连接权值可通过学习来调节，各层内神经元之间无任何连接，各层神经元之间无反馈连接。在负载识别中，把负载波形经过FFT处理以后的特定频率的幅值作为系统的输入。由于应用神经网络的目的就是要能够识别各种电器负载的类型，因此可以用每种负载的类型编码作为神经网络的要求输出。但为了更直观的显示结果，输出量选择负载的总功率和计算机的功率7。4.3
36、谐波检测方法4.3.1谐波检测方法目前谐波检测的方法主要有：（1）采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波；（2）基于小波分析的谐波测量；（3）基于神经网络的谐波测量；（4）基于瞬时无功功率理论的检测方法；（5）基于傅立叶变换的谐波测量8。傅立叶变换法是目前谐波检测中应用最广泛的分析方法，尤其是通过改进的FFT算法具有精度高、功能多、使用方便的特点，能够实现整数次谐波的精确分析和检测。利用FFT变换来检测电力谐波是一种以数字信号处理为基础的测量方法,其基本过程是对待测信号（电压或电流）进行采样，经A/D转换，再用计算机进行傅里叶变换，得到各次谐波的幅值和相位系数。4.3.2学生公寓供电电流谐波分析学生
37、公寓用电的等效电路模型如图4-1所示9：图中，假设供电电压为标准正弦波，即u(t)=Usin(t)，不考虑电路的暂态过程及线路损耗。Z2为非线性负载，流过Z2的电流为i2(t)=f u(t)=f U sin(t)；Z1为待投入的负载，可以是线性负载（阻性和感性）和非线性负载。通过开关S的动作来表示负载的投入。图4-1学生公寓等效电路模型u(t)=Usin(t)SiL(t)i1(t)Z1i2(t)Z2当开关S断开时，流过线路的总电流iL(t)= i2(t)= f u(t)=f U sin(t)，对i2(t)进行傅立叶变换，可以得到高次谐波的系数a1n =i2(t) cos(nt)dt (4-1)
38、=f U sin(t) cos (nt)dt， n=2，3，4b1n = i2(t)sin(nt)dt (4-2) =f U sin(t) sin (nt)dt， n =2，3，4 当开关S闭合，假设投入的负载Z1为线性负载(阻性或感性)，则流过Z1的电流为i1 (t)=k sin(t+)，为滞后相角，此时供电侧的总电流为iL(t)= i1(t)+ i2(t)= k sin(t+) + f U sin(t)对总电流iL(t)进行傅立叶变换，其高次谐波系数为a2n =iL(t) cos(nt)dt (4-3) = k sin(t+)+ f U sin(t) cos(nt)dt = f U sin
39、(t) cos(nt)dt， n=2，3，4 b2n =iL(t)sin(nt)dt (4-4)= k sin(t+)+ f U sin(t) sin(nt)dt=f U sin(t) sin(nt)dt， n=2，3，4 对比式(4-1)式(4-4)可以看出，a2n = a1n，b2n = b1n，n=2，3，4，即谐波分量不变。故可以得出：投入线性负载后，供电线路上总电流的谐波分量幅值不变。线性负载的投入仅影响了总电流的基波和直流分量。当S闭合，假设投入的负载是非线性负载，设流过Z1的电流为i1 (t)=gu(t)=gU sin(t)，此时供电侧的总电流为iL(t)= i1(t)+ i2(t)= gU sin(t)+ f U sin(t)对总电流iL(t)进行傅立叶变换，其高次谐波系数为a3n =iL(t)cos(nt)dt
