【正文】 控制技術。 在采樣控制理論中有一個重要的原理既沖量等效原理：大小 、波形不同的窄脈沖變量作用于慣性系統(tǒng)時，只要其沖量即變量對時間的積分相等，其輸出效果基本相同。其中，沖量是指窄脈沖的面積，效果基本相同是指輸出相應的波形基本相同。如果把輸出波形進行傅立葉變換分析，則其低頻段特性非常接近，僅在高頻段有差異。這個理論是 PWM 技術的理論基礎。 [3] 如果把一個正弦半波分成 N 等份，然后把每一等份的正弦曲線與橫軸包圍的面積用與它等面積的等高不等寬的矩形脈沖代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等份的中點重合。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，這樣的一系列的矩形脈沖與正弦半波是等效的，對于正 弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到 PWM 波形。想這樣脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化并且和正弦波等效的 PWM 波形，就是 SPWM（ Sinusoidal PWM）波。 以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（ Carrier Wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（ Modulation Wave），當調(diào)制波與載波相交時，有它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而可以獲得在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波 圖 是三相 PWM 逆變器的主電路。圖 是與其相對應的三相 SPWM 控制，相位差為120176。三相 SPWM 控制信號與三角載波相比較所得的控制信號分別控制三相 PWM 逆變器的三個橋臂，每個橋臂的上下開關由一組互補的 PWM 信號控制導通、關閉，從而得到三相輸出電壓。該輸出電壓經(jīng)過輸出濾波便可以得到所需的三相正弦電壓。 [4] 圖 PWM 逆變器主電路 圖 SPWM 波逆變控制原理 由于 PWM 變壓變頻器的應用非常廣泛，已制成多種專用集成電路芯片作為 SPWM 信號的發(fā)生器，后來更進一步把它做在微機芯片里面，生產(chǎn)出多種帶 PWM 信號輸出口的 8位、繼續(xù)教育 學院畢業(yè)設計（論文） 16位微機芯片和 DSP。 常用蓄電池 蓄電池是 UPS/EPS 的心臟，不管 UPS/EPS 電路多么先進。其性能最終取決于它的電池，一旦電池失效，再好的 UPS/EPS 也無法提供不間斷供電。 目前， UPS/EPS 一般都使用免維護密封鉛酸蓄電池，由于采用陰極吸收式密封技術，克服了普通蓄電池需要定期補水的缺點，具有“免維護”、使用方便、不污染環(huán)境、體積小、重量輕的優(yōu)點。它使用高氫過電位的板柵材料，減少了電池在存放和充電過程中的氣體分解。正極表面的超細玻璃纖維膜，阻止了活性物質(zhì)脫落，提高了電池的壽命。 安全閥的使用使蓄電池很少產(chǎn)生氣體，又可使已產(chǎn)生的氧氣被負極所吸收，使蓄電池無水的損失，達到了密封免維護的目的。 一般情況下，影響電池性能的主要因素是連續(xù)充電，電池連續(xù)充電大約要減少一半的使用壽命。目前國 外使用一種 ABM（ Advanced Battery Management）三階段電池管理方案，既充電分成三個階段：第一階段是恒流均衡充電，將電池容量沖到 90%：第二階段是浮充充電，將電池容量充到 100%，然后停止充電：第三階段是自然放電，在這個階段里，電池利用自身的漏電流放電，一直到規(guī)定的電壓下限，再重復上述的三個階段。這種方式改變了以前那種充滿電后，仍使電池處于一天 24 小時的浮充狀態(tài)，因此延長了電池的壽命。 金屬化鎳氫電池具有高能量密度的優(yōu)點，而且又無鎳鎘電池可能造成的鎘污染，將其應用于 UPS/EPS 可以收到小型輕量化的優(yōu)點，但它的缺點是售價太高。 美國 Alupower 公司研發(fā)的高功率鉛 空氣備用電源裝置（ RPU），運行時間≥ 50 小時，功率從 600W 到 6000W，電壓有直流 24V 和 48V 倆種，其能量密度是鉛酸電池的十多倍，重量只有鉛酸電池的 1/10，所占空間只有鉛酸電池的 1/7，有望取代鉛酸蓄電池應用于 UPS/EPS。 在 EPS 中，廣泛使用蓄電池作為儲存電能的裝置。蓄電池需先用直流電源對其充電，將電能轉化為化學能儲存起來。當市電中斷時， EPS 將依靠儲存在蓄電池中的能量維持其逆變器的正常工作。此時，蓄電池通過放電將化學能轉化為電能提供給 EPS 使用。 目前在 EPS 中被廣泛使用的無需維護的密封式鉛酸蓄電池。這種免維護蓄電池比傳統(tǒng)蓄電池增加了許多重要改進，具有體積小、重量輕、自放電小、維護少、壽命長、使用方便、對環(huán)境無污染等優(yōu)良特性。與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，在使用、維護和管理上有著明顯的優(yōu)點。 當電網(wǎng)發(fā)生故障時，蓄電池處于放電狀態(tài)，升降壓電路工作在升壓模式。一般采用 Boost 升壓電路，通過調(diào)整占空比，可以將較低的蓄電池電壓升到三 相逆變器所需要較高的直流母線電壓，這樣可以大大減少蓄電池串聯(lián)個數(shù)，從而降低了成本。 繼續(xù)教育 學院畢業(yè)設計（論文） 當電網(wǎng)恢復正常時，蓄電池處于充電狀態(tài)，升級壓電路工作在降壓模式。一般采用 Buck 降壓電路，通過調(diào)整占空比，可以將較高的直流母線電壓降低到蓄電池允許的較低的充電電壓，實現(xiàn)對蓄電池的充電。 對蓄電池的管理方面，由于 EPS 的使用環(huán)境一般較惡劣，為盡可能延長蓄電池的使用壽命，故蓄電池充電器應同時具備以下功能： [5] （ 1） 可設定充電限流： （ 2） 可設定電池放電終止電壓： （ 3） 具有自動浮充功能： （ 4） 具有浮充電壓溫度補償功能： （ 5） 智 能電池檢測功能： （ 6） 深放電保護（可強制應急）。 輸出濾波電路 三相逆變器的輸出電壓既包含了 50Hz 的基波，也包含了開關頻率及其鄰近頻帶的諧波。輸出電壓諧波聚集在以 K（及其整數(shù)倍，其中 K 為開關頻率與輸出交流電 50Hz 頻率的比值）次諧波為中心所形成的雙邊頻帶上。因此在逆變器輸出端應該設置濾波器。同時 K 值越高， K 次（及其整數(shù)倍）頻率附近的高次諧波越容易濾除。也就是說，載波頻率越高， SPWM 波形中的諧波頻率越高，也越容易濾除。 濾波器是一種具有選擇性的四端口網(wǎng)絡，它允許某些頻率的信號通過，而不允許另一些頻率信號通過。允許通過信號頻率的范圍稱為通帶，不允許通過信號頻率的范圍稱為阻帶，通帶與阻帶交界的頻率稱為截止頻率。 關于濾波環(huán)節(jié)下一章會深入研究。 幾種專用 EPS （ 1）應急照明和事故照明類照明型的 EPS 一般以單相為主，主要為應急照明場合（商場、娛樂場所、辦公場所、交易場所等）提供集中供電，如圖 所示。 當輸入電源正常時，市電一路通過轉換裝置輸出給日常照明，另一路通過充電器給電池組充電，當控制器檢測到市電中斷或異常（偏低或偏高）時，向逆變器發(fā)出激活信號，并控制互投轉換裝置至逆變器輸出。當然，對于 EPS 的接法不同，還可以把 EPS當作二路電源、三路電源使用。 繼續(xù)教育 學院畢業(yè)設計（論文） 圖 應急照明類 EPS 結構圖 （ 2）應急照明及混合型負載類。 此類型 EPS 一般適用于負載性質(zhì)比較復雜的場合，譬如既有照明型負載，又有動力型負載，所以一般以三相居多，如圖 所示。適用場合為賓館、高層建筑、醫(yī)院、大型商場等。 圖 混合型 EPS 結構圖 （ 3）本課題中所用 EPS 主要涉及地鐵機車，故著重分析電機專用的變頻起動類 EPS。其結構圖如圖 所示： 圖 變頻啟動類 EPS 結構圖 此種類型 EPS 主要為電機類負載而設計，可以避免因電機起動過程中的大電流沖擊而損壞設備。因此被廣泛應用于大功率電動機負載。當三相輸入市電正常時經(jīng)整流后給逆變器提供直流電，同時經(jīng)充電器對電池組充電：當三相輸入斷電或異常時，自動轉換成電池組給變頻器提供直流電。當需要電機負載工作時，送給變頻器激活信號（運行信號、遠程控制信號等），變頻器會立即輸出。從 0~50Hz 變頻，供給電動機進行變頻起動，當其頻率到達 50Hz 后就會保持正常運行。 繼續(xù)教育 學院畢業(yè)設計（論文） EPS 系統(tǒng)的保護 為確保 EPS 安全可靠地運行，系統(tǒng)在軟件和硬件設計上均采取了保護措施，具體有過熱保護、過載保護、過流保護、蓄電池欠壓保護、反饋信號丟失保護、電源欠壓保護等保護措施。 過流保護和電源欠壓保護 為了保護逆變系統(tǒng)的功率器件，需要設計電源欠壓保護和過流保護。以 IGBT 為例，由于擎住效應，通過 IGBT 的電流過大會造成管子的損壞。實驗證明，當出現(xiàn)短路過電流故障時，如果保持驅(qū)動電壓 VcE 為 15V 不變， 50A 的 IGBT 能承受 250A 過電流沖擊時間僅為 5 微妙，所以當現(xiàn)短路過電流時要求系統(tǒng)能快速保護。過流信號的檢測來源于霍爾傳感器 和智能驅(qū)動芯片。系統(tǒng)對直流側和交流側電流進行采樣，將電流信號采樣后的電壓值與給定電壓相比較，采樣信號一旦大于給定電壓值，經(jīng)自鎖電路向主控芯片發(fā)出中斷請求，該中斷請求優(yōu)先級別最高，主控芯片迅速響應封鎖觸發(fā)脈沖：當流動功率器件的電流過大時，智能驅(qū)動芯片會使它慢速關斷，同時，通過光耦隔離將過流信號發(fā)送到控制電路，控制電路會迅速封鎖觸發(fā)脈沖。與軟件保護相比，硬件保護會更加迅速及時，過流保護必須要由相應的硬件保護電路來實現(xiàn)。 另外，對系統(tǒng)的開關電源和驅(qū)動電源也要進行欠壓保護檢測，如果開關電源欠壓可能會引起系統(tǒng)不能正常 工作，如果驅(qū)動電源發(fā)生故障，開關管不能正常地關斷，也會引起開關管損壞。 蓄電池欠壓保護 蓄電池在使用過程中，必須要對它進行欠壓保護，否則會因為深度放電而影響蓄電池的壽命。在 EPS 系統(tǒng)中，充電器在市電正常時會以浮充方式對蓄電池進行充電，蓄電池的充電最大電壓是由充電器決定的，在充電器的設計時要考慮蓄電池的過充問題。為保護蓄電池，在逆變器工作過程中必須對蓄電池電壓進行監(jiān)控，設置蓄電池的欠壓保護點，但如果監(jiān)控點只是設為某一定值，則容易產(chǎn)生振蕩。振蕩原因是：在系統(tǒng)運行時直流側電壓會有所下降，這時如果 檢測直流側電壓低于保護點而停止了系統(tǒng)運行，這時直流側電壓又會上升到保護點以上，系統(tǒng)又繼續(xù)運行，如果就出現(xiàn)停止、運行，運行、停止這種振蕩。為了避免出現(xiàn)這種振蕩現(xiàn)象，在軟件設計時要加入滯環(huán) 繼續(xù)教育 學院畢業(yè)設計（論文） 反饋信號丟失保護 一般而言，不論單相 EPS 還是三相 EPS 系統(tǒng)，均只引入了一路電壓反饋信號（組合式的三相系統(tǒng)除外）組成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。若在運行過程中，僅有的這路反饋信號丟失了，勢必會迅速造成 PI 調(diào)節(jié)器飽和，系統(tǒng)將以滿調(diào)度運行，這時輸出交流電壓很高，會損壞設備。因此，系統(tǒng)在運行中應時刻檢測反饋信號，確信信號丟失就封鎖輸出 。判斷信號丟失的依據(jù)是：如果當前調(diào)制波幅值大于或等于最大幅值的一半，而沒有檢測到輸出信號或輸出信號值特別小時，系統(tǒng)有可能已發(fā)生了故障。反饋信號丟失保護是由軟件來實現(xiàn)的。 過熱保護 功率器件以較高的開關頻率工作，開關損壞大，自身溫度同時會因此而升高，但溫度過高會對功率器件的工作特性產(chǎn)生影響，為了使開關管 IGBT 最大限度地工作，應給 IGBT加散熱片和風扇給其降溫：考慮到降低系統(tǒng)功耗和噪音，風扇不必要一直工作，可通過控制電路對其進行控制。當溫度升高到一定程度時才使風扇工作，溫度將到一定時風扇停止工作，為避免出現(xiàn)振蕩，風扇啟動點和風扇停止點之間需要設置滯環(huán)控制。如果系統(tǒng)溫度過高到危及到功率器件的安全時，控制電路將使系統(tǒng)停機，最高溫度保護點可由軟件設置。由于系統(tǒng)溫度的采樣是由溫度傳感器完成的，為了防止發(fā)生意外，提高系統(tǒng)的安全性，需要設置溫度檢測信號丟失保護，當溫度檢測信號丟失時，應該立即停止系統(tǒng)工作。 過載保護 系統(tǒng)的過載時間長短體現(xiàn)了其抗短時沖擊電流的能力。系統(tǒng)過流通常指由于短路而引起的過流，如果不及時保護，會造成器件損壞：系統(tǒng)的過載是區(qū)別于系統(tǒng)過流的，它允許系統(tǒng)短時間內(nèi)在一定范圍超過額定電流運行，使系統(tǒng)具有抗短時沖擊電流的功能。但是，若系統(tǒng)在過載情況下仍長時間超負荷運行，勢必會影響系統(tǒng)的使用壽命，所以在設計時必須設置過載保護。過載保護是按等效發(fā)熱原理進行整定的，可以很方便地通過軟件編程來實現(xiàn)。 電源的發(fā)展方向 EPS 電源的發(fā)展方向，可以 概括為：高頻化、高效率、無污染、模塊化。 （ 1）高頻化 為縮小 電源體積、減輕重量、提高功率密度，并改善動態(tài)性能， EPS 電源的工作頻率將進一步提高，由現(xiàn)在的 200300KHz 提高到 MHz 以上。但是高頻化又會產(chǎn)生新的問題，繼續(xù)教育 學院畢業(yè)設計（論文） 如：功率開關損耗及無源元件的損耗會增大，高頻寄生參數(shù)問題等。 （ 2）高效率 應用各種軟件開關技術，包括無源軟件開關技術、有源軟開關技術，如 ZVS/ZCS 諧振、準諧振、恒頻零開關技術以及零電壓（電流）轉換技術，還有適用于橋式電路的諧振直流環(huán)節(jié)逆變技術等，減少開關損耗及開關應力，以實現(xiàn)高頻率的高效化。 （ 3）無污染 隨著電力電子裝置和電源的大量廣泛應用，使 輸入電流的諧波顯著增加，功率因數(shù)大大降低，供電網(wǎng)受到明顯污染。 EPS 電源的輸入端通常是二極管整流 電容濾波的組合電路，其輸入電流波形成脈沖狀，交流側功率因數(shù)只有 。 為了限制電源設備對電網(wǎng)的諧波電流影響，國際上制定了許多標準。提高 EPS 電源的輸入端功率因數(shù)，可用無源或有源功率因數(shù)校正技術，從而使輸入端功率因數(shù)接近 1。 （ 4）模塊化 模塊化是用來適應分布式電源供電系統(tǒng)的需要。過去，電源功率不大時，均是采用單一集中的供電方式。近年來有明顯的向分布式供電發(fā)展的趨勢。這是由于分布式供電，具有節(jié)能、高效經(jīng)濟、維護方便、可靠性高等優(yōu)點。而且這樣做極大減輕了對大功率元器件的研制壓力。 （ 5）采用數(shù)字信號處理器（ DSP）的數(shù)字 PWM 技術，也是數(shù)字控制技術的核心，用于保證 UPS/EPS 輸出電壓的質(zhì)量，既保證輸出電壓、頻率和輸出電壓波形滿足技術指標的要求。數(shù)字控制的另一個重要功能是實現(xiàn) UPS/EPS 的初始自檢和運行自檢，進行故障保護和故障隔離，這是模擬控 制器無法勝任的。由于數(shù)字控制器的靈活性，使 UPS 控制器的硬件電路可以標準化，從而簡化了生產(chǎn)、使用和維修，也大大提高了工作可靠性。 UPS/EPS 電路是由以下幾部分組成的：主電路、驅(qū)動電路、監(jiān)控顯示及控制保護電路和通信界面電路。其中監(jiān)控、顯示及控制保護電路和通信界面電路，可以運用數(shù)字化設計技巧簡化其電路，并解決原類比電路需要調(diào)整、具有溫漂及參數(shù)調(diào)整不易的缺欠。采用的方法是： 1）全微處理化利用微處理器來執(zhí)行監(jiān)控、顯示及控制保護電路和通信界面電路的功能： 2）半微處理器化利用類比電路處理快速反饋保護電路，而由處理器處理慢速反饋、報警、顯示及通信界面的功能。 為了滿足用電設備不同場合、不同條件的供電需求，保證最佳電源系統(tǒng)結構的供電方式，采用微機對系統(tǒng)監(jiān)視、調(diào)控和保護，是 EPS 電源的另一個研究熱點。同時微機技術對系統(tǒng)故障檢測、故障診斷和故障隔離技術也是大有益處的。 繼續(xù)教育 學院畢業(yè)設計（論文） 開關變換器是一種非線性離散系統(tǒng)。當脈沖寬度隨時間變換時， PWM 變換器又是非線性時變電路。準諧振技術的發(fā)展，使開關電源綜合應用的學科內(nèi)容越來越多，如電路理論、控制理論、 微電子技術以及計算機技術等。綜觀國外近幾年研究報告及成果，可以概括以下幾個研究課題。 （ 1） 拓撲分析及模型研究 包括開關變換器拓撲及其性質(zhì)的研究和開關變換器拓撲的對偶分析：將 ZCS、 ZVS 以及多諧振開關代替 PWM變換器 PWM開關，可得到一組準諧振變換器。美國 GE公司 從已有的準諧振變換器開關拓撲歸納出四個諧振開關拓撲，并總結了一套由諧振開關拓撲產(chǎn)生準諧振變換器的程序。拓撲模型方面具有代表性的是三端等效電路模型。將 PWM 及諧振變換器統(tǒng)一用非線性三端模型表示。分析方法簡單，物理概念清楚。 （ 2） 控制方法的研究 由最早的單環(huán)電壓控制的開關變換器發(fā)展到雙環(huán)控制的開關變換器（在電壓負反饋控制基礎 上增加電流型控制，并附加前饋控制）。近年來滑?？刂疲?Sliding mode control）已從電機驅(qū)動系統(tǒng)推廣應用于開關電源，降低了系統(tǒng)的成本，改善了動態(tài)性能，保證了穩(wěn)定性。 （ 3） 閉環(huán)系統(tǒng)模型及分析 PWM 轉換器小信號分析方法已成熟。但大信號分析方法尚未研究。準諧振變換器在理想情況下的穩(wěn)態(tài)分析已有報導。 （ 4） 磁元件的研究 1~10MHz 范圍內(nèi)變壓器的設計、結構、工藝、損耗計算、銅損分析等都是研究重點。高頻開關磁放 大器的應用及分析也受到重視。另外，還有用薄膜技術實現(xiàn)超薄形磁性元件。1~10MHz 低損耗磁性材料的開發(fā)。 （ 5） 存貯電荷小、正向壓降低，反向耐壓高的二極管的開發(fā)。 （ 6） 半導體器件在開關過程中的電應力，即承受電壓、電流器的分析、吸收電路的研究、多路輸出交叉調(diào)節(jié)的研究、可靠性研究。 （ 7） 冗余并聯(lián)工作模式研究。 第 3 章 諧波理論 在一個理想電力系統(tǒng)和供電系統(tǒng)中，電能是以單一恒定的工業(yè)頻率和規(guī)定的電壓水平向用戶供電的。在這種條件下，對電能質(zhì)量也是用頻率和電壓來衡量的。但是在實際的電力系統(tǒng)運行中，由于負荷的變化，電力系統(tǒng)的頻率和電壓是不能保持恒定不變的，因此，各國對電能質(zhì)量都是用頻率和電壓的允許偏差加以衡量并作出規(guī)定。但是僅繼續(xù)教育 學院畢業(yè)設計（論文） 用這兩個指標來表征電能質(zhì)量是很不完善的。波形畸變、電壓閃變和三相交流電力系統(tǒng)及供電系統(tǒng)中三相電壓或電流不平衡也是影響電能質(zhì)量的重要因素。 其中電力系統(tǒng)波形畸變并不是一個新的問題，早在 19201930 年間，德國 就已提出靜態(tài)整流器產(chǎn)生波形畸變問題，到 5060 年代，由于高壓直流輸電技術的發(fā)展，對換流器諧波問題的研究有大量文章發(fā)表。但這些問題在過去還未對電力系統(tǒng)產(chǎn)生重危害，因此沒有引起電力和供電部門的重視。近年來，由于電力電子技術的發(fā)展及其在工業(yè)和交通部門以及用電設備上的廣泛應用，包括大功率整流在電氣化鐵道的應用，電弧爐在煉鋼中的應用等，使得諧波對電力設備、電力用戶和通信線路的有害影響已經(jīng)十分嚴重，世界許多國家包括我國在內(nèi)都已先后制定出相應的國際標準和國家標準加以限制。定期召開有關諧波問題的學術談論會，國際電工委員會 （ IEC）和國際大電網(wǎng)會議都相繼組成了專門的工作組，已經(jīng)并正在制定包括供電系統(tǒng)、各項電力和用電設備以及家用電器在內(nèi)的諧波標準，并已將諧波于擾問題列入電磁兼容范圍之間。下面就有關諧波的幾個主要問題加以闡述。 [7] 諧波的含義和性質(zhì) 國際上公認的諧波含義為：“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)，也常稱之為高次諧波。在國際電工標準中（ IEC5552,1982），在國際大電網(wǎng)會議（ CIGRE）的文獻中定義：“諧波分量為周期量的傅里葉級數(shù)中大于 1 的 h 次分量”。 IEEE 標準中（參見 IEEE 標準 5191981）定義為：“諧波為一周期波或量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。 [6] 在波形畸變和有關電磁兼容的標準中還有幾個易與諧波混淆的名詞： 間 諧 波 （ interharmonics ）、 次 諧 波 （ subharmonics ） 和 分 數(shù) 諧 波（ fractionalharmonics）。間諧波是指頻率不是工頻的整數(shù)倍的諧波分量，次諧波為頻率低于工頻基波頻率的分量，分數(shù)諧波是頻率非基波頻率整數(shù)倍的分 量。 另外，暫態(tài)現(xiàn)象和諧波現(xiàn)象必須加以區(qū)別。諧波現(xiàn)象中波形保持不變，而暫態(tài)現(xiàn)象中每周期波形都發(fā)生變化。為此在計算電壓（或電流）畸變率時，采用諧波電壓（或電流）的平均有效值或平均總畸變率，其時間區(qū)段 dt 取 3s，以電壓為例， 即 ： 繼續(xù)教育 學院畢業(yè)設計（論文） 其中 m 是 dt分成的區(qū)間數(shù) ； Uh 是第 h 次諧波電壓的 3s 平均有效值 ； Dm 是電壓總畸變率的 3s 平均值（ %） ； Utk 是第 k 個區(qū)間測出的基波電壓有效值 ； Utk 是第 k 個區(qū)間測出的第 h 次諧波電壓有效值。 諧波的概述 隨著現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展，工業(yè)應用中出現(xiàn)了越來越多的諧波源，并且對電力系統(tǒng)、供電系統(tǒng)產(chǎn)生了極大的危害。 造成系統(tǒng)正弦波形畸變、產(chǎn)生諧波的設備和負荷稱為諧波源。一切非線性的設備和負荷都是諧波源。當電力系統(tǒng)向非線性設備及負荷供電時，這些設備或負荷在傳遞（如變壓器）、變換（如交直流換流器）、吸收（如電弧爐）系統(tǒng)發(fā)電機所供給的基波能量的同時，又把部分基波能量轉換為諧波能量，向系統(tǒng)倒送大量的高次諧波，使電力系統(tǒng)的正弦波形畸變，電能質(zhì)量降低，損壞系統(tǒng)設備（如電力電容器、電纜、電動機等）。威脅電力系統(tǒng)的安全運行（如繼 電保護及自動裝置誤動），增加電力系統(tǒng)的功率損耗（如線損）等，給系統(tǒng)（包括受其供電的線性用戶）帶來危害。 [8] 當前電力系統(tǒng)的諧波源，其非線性特性主要有三大類： （ 1） 鐵飽和型：各種鐵芯設備，如變壓器、電感器等，其鐵磁飽和特性呈現(xiàn)非線性。（ 2） 電子開關型：主要為各種交直流換流裝置（整流器、逆變器）以及雙向晶閘管可控開關設備等。 （ 3） 電弧型：各種煉鋼電弧爐在熔化期間以及交流電弧焊機在焊接期間，其電弧的點燃和劇烈變動形成的高度非線性，使電流不規(guī)則的波動。其非線性呈現(xiàn)電弧電壓與電弧電流之間不規(guī)則的、隨即變化的伏安特性。 對于電力系統(tǒng)動三相供電來說，有三相平衡和三相不平衡的非線性特性。后者，如電氣鐵道、電弧爐以及由低壓供電的單相家用電器，而電氣鐵道是當前中壓供電系統(tǒng)中典型的三相不平衡諧波源。 近些年來，電力系統(tǒng)諧波問題日益嚴重，主要原因如下 （ 1） 電力電子設備及其新技術的大量采用，如換流器等大容量電力晶閘管設備的非線性負荷大量增加，以及各種 家用電器的普遍使用，從電網(wǎng)的各個供電點，向電力系統(tǒng)注入大量諧波。 （ 2） 為了省原材料，鐵芯設備的工作點更進入飽和區(qū)，引起諧波的增加。 （ 3） 電弧爐用戶的增多及其容量增大。 由于系統(tǒng)施加于負荷的電壓基本不變，諧波源負荷通過向電力系統(tǒng)取得一定的電流作功，該電流不因系統(tǒng)外界條件和運行方式而改變。而諧波源固有的非線性伏安特繼續(xù)教育 學院畢業(yè)設計（論文） 性決定了電流波形的畸變，使其產(chǎn)生的諧波電流與基波電流具有一定的比例，因此非線性負荷一般都為諧波電流源，向系統(tǒng)注入一定的諧波電流。 由于諧波電流源的諧波內(nèi)阻抗遠大于系統(tǒng)的諧波阻抗，故諧波電流源在電力系統(tǒng)中一般可按恒流源對待。 諧波源注入電力系統(tǒng)的諧波電流，在系統(tǒng)的阻抗上產(chǎn)生相應的諧波壓降，便形成系統(tǒng)內(nèi)部的諧波電壓，使原有的正弦波形電壓產(chǎn)生畸變。 [9] 理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設備所處的環(huán)境惡化，也對周圍的通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設備帶來危害。在電力電子設備廣泛應用以前，人們對諧波及其危害就進行過一些研 究，并有一定認識，但那時諧波污染還不嚴重，沒有引起足夠的重視。近三四十年來，各種電力電子裝置的迅速普及使得公用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生，諧波危害的嚴重性才引起人們高度的關注。諧波對公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個方面 （ 1）諧波使用公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率，大量的 3 次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災。 （ 2）諧波影響各種電氣設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器 局部嚴重過熱。諧波會使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。 （ 3）諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這使上述（ 1）和（ 2）的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。 （ 4）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會是電氣測量儀表不準確。 （ 5）諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生于擾，輕者產(chǎn)生噪音，降低通信質(zhì)量：重者導致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。 諧波引起的諧振和諧波電流放大 為了補償負載的無功功率，提高功率因數(shù)，常在負載處裝有并聯(lián)電容器。為了提高系統(tǒng)電壓水平，常在變電所安裝并聯(lián)電容器。此外，為了濾除諧波，也會裝設由電容器和電感器組成的濾波器。在工頻頻率下，這些電容器的容抗閉系統(tǒng)的感抗大得多，不會產(chǎn)生諧振。但對諧波頻率而言，系統(tǒng)感抗大大增加而容抗大大減小，就可能產(chǎn)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。這種諧振會使諧波電流放大幾十倍甚至數(shù)十倍，會對系統(tǒng)，特別對電容器和與之串聯(lián)的電感器形成很大的威脅，常常使電容器和電感器燒毀。在由諧波引起的事故中，這類繼續(xù)教育 學院畢業(yè)設計（論文） 占很高的比例。由于濾波而損壞的電氣設備中，電容器 約占 40%，其串聯(lián)電感器約占 30%。日本的一篇報告中指出，電容器和與只串聯(lián)的電感器的燒毀在諧波引起的事故中約占 75%。 諧波對電網(wǎng)的影響 諧波電流在電網(wǎng)中的流動會在線路上產(chǎn)生有功功率損耗，它是電網(wǎng)線路損耗的一部分。一般來說，諧波電流與基波電流相比所占比例不大，但諧波頻率高，導線的集膚效應使諧波電阻比基波電阻增加得大，因此諧波引起的附加線路損耗也增大。 諧波源在一些諧波頻率上吸收有功功率，在另一些頻率上向外發(fā)送有功功率。這些諧波有功功率通常都是由從電網(wǎng)吸收的基波有功功率轉化來的。諧波源吸 收的諧波有功功率常常對產(chǎn)生諧波的裝置本身是有害無益的。諧波原發(fā)出的諧波有功功率也給接在電網(wǎng)上的其它用電設備帶來危害，并增加損耗。 對于采用電纜的輸電系統(tǒng)，諧波除了引起附加損耗外，還可能使電壓波形出現(xiàn)尖峰從而加速電纜的老化，引起浸漬絕緣的局部放電，也使介質(zhì)的損耗增加和溫升增高，縮短了電纜的使用壽命。通常電纜的額定電壓越高，諧波對電纜的危害也越大。電纜的分布電容對諧波電流有放大作用，會使上述危害更為嚴重。 對于架空線路來說，電暈的產(chǎn)生和電壓的 有關，雖然電壓基波值未超過規(guī)定值，但由于諧波的存在，其電壓峰值 可能超過允許值而產(chǎn)生電暈，引起電暈損耗。流過電網(wǎng)中斷路器的電流里含有較大的諧波時，在電流過零點處的 di/dt 可能要比正常時大得多，從而使斷路器的開斷能力降低。有的斷路器的線圈在諧波電流嚴重的情況下將不能正常地工作，從而使斷路器無法斷開以至損壞。 在民用建筑中，常常大量使用熒光燈和其他產(chǎn)生大量 3 次諧波的燈具及各種電器。這些 3 次諧波都從中性線流過，甚至使其電流超過各相電流。因正常情況下中性線電流比各相電流小得多，因而設計時中性線的導線較細。在大量 3次諧波電流流過中性線時，就會使導線過載過熱、絕緣損壞，進而發(fā)生短 路，引起火災。我國已發(fā)生多起由于這一原因而引起的重大火災，造成慘痛損失，必須以其足夠的重視。 諧波對電網(wǎng)的危害除造成線路損耗外，更重要的是使電網(wǎng)波形受到污染，供電質(zhì)量下降，危及各種用電設備的正常運行。 諧波對旋轉電機和變壓器的危害 諧波對旋轉電機和變壓器的影響主要是引起附加損耗和過熱，其次是產(chǎn)生機械振動、噪聲和諧波過電壓。這些將縮短電機的壽命，情況嚴重時甚至會損壞點擊。曾經(jīng)有過這樣的例子，某工廠的電動機運行一直正常，但近一段時間以來卻連續(xù)出現(xiàn)損壞。經(jīng)查，接于同一電網(wǎng)的鄰近工廠新投入大型整流 裝置，因未采取消除諧波的措施，其諧波電路流繼續(xù)教育 學院畢業(yè)設計（論文） 入該廠而使該廠電動機損壞。 對同步電機來說，定子繞組流過諧波電流后產(chǎn)生與諧波頻率相對應的旋轉磁場，在轉子繞組中感應出諧波電流。對隱極電機來說，諧波電流主要在轉子的槽楔、齒和轉子端部的套箍上流動；對凸級電機來說，諧波電流主要在極靴中流動。由于諧波頻率高，集膚效應顯著，因此諧波電流 只在上述轉子各部件的表層流動，所以轉子中的阻尼繞組、槽楔、齒和套箍最容易受到諧波電流的損害。諧波發(fā)熱對隱極電機的影響要比對凸極電機的影響嚴重得多。 集膚效應使得定子繞組中的諧波電流的 分布也很不均勻。定子雙層繞組中沿槽高度的上層線棒內(nèi)的諧波損耗可能比下層線棒內(nèi)高好幾倍。但對電機而言，諧波損耗主要還是在轉子中。 國際電工委員會和我國對同步電機允許的負序電流最大值有明確的規(guī)定。諧波電流引起的冬季附加損耗和發(fā)熱可以折算成等值的基波負序電流來考慮。為了不降低同步電機的絕緣壽命，與承受腐朽電流的情況相似，在同步電機承受諧波電流時應提高設計裕度，或者在使用時要降低出力。