發電機勵磁系統的諧波抑制研究

曹 海

（東莞市中科煤氣化有限公司，廣東 東莞 523061）

發電機勵磁系統工作時，可控硅設備會產生諧波，同時勵磁裝置工作電源通常由開關電源供電。這兩部分產生的諧波，直接影響著發電機勵磁系統的正常運行。如何抑制諧波危害，保證發電機勵磁系統的正常運行，已成為相關工作人員關注的重點。

1 諧波危害

1.1 諧波能增加發電機的功率損耗。產生諧波的線路上，其電阻會隨著頻率的升高而增大，導致電能的損耗加大，浪費電能資源；諧波對中性線產生的危害很嚴重，因為中性線通常比較細，當大量諧波電流經過時，電阻加大、放熱量增加，造成導線過熱，極容易使導線老化而喪失絕緣能力，嚴重時甚至能燒損導線，釀成火災。

1.2 電氣設備的運行也受到諧波的影響。發電機運行時會出現異常情況，比如運行時噪聲比較大且不規律，出現不正常的振動現象，放出大量的熱導致發電機過熱。諧波也能對斷路器造成不利影響，諧波的存在使得斷路器不能正常開斷，不能及時斷開故障電源，可能引發觸電事故，威脅員工安全。

1.3 串聯和并聯諧振現象在局部系統中的出現，使得諧波放大數倍，增加了諧波所帶來的危害。

1.4 諧波能干擾附近的通信系統，使通信系統中的處理器不能正常工作，降低了通信質量，甚至會使局部通信系統陷入癱瘓。

2 可控硅晶閘管諧波分析及抑制

2.1 可控硅設備產生諧波原因分析

即使可控硅整流器在理想條件下工作（三相交流系統完全對稱，感抗無窮大而電抗為零），分析其電流波形可知：工作電流波形由全方波變為梯形波，說明電流波形已經發生了畸變；分析諧波可知：6 脈沖整流器，會產生5、7……次諧波電流，若換成12脈沖，仍存在11、13……次諧波電流。在實際工作中，諧波成分更加復雜，電流波形畸變程度更大，對發電勵磁系統的危害也相應增大。

2.2 可控硅設備諧波的抑制策略

2.2.1 整流變壓器使用Y，d（Y/△）或D，g（△/Y）接線

整流變壓器使用Y/△接線方式，高次諧波電流通過副邊△繞組形成環流時，因為三相相位一樣，3 的倍數的高次諧波電流將在繞組的電阻上損耗掉。三次諧波磁通不會出現在變壓器鐵心中，原邊Y 繞組感應不到相應的電流與電勢。

如果使用△/Y 接線方式，三相相位一樣的3 的倍數的高次諧波電流不會經過副邊Y 繞組。所以，變壓器鐵心中產生3 的倍數的諧波磁通，原邊△繞組能感應相應的電勢，形成環流，繞組的電阻能損耗這部分電能。因此，使用這兩種接線方式，能有效地抑制諧波。

2.2.2 增大整流相數

由于整流相數的增多，經整流后，高次諧波的含量將減少。比如采用12 相脈沖整流，5、7、17……次高次諧波含量將變少，如果采用6 脈沖整流，5 次諧波電流含量達到18.5%，而12 次脈沖整流卻只有4.5%，差距明顯。

2.2.3 使用調諧濾波器

將調諧濾波器安裝在整流變壓器原邊母線上，因為對于諧波電流具有較小阻抗的特點，能針對性地吸收諧波，起到很好的抑制作用，對于負荷變化較大的可控硅設備，其諧波電流也相應地呈現快速變化的特點，可通過安裝靜止無功補償裝置吸收動態諧波，該裝置具有吸收能力強、響應時間短、運行維護簡單等優點。

2.2.4 使用帶移相繞組的整流變壓器

當擁有較多的可控硅整流器時，通常使用帶移相繞組的整流變壓器。該設備的使用，能經過移相使三臺整流變壓器之間的相位互差一個相等的角度，等同于形成了18 脈沖的電壓波形，不僅改善了電壓波形，而且減少了高次諧波含量，從而有效抑制諧波。

2.2.5 電抗器的安裝

當發電系統中安裝有無功補償電容器時，通過安裝與該裝置串聯的電抗器，能組成低通濾波器，這樣能將高次諧波頻率降低，從而減輕了高次諧波的危害。

2.2.6 增大供電網絡的斷路容量

對可控設備的供電方式進行設計時，首先考慮供電電壓的合理選擇，接著采取合理方式與大短路容量電網連接，或者增大整個系統的短路容量，減少了電網中諧波電流的產生。

2.2.7 控制諧波電壓含量

運用電網信息化系統，對電網運行中的諧波電壓含量實時監控，保證電網中諧波含量不超過相關標準，比如在11kv 電網中，諧波電壓含量不得大于1.5%； 在35kv 電網中，不得大于3%。

3 勵磁裝置工作電源諧波分析及抑制

勵磁裝置工作電源由開關電源供電，所以它產生的諧波都與開關電源點的諧波有關。

3.1 開關電源諧波產生機理

3.1.1 對單相逆變電路的諧波分析

圖1 單相逆變電路

電壓為零時將電路開通，電流為零時將電流斷開，其開、斷動作不需時間，即為開關管的理想工作狀態，同時設電壓為E。圖1 為單相逆變電路。

由圖中電路可得：

其中頻率與周期信號相同的分量為1 次諧波，通常稱之為基波，高次諧波為周期信號的3 倍及3 倍以上。高次諧波疊加能形成方波電壓，負載電流也是由各次諧波電流疊加形成的。

3.1.2 單相大功率整流器的諧波分析

正弦波因其不含諧波，可降低損耗率而提升發電機效率。對發電機進行設計時，普遍將供電電源假設為正弦波，但是實際情況中，供電電源不可能是標準的正弦波，會產生諧波，帶來危害。下圖為單相整流電路。

圖2 單相大功率整流電路

在電路中加入一個較大的電感能使負載電流的紋波變小，近似直流。由于負載的電感電流不會突變，開關管在實際開、關時都需要時間，不可能處在理想工作狀態。其負載電流如圖3。

圖3 單相整流負載電流

由圖中可得出：i=Id（C1sinωt+c3sin3ωt+c5sin5ωt+…）

由上式可知單相整流負載電流能產生諧波。

3.2 開關電源諧波危害抑制及實驗實例

3.2.1 開關電源諧波危害抑制方法

開關電源諧波危害抑制方法主要有兩類： 補救性和預防性。預防性方式就是從開關電源設計要求著手，采取有效的控制方法控制開關管，但是這種方式卻不能消除諧波成分。采用補救性的方式主要是為了抑制已存在諧波的成分，使用比較多的是有源和無源濾波器，其中有源濾波器在實際應用中仍存在許多困難，比如如何對諧波進行準確檢測，能消除多少諧波成分等，所以運用無源濾波器比較多。

3.2.2 諧波抑制實例

圖4 無源濾波器電路

圖4 為設計的無源濾波器，將無源濾波器并聯在電路中，選擇合適的諧振點，否則不能起到抑制諧波危害的作用，如圖5。選定如下參數：L1=348mH，C1=32uF，R1=6Ω，L2=180mH，C2=23LF，R2=6Ω，L3=75.6mH，C3=2.7LF，R3=10Ω。

圖5 無源濾波器安裝接線

使用該無源濾波器，對型號為TZ-3X100 的三相級整流凸焊機進行諧波測試。圖6 為沒有安裝濾波器的情況下對開關電源諧波測試的結果，圖7 為安裝無源濾波器對開關電源諧波測試的結果。通過比較兩者結果，前者諧波含量高達17%，而后者諧波含量只有2%，對比表明安裝無源濾波器的效果非常明顯。

圖6 未安裝無源濾波器電壓波形圖

圖7 安裝無源濾波器后電壓波形圖

4 結語

對變頻器和開關電源產生諧波原因進行詳細分析，通過相關實例和測試，可以知道發電機勵磁系統中存在著大量的諧波，因此采取合理措施抑制諧波危害，已成為保障發電機正常安全運行的重點。總之，除了采取合理措施之外，還要對發電機勵磁系統科學設計、 運行過程中出現非線性負荷時采取科學的控制措施，減輕諧波對系統的危害，降低損耗，提高系統運行的質量，提升整體的效益。

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