（机械工程专业论文）弧焊电源谐波分析仪的研制与应用.pdf

f j 7 分类号：1 m 9 3 5 2 单位代码：1 0 0 0 5 学号：s 姗1 0 4 5 密级：公开 北京工业大学硕士学位论文 英文并列 墅e 迦l q 迦垒匹笪塑缱坠! 垒l 卫q 盟q e 旦丛墼堕q 丛 题目q e 至壁至q bq ei h e b 型e l q ! 丛g q 巡e b s q 立r e 研究生姓名：毯歪9 敏 专 业： 塑剑过程 研究方向：生左生皇电磁苤查 导师姓名：白韶至 职称：盘王 论文报告提交f 期垫! q 生量旦学位授予【j 期 授到立名称辄 i ! 魁j 垃王些釜差j 缢洫翻田匡量鉴崮! 螋曼 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它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。 签名：筮盘i 纽日期：翌业：仝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：垫! 鱼：! ：z 摘要 摘要 随着电力电子器件的应用，谐波污染越来越严重。在我国，由于技术的原 因，电焊机行业电磁兼容性的研究还比较少，但随着相关标准的出台，电磁兼 容性的研究将是所有焊接电源生产和研制单位不可回避的课题。其中，谐波检 测技术是电磁兼容性研究非常重要的一个方面，所以研究谐波检测技术和开发 用于电焊机行业的谐波分析仪在目前是非常必需也是非常有意义的。 本文基于嵌入式微处理器、数据采集卡、传感器模块、信号调理模块、等 为硬件平台，以l a b v i e w 为软件平台研制出了一台专门应用于电焊机行业的智 能谐波分析仪，采用加窗插值的f f t 算法进行谐波分析。本文从算法的设计、 硬件平台的搭建、软件程序的实现和界面的设计等方面进行了详细的介绍。最 后用该谐波分析仪对不同的焊接电源进行谐波检测与分析，并结合电焊机电磁 兼容国家标准中对谐波的要求去评定不同的焊接电源对电网的谐波污染程度。 研究发现l d c 滤波可以提高逆变焊接电源的功率因数，降低逆变焊接电源对电 网的谐波污染程度。 所研制的弧焊电源专用谐波分析仪可以测量电能质量品质的大量电参数， 用户界面友好，操作简单、测量精度高，为焊接电源的谐波污染的治理提供了 技术支撑。 关键字弧焊电源；谐波；加窗插值f f ，r 北京丁业人学t 学硕l j 学位论史 a b s tr a c t w 油t h ea p p l i c a t i o no fm ed e v i c e so fe l e c 仃i cp o w e ra n de l e c 咖n ，h a m o n i c p o l l u t i o nh a sb e c o m ei n c r e a s i n 百ys 甜o u s i nc h i n a ，f o rt h e t e c h n i c a l r e a s o n ，t h e r e s e a r c ha b o u te l e c t r o m a 印e t i cc o m p a t i b i l i t yo fe l e c t n cw e l d i n gm a c h i n ei n d u s 仃yi s r e l a t i v e l yl e s s b u tw i mt h ei n t r o d u c t i o no ft h ec o l l r e s p o n d i n gs t a n d a r d ，i tw i l lb ea i n c v i t a b l es u b j e c ti na l le 1 1 t e 印r i s eo fp r o d u c t i n ga n dd e v e l o p i n gw e l d i n gp o w e r s o u r c e a m o n gt h e i n ，t h ed e t e c t o ro fh 锄1 0 n i ci sav e r yi m p o r t a n ta s p e c ta b o u tt h e r e s e a r c ho fe l e c t r o m a 印e t i cc o m p a t i b i l i t y s oi ti sv e r yn e c e s s a r ya 1 1 dm e a i l i n g m lt o r e s e a r c ht h ed e t e c t o ro fh 雅n o i l i ca n dd e v e l o pt h eh 枷1 0 n i cd e t e c t o ra p p l y i n gt ot h e w e l d i n gm a c l l i n ei n d u s t r y b a s e do nt h e s eh a r d w a r ep l a t f o m ，s u c ha se i n b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r d a t a a c q u i s i t i o nc a r d ，t h e s e n s o rm o d u l e ，t h es i 印a lc o n d i t i o n i n gm o d u l e ，t h ed i s p l a y m o d u l e ，k e y b o a r d ，m o u s e ，a n dw i t hl a b v i e w a ss o f i w a r ep l a t f o m l ai n t e l l i g e n t h 锄o n i ca i l a l y z e rs p e c i a l l ya p p l y i n gt ow e l d i n gm a c h i n ei n d u s t r y h a sb e e l l d e v e l o p e d ，u s i n gw i n d o w e d a i l di n t e 叩o l a t e df f ta l g o r i t l l i i lf o r h 砌o n i ca n a l y s i s t k s p a p e rd e s 谢b e di nd e t a i l t o w a r d sm ea l g o r i t d e s i 盟，t i l es t n l c t u r eo 仆a r d w a r e p l a t f o 肌，t h er e a l i z a t i o no fs o f t w a r ea i l dt 1 1 ei n t e l l e 犯ed e s i g n f i n a l l y t h ed e 孕e co f h 锄o i l i cp o l l u t i o nt o w a r d st l l ee l e c t r i cn e tc a u s e db yd i 缅言r e n tw e l d i n gp o w e r s o u r c ew a se v a l u a t e da c c o r d i n gt 0t h ec o r r e l a t i v e ( r e l e v 锄t ) h a r m o n i cs t a l l d a r d s t h e w c l d i n gp o w e r 、) l r i ml d c f i l t e ri n v e n e rh 勰t h el o w e s tl e v e lo f h a n i l o n i cp o i l u t i o np o w e ra i l dt l l e m a x i m u mo f p o w e rf a c t o r w i mt h ef e a t u r e so fu s e r - 衔e n d l yi n t e r f a c e ，s i m p l eo p e r 撕o n 锄dh i 曲a c c u r a c y ， t h ew e l d i n gp o w e rs p e c i a lh 狮o n i ca n a l y z e rc a nb eu s e dt om e a s u r eal a r g en u m b e r o fe l e c t r i cp a r a m e t e r so fe l e 嘶cp o w e ri nh i g hq u a l i t yw h i c _ hp r o v i d e st h et e c h n i c a l s u p p o r tf o r t h eh a 册o n i cp o l l u t i o nc o n t r o l l i n go fw e l d i n gp o w e rs u p p l y k e y 、r d s a r cw e l d i n gp o w e r ；h a n n o n i c ；i n t e 印o l a t e df f tw i t hw i n d o w 日录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 国内外谐波分析仪的研究现状2 1 3 谐波的相关概述4 1 3 1 谐波的产生4 1 3 2 谐波的相关概念4 1 3 3 谐波的危害7 1 4 虚拟仪器的开发技术介绍8 1 5 电磁兼容中对弧焊电源谐波标准的要求8 1 6 本课题主要研究内容l0 第2 章谐波分析仪的算法设计1 2 2 1 功率和谐波测量原理1 2 2 2 数据采样定理1 4 2 3 加窗插值的f f t 计算l5 2 3 1 傅立叶变换15 2 3 2 傅立叶谐波分析算法研究16 2 3 3f f t 变换中存在的问题和解决方案1 8 2 3 4 窗函数特性研究及选取19 2 3 5 算法的验证2 0 2 4 本章小结。2 2 第3 章谐波分析仪的硬件设计2 3 3 1 焊接电源谐波分析系统的总体设计方案一2 3 3 2 谐波分析仪的硬件布局2 3 3 3 具体的硬件选择2 5 3 3 1 传感模块选择2 5 3 3 2 信号调理电路模块2 6 3 3 3 数据采集模块2 7 3 3 4 微处理器模块2 8 3 4 本章小结2 9 第4 章谐波分析仪的软件设计3 0 4 1 谐波分析仪要实现的功能3 0 4 2 谐波分析仪的界面设计3 0 4 3 程序的总体程序框图3 2 4 4 数据采集程序的设计一3 3 4 5 频谱分析模块3 5 4 6 其他的数据分析模块3 6 4 6 1 时域分析模块3 7 4 6 2 频域分析模块3 7 i i i 北京t q k 人学t 学硕，l j 学位论文 4 7 本章小结3 9 第5 章谐波分析仪的分析实验4 0 5 1 三相逆变焊接电源对电网的谐波影响情况一4 0 5 1 1 不带l d c 滤波的三相逆变焊接电源的谐波分析4 0 5 1 2 带有l d c 滤波的三相逆变焊接电源的谐波分析4 1 5 1 3l d c 滤波对三相逆变弧焊电源输入电流的谐波影响4 l 5 2 三相晶闸管焊接电源对电网的谐波影响情况4 3 5 3 单相逆变焊接电源对电网的谐波影响情况4 3 5 4 单相晶闸管焊接电源对电网的谐波影响情况4 4 5 5 本章小结4 5 结论4 7 参考文献4 9 攻读硕士期间所发表的学术论文5 2 致访 5 3 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 谐波污染是电能质黾降低的一个重要原因。谐波可以使供电电网的电压波 形发生畸变，引起电压波动闪变以及三相不平衡，甚至导致系统频率出现波动， 供电质量降低，影响电力网、电工、通讯以及电力电子设备的安全与经济运行， 高次谐波还会造成开关器件的误动作，降低电机容量，损坏用电设备等。随着 非线性电力电子器件应用的越来越多，谐波污染越来越严重。 电能质量问题并不是一个新的课题，从历史的发展来看，早在6 0 年代，国 外就已经开始认识到电能质量到重要性，并着手从事有关课题的研究，为了便 于开展电能质量评价工作，国际上制定了各种电能质量标准。i e e e 制定了 i e e e 5 1 9 电能系统谐波控制规范和要求业1 ，i e e e l1 5 9 电能质量监测推荐规范聆3 。 i e c 把电能质量归为电磁兼容范畴，在i e c 6 1 0 0 0 ( 1 6 部分) 标准系列中，制定 了专门的电能质量标准，主要有i e c 6 1 0 0 0 4 3 0 电能质量测量方法1 4 j 、 i e c 6 1 0 0 0 4 7 供电系统及其连接设备的谐波与间谐波测量与仪器通用指南1 3 】、 i e c 6 1 0 0 0 4 1 5 闪变仪功能与设计规范晦1 。 在电焊机行业，焊接电源中最引入注目的是逆变焊接电源。逆变焊接电源 体积小、重量轻、节能省材而且控制性能好，动态响应快，易于实现焊接过程 的实时控制。但由于逆变焊接电源中部分非线性器件的使用，例如硅整流元件、 大功率晶体管( g t r ) 、场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 等，导 致逆变焊接电源对电网造成了严重的谐波污染。逆变焊机的谐波干扰问题包括 两个方面。 一是高频谐波问题，目前逆变焊机多采用硬开关方式，作为一种高频开关 电源，在功率元件开关过程中不可避免的产生电磁干扰( e m i ) 和射频干扰( r f i ) ， 谐波的危害是十分严重的。这些高频干扰不仅对供电系统，通讯系统和数字控 制系统造成干扰，而且对电焊机自身也会产生干扰。 二是低频谐波问题，目前国内的许多逆变焊机生产厂商对自己产品的功率 因数有意或无意报的很高。由于逆变焊接电源对电网来说，本质上是一个大的 整流电源。逆变电源的输入电流波形是一种尖角波，畸变严重。功率因数应该 是位移因子和畸变因子的积。如果只考虑了位移因子而忽略畸变因子，功率因 数的评价将不符合实际情况。实际上由于输入电流波形严重畸变，使电网中含 有大量高次谐波。高次电压、电流谐波之间存在严重相移，导致畸变因子很低。 采用一般的电流电压表测量出的功率因数只是反映了位移因子而未反映畸变因 北京t 业人学t 学硕i j 学位论文 子，这就是目前逆变焊机功率因数报的较高的原因。只有采用谐波分析方法或 采用谐波分析仪测量出来的功率因数才是逆变焊机的真正的功率因数。低频谐 波畸变问题是当前电力电子设备的一个共性问题，目前在通讯行业、家电行业 都已经引起相当的重视u 1 。 在我国，由于技术的原因，电焊机行业电磁兼容性的研究还比较少，但随 着相应标准的出台，电磁兼容性的研究将是所有焊接电源生产和研制单位不可 回避的课题。其中，谐波检测技术是电磁兼容性研究非常重要的一个方面。而 国外的谐波检测仪都很昂贵，对于使用电焊机的国内用户来说成本高，用户界 面也不友好。所以开发应用于电焊机行业的高精度，低成本，小体积，低功耗， 易于操作，用户界面友好的谐波分析仪器是非常必要也是非常有意义的。 1 2 国内外谐波分析仪的研究现状 随着对电能质量问题研究的深入，国外出现了相应的测量仪表。如：美国 f l u k e 公司的f l u k e 系列手持式供电质量分析仪，可以提供电力系统维修、 供电故障排除及设备故障诊断所需的测量值，可以分析供电系统中各次谐波的 有效值及谐波含有率，功能强大。 瑞士莱姆公司的钳性功率谐波分析仪( a n 2 0 6 0 ) ，它的特点是集电力表、 示波器、谐波分析仪和数据记录于一身，便携易用。 瑞典联合电力公司的便携式电能质量分析仪( u n i l y z e r9 0 0 f ) ，可测量记录 全部电力参数及次谐波( 至5 0 次) 、三相不平衡度和闪变等电能质量参数，谐 波测量包括电压谐波、电流谐波、功率谐波，并可判断谐波流向，对瞬间畸变 波形进行录波；带中文分析软件，可根据国标进行电能质量评估；可以通过计 算机实时显示数值、波形、频谱和相量图：体积小，重量轻，便于携带，操作方 便。 致茂6 6 3 0 功率分析仪是一种柔性设计的多功能电力测试设备，可与其他系 统整合或单片机使用，具备谐波、电压变动、多用电表、资料记录及波形显示 等五种独立的功能模块，以及可与自动测试系统整合的测试分析能力。此产品 以模块化的设计理念，提供数字信号处理( d s p ) 测试模块。每一种测试模块 均包含微处理器、内存( r o m ，r a m ，f l a s hr o m ) 与双通道1 8 位d 转换器， 使用3 2 位浮点运算方式与离散式傅立叶转换( d f t ) 软件支持，使此产品可以 快速而准确的测量电压、电流、谐波、用功功率，无功功率，视在功率，频率、 功率因数、相位角等变量。此产品是测量电压及电流谐波与电压变动的上佳系 统，其中电压及电流谐波系依据i e c 5 5 5 2 ，i e c l 0 0 0 3 2 ，e n 6 0 5 5 5 2 ， e n 6 l o o o 3 2 标准进行测试，除此之外，使用者可自行设定测量标准，对产品 第1 币绪论 进行谐波的自订规格测试懈1 。 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，不能独立于应用自行发 展，否则便会失去市场。嵌入式系统的核心部件，嵌入式微处理器的功耗、体 积、成本、处理能力和电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，这些也是各 个半导体厂商之间竞争的热点。嵌入式系统的硬件和软件设计都必须精心考虑， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，只有这样，才能在具体应用时对处 理器的选择面前更具有竞争力。嵌入式处理器要针对用户的具体需求，对芯片 配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能。由于嵌入式系统和具体应用有机地 结合在一起，具有较长的生命周期旧1 。 对于电力系统谐波分析及其它电力参数测量装置，根据测量精度要求和实 时性要求的不同，各类处理器如5 1 系列单片机，d s p 和3 2 位的m c u 都得到 了广泛的应用。文献 1 0 1 1 】中使用单片机为核心设计了电网谐波分析仪，文献 1 2 1 3 】采用d s p 实现了电力系统谐波和电力参数的测量，文献【1 4 1 6 】采用嵌入 式微控制器实现了继电保护、配网自动化或谐波测量的功能，其中文献 1 7 】、 【1 6 】中移植了嵌入式实时操作系统c o s i i 。文献 1 8 】中将3 2 位的a r m 微控制 器应用于谐波分析装置，并移植了嵌入式实时操作系统c 0 s i i ，实现了对电 力系统中谐波进行了测量。 与国外相比，我国电力系统谐波分析和测量的研究仍存在较大差距。国内 测量仪器可靠性和精度方面尚未严格考核过，主要适用于谐波测量方面，而且 谐波分析大都采用基2 f f t 算法，例如国产w f x 1 型、p s 2 型和g f x 一9 8 型等。 据统计，国内谐波测量仪，电力系统谐波幅值误差在( 1 一5 ) ，这些仪器存 在一下的缺点： ( 1 ) 处理功能较差，可扩展存储空间较小，运算速度较慢，难以运用精确的 算法进行大量的实时数据处理，不满足电力检测高实时性的要求。 ( 2 ) 电力系统中最常用的微处理器包括5 l 系列和9 6 系列等控制型器件，但 随着电力系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高，这些器件在计算能力 方面已不能很好地满足电力系统的要求，致使电力系统的高精度测量、实时监 控和先进算法的运用受到了限制。 ( 3 ) 有的产品虽然直接引进了国外的技术支持模块，功能较强，可是价格较 高，且不完全适合我国市场。 ( 4 ) 有的产品无通讯和控制输出功能，不满足电力系统网络化、自动化的发 展方向。 ( 5 ) 人机交互性不友好，没有专门应用于电焊机行业的谐波检测仪。 在过去的几十年里，单片机的广泛使用实现了简单的智能控制功能。但是 随着计算机科学与技术、信号处理理论与方法的迅速发展，需要处理的数据越 北京t 业入学t 学硕f j 学位论文 来越大，对电测仪表的实时性和精度要求也越来越高。而电能质量检测系统不 同于一般的电力基本参数测量仪器，要进行电能质量指标的计算、分析和监视， 并且要运用复杂的数学算法。如果采用常规的1 6 位单片机进行3 2 点的f f t 运 算来分析谐波，在1 2 m h z 主频下采用快速算法仍然需要0 2 5 秒左右，如采用 更加先进复杂的算法则需要的时间更长。显然，传统的单片机技术已不能满足 电力系统实时监控的需要。 a m d 嵌入式处理器l x 8 0 0 具有低耗能、高性能的优点，内存大，读写速率 高，比单片机更能满足电力系统实时监控的需求。 1 3 谐波的相关概述 1 3 1 谐波的产生 “谐波”一词起源于声学。电力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 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。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论文是早期有 关谐波研究的经典论文【l9 1 。电网中，谐波产生的主要原因有以下两方面： ( 1 ) 电源本身以及输配电系统产生的谐波。由于发电机三相绕组在制作上很 难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致等制造和结构上的原因，使得 电源在发出基波电势的同时也会产生谐波电势，但由于其值很小，一般在分析电 力系统谐波问题时可以忽略。在输配电系统中则主要是变压器产生谐波，由于 其铁芯饱和时，磁化曲线呈非线性，相当于非线性器件，饱和程度越深波形畸变 也就越严重，再加上设计时出于经济考虑，使磁性材料工作在磁化曲线的近 饱和区段，从而产生谐波电流。电源和输配电系统虽然产生谐波，但这两方 面产生的谐波所占的比例一般都很小。 ( 2 ) 电力系统负荷端的大功率换流设备和调压装置的广泛应用产生的谐 波，如荧光灯、电弧炉、变频设备、家用电器等。这些用电设备具有非线性 特性，即使供给的是标准的正弦波电压，也会产生谐波电流注入系统，给电网 造成大量的谐波，甚至会因为参数配置问题使得局部区域产生放大，由用电 设备产生的谐波所占比例很大，是电网主要的谐波源。 1 3 2 谐波的相关概念 在供电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形【2 0 1 。正弦电 压可表示为 第1 章绪论 “( f ) = 2 u s i n ( 鲥+ 口) ( 1 - 1 ) 式中i 卜电压有效值 口初相角 缈角频率，缈= 2 万厂= 2 万r 厂频率 t 周期 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为 比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电 路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压 波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正 弦波。对于周期为丁= 2 石缈的非正弦电压“( 缈f ) ，一般满足狄罩赫利条件，可 分解为如下的傅立叶级数： “( 缈f ) = 口。+ ( 口。c o s ，z 刎+ 包s i n 甩缈f ) ( 1 - 2 ) 式中 口o _ 去卜( 删m f ) 口o 2 石j ) “【刎d 【彩j 或 ”妻知咖刚删研) 吃= 去和删n 咒删( 研) ( n = 1 ，2 ，3 ，) “( 刎) = + 巳s i n ( ，z 功h 纯) ( 1 - 3 ) n = l 式中，巳、纯和、口。的关系为 c n = 届疆 = 以阳留( 口。吃) 2 巳s m 纪 瓯= 巳c o s 织 在式( 1 2 ) 或式( 1 3 ) 的傅立叶级数中，频率为1 t 的分量成为基波，频率大 于1 整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数 比。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用， 北京t 业人学丁学硕r j 学位论文 把式中“( 缈f ) 装换成f ( 缈f ) 即可。 n 次谐波电压含有率以h r u n ( h a r i l l o l l i cr a t i ou n ) 表示。 h r u 。= 告l o o ( ) ( 1 4 ) 式中 u 。第n 次谐波电压有效值( 方均根值) ； u 。基波电压有效值。 n 次谐波电流含有率以h r i n 表示。 h r i 。= 争l o o ( ) ( 1 - 5 ) l 式中 l 第n 次谐波电流有效值； 厶基波电流有效值。 本文中h r u n 称为：n 次电压谐波幅值与电压基波幅值的百分比；h r i l l 称 为：n 次电流谐波幅值与电流基波幅值的百分比。 谐波电压含量u 。和谐波电流含量如分别定义为： r - 2 酗 r - 2 荟 电压谐波总畸变率z h 晓( t o t a lh 黝o n i cd i s t o r t i o n ) 和电流谐波总畸变率 册分别定义为 觋= 鲁1 0 0 ( ) 圜= 等1 0 0 ( ) ( 1 - 6 ) ( 1 7 ) 以上介绍了谐波及与谐波有关的基本概念。可以看出，谐波是一个周期电 气量中频率大于l 的整数倍基波频率的正弦分量。 谐波次数n 必须是大于1 的正整数。n 为非整数时的正弦波分量不能称为 谐波。当n 为非整数的正弦波分量出现时，被分析的电气量已不是周期为t 的 电气量了。但在某些场合下，公用电系统中的确存在一些频率不是整数倍基波 频率的分数次波。 第l 章绪论 1 3 3 谐波的危害 在电力系统中，各种谐波源产生的谐波对电力系统造成的污染，影响到整 个系统的电器环境，包括系统本身和广大用户，其污染影响的范围和距离，可 以比作一个工厂对大气的污染，谐波污染的危害主要有i 6 j ： ( 1 ) 谐波严重污染公共电网，干扰其它用电设备，如旋转电机产生附加损耗 和发热，对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰而造成误动作等。 ( 2 ) 对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因为 负荷过电压而损坏；在三相四线制供电时，三次谐波在中线中是同相的，合成 后电流很大，而依照通常的用电安全规定，中线无保护装置，这就会使中线过 热，引起火灾事故，国内外都有这方面的教训。 ( 3 ) 造成电能计量的误差。一方面是增加电度表本身的误差，另一方面是谐 波源负荷从系统吸收基波功率而向系统发出谐波功率。这样受害的用户即从系 统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的用户 少付电费，而受害的用户多付电费。 ( 4 ) 谐波含量增加，使装置的功率因数很低，增加了前级设备的功率容量， 造成功率容量的极大浪费。 近几年来，随着电路理论和半导体器件的成熟，电力电子技术广泛用于国 民经济和日常生活当中，大到电力牵引机车、金属熔炼，小到日常生活当中的 彩电、音响等家用电器，大量采用电力电子装置，但这类装置种直流电压源大 多是由电网直接整流后，在经过并联大电容滤波得到的【2 1 】。滤波电容的引入造 成这类装置网侧电流畸变，由于这种畸变的电流在电网中分布广泛，且谐波含 量丰富，难以进行集中补偿，使电网中谐波含量大大增加，总的功率因数下降， 甚至使电网电压产生严重畸变。谐波已经成为一种电力公害，逐渐引起了人们 的关注。专家预测，下一个世纪电力电子技术的研究热点将从本世纪的“变电 研究转为“配电”研究。 国际电工委员会( i e c ) 和国际电气与电子工程师协会( i e e e ) 都成立了专门 的工作小组，制定了电力系统与电工产品的谐波限制标准( i e c6 1 0 0 0 3 2 和 i e e e5 1 9 1 9 9 2 ) 【2 2 】。从1 9 9 6 年起，这两个标准在欧共体国家已经具有法律效 力。我国自1 9 9 8 年起也已经开始制定用电设备谐波的限制标准，而且在家电行 业、邮电通讯行业已经开始实施。如果将来强制执行谐波限制标准，现在生产 和使用的逆变焊机，绝大部分属于不合格产品。 北京t h p 人学t 学硕i j 学位论文 1 4 虚拟仪器的开发技术介绍 虚拟仪器的起源可以追溯到2 0 世纪7 0 年代，那时计算机测控系统在国防、 航天等领域已经有了相当的发展。p c 机的出现使仪器的计算机化成为可能。在 仪器计算机化领域中，n i 公司走在了前列，甚至在m i c r o s o r 公司的、m n d o w s 诞生之前，n i 公司已经在m a c i n t o s h 计算机上推出了l a b v i e w2 o 以前的版 本。对虚拟仪器和l a b v i e w ( 1 a b o r a t o r yv i n u a li n s t n l m e n te n 西n e 舐n gw o r k b e n c h ) 长期的、系统的和有效的研究开发使得n i 公司成为业界公认的权威驯。 虚拟仪器( v i n u a li n s t n l m e n t ) 是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结 合是目前仪器发展的一个重要的方向。粗略地说，这种结合有两种方式。一种 方式是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机 功能的同益强大以及其体积的同趋缩小，这类仪器的功能也越来越强大，目前 已经出现含有嵌入式系统的仪别2 4 1 。另一种方式是将仪器装入计算机，以通用 的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种 方式。图1 1 反应了常见的虚拟仪器组建方案。 被 信 数 数 测 号 据 据 一 采 h 对 调 rr 处 集 理 象 理 卡 图卜1 常见的虚拟仪器组建方案 f i g 1 - lc o m m o nf o mo f 、，i r m a li n s t m m e n tp m g r 锄 虚拟仪器的主要特点有： ( 1 ) 尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 ( 2 ) 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能强 大的仪器。 ( 3 ) 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统，其研究中涉及 的基础理论主要是数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广 泛的计算机语言和开发坏境是美国n i 公司的l a b v i e w 。 1 5 电磁兼容中对弧焊电源谐波标准的要求 作为一种典型的大功率电力电子装置，弧焊电源多使用在电磁环境恶劣的 工业环境中，工作时会产生大量的电磁骚扰，不仅会干扰同一环境中的设备， 第l 章绪论 而且还会降低电网供电质量。同时，随着高速开关器件和数字电路的广泛应用， 弧焊电源的电磁兼容问题也越来越严重。我国进入w t o 以后，由于标准体系 不够完善，准入制度宽松，国外弧焊电源大量涌入我国市场，对本土弧焊电源 生产厂商造成了巨大的冲击，而我国弧焊电源在出口时则常常遭到外国技术壁 垒的限制。2 0 0 9 年我国将依据i e c6 0 9 7 4 1 0 为蓝本出台弧焊电源电磁兼容性要 求国家标准，将进一步规范国内弧焊电源市场，提高我国弧焊电源的科技含量、 生产水平和市场竞争力引。其中对弧焊设备谐波污染的有关具体要求如下心6 。蚓。 ( 1 ) 单相的弧焊设备，输入电流i l m a x 1 6 a ，谐波最大允许谐波电流限值为 下表1 1 的1 5 倍。 表卜1 输入电流1 1 m a x 1 6 a 的非专用设各最大允许谐波电流限值 t a b l el lt l l em a x i m 啪a l l o w a b l el i m i t sh a n n o n i cc l | r r 朗to f n o n s p e c i a ld e 、，i c e s ( i i l p u tc i 】l t i l m a x s1 6 a ) 奇次谐波 3 3 4 5 51 7 l 7i 1 6 9 0 6 0 l lo 5 0 1 30 3 2 1 5 n 3 9o 2 3 1 5 n 偶次谐波 21 6 2 4o 6 5 6o 4 5 8 n 4 00 3 5 8 n ( 2 ) 单相的弧焊设备，输入电流i l m a x s 7 5 a 的电流谐波限值要求如表l - 2 所示。 表卜21 1 m a x 7 5 a 的专用设备的电流发射限值( 三相平衡设备除外) t a b l el - 2t h em a ) 【i i i l u ma l l o w a b l el i m i t sh a 衄伽i cc u n n to fs p e c i a ld e v i c e s ( i n p u tc l l 嗍l ti lm 腿 57 5 aa i l de x c 印tf o rm r e ep h a s ee q u i p m 铋t ) 最小r s c e允许昀单个谐波电流i ri l 允许的谐波电流畸变率 1 31 5 1 7 1 9i l j1 1 3 t h dp w h d 3 32 1 61 0 77 23 83 122 32 3 6 62 41 3 8 5 432 6 2 6 1 2 02 71 5 l o 6 543 0 3 0 2 5 03 52 01 39864 04 0 3 5 04 12 41 51 2l o84 74 7 北京t 业人学丁学硕 j 学位论文 注l ：1 2 次以下的偶次谐波电流不能超过1 6 n 。火十1 2 次的偶次谐波用与奇次谐波相i 叫方法计入t h d 和p 硼d 值。 注2 ：允许相邻的r s c e 各值之间采用线性捅值。 i 。= 基波电流；i n = 各次谐波电流 ( 3 ) 三相的弧焊电源，输入电流在i l m a x 冬7 5 a 时的电流谐波值和t h d 、 p w h d 的限值要求如表1 3 。 表1 31 1 m a ) 【7 5 a 的专用三相平衡设备在特定条件下的电流发射限值 t a b l e1 3 l em a x i m u ma l l o 眦b l el i m i t sh a n i l o n i cc l l 瞅m to fs p e c i a ld 鹏e - p h a s e d e 啊c e s ( i n p u tc l l r r e i l t1 1 m a 】【s7 5 a ) 最小r s c e允许的单个谐波电流i n i l 允许的谐波电流畸变率 1 5 1 7 i l l1 1 3 t h dp w h d 3 3l o 77 23 121 32 2 1 2 04 02 51 51 04 84 6 注l ：1 2 次以下的偶次谐波电流不能超过1 6 n 。大于1 2 次的偶次谐波用与奇次谐波相同方法计入t 叻 和p 删d 值 注2 ：允许相邻的风c e 各值之间采用线性插值。 i 。= 基波电流；i n = 各次谐波电流 满足以下的任何一个条件时，可用表1 3 的限值( 带三相平衡设备) 。 a ) 5 次谐波电流相对于基波电压相角在9 0 0 1 5 0 0 ( 注：这种情况通常针对于采用有不 可控整流和电容滤波的设备，包括3 交流或4 直流的电抗) 。 b ) 设备的自身设计导致5 次谐波相角在o 3 6 0 。的范围内没有一个固定的值( 注：这 种情况通常针对于带有晶闸管全控整流的设备) 。 c ) 5 次和7 次谐波电流都小于基波电流的5 ( 注：这种情况通常针对于“1 2 脉波” 设备) 。 1 6 本课题主要研究内容 本文针对弧焊电源对电网的谐波影响，研究一台基于l a b v i e w 的专门应 用于电焊机行业的嵌入式谐波检测仪，做的工作主要有： ( 1 ) 分析比较了各种算法对频谱分析的影响，确认加窗插值的f f t 算法对谐 波进行频谱分析可以满足测量分析的要求。 ( 2 ) 研制出谐波分析仪样机。该仪器的软件采用l a b v i e w 图形化编程语言 1 0 第l 章绪论 和开发环境，硬件部分的主板用a m d l x 8 0 0 和n i 公司的u s b 一6 2 1 0 采集卡。 该仪器实现的功能有：实时检测电焊机网侧三相电流、电压波形和他们的有效 值和t h d ，p w h d 三相有功功率和功率因数等参数；分析网侧电流和电压的谐 波频谱分布，根据标准可分析不少于5 0 次谐波，测量的结论可自动存档；可根 据保存在数据库中的数据设定比较当前测量的值是否超标；可以复现己存档的 数据。 ( 3 ) 用研制出的谐波分析仪分别对不同的电焊机进行谐波分析和比较，其中 有三相和单相的晶闸管焊接电源，三相和单相的逆变焊接电源，带有l d c 滤波 的三相逆变焊接电源。 北京t 业人学t 学硕f ：学位论文 第2 章谐波分析仪的算法设计 在本分析仪中涉及的算法包括：周期非正弦信号有效值算法、三表法测三 相有功功率算法、非正弦信号功率因数算法、畸变率t h d ( t o t a lh 锄o n i c d i s t o n i o n ) 、部分加权谐波畸变率p w h d ( p a r t i a lw d 曲t e dh a m o n i cd i s t o n i o n ) 和 各次谐波的频谱分析算法。其中最为复杂的是计算各次谐波的频谱分布，其他 算法一般采用离散信号的积分算法和离散信号的均方差算法即可以求取，而谐 波分布是涉及到时域到频域的转换，运算量大，算法设计不当容易出现较大误 差。为了提高测量精度，进行了算法优化。 电力系统的谐波分析，通常都是通过快速傅立叶变换( f f t ) 实现的。然而由 于很难实现同步采样和采样数据的整数倍截断，f f t 谐波检测结果存在栅栏效 应和频谱泄露现象，使检测出来的频率、幅值和相位不准，无法满足电力系统 谐波测量的要求。为提高谐波检测的精度，可以通过加窗函数来减少频谱泄漏 和通过插值修正来减小栅栏效应。很多文献对加窗插值的f f t 算法进行了研究。 如文献 3 7 提出基于b l a c k m a n h 枷s 窗的算法和分析电力系统谐波；文献 3 8 提出了一种基于矩形卷积窗的f f t 修正算法。本课题采用了基于 b 1 a c k m a l l h a r r i s 窗的插值算法。 2 1 功率和谐波测量原理 对电力参数进行测量的内容包括交流电流、电压的有效值，有功功率，无 功功率，视在功率，功率因数，畸变率t h d ( t o t a lh 锄o n i cd i s t o r t i o n ) ，部分加权谐 波畸变率p w h d ( p a r t i a lw e i g h t e dh 嬲n o n i cd i s t o r t i o n ) 等，并利用f f t 算法计算出的谐 波分量。 ( 1 ) 有功功率p 正弦波情况下，有功功率为p = c o s 缈，但在电流、电压含有各种谐波的 情况下，此时的有功功率为p =