（电力系统及其自动化专业论文）中频电源的仿真与分析.pdf

a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs t e e li n d u s t r yi n r e c e n ty e a r s ，t h eh i g h - p o w e r i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c y i n d u c t i v es t o v e s a r e a d o p t e d i n s t e e l - m a k i n gf a c t o r y m e d i u m 一矗e q u e n c yp o w e rs u p p l ya si t sm a i nc o n s t i t u e n ti sw i d e l yu s e d i tc a nr e d u c e t h e p o l l u t i o no fs t e e li n d u s t r ya n de n e r g yl o s e s ，i m p r o v e s t e e lw o r k e r sw o r k i n g c o n d i t i o n sa n dc r e a t eh i g h e re c o n o m i ce f f i c i e n c ya n dt h es o c i a le f f i c i e n c y o nt h eo t h e r h a n d ，a sar e s u l to fn o n - l i n e a r i t yo ft h er e c t i f i c a t i o na n di n v e r s i o ne q u i p m e n t ，m a s s i v e h a r m o n i c sa p p e a r si nt h ee l e c t r i c a ln e t w o r k ，t h es e c u r i t yo fe l e c t r i c a le q u i p m e n ta n d e l e c t r i c a ln e t w o r ki st h r e a t e n e d u s e r se c o n o m i ce f f i c i e n c yi sa l s oi n f l u e n c e d t h u s ，i t i se x t r e m e l yn e c e s s a r yt oc a r r yo nt h et e s ta n dr e s e a r c ht o w a r d sm e d i u m f r e q u e n c y p o w e rs u p p l y sh a r m o n i c s e a c hc o n s t i t u e n to fm e d i u m - f r e q u e n c yp o w e rs u p p l yi si n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l yi n t h i st h e s i s m e d i u m f r e q u e n c yp o w e rs u p p l y sp r i n c i p l e ，b a s i cc o n c e p t sa n da n a l y t i c a l m e t h o do fh a r m o n i c sa n di t sd a m a g i n gt op o w e rs y s t e ma r ei n t r o d u c e d c h a r a c t e r i s t i c h a r m o n i cc u r r e n t so f6 - p u l s a t i n ga n d1 2 - p u l s a t i n gr e c t i f i e ra f ed i s c u s s e d t h ec u r v e s w h i c hi n d i c a t er e l a t i o n sb e t w e e nt r i g g e ra n g l e ，c o m m u t a t i o na n g l ea n dc h a r a c t e r i s t i c h a r m o n i cc u r r e n tr a t i oa r ep r e s e n t e d c o m m u t a t i o n a n g l e sc h a n g ec a u s e db y t r a n s f o r m e r sl e a k a g ei n d u c t a n c ei sa n a l y z e d ，w h o s er e l m i o nc u r v e sa r ea l s og i v e n ，t h e c o n c l u s i o ni n d i c a t e st h a tw i t ha p p r o p r i a t ei n c r e a s i n go ft r a n s f o r m e r 7 sl e a k a g e i n d u c t a n c e ，t h ep r o c e s so fc o m m u t a t i o ni sp r o l o n g e da n dh a r m o n i cc o n t e n to fi n p u t c u r r e n t si sr e d u c e d t a k i n gf r o mt r i g g e ra n g l eo fr e c t i f i e rc a na l s od e c r e a s et h et o t a l h a r m o n i cr a t i oo fi n p u tc u r r e n t s m o d e lo fm e d i u m f i e q u e n c yp o w e rs u p p l yi sc o n s t r u c t e dw i t hs i m u l a t i o ns o f t w a r e o fm a t l a b s i m u l a t i o n sa b o u ti n p u tc u r r e n t sa r ed o n et i m ea f t e rt i m et h r o u g h a d j u s t i n gt r a n s f o r m e r sl e a k a g e i n d u c t a n c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a t i n c r e a s i n gt r a n s f o r m e r sl e a k a g ei n d u c t a n c ec a ni m p r o v ew a v e f o r mo fi n p u tc u r r e n t s o b v i o u s l y , w h i c hc o i n c i d e sw i t ht h ef o r e g o i n ga n a l y s i s 一t i i no r d e rt og r a s pt h eh a r m o n i cc u l l e n t si n j e c t e db ym e d i u m f l e q u e n e yp o w e r s u p p l ya c c u r a t e l y , h a r m o n i c t e s t s a r ec a r r i e do nt o w a r d st h e8 0 0 0 k w m e d i u m f r e q u e n c yp o w e rs u p p l yo fh e n a nj i n h u is t e e lp l a n t i t sf r e q u e n c ys p e c t r u m a n dt e s t e dd a t u ma r e p r e s e n t e d a c c o r d i n g t ot h eh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c so f m e d i u m f r e q u e n c yp o w e rs u p p l y , s o m es u g g e s t i o n sa b o u ts u p p r e s s i o no fh a r m o n i c s a l e p u tf o r w a r d t h eh i g l l p o w e rm e d i u m - f r e q u e n c yp o w e rs u p p l yi st h em a i nh a r m o n i cs o u r c ei n p o w e rs y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h es p r i n g h e a do f t h em e d i u m f r e q u e n c yp o w e rs u p p l yi s a n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e st h et e c h n i c a ls u p p o r t f o rt h eh a r m o n i cs u p p r e s s i o n t h e c o n c l u s i o nh a st h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo ni m p r o v i n gm e d i u m f r e q u e n c yp o w e r s u p p l y sp e r f o r m a n c ea n ds u p p r e s s i o no fh a r m o n i cp o l l u t i o n k e yw o r d s ：m e d i u m f r e q u e n c yp o w e rs u p p l y ；h a r m o n i c sa n a l y s i s ：t r i g g e ra n g l e c o m m u t a t i o na n g l e ；s i m u l a t i o nb a s e do nm a t l a b m 1 1 课题的背景 1 绪论 中频感应加热装置在工业中的应用已有8 0 多年的历史，以前人们是采用磁性 静止变频器( 一般为5 0 0 h z 以下) ，中频发电机组及高频电子管振荡器等产生不同 频率的感应电流对工件进行加热。1 9 5 7 年美国通用电气公司开发的晶闸管开启了 电力电子学的大门。由于这种半导体器件具有效率高、控制性能好、寿命长、体 积小等优点，迅速获得了广泛的应用和发展。1 9 6 6 年瑞士b b c 公司成功研制成感 应加热用的晶闸管中频电源，很快取代了传统的中频发电机组，成为中频感应加 热设备发展的主流。此后，世界各国都在大力发展这类变频装置j ”。 近年来，随着我国钢铁工业的发展，炼钢企业陆续开始采用大功率的中频炉 炼钢，所以，中频电源作为其生产装置的主要组成部分而得到了广泛的应用。中 频冶炼技术应用于炼钢行业，一方面减少了钢铁行业的污染和能源损耗，改善了 钢铁工人的工作环境，产生了较高的经济效益和社会效益；另一方面，由于中频 电源整流和逆变设备的非线性，使得电网中出现了大量的谐波，通常把这些非线 性负荷称为谐波源。由于谐波源的作用，使用电设备和电网本身的安全都受到威 胁，电力用户的经济效益也会受到影响。谐波对公用电网和其他系统的危害大致 有以下几个方面j 1 吼a ) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了 发电、输电及用电设备的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至 发生火灾。b 1 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损 耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容 器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。c ) 谐波会引起公用电网中 局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使其对电网中各种元件和电 气设备的危害增加，甚至会引起严重事故 4 1 。d ) 谐波会导致继电保护和自动装置的 误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。c ) 谐波还会对邻近的通信系统产生干扰， 轻者产生噪声，降低通信质量；严重时将导致信息丢失，使通信系统无法正常工 作。因此，中频电源谐波污染问题已引起国内外学术界和工程界的高度关注【5 一。 对中频电源谐波问题的研究，将有助于我们深入理解换流装置谐波产生的机 理，有利于我们研究对中频电源的无功补偿和谐波抑制方法，有针对性地制定滤 波和无功补偿方案，从而减小中频电源对电网的谐波污染，改善电网的电能质量。 1 2 中频电源发展概况及趋势 中频感应加热技术是通过电磁感应原理及利用涡流对工件进行加热。由于感 应加热具有加热速度快、物料内部发热效率高、加热均匀且具有选择性、产品质 量好、几乎无环境污染、可控性好及易于实现生产自动化等一系列优点，因此近 年来得到了迅速发展 7 1 。 目前，感应加热已广泛应用于铸造熔炼、锻造毛坯加热、金属表面热处理、 铝电解等行业中。以上这些行业中的传统加热方式大多是以煤、油、气为能源或 箱式电炉加热，存在能耗高、劳动条件差、环境污染严重、工艺质量难以控制等 缺陷，严重制约了我国装备制造业的发展。因此，全面推广感应加热技术，是改 造我国传统产业的必然趋势，而此技术的发展与感应加热电源的水平密切相关。 1 2 1 感应加热电源的发展概况 从1 8 3 1 年发现电磁感应现象至今已有一百多年，电磁感应原理已经广泛应用 于电动机、发电机、变压器和无线电通信等方面，对它的作用也有了越来越多的 认识。早期人们认为电路、磁路中的热效应都是有害的，一般的研究都是尽量减 小涡流发热。直到十九世纪末，在瑞典人k j e l i n 等提出涡流理论和能量由线圈向 铁芯传输的基础上，才有了感应加热炉用于金属冶炼，人们开始认识到涡流效应 的应用价值。 常用的感应加热中频电源设备有三种：中频发电机组、静止式电磁倍频器和 晶闸管中频装置。在感应加热方面，较早问世的是中频发电机组，诞生于上世纪 二十年代初期。静止式电磁倍频器于上世纪初在国外出现，但是直到五十年代才 被应用于感应加热。由于种种原因，我国几乎没有发展这类感应加热电源设备。 直到世界上第一只晶闸管问世，各国才相继开始研制晶闸管静止变频器。它是一 种将三相工频电源转变为单相中频电源的晶闸管装置。1 9 6 6 年瑞士的一家公司制 造出第一台功率7 5 0 k w 、频率1 0 0 0 h z 的晶闸管中频电源装置。与此同时，西德通 用电气公司也制造出8 4 0 k w 、频率5 0 0 h z 的晶闸管中频电源装置嘲。此后，世界 各国都在大力发展这类变频装置【9 1 4 1 。1 9 9 3 年西班牙报道了3 6 0 0 k w 1 0 k h z 的 i g b t 电流型感应加热电源，1 9 9 4 年日本研制出1 2 0 0 k w 5 0 k h z 的i g b t 电流型感应 加热电源。 我国在上世纪六十年代末期开始研究晶闸管中频装置，浙江大学在1 9 7 1 年就 研制出了1 0 0 k w 、频率1 0 0 0 i - i z 的晶闸管中频电源装置【1 5 以7 1 。此后，一些高校、科 研院所和工业企业也加入了研究行列，使中频电源形成了系列化。目前国内已经 形成4 0 0 h z 一8 0 0 0 i - i z ，功率为1 0 0 k w 一1 2 6 0 0 k w 系列产品，可以配备2 0 t 以下的熔 炼炉，也适用于各种金属透热、表面淬火等热处理工艺。 对于感应加热电源，一般将5 0 0 h z 以下称为低频，主要用于大功率的金属熔 炼；0 5 1 0 k h z 称为中频，主要用于中大容量的金属熔炼、铸造透热、金属热处 理等：2 0 7 5 k h z 称为超音频，主要用于齿轮、链轮、凸轮等淬火和其他表面热 处理；1 0 0 k h z 以上称为高频，主要用于焊接和表面热处理。 1 2 2 感应加热电源的发展趋势 感应加热电源的发展水平与半导体功率器件的发展密切相关，因此随着当前 功率器件在性能上的不断完善，使得感应加热电源的发展趋势也呈现出以下几个 方面的特点j 1 8 1 。 ( 1 ) 大功率、高频率 电力半导体器件的大功率与其使用频率有着极密切的关系。早期的晶闸管和 晶体管由于受到容量与频率互相制约的影响，不能达到同时获得大功率、高频率 的效果。随着新型器件的发展，如m o s f e t 、i g b t 、m c t 等，将来的感应加热 电源必将朝着大功率和高频率两者相统一的方向发展，在这方面仍有许多应用基 础技术需要进一步研究。 ( 2 ) 低损耗、高功率因数 新型功率器件的通态电阻很小，通态压降小，所以损耗首先表现在基极或者 3 门极驱动电路的损耗上。随着功率器件的发展，再加上驱动电路的不断完善和优 化，使得整个装置的损耗明显降低。另外，由于感应加热电源一般功率都很大， 随着对电网无功要求的提高，具有高功率因数的电源是今后的发展趋势。目前谐 振技术的引入，一方面降低了电源中开关器件的开通和关断损耗，同时利用锁相 技术将逆变器的工作频率锁定在负载的固有谐振频率内，使得该电源始终运行在 功率因数接近1 0 的状态。 ( 3 ) 应用范围扩大化 采用感应加热方法对锻造钢坯透热，节水节电且无污染；在铸造熔炼方面可 以实现普通钢、特种钢、非铁金属材料的精细熔炼，同时可提高效率、无污染且 金属成分可控；用于焊接时效率商，对被焊母材无损伤，适用于精度高、批量大 的工件和大体积母材的局部焊接及各类金属管材的焊接；各类零部件的表面热处 理也大量采用感应加热方法；钢塑材料制造、铝塑薄膜加工以及食品工业、医药 工业的封口工艺也大量采用感应加热方法。 “) 集成化、智能化 集成化、智能化主要是针对感应加热电源的控制部分，采用智能化与复合化 的集成电路将使元器件数量减少，可以降低成本，电路本身具有的诊断与保护等 功能也提高了可靠性。随着感应加热生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求 的提高，感应加热电源正朝着智能化、集成化控制方向发展，高度集成化以及全 数字化感应加热电源正成为下一代发展目标。神经网络与模糊控制是当前两种主 要的智能控制技术，它们既有共性又有互补性，两者的结合成为当今智能控制领 域的研究热点。 1 3 本文的主要工作 本文阐述了中频电源的工作原理，并以此为基础利用m a t i a b 构造了中频电 源的仿真模型，研究了其整流变压器漏电抗对晶闸管整流器换相的影响，分析了 不同触发角和换相重叠角对系统电流谐波含有率的影响。最后通过仿真和实测验 证了结论的正确性。本文的主要工作有以下几项： ( 1 ) 简述了中频电源的工作原理、谐波的基本概念、谐波的分析方法和谐波对 电力系统的危害。 4 ( 2 ) 研究了中频电源产生谐波的机理，分析了6 脉动和1 2 脉动整流器的特征谐 波电流，绘制了其特征谐波电流含有率和触发角、换相重叠角的关系曲线，分析 了变压器漏电抗对换相重叠角的影响，并给出了它们的关系曲线。研究结果表明， 适当增大整流变压器的漏电抗可以延长换相过程，从而降低网侧电流的谐波含量， 减小整流电路触发角也能够降低网侧电流的总谐波畸变率，当变压器漏电抗一定 时，电流总谐波畸变率随触发角的增大而增大。 ( 3 ) 利用m a t l a b 构造了中频电源的仿真模型，并在模型的基础上研究了其整 流变压器漏电抗对晶闸管整流器换相的影响，以及不同触发角和换相重叠角对系 统电流谐波含有率的影响，仿真结果与实测数据基本吻合。 ( 4 ) 为了更准确地掌握中频电源注入电网的谐波水平，对河南金汇钢厂的 8 0 0 0 k w 中频电源进行了谐波测试，给出了其电流的实测数据和频谱，并根据该中 频电源的谐波特征提出了谐波治理的一些建议。 2 中频电源的工作原理与结构 2 1 中频电源的工作原理 中频感应加热炉是一种快速稳定的金属加热装置，它靠变频装置把三相工频交 流电转变为单相中频交流电。中频电源是中频炉的核心设备，其采用整流加逆变 ( 即a c d c - a c ) 变换方式，先将电网提供的5 0 h z 交流电流由桥式整流电路整为 直流，经过滤波，然后再通过逆变装置为负载提供中频电流( 5 0 0 1 0 0 0 0 h z ) ，该 电流在熔炉的感应线圈中产生中频交变磁场，使熔炉中的炉料产生感应电动势， 从而在炉料中产生涡流，致使炉料被加热升温，直至熔化。其电路框图如下： 电 整 滤逆 负 斗 流 斗 波 变 源载 器器器 图2 1 可控硅中频电源框图 f i g 2 1t h ef f a r l l eo fi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yi n d u c t i v es t o v e 与旋转式机组变频相比，a c d c - a c 变换方式具有易于实现自动控制、输出电 压波形好、频率精度高、机械噪声低、变换效率高、使用寿命长等优点。因此， 近年来可控硅中频电源在炼钢领域得到了广泛的应用i ”! 。 可控硅中频电源主要分为主电路和控制电路两部分。 a ) 主电路包括整流电路、逆变电路和负载三部分。整流电路采用可控硅三相全 控整流桥，整流变压器低压侧的三相交流电源经过三相全控桥整流输出为直流， 再经过逆变电路逆变输出为单相中频交流电，然后提供给负载电路。 b 1 控制电路是由整流触发、逆变触发、自动调节、稳压电源和保护等组成，控 制电路是中频电源的核心部分，它决定了整套设备的工作方式。 0 中频炉的特点是在接近满载状态下功率因数极高，可达0 9 ( 甚至更高) ，但 在负载较轻时功率因数较低，仅为0 5 左右，一般其平均功率因数较高：1 0 0 0 k w 以下的中频装置通常采用6 脉动整流，1 0 0 0 k w 以上的中频装置根据容量大小，可 采用1 2 脉动或2 4 脉动整流；中频电源对电网的影响主要是谐波电流、电压波动 和闪变。 2 2 中频电源的结构 中频电源从早期的中频发电机组发展成为可控硅式变频电源，如今经过不断 开发完善成为目前新一代变频电源装置。 中频电源主要包括整流变压器、可控硅整流器、续流二极管、逆变器以及联 结整流器与逆变器的直流电抗器，还有相应的控制回路和保护回路【，2 1 1 。其简化 的电源主电路如图2 1 所示。 图2 2 中频电源主电路图 f i g2 2 m a i nc i r c u i to fm e d i u m - f r e q u e n c yp o w e rs u p p l y 2 2 1 变压器与整流装置 中频电源的可控硅整流装置能够产生大量的高次谐波电流，可以把它看成是 一个谐波源。为了减少其谐波危害，对其整流装置的设计采取增加整流脉动数作 为抑制谐波的主要措施瞄1 。通常情况下，对于1 0 0 0 k w 以下的中频电源装置采用6 脉动整流，其产生的谐波主要为酞1 ( 七为正整数) 次的特征谐波电流；而对于 1 0 0 0 k w 以上的中频电源装置根据容量的大小，可采用1 2 脉动或2 4 脉动整流i 纠。 对于1 2 脉动整流电路，它是由两组6 脉动的三相桥并联组成。两组桥的交流侧分 别接到三绕组变压器的两个二次绕组上，一个绕组是星型接法，另一个是三角形 接法，两者线电压相位差为3 0 。当两组桥同步控制，使两组整流桥得到相同的 触发角，经过分析可得来自两组整流桥的5 次和7 次谐波电流将在变压器的一次 侧相互抵消。同样1 7 次和1 9 次谐波电流亦相互抵消，这时网侧的最低次特征谐 波将是1 1 次和1 3 次谐波，接下来就是2 3 次和2 5 次谐波了。其变压器一次线电 流的波形是三阶梯形，更接近正弦波。 接线方式如图2 3 所示： + 流输出 图2 31 2 脉动整流电路 f i g2 31 2 - p u l s a t i n gr e c t i f i e r 如图2 _ 3 ，电网提供频率为5 0 h z 的三相电源，经过整流器整流变成直流电压。 整流部分由两组共十二个可控硅组成，通过门极信号控制其导通与关断。正常工 作时，整流器内的可控硅轮流导通，通过改变可控硅的触发角，就可以将直流电 压平均值从零调到最大。 2 2 2 直流电抗器、续流二极管 如图2 2 所示，在直流电路上设有一个较大容量的滤波电抗器，可以减少直流 电流中的纹波量，从而使流入逆变器的电流是稳定的直流电流。 续流二极管位于整流器的两端。当整流器中的可控硅关断时，续流二极管可 - 8 - 使直流电抗器中储存的能量循环流通。在整流器的两端再并联一个放电电阻，和 续流二极管配合使用，为电抗器中的能量释放提供路径。如果没有这条路径，储 存在电抗器中的能量将会破坏性的泄放。 2 2 3 逆变器 ( 1 ) 逆变电路的谐振方式 根据逆变器与谐振回路的连接形式，可分为并联型逆变器和串联型逆变器【2 4 1 。 并联型逆变器( 电流型) 一般具有一个产生可变直流电压的整流器、一个直 流电抗器和一个单相全桥逆变部分，其高频输出同炉子线圈相连，线圈两端接有 并联补偿电容。典型的简化电路如图2 4 所示： 交f i ! 也 负载 ! 图2 4并联型逆燹电路 f i g2 4 i n v e r t e ri ns h u n tc o n n e c t i o n 串联型逆变器( 电压型) 一般具有一个固定直流输出电压的整流器，和一个 较大的直流电容，此电容向逆变部分提供了一个低阻抗的电压源。逆变部分使用 单相半桥逆变方式，电源输出连接到与补偿电容相串联的炉子线圈上。其典型的 简化电路如图2 5 所示： 交 图2 5串联型逆变电路 f i g2 5 i n v e r t e ri ns e r i e sc o n n e c t i o n ( 2 ) 逆变器的工作原理 由大功率可控硅组成的单相半桥逆变电路，将直流电能转换成中频交流电。 逆变器电路的核心器件是可控硅，它们能用能量相对比较小的门极脉冲信号来控 制几千安培电流的高速电子开关，而逆变器的输出频率就取决于这些可控硅触发 的速率。 图2 6 为串联逆变电路的工作过程。其直流电源( 图中未画出) 是三相工频电 源经过整流滤波后得到的，且直流电压连续可调，图中标有电压和电流的方向。 ( a )c o ) 图2 6逆变器的工作过程 f i g2 6 o p e r a t i o np r o c e s so fi n v e r t e r 如图2 6 所示，中频电源的逆变电路采用单相半桥逆变方式，如果使可控硅 v t l 和v t z 以中频轮流导通，便可将直流电逆变为中频交流电，从而实现对负载的 加热。对于中频炉而畜，其负载回路可以用一个由电感线圈和小电阻串联组成的 1 0 电路来模拟1 2 5 i 。 逆变电路在一个周期内的工作过程可分为两个阶段。第一阶段如图2 “a ) 所 示，可控硅：l 导通，电感中的电流通过回路对电容器c 2 充电，对电容器c 。放电， 当电容q 充电至电源电压时，电容c 1 放电至零。第二阶段如图2 6 ( b ) 所示，可控硅 v r 2 导通，电感中的电流通过回路对电容器c l 充电，对电容器c 2 放电，当电容c | 充电至电源电压时，电容c z 放电至零。经过上述两个阶段，逆变器便完成了一个 工作周期，所以负载中交变电流的频率就是两个可控硅v t l 和v 如交替工作的频 率。 2 2 4 控制电路和保护电路 中频电源除了上面所述的主电路外，还有与其对应的控制电路和保护电路。 下面对其简单介绍一下。 中频电源输出功率的调节是通过控制整流器的直流输出电压来实现的，直流 电压的大小又是靠调节整流器的触发角来实现的，所以中频电源的输出功率最终 是通过整流器触发角来控制的。而对中频电源输出频率的控制则是通过改变逆变 电路可控硅的开关速度来实现的。 至于电路的保护主要是可控硅的保护。可控硅虽然有很多优点，但是它承受 过电压、过电流的能力较差，很短时间的过电压和过电流就会把器件烧坏。为了 使器件能够长期地可靠运行，除了合理选择可控硅器件外，还必须对过电压和过 电流采取恰当的保护措施1 2 6 2 8 1 + 。 首先是过电压的保护。凡是超过可控硅正常工作时承受的最大峰值电压都算 是过电压。一种是由可控硅装置的拉闸、合闸和器件关断等电磁过程引起的过电 压；另一种是由于雷击等原因从电网侵入的偶然性浪涌电压。过电压的保护以其 保护部位来分有交流侧保护、直流侧保护和器件本身的保护三部分。 a ) 交流侧过电压保护 对于雷电所产生的过电压，可在变压器一次侧接上避雷器，它主要保护变压 器。在变压器合闸的瞬间，由于一次绕组和二次绕组之间存在分布电容，一次绕 组的高压经分布电容耦合到二次绕组造成的过电压，可以采取在变压器星形中点 和地之间接一个附加电容，这样就可以显著地减小过电压。在变压器空载情况下， 1 1 当电源电压过零时，变压器的突然拉闸使铁芯内部磁通变化很大，在二次侧感应 出很高的瞬时过电压。为了限制这种过电压，通常采取阻容保护。当发生从电网 侵入更高的浪涌电压时，虽有阻容保护但仍可能突破允许值，因此，设计使用了 压敏电阻的非线性保护。它们有接近于稳压管的伏安特性，能够把浪涌电压控制 在可控硅装置允许的范围内。 b ) 直流侧过电压保护 快速熔断器熔断，或者直流侧快速开关切断过载电流时，直流电抗器所储存 的能量释放，或者变压器所储存的能量释放，都会通过导通的可控硅反映到直流 侧来，因此在直流侧也需要设置过电压保护。 其次是过电流保护，产生的主要原因有：负荷过载；可控硅装置直流侧短路； 可逆系统中产生环流和逆变失败：某一器件击穿短路，引起相邻器件过电压等。 为限制过电流，可采取以下措施： a ) 在交流侧设置电流检测装置，利用过流信号去控制触发器，使触发脉冲快速 后移或者瞬时停止发出触发脉冲，从而使可控硅立即阻断，抑制了过电流。 b 1 对可控硅串联快速熔断器，因为流过它们的电流相同，所以对器件的保护效 果最好。 2 3 本章小结 本章首先阐述了中频电源的工作原理，然后对中频电源的各个组成部分进行 了比较详细的介绍，其中包括：变压器、整流装置、直流电抗器、续流二极管， 逆变电路以及中频电源的控制电路和保护电路，为进一步研究其产生的谐波奠定 了基础。 3 中频电源的谐波分析 中频电源中的大功率整流和逆变装置都将产生大量的谐波电流，但是由于其 直流部分串联有一个大容量的平波电抗器，故可认为直流侧电流为不含任何谐波 分量的恒定直流电流，所以注入电网的谐波电流主要是由其整流装置产生的【2 9 碰j 。 在分析中频电源引起的谐波时，通常先采用一些理想化的假设条件，这样不 仅可以抓住问题的本质，而且使分析得到简化。这些简化假设是【3 6 j ： a ) 整流变压器网侧( 指整流变压器与交流系统相连接的一侧) 提供的电压为 理想的三相对称平衡系统，且电压中不含有任何谐波分量，以a 相为基准，即 h 。- d - 2 u s i n 耐； b 1 整流变压器三相结构对称，各相参数相同，并略去其电阻分量； 曲各整流阀以等时间间隔的触发脉冲依次触发，且触发角口保持恒定； 上述这些条件相当于假定整流装置交流侧处于三相对称、稳态运行情况之下。 三相电流中各次谐波之间存在一定规律，为此，只需分析a 相电流中的各次谐波 分量，而其它两相电流中的谐波就可以很容易得到。 3 1 谐波的基本概念和分析基础 3 1 1 谐波的基本概念 在理想情况下，电力系统中电压波形和电流波形均为5 0 h z 的正弦波。然而， 在实际电力系统中，电压和电流的波形往往发生了畸变，按照傅立叶级数将其展 开后，便产生了频率是基波频率整数倍的一系列正弦分量，我们把这些分量称为 电力系统谐波，简称谐波。电力系统中波形畸变主要是由两大因素造成：幻大功率 换流设备和调压装置等的广泛应用、家用电器中的电视机和调光电灯等普遍采用 晶闸管以及各种非线性负荷的增加导致波形畸变。b ) 电工设备倾向于采用在临界情 况下的设计。例如变压器为节省磁性材料，使其工作在磁化曲线的深度饱和区， 1 3 这样导致激磁电流波形的严重畸变。 由此可见，非线性负荷接至供电系统以及供电系统中本身存在的非线性元件， 是造成电力网络电压电流波形畸变的根本原因。 在电力系统中，周期电流和电压的瞬时值都随时间而变。在工程实际中，常 采用有效值来衡量电流和电压的大小。根据电路理论的定义，电流和电压的有效 值分别为： ，一占产( f 矽 ( 3 1 ) # 矿。渺( 3 - 2 ) 由此可见，周期量的有效值等于它的瞬时值的平方在一个周期内平均值的平 方根，所以有效值又称为均方根值。 在电网中，由于谐波源的作用，使电压和电流的波形都发生了不同程度的畸 变，但它们仍然具有周期性。因此，我们可以用非正弦周期函数来表示它们，将 电压和电流分别分解为傅立叶级数可得： m 。 h o ) 一弛s i n o 吖+ 吒) ( 3 - 3 ) f ( f ) 一罗珥s i n ( n a t + f l , ) ( 3 4 ) 一 上式中的m 和n 分别为电压和电流中所含谐波的最高次数，由于负荷的非线 性，所以电压和电流不一定有相同阶次的谐波分量；玑和分别为刀次谐波电压 的有效值和初相角，l 和成分别为一次谐波电流的有效值和初相角。 将式( 3 4 ) 、( 3 - 3 ) 分别代入到式( 3 - 1 ) 、( 3 2 ) 中，可得电压和电流的有效值为： u 一醑 1 一臀 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 从以上两式可以看出，非正弦周期电压和电流的有效值，等于它的各次谐波 分量( 包括基波) 有效值平方和的开方，并且与各次谐波分量的相位无关。 为了表明某次谐波分量的相对大小，通常采用该次谐波有效值占其基波有效 1 4 值的百分数来表示，这个百分数称为该次谐波的含有率h r ( h a r m o n i cr a t i o ) ，第席 次谐波电压含有率和电流含有率可分别表示为： h r u 一鲁1 0 0 ( 3 - 7 ) h r s - 孚x 1 0 0 0 - 8 ) l 从畸变波形中减去基波分量后所得到的量叫做谐波含量，谐波含量占基波分 量的百分数叫做总谐波畸变率，记为t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) ，它表明了谐波 畸变波形偏离正弦波的程度。电压和电流的总谐波畸变率可分别表示为 2 2 】； 3 1 2 谐波分析基础 观。筚舢 胁。蒸舢 ( 3 - 1 0 ) 在供电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流里正弦波形。正弦电压可 表示为： “( f ) 一f 2 u s i n ( m f + a )( 3 1 1 ) 式中u 电压有效值； a _ 初相角； 一角频率，2 # f - 等； ，频率。 弘一周期。 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。令 ，( 耐) 代表以t 为周期的电压或电流，当满足狄利克雷条件时，它可以用傅立叶级 数表示为： ，( 研) 。) + 薹h 一，s 帕膏+ 曩一) s i n n w t ) ( 3 - 1 2 ) 4 ( 0 - - 去gf 坼) 式中，4 町一兰f ，( “) s 尼倒暖( 研) ( 3 1 3 ) 一# ，) s i n n 删( 耐) n l 2 , 3 f ( m t ) 还可以表示为： ，( 耐) 。4 0 ) + 荟s l n + ) ) ( 3 - 1 4 ) 比较式( 3 1 2 ) 和式( 3 1 4 ) ，可以得出系数以) 、) 、c 0 ) 和相位) 之间的关系 为： 气，- 肛两 敛。) - a r 咖( 心，) ) 4 。，- c ( ) s 妯，0 。1 5 ) ) 一c o ) c 0 8 ) 以一l 2 , 3 在式( 3 1 4 ) 中，4 0 ) 称为，( 耐) 的恒定分量或直流分量；c ( 。) s i n ( “+ ) ) 称为基 波分量；c ( 帕s i n 0 埘+ ) ) 的频率为基波频率的整数倍，按斗的大小分别称为甩次 谐波分量。习惯上，我们将式( 3 1 2 ) 称为傅立叶级数的直角坐标形式，而将式( 3 1 4 ) 称为傅立叶级数的极坐标形式。 由于在式( 3 - 1 3 ) 的被积函数中，( 埘) 、c o s n o j t 和s i n n c o t 都是以r 为周期的周 期性函数，因此式中的积分上限和下限可以根据需要任意给定，以简化积分计算， 但是必须保持上下限之间的差仍为2 盯。 在谐波分析中经常遇到下列几种具有特殊波形的周期性函数： a ) ，( 甜) 为偶函数，满足，( 一t o t ) = ，( 耐) 。在此情况下，傅立叶级数式( 3 1 2 ) 中 1 6 只含余弦项，且4 0 ) 和气) 的计算式可以简化为： m ( o ) m 知，似矽) ) 。詈f ，( 耐) s n 耐( 耐) 0 - 1 6 ) 行1 , 2 3 b ) f ( w t ) 奇函数，满足f ( - o 瞳) z - f ( 0 1 ) 。此时，傅立叶级数式( 3 - 1 2 ) q q 只含 正弦项，且) - 0 。b 。) 的计算式可以简化为： 。知厂( 研) s i n 玎删似) 0 - 1 7 ) 月一1 , 2 , 3 c ) 如果，( “) 满足条件，( 耐+ 石) 一，( 研) ，我们将函数，( “) 称为奇对称函 数，即把函数波形沿横轴平移半个周期，然后沿横轴翻转1 8 0 。，此时恰好和原波 形重合，所以也可以称为半波对称。在此情况下，式( 3 - 1 2 ) 中只含基波分量和奇次 谐波分量，4 町和b 。) 的计算式可以简化为： 2 & n ) i 知f ( , a ) c o 鲫蒯( 耐) n ( n ) m 知f ( w t ) 咖一刎( 埘) ( 3 q 8 ) i t 一1 , 3 , 5 d ) 如果f ( m t ) 满足条件，( 耐+ 石) 一f ( o x ) ，我们将函数，( “) 称为偶对称函数， 即把函数波形沿横轴平移半个周期，恰好和原波形重合。在此情况下，式( 3 - 1 2 ) r 0 只含直流分量和偶次谐波分量，4 0 ) 、4 ) 和最。) 的计算式可以简化为： 4 0 ) l 扣f ( w t ) d ( w t ) 4 一) 。熹f ，( 甜) c o s 厅n 以( 甜) ( 3 - 1 9 ) 。知f ( w t ) s 胁删( 甜) 甩一2 ，4 ，6 在式( 3 - 1 8 ) 和( 3 1 9 ) 中，积分上下限也可以根据需要任意给定，但仍然要保持 上下限之间的差为石。 现在考虑函数，( 耐+ 岛) 与，( “) 的傅立叶级数之间的关系，其中o o 为任意常 数。显然，( 耐+ 岛) 是与，( “) 具有同一周期的周期性函数。在式( 3 - 1 4 ) 中令 t o t 一耐+ o o ，得： f ( o x + o o ) - a ( 。) + c o s i l l 【甩n 矿+ o 岛+ ) ) 】 ( 3 - 2 0 ) 比较式( 3 - 1 4 ) f f 口式( 3 2 0 ) 可知，( 耐+ 岛) 的直流分量以及基波和各次谐波分量的幅 值与，( “) 的对应量分别相等，而，( 耐+ o o ) 中基波和各次谐波的初相角则分别比 ，( “) 的对应初相角增加玎吼o - 1 , 2 ，3 ) 。这一关系虽然简单，但在谐波分析中却 非常有用【3 一。 3 26 脉动整流器的谐波电流 图3 1 为三相6 脉动整流器的示意图。图中，u 。、u b 、玑分别表示整流变压 器网侧折算到其整流侧的三相空载电压；i a 、l 、t 分别表示变压器整流侧的三 相电流；t 为变压器折算到整流侧的等值电感，即换相电感，忽略了电阻；表 示直流侧的整流电压；l 为直流侧的平波电抗器；l 表示直流侧恒定的直流电流。 v t jv 3 zv 5 j 一，l 凡 佾b 黛h 弋 r u d 厂、甜c c 岫 刈 ，r j c -_ 一 、 v 4 z v 6zv 2 z 图3 1 三相6 脉动整流器示意图 f i g3 1 s k e t c hd i a g r a mo f6 - p u l s a t i n gr e c t i f i e r 如果整流电路是不可控的，并且假定t 一0 ，则当耐一导时，阀v l 与v 6 及负 n 荷构成回路。此时直流电压即为a 、b 相电压之差“。而a 相电流和b 相电流 的幅值均等于直流电流l ，c 相电流为零a 直至耐一詈后，v 2 取代v 6 ，直流电压 变为“。，而f 4 仍等于，毛为零，等于一l 。然后按照此规律继续运行，在一 个周期内每个阀相继导通等的时间。在任何一个瞬间都有同时两个阀导通。当晶 闸管依次以触发角a 进行触发时，三