李青　马天娇

摘要：典型的谐波源主要有三种类型，即电弧型、电子开关型和铁磁饱和型，这刚好对应着电弧炉、电力电子类负荷以及铁芯变压器和电抗器三类可能导致大量谐波产生的非线性负荷。牵引类负荷和风力发电设备属于电力电子类负荷。本文以下就此三类负荷的谐波特性进行详细分析。

1、 电弧型谐波源的谐波特性

由于电弧炉炼钢在技术，经济上的优越性，近年来这种方法得到了很快的发展。根据电弧炉的容量及冶炼要求，熔炼的负载周期为2-8小时。熔炼过程的前0.5-1小时为融化期，其特征是在电极和固态原料之间形成极不稳定的电弧，该时期的三相电流大而不平衡，波动较大，向固态原料提供大量的能量使其融化;接着为包括氧化和还原过程的精练期，此时的电弧电流比较稳定，波动大为减小，只需供给补偿热量损失而使温度保持恒定的能量，所以三相电流小而比较平衡。

在炼钢的过程中交流电弧炉的电弧电流会产生非正弦畸变和各次谐波，对电网产生极大的干扰。交流电流过零后的起燃及形成电弧，伏安特性高度非线性，电流波形产生不规则的畸变。随着熔炼过程的进行，各相、各时刻的电流波形大小各不相同，电流变化大、谐波含量高、具有很大随机性。在整个熔炼周期，融化期的谐波含量大于精练期，此时电流波形的不对称还会产生较大的偶次谐波。根据实际测量和分析，电弧炉的谐波电流成分主要为2-7次，其中2、3次最大，其平均值可达基波分量的5%-10%。

2、 电力电子类谐波源的谐波特性

随着电力工业的不断发展，在电力系统中，各种不同类型、不同容量、服务于不同目的的电力电子换流设备不断得到广泛应用。由于电力电子设备中存在非线性元件，如晶体管和晶闸管等，它们大都具有开关电路的特性，其输出电压、电流往往是周期性或非周期性变化的非正弦波。电力电子设备已经成为了电力系统中的主要谐波源之一。

电力电子装置产生的谐波有特征次谐波和非特征次谐波之分。特征谐波指装置正常运行条件下所产生的谐波，非特征次谐波主要指设备异常运行条件下产生的谐波。

以三相桥式全控整流电路为例，三相桥电路中电力电子元件的导通顺序如图2-3所示，元件导通的依据是奇偶编号元件上哪两个元件承受的电压最大（奇数为正，偶数为负），则这两个元件导通。例如，当uab最大时，T1和T6导通，之后uac大于uab，这时T2代替T6导通，由于电源为三相对称电源，每个元件导通120°。

T1导通时，有ia为正矩形波的电流，当T4导通时，有ia为负矩形波的电流，正负矩形波的幅值均为恒定的直流电流Id。两个矩形波各宽120°，相距180°。對ia的波形进行傅立叶级数展开，可得：

在三相桥式全控整流电路中，交流侧的电流中仅含6k±1（k为正整数）次谐波，各次谐波的有效值与谐波的次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。而在重叠角γ = 0的情况下，α的改变仅将电流波形平移了一个α角度，电流的波形及宽度并没有发生变化，其特征谐波、谐波有效值与基波有效值的比值都不会发生变化。

3、 铁磁饱和类谐波源的谐波特性

铁磁饱和类设备主要为各种变压器和铁芯电抗器，由于铁芯磁路的饱和特性，使系统侧（电源侧）提供的激磁电流波形产生畸变。下面我们主要以变压器为例，对这类负荷的非线性特性进行分析。

变压器的励磁回路实质上就是具有铁芯绕组的电路，在不考虑磁滞及铁芯饱和状态时，它基本上是线性电路。铁芯饱和后它就是非线性的，即使外加电压是正弦波，电流也会发生畸变，饱和越深电流的畸变现象就会越严重。根据变压器的工作原理，当忽略绕组的电阻和漏抗时，变压器原边电压u1与电动势e1的瞬时方程式为：

公式 2 4

公式 2 5

式中，Em为电动势e1的最大值，ω为正弦电动势的角频率，N1为变压器原边绕组的匝数，Φ为铁芯中的主磁通，Φm为主磁通的最大值。空载时原边正弦电压产生正弦磁通，由于磁通和励磁电流为非线性的关系，所以原边电流不是纯正弦波。

图 2 4变压器磁化曲线和励磁电流对应关系

磁通Φ和它产生的励磁电流i是用铁芯的磁化曲线来表征的。由钢片叠成的没有磁滞损耗的理想铁芯的磁化曲线如图2-4所示，当原边电压u1为正弦波，变压器的铁芯主磁通Φ及其产生的反电动势e1也应该为正弦波，以使其一次侧达到电动势平衡，即 u1=-e1。主磁通Φ通过铁芯的磁滞回线由系统侧的空载电流i0激磁产生。励磁电流i0为图中所示的尖顶波，主要含三次谐波。

为了供给铁芯的磁滞损失，i0中包含了一个很小的与e1反相的正弦基波成分，造成其波形的左右扭曲。不计磁滞，纯由铁芯饱和基本磁化曲线产生的励磁电流畸变波形可以从i0波形中扣除该正弦波成分，便得到左右对成的尖顶波。因此，空载电流和励磁电流中的谐波成分相同。铁磁饱和型谐波源产生的谐波电流有以下特点：

（1）空载电流i0为对于横轴镜像对称的尖顶波，仅含有奇次谐波，以3、5、7次为主。

（2）谐波电流的大小与铁磁材料的饱和特性及设计时选择的工作点即工作磁通密度有关，前者决定饱和特性，后者决定饱和程度。磁通密度高，可以节约铁芯原材料，但会使谐波含量增大。

（3）谐波电流的大小与设备运行时的系统电压u1有关。系统运行电压越高，运行点越深入饱和区，i0的波形畸变越大，谐波含量急剧上升。夜间，系统负荷减小，电压升高，其谐波对系统影响增大。

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