发电机励磁系统的谐波抑制研究

曹 海

（东莞市中科煤气化有限公司，广东 东莞 523061）

发电机励磁系统工作时，可控硅设备会产生谐波，同时励磁装置工作电源通常由开关电源供电。这两部分产生的谐波，直接影响着发电机励磁系统的正常运行。如何抑制谐波危害，保证发电机励磁系统的正常运行，已成为相关工作人员关注的重点。

1 谐波危害

1.1 谐波能增加发电机的功率损耗。产生谐波的线路上，其电阻会随着频率的升高而增大，导致电能的损耗加大，浪费电能资源；谐波对中性线产生的危害很严重，因为中性线通常比较细，当大量谐波电流经过时，电阻加大、放热量增加，造成导线过热，极容易使导线老化而丧失绝缘能力，严重时甚至能烧损导线，酿成火灾。

1.2 电气设备的运行也受到谐波的影响。发电机运行时会出现异常情况，比如运行时噪声比较大且不规律，出现不正常的振动现象，放出大量的热导致发电机过热。谐波也能对断路器造成不利影响，谐波的存在使得断路器不能正常开断，不能及时断开故障电源，可能引发触电事故，威胁员工安全。

1.3 串联和并联谐振现象在局部系统中的出现，使得谐波放大数倍，增加了谐波所带来的危害。

1.4 谐波能干扰附近的通信系统，使通信系统中的处理器不能正常工作，降低了通信质量，甚至会使局部通信系统陷入瘫痪。

2 可控硅晶闸管谐波分析及抑制

2.1 可控硅设备产生谐波原因分析

即使可控硅整流器在理想条件下工作（三相交流系统完全对称，感抗无穷大而电抗为零），分析其电流波形可知：工作电流波形由全方波变为梯形波，说明电流波形已经发生了畸变；分析谐波可知：6 脉冲整流器，会产生5、7……次谐波电流，若换成12脉冲，仍存在11、13……次谐波电流。在实际工作中，谐波成分更加复杂，电流波形畸变程度更大，对发电励磁系统的危害也相应增大。

2.2 可控硅设备谐波的抑制策略

2.2.1 整流变压器使用Y，d（Y/△）或D，g（△/Y）接线

整流变压器使用Y/△接线方式，高次谐波电流通过副边△绕组形成环流时，因为三相相位一样，3 的倍数的高次谐波电流将在绕组的电阻上损耗掉。三次谐波磁通不会出现在变压器铁心中，原边Y 绕组感应不到相应的电流与电势。

如果使用△/Y 接线方式，三相相位一样的3 的倍数的高次谐波电流不会经过副边Y 绕组。所以，变压器铁心中产生3 的倍数的谐波磁通，原边△绕组能感应相应的电势，形成环流，绕组的电阻能损耗这部分电能。因此，使用这两种接线方式，能有效地抑制谐波。

2.2.2 增大整流相数

由于整流相数的增多，经整流后，高次谐波的含量将减少。比如采用12 相脉冲整流，5、7、17……次高次谐波含量将变少，如果采用6 脉冲整流，5 次谐波电流含量达到18.5%，而12 次脉冲整流却只有4.5%，差距明显。

2.2.3 使用调谐滤波器

将调谐滤波器安装在整流变压器原边母线上，因为对于谐波电流具有较小阻抗的特点，能针对性地吸收谐波，起到很好的抑制作用，对于负荷变化较大的可控硅设备，其谐波电流也相应地呈现快速变化的特点，可通过安装静止无功补偿装置吸收动态谐波，该装置具有吸收能力强、响应时间短、运行维护简单等优点。

2.2.4 使用带移相绕组的整流变压器

当拥有较多的可控硅整流器时，通常使用带移相绕组的整流变压器。该设备的使用，能经过移相使三台整流变压器之间的相位互差一个相等的角度，等同于形成了18 脉冲的电压波形，不仅改善了电压波形，而且减少了高次谐波含量，从而有效抑制谐波。

2.2.5 电抗器的安装

当发电系统中安装有无功补偿电容器时，通过安装与该装置串联的电抗器，能组成低通滤波器，这样能将高次谐波频率降低，从而减轻了高次谐波的危害。

2.2.6 增大供电网络的断路容量

对可控设备的供电方式进行设计时，首先考虑供电电压的合理选择，接着采取合理方式与大短路容量电网连接，或者增大整个系统的短路容量，减少了电网中谐波电流的产生。

2.2.7 控制谐波电压含量

运用电网信息化系统，对电网运行中的谐波电压含量实时监控，保证电网中谐波含量不超过相关标准，比如在11kv 电网中，谐波电压含量不得大于1.5%； 在35kv 电网中，不得大于3%。

3 励磁装置工作电源谐波分析及抑制

励磁装置工作电源由开关电源供电，所以它产生的谐波都与开关电源点的谐波有关。

3.1 开关电源谐波产生机理

3.1.1 对单相逆变电路的谐波分析

图1 单相逆变电路

电压为零时将电路开通，电流为零时将电流断开，其开、断动作不需时间，即为开关管的理想工作状态，同时设电压为E。图1 为单相逆变电路。

由图中电路可得：

其中频率与周期信号相同的分量为1 次谐波，通常称之为基波，高次谐波为周期信号的3 倍及3 倍以上。高次谐波叠加能形成方波电压，负载电流也是由各次谐波电流叠加形成的。

3.1.2 单相大功率整流器的谐波分析

正弦波因其不含谐波，可降低损耗率而提升发电机效率。对发电机进行设计时，普遍将供电电源假设为正弦波，但是实际情况中，供电电源不可能是标准的正弦波，会产生谐波，带来危害。下图为单相整流电路。

图2 单相大功率整流电路

在电路中加入一个较大的电感能使负载电流的纹波变小，近似直流。由于负载的电感电流不会突变，开关管在实际开、关时都需要时间，不可能处在理想工作状态。其负载电流如图3。

图3 单相整流负载电流

由图中可得出：i=Id（C1sinωt+c3sin3ωt+c5sin5ωt+…）

由上式可知单相整流负载电流能产生谐波。

3.2 开关电源谐波危害抑制及实验实例

3.2.1 开关电源谐波危害抑制方法

开关电源谐波危害抑制方法主要有两类： 补救性和预防性。预防性方式就是从开关电源设计要求着手，采取有效的控制方法控制开关管，但是这种方式却不能消除谐波成分。采用补救性的方式主要是为了抑制已存在谐波的成分，使用比较多的是有源和无源滤波器，其中有源滤波器在实际应用中仍存在许多困难，比如如何对谐波进行准确检测，能消除多少谐波成分等，所以运用无源滤波器比较多。

3.2.2 谐波抑制实例

图4 无源滤波器电路

图4 为设计的无源滤波器，将无源滤波器并联在电路中，选择合适的谐振点，否则不能起到抑制谐波危害的作用，如图5。选定如下参数：L1=348mH，C1=32uF，R1=6Ω，L2=180mH，C2=23LF，R2=6Ω，L3=75.6mH，C3=2.7LF，R3=10Ω。

图5 无源滤波器安装接线

使用该无源滤波器，对型号为TZ-3X100 的三相级整流凸焊机进行谐波测试。图6 为没有安装滤波器的情况下对开关电源谐波测试的结果，图7 为安装无源滤波器对开关电源谐波测试的结果。通过比较两者结果，前者谐波含量高达17%，而后者谐波含量只有2%，对比表明安装无源滤波器的效果非常明显。

图6 未安装无源滤波器电压波形图

图7 安装无源滤波器后电压波形图

4 结语

对变频器和开关电源产生谐波原因进行详细分析，通过相关实例和测试，可以知道发电机励磁系统中存在着大量的谐波，因此采取合理措施抑制谐波危害，已成为保障发电机正常安全运行的重点。总之，除了采取合理措施之外，还要对发电机励磁系统科学设计、 运行过程中出现非线性负荷时采取科学的控制措施，减轻谐波对系统的危害，降低损耗，提高系统运行的质量，提升整体的效益。

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