典型非线性负载的谐波特性分析与研究(2)

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1.1 电能质量问题及谐波

现如今提倡能源的高效利用，用户更加关注电能质量的问题。而影响电能质量的因素有很多，由电压、频率和波形来衡量电能质量的优劣。从普遍意义上来说，电压质量、电流质量、供电质量、用电质量决定着供电好坏。电能质量问题指的是用电设备故障的电压、电流、频率的偏差，包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态的过电压、波形畸变、电压的暂降、中断、暂升和供电连续性等问题。这些问题会导致正常的正弦波发生畸变，不再是对称正弦。

谐波便是导致电能质量问题的众多原因之一。谐波实际是指电路中电流频率为基波的整数倍的电量，这些谐波导致原有的正弦波发生畸变，产生电能质量问题，影响用户的日常用电[1]。

1.2 选题背景及研究意义

随着电力电子技术的飞速发展和各种非线性设备的广泛使用，电力系统中的谐波源迅速增加，给电力系统及其用户的安全、经济运行带来了严重的影响。电力系统中的谐波问题已经引起了人们的广泛关注。谐波分析的内容包括畸变波形的分析、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波补偿和抑制、谐波限制标准、谐波测量，以及在有谐波的情况下对各种电气量的测量方法等。为了有效的治理谐波，必须弄清电网中的谐波源分布和谐波特性。

1.3 典型非线性负载的主要分类

非线性负载指的是内含整流设备的负载。在电子线路中，电压与电流不成线性关系，在负载的投入、运行过程中，电压和电流的关系是经常变化的。在日常生活中，常见的典型非线性负载主要存在于工业，商业和市政服务业。常见的典型非线性负载有：可控硅电机启动器、开关电源、UPS、逆变元件、电池充电器、变频控制的电机、起重器、电梯、泵等制造过程控制、电子数据图像设备、可控灯光设备、整流器、荧光灯等等。

1.4 论文的主要工作

在此论文中将以工业中的单晶炉的直流电源，商业里用到的节能灯，和存在于市政服务领域里的高频开关电源为代表，针对这三种负载产生的谐波特性进行分析及研究。

本论文的研究内容分为以下几个步骤：文献综述

(1)研究前的理论知识准备：在建模前，首先要了解这三种非线性负载的电路组成、工作特性及其产生谐波的原理以及现如今对其研究的状况，然后对这些理论知识进行归纳总结。

(2)对三种非线性负载进行建模：根据三种非线性负载的电路，将各个元器件进行搭建，模拟成现实生活中的单晶炉电源、节能灯和高频开关电源。

(3)工作原理分析及谐波的采集:依照所搭建的电路模型分析三种非线性负载的工作原理，并采用仿真软件得出三种负载的电流波形和相应的频谱分析。

(4)工作总结：依照现场的模型研究测试，对这三种典型非线性负载的谐波特性做出总结评论，并得出治理谐波的有效方案。

2 工业领域的典型非线性负载

工业领域里的非线性负载有很多，例如电弧炉、单晶炉、抽油机、中频炉、电焊机等等。近年来，能源的有效利用和能源的环保性都备受关注，像太阳能、风能、潮汐能等清洁能源，都有着很好的发展空间。太阳能发电用的单晶硅电池便是有单晶炉生产。单晶炉是一种在氮气和氦气为主的惰性气体环境中,通过石墨加热器把多晶材料熔化,用直拉法生长无错位单晶的设备。

单晶的质量取决于温度、提拉速度和转速、保护气体的流速、坩埚跟踪速度与转速等因素。能否成晶主要取决于温度，而速度则直接影响着晶体的内在质量，而只有在晶体制作完成之后才能看出成品的好坏。在温度分布合适的热场，单晶不仅生长顺利，并且有很高的品质；而在温度分布不是很合理的热场里,单晶在生长过程中容易产生各种缺陷,影响质量，在情况严重的时候，甚至发生变晶现象，生长不出来单晶。因此为了保证生产出来的单晶品质，在生产单晶的前期，一定要根据当地生长设备，配置出最合适的热场。