王鋅桐， 王曉波

(安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 合肥 230051)

常用家用電器的波形測量與分析

王鋅桐， 王曉波

(安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 合肥 230051)

高次諧波是影響電能質(zhì)量的一項重要指標，家用電器絕大部分屬于非線性負荷，使用過程中會產(chǎn)生高次諧波[1]，雖然功率不大，但是數(shù)量巨大，匯集在一起，仍然會對電能質(zhì)量造成很大的影響。因此，測量常見家用電器的電氣波形，會對諧波分析、諧波治理或其他諧波研究具有指導(dǎo)意義。

高次諧波；家用電器；電氣波形

0 引言

電網(wǎng)的高次諧波含量是衡量電能質(zhì)量是否合格的一項重要指標，高次諧波在波形當(dāng)中所占的比例和波形畸變的程度反映了電力系統(tǒng)受到高次諧波影響的程度，高次諧波也會影響電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備及其安全運行，如果諧波所占比例過大，就會影響用電設(shè)備的正常工作，甚至可能損壞用電設(shè)備和負荷。由于電網(wǎng)中存在大量的諧波源和非線性設(shè)備，產(chǎn)生的高次諧波電流，匯集到電網(wǎng)中，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波形畸變[2]。在我國，每戶居民的用電容量近幾年來有很大增長。目前，家用電子設(shè)備主要是電視機和個人電腦，以及用于熱力泵和空調(diào)機的ASD、緊湊式熒光燈(電子鎮(zhèn)流器)和電池充電器等。此外，還包括微波爐、電磁灶、洗衣機、電冰箱和調(diào)光燈等電氣設(shè)備[3]。根據(jù)現(xiàn)有的負荷特性，單個居民客戶注入的諧波電流值都較小，而且實際上對單個居民客戶注入的諧波電流值，目前也沒有任何標準來加以限制。但是，隨著家用電子設(shè)備擁有量的增長，以及換流式開關(guān)電源的大量使用，將會加大居民客戶電流的畸變率；成百上千的居民客戶的匯合，可能會成為該地區(qū)配電系統(tǒng)重大的諧波源。家用電子負荷的電源輸入端都帶有二極管橋整流器，它們的快速增長所帶來的主要問題是這些負荷會影響供電電流的波形，這是帶電容器平滑環(huán)節(jié)的二極管橋整流器的固有特性所決定的，這些負荷產(chǎn)生的低次諧波在配電系統(tǒng)中經(jīng)小量的抵消后進行疊加。對于連接到變壓器二次的相線與中線之間的單相負荷，三次諧波是配電系統(tǒng)中需要特別注意的問題。

文章將通過試驗測試一些常見的家用電器的電器波形，觀察其中高次諧波的含量，分析不斷增長的住宅區(qū)非線性負荷可能帶來的影響，為諧波治理提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 高次諧波的產(chǎn)生

在電力系統(tǒng)中，如果使用了非線性負荷，由于非線性負荷的特性，電氣設(shè)備上所加的電壓與在設(shè)備上產(chǎn)生的電流不成正比關(guān)系，而成非線性關(guān)系，在電氣設(shè)備使用過程中就會造成正弦波扭曲，發(fā)生波形畸變，從而產(chǎn)生高次諧波。

如果電氣設(shè)備或負荷的伏安特性是成線性關(guān)系，見圖1中的直線1，給負荷外加正弦波形電壓u時[4]，即會產(chǎn)生正弦波電流i，同樣，給負荷外加正弦波形電流i時，即會產(chǎn)生正弦波電壓u。由于負荷是線性的，電流和電壓仍然保持線性關(guān)系，此時電氣波形不會發(fā)生任何扭曲，沒有波形畸變，所以不會產(chǎn)生高次諧波。

如果電氣設(shè)備或負荷的伏安特性為非線性負荷，見圖1中的曲線2，給電氣負荷外加正弦波電壓u時，由于負荷的非線性特性，產(chǎn)生的電流不可能為正弦波，而是非正弦波，其頻率仍和工頻相同(50Hz)，同樣，給電氣負荷外加正弦波電流時，由于負荷非線性的特性，產(chǎn)生的電壓u為非正弦波[5]。此時電氣波形發(fā)生扭曲，產(chǎn)生了畸變，高次諧波隨即產(chǎn)生[6]。

任何一個非正弦的周期波，不管是電氣量還是非電氣量(如電流、磁通、電壓和聲音等)，通過一定的數(shù)學(xué)方法，可以分解為某一個頻率和這個頻率整數(shù)倍頻率的正弦波之和。如圖2為矩形波電流(顯然為非正弦波)i=f(ωt)的分解，ω=2πfrad/s為電網(wǎng)的角頻率(工頻)[7]。分解出的i1=f1(ωt)為工頻正弦波，與原來的非正弦波的頻率相同，把它稱為基波[8]；i3=f3(3ωt)、i5=f5(5ωt)、i7=f7(7ωt)、i9=f9(9ωt)等為3倍工頻、5倍工頻、7倍工頻和9倍工頻的正弦波，稱為3次諧波、5次諧波、7次諧波和9次諧波等，統(tǒng)稱為高次諧波[9]。很明顯，諧波次數(shù)越高，它們與基波的合成波形就越逼近于原來的波形——矩形波[8]。

根據(jù)數(shù)學(xué)原理，任何一個角速度為ω非正弦周期波f(ωt)的正弦波可以分解為[10]：

(1)

式中，a0——直流分量；

N——正整數(shù)，h=1，2，3，4…，稱為諧波次數(shù)；

fh(Nωt)——基波頻率N倍的正弦波分量[11]。其中：N=1的正弦波分量為基波；N=2，3，4…的各正弦波分量，稱為高次諧波或諧波，其頻率為基波頻率的2、3、4倍等[12]。

由此可見，從數(shù)學(xué)的角度上來看，高次諧波實際上就是一個周期變化電氣量的正弦波分量，它的頻率為基波頻率的整數(shù)倍[13]。

電氣量中出現(xiàn)的一些物理現(xiàn)象與諧波類似，但仍有區(qū)別，要注意區(qū)分。比如，高次諧波中，次數(shù)N必須為正整數(shù)，而鐵磁分頻諧振現(xiàn)象，則可能出現(xiàn)倍數(shù)為分數(shù)次或小數(shù)次的電壓電流量。

2 常見家用電器電氣波形的測量及分析

根據(jù)電器測量波形的測量與分析，可將常見家用電器從產(chǎn)生諧波的角度分為下列幾個類型。

2.1 純阻性線性負荷

此次測量的負荷中，電飯鍋、電吹風(fēng)、空調(diào)(制冷、制熱)和電冰箱等都屬于此類負荷。此類負荷功率較大，一般可以達到一千瓦至數(shù)千瓦，但是在使用過程中負荷特性接近于純阻性負荷，所以對電網(wǎng)質(zhì)量幾乎沒有影響。圖3為電飯鍋的電壓電流波形，圖4為電吹風(fēng)的電壓電流波形，圖5為空調(diào)(制冷)的電壓電流波形，圖6為空調(diào)(制熱)的電壓電流波形，圖7為電冰箱的電壓電流波形，表1為純阻性線性負荷電流中的諧波比例。

表1 純阻性線性負荷電流中的諧波比例

諧波次數(shù)幅值比(%)電飯鍋電吹風(fēng)空調(diào)(制冷)空調(diào)(制熱)電冰箱諧波次數(shù)幅值比(%)電飯鍋電吹風(fēng)空調(diào)(制冷)空調(diào)(制熱)電冰箱110010010010010020．10．110．112．33．1343．713．511．416．94003．32．31．050．90．76．34．1136001．61．8070．30．53．81．86．480000．7090．50．50．91．42．8

2.2 電子電源模塊負荷

現(xiàn)代城市家庭中相當(dāng)一部分家用電器都屬于這一類型。LED燈、臺式計算機、筆記本電腦、CRT電視和LED電視等都具有完成交直流轉(zhuǎn)換的電源模塊，為微電子元件供電。這些負荷大部分為單相的，供電電壓是220V，一般單相電子電源的實際功率為數(shù)百瓦到數(shù)千瓦。這類負荷由于存在交直流轉(zhuǎn)換模塊，所以產(chǎn)生了較大的波形畸變，甚至出現(xiàn)了相當(dāng)高次的諧波。此類負荷的特點是，會產(chǎn)生一定量的高次諧波，但是一般來說功率不是太大，由于用電負荷較小，所以對于整個電網(wǎng)來說，它們對電能質(zhì)量的影響一般。圖8為LED燈的電壓電流波形，圖9為筆記本電腦中的電壓電流波形，圖10為PC機電腦中的電壓電流波形，圖11為CRT電視的電壓電流波形，圖12為LED電視的電壓電流波形，表2為電子電源模塊負荷電流中的諧波比例。

表2 電子電源模塊負荷電流中的諧波比例

2.3 熒光燈

熒光燈通過電弧發(fā)光照明，由于電弧的特性使得熒光燈的工作電壓和電流關(guān)系呈現(xiàn)非線性。熒光燈實際工作電流中所含高次諧波分量的多少，與所用的鎮(zhèn)流器有著直接聯(lián)系。一般來說，使用電子鎮(zhèn)流器的熒光燈的三次諧波含量要比使用電磁鎮(zhèn)流器的熒光燈三次諧波的諧波含量大。如在實測中，測試的樣品使用的為電子鎮(zhèn)流器，它的三次諧波含量達到了40.4%。圖13為熒光燈的電壓電流波形，表3為熒光燈電流中的諧波比例。

表3 熒光燈電流中的諧波比例

諧波次數(shù)幅值比(%)諧波次數(shù)幅值比(%)諧波次數(shù)幅值比(%)1100215．7340．440528．460713．580951001151201310．61401512．1160179．2180196．4200212．8

2.4 交流調(diào)速驅(qū)動裝置(ASD)負荷

交流電動機將逐漸被ASD所替代，這種替代可以提高它們的工作效率，同時具有明顯的節(jié)約電能的作用，變頻空調(diào)和變頻洗衣機等變頻家用電器就屬于此類負荷。此類負荷使電氣波形中產(chǎn)生大量的高次諧波，同時由于此類負荷功率一般較大，使用時間長，所以對電能質(zhì)量造成了較大的影響。圖14為變頻洗衣機的電壓電流波形，表4為變頻洗衣機電流中的諧波比例。

表4 變頻洗衣機電流中的諧波比例

3 結(jié)論

常見家用電器用電負荷除了少量的阻性負荷屬于線性設(shè)備，大部分設(shè)備為非線性設(shè)備。在現(xiàn)代城市家庭中，LED燈、個人計算機、節(jié)能燈、洗衣機和變頻空調(diào)等，都是典型的非線性設(shè)備。一般來說，常見家用電器單拿出任何一個來看，設(shè)備容量都比較小，但是千家萬戶都在使用家用電器，加在一起的數(shù)量十分巨大，所以負荷不容小覷。由于在城市住宅小區(qū)中，一般都是以三相四線制供電方式進行供電，當(dāng)這些單相用電設(shè)備過多的集中在其中一相供電時，就會造成三相負荷不平衡，這時應(yīng)當(dāng)注意在家用電器集中開啟時間(如晚上)，中性線上通過的電流是否發(fā)生過流等情況。如果在預(yù)期的公有連接點所注入的高次諧波電流超過了允許規(guī)定值，那么此時，必須要及時地采取一些有效的諧波消除或者抑制措施。所以，家庭中常見家用電器負荷的電氣波形可以為諧波評估提供有效數(shù)據(jù)，也可以為諧波治理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯：王敏]

Waveform Measurement and Analysis of Common Household Appliances

WANGXin-tong,WANGXiao-bo

(AnhuiElectricalEngineeringProfessionalTechniqueCollege,Hefei230051,China)

High harmonics is an important indicator of impacting on power quality. The vast majority of household appliances are non-linear loads, and the process of using the household appliances is able to produce the high harmonics. Although the active power of the household appliances is not large, the number is huge, assembling together, which comes into being the great impact. Therefore, the electrical waveform measurement of common household appliances has the guiding significances for harmonic analysis, harmonic control or other harmonic study.

high harmonics; household appliances; electrical waveform

2014-12- 05

2014年安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金項目(項目編號：2013ybxm003)。

王鋅桐(1981-)，女，講師，吉林松原人，從事電力系統(tǒng)分析教學(xué)、電能質(zhì)量研究工作。 王曉波(1979-)，男，講師，安徽壽縣人，從事繼電保護教學(xué)及開發(fā)、電能質(zhì)量研究工作。

TM925.06

A

1672-9706(2015)03- 0035- 06