典型污染源-非线性负荷

1、什么是非线性负荷？

  非线性负荷(distortion load)是指具有非线性阻抗特性的用电设备从电力系统吸取的功率。具有非线性阻抗特性的用电设备，其阻抗随外施电压或电流的变化而变化，或者说其阻抗是电压或电流的函数。当向这类设备外施正弦波形的电压时，它将从电力系统吸取非正弦波形的电流，当向这类设备通以正弦波形的电流时，其受电端上即形成非正弦波形的电压。因此，非线性负荷最大特点是会引起电力系统电压或电流正弦波形的畸变。

  非线性负荷作为电网谐波主要污染源，在工矿企业、低压配电网中大量应用。以银南电网为例，2004年，谐波源负荷已达 93.8万kW占全电网119万kW总负荷的78．8％。发电厂往往使用变频器实现节能或者软启动，冶金行业广泛使用电弧炉和中频炉，且中频炉和电弧炉容量在不断地增加，电气化铁路往往采用整流电路作为电力机车的电源，家用电器中也大量使用电力电子设备，如电子整流器的普遍应用等。这些非线性负荷都给电网造成了谐波污染，谐波电流和无功电流大量注入电网，引起电网闪变、频率变化、三相不平衡，影响了电能质量、输电效率和设备的安全运行与正常使用。因此需要对各个非线性负载的谐波特性有明确的认识，从对电能质量问题能够准确的分析。

2、变频设备    

  随着交流调速理论和电力电子技术的发展，变频类设备在调速与节能技术方面得到广泛应用。如电厂凝结水泵鼓风机等流体生产业，切割机等金属加工业，电梯、起重机等输送业以及纺织业和大规模系统业。一般，变频类设备包括交交变频器和交直交变频器，交交变频器适用于大功率（500KW以上或者1000KW以上）低速600r/min以下的场合。交直交变频器适用于大功率、600r/min以上并且负载较平稳的场合。交直交变频器由于电压等级的不同，又分为低压和高压变频器。由于变频类装置一般由整流、逆变电路组成，其非线性给电网带来了谐波污染

低压变频器特性：通用低压变频器输入侧电流谐波主要含有6k±1次谐波，其中电流谐波中5、7等低次谐波含量比较大

3、冶金化工类典型非线性负载

  冶金化工类企业含有大量的非线性负载，给电网带来了大量的谐波污染。冶金类非线性负荷具有容量大、负荷冲击大、谐波问题严重等特点，其中的电弧炉、中频炉和轧机这三种设备对电能质量的影响较为突出。在化工企业中由于氯碱化工的快速发展，其电解工艺设备直流供电装置大功率硅可控整流装置的普遍应用，给电网注入了大量的谐波。

（1）中频炉

  中频炉包括电源和炉体两部分，电源部分主要包括整流变压器、整流电路、滤波电路、逆变电路、控制电路、保护回路、负载。整流电路为晶闸管三相桥式整流电路，通常情况下，对于1000KW以下的中频电源装置采用6脉动整流，而对于1000KW以上的中频电源装置根据容量的大小，可采用12脉动或24脉动整流电路。滤波电路根据中频炉逆变侧的不同，由大电感或者大电容构成。对于电流型中频炉，滤波电路由大电感组成，对于电压型中频炉逆变电路由大电容组成。中频炉逆变部分为单相全桥逆变电路，逆变桥由晶闸管或者IGBT构成，根据不同的结构，由控制电路控制晶闸管或者IGBT的通断。

  特性分析：中频炉输入侧整流电路采取6脉波整流电路，因此输入侧电流中含有大量的6K±1次谐波，其中5次谐波含量很大。

（2）电弧炉

  电弧炉的炼钢过程有三个时期：熔化期、氧化期和还原期【炼钢电弧炉电气设备】。

  熔化期特点为电弧炉输入的电功率在急剧波动，同时经常伴随有电流冲击。在电弧刚刚起燃时，由于炉料温度较低，电弧不易稳定燃烧，电弧在炉料上随机移动。同时，三相电弧的相互受力使弧柱向炉壁方向偏移。所以这些电弧电流的波形和有效值大小的变化很不规则。当部分炉料熔化后，产生炉料倒塌，使电极发生短路，从而引起电流冲击。在此期间内，短路次数多达上百次。由于三相祸合作用，某相短路后其它相也产生了不应有的调节过程。这样使得电极短路时间加长，电弧电流波动的影响更加明显。后期炉料全部熔化，电弧电流相对比较稳定。并且在融化期间，电弧起燃的延迟造成的电流波形不连续和电弧电阻的可变性，都造成电弧伏安特性的高度非线性，产生大量的谐波电流。由于三相电流不平衡、不对称，所以具有较多的三次及3的倍数次谐波，还存在一定的偶次谐波。

  氧化期由于脱碳反应造成钢液的强烈沸腾，电弧的等效弧长因此发生周期性的、拟周期性的波动，造成电弧电流的长时间不规则的波动。常规的调节系统无法有效减少这种波动，在某些情况下反倒有可能加剧电弧电流的波动，因此产生、持续性的电压波动与闪变问题。

  还原期电弧较长，燃弧较稳定，输入电弧炉的功率较稳定，电压变化规律也较稳定，谐波问题较前两个阶段明显好转。

  由此可见，电弧炉熔化期频繁的电极短路及相应调节过程，氧化期内钢液沸腾而造成的弧长波动，三相电弧的相互力及炉料温度较低时造成的弧长随机扰动，都是造成电弧炉电阻非线性的原因。

  特性分析：电弧电压为正负半波峰值大小不相等的不对称波形，正负半周波形幅值随着时间，发生变化。电流、电压中含有大量的三次谐波，其中三次电流谐波含量达到17%，电压三次谐波含量达到33%，同时电流电压中含有5、7、9等大量低次谐波。

（3）电焊机

  完整的电焊机系统包括整流电路、滤波电路、逆变电路、整流电路、电焊机负载。电焊机由两组整流电路构成，第一组整流器输入侧接三相正弦电压，整流电路为三相桥式不控整流电路，由六个二极管构成。第二组整流电路为采用变压器二次绕组带中心抽头的全波整流电路，由变压器和二个二极管构成，输出为最终的负载直流电。滤波电流由平波电抗器和滤波电容组成，滤波电容由两个串联的大电容构成，滤波电容既是滤波电路的一部分，同时也是逆变电路一部分。逆变电路为半桥逆变电路，由两个电容和两个IGBT构成，IGBT反并联二极管，并且在每个 IGBT 的集电极和发射极间都并联了一个阻容吸收网络 RC，其作用是为了吸收IGBT的集电极由于关断而引起的尖峰电压，保护IGBT。

  特性分析：电焊机输入侧给电网带来了谐波污染，一般采用6，脉整流，特征次谐波为6K+1。

（4）电解化工（整流器）

化工电解的直流电流是通过晶闸管整或者二极管流桥整流所得，晶闸管和二极管是典型的非线性元件，从而致使整流系统产生大幅值高次谐波，高次谐波严重污染公共电网，并且在某种工况下还会出现非特征谐波。

4、UPS

  UPS主电路系统一般由以下几个部分组成，整流电路、逆变电路、缓冲电路、隔离变压器、滤波电路五部分组成。整流电路由隔离变压器、可控硅整流元件、输出滤波器和相应的控制板组成。整流电路一般为六脉冲三相桥式全控整流电路。通过触发信号控制可控硅的触发角来调节平均直流电压。输出直流电压经整流器电压控制板所检测，并将测量电压和给定值进行比较产生触发脉冲，该触发脉冲用于控制可控硅导通角，维持整流器输出电压在负载变动的整个范围内保持在容许偏差之内。

  逆变电路主要完成直流到交流的逆变，逆变电路为三相桥式逆变电路，由IGBT反并联晶闸管构成。一般采取SPWM控制，实现IGBT交替通断，将直流电转换为正弦波。然后通过谐波滤波输出稳定的交流电。

特性分析：UPS向电网注入大量的谐波，由于为输入为6脉波整流电路，输入电网谐波多为6k±1次谐波，其中5、7等低次谐波含量比较大。

5、节能灯

  交流电子镇流器是将工频(50/60Hz)交流电变换为较高频率(几十kHz)的交流电，并使荧光灯正常启动和稳定工作的变换器。其基本功能如图5-19所示。电子镇流器中最为关键的部分是逆变电路部分。

  交流电子镇流器工作原理如下：单相交流电源，经整流电路，转变成直流电，直流电经高频逆变电路，将低频交流电，转化成高频交流电。高频交流电加到与灯连接的LC串联谐振电路，加热灯丝，同时在电容器上产生谐振高压，加在灯管两端，使灯管“放电”变成“导通”状态，再进入发光状态，此时高频电感起限制电流增大的作用，保证灯管获得正常工作所需的灯电压和灯电流

  特性分析：节能灯输入侧给电网带来了谐波污染，主要为5、7、9等奇次谐波。一般节能灯采用EMI技术，降低了谐波含量，使节能灯对电网的影响在规定的范围内。    

6、移相调压

  移向调压技术为交流调压技术的一种，即在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的移相控制，方便地调节输出电压的有效值。这种电路不改变交流电的频率，只改变交流电的有效值。

  交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软启动，也用于异步电动机调速，在供电系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高压小电流和低压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。

  特性分析：移相调压电路造成了电网侧电流畸变，网侧电流不再为标准的正弦波，而是跌价了一定的谐波分量，主要为5、7、11等奇次谐波。