電弧爐諧波檢測儀的設計研究
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電弧爐等各種非線(xiàn)性設備會(huì )產(chǎn)生諧波。在電力系統中，高次諧波產(chǎn)生了多余的諧波損耗，使各種電力設備的效率降低，其帶來(lái)的波形畸變嚴重影響了電能質(zhì)量，并且在某些信號傳輸的過(guò)程中產(chǎn)生了干擾。對諧波信號進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)的有效檢測，有助于諧波消除的實(shí)現，其為進(jìn)行電弧爐的各種控制以及有源濾波器的設計提供有效的支持。
現有的頻譜分析裝置對于電力系統的諧波頻譜雖然可以達到所需的要求，但是成本過(guò)高且不宜攜帶，尤其是具體的電弧爐系統會(huì )產(chǎn)生的大多為幾十次的諧波．更大次數的諧波由于幅度極小，可以被看成是系統中的噪聲，沒(méi)有必要在全頻段進(jìn)行諧波檢測。此外，現有的電力系統諧波檢測裝置由于使用場(chǎng)合的不同，多以DSF芯片作為核心，而使用編程簡(jiǎn)單、成本更低的單片機芯片作為核心的很少。由于以上這兩點(diǎn)，基于單片機芯片并且針對電弧爐系統的諧波檢測裝置的研究非常有必要。
電弧爐系統產(chǎn)生的諧波，不僅包括整數次諧波，還包括分數諧波和間諧波。一般來(lái)說(shuō)，分數諧波(Frac-tion Harmonics)被定義為頻率不等于基波頻率整數倍的諧波分量，分為間諧波(Interharmonics)和次諧波(Subharmonics)。間諧波是指頻率介于工頻諧波之間的諧波分量；次諧波是指頻率低于基波頻率的諧波分量。電弧爐是電力系統中產(chǎn)生分數諧波的主要來(lái)源之一。在電網(wǎng)質(zhì)量上，國際標準對分數諧波并沒(méi)有明確的規定，但在電磁兼容標準IEC61000―3．6中，建議分數次諧波的電壓應該限制在O．2％以下。另外，由于電弧的不規則游動(dòng)以及電弧電阻的隨機性，使得電弧爐系統的諧波分量也隨時(shí)間隨機變化。
在諧波檢測的過(guò)程中，一般以諧波電流為目標進(jìn)行檢測。目前諧波電流檢測的方法主要來(lái)源于基于模擬濾波器理論、瞬時(shí)無(wú)功功率理論、傅里葉變換、自適應控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )理論以及小波變換理論6種。其中，基于傅里葉變換的諧波檢測方法，基于無(wú)功功率理論的諧波檢測方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的諧波檢測方法都可以滿(mǎn)足電弧爐對諧波檢測的相關(guān)要求，例如實(shí)時(shí)性好，能滿(mǎn)足精度等。
由于使用無(wú)功功率理論的諧波檢測理論能夠直接得到諧波信號的瞬時(shí)分量，更適合于直接補償諧波分量以改善電網(wǎng)電力質(zhì)量。相比之下，構造檢測并顯示諧波參數的環(huán)節更多采用基于快速傅里葉變換理論的方法，這里提出一種采用基于傅里葉變換的諧波檢測方法進(jìn)行檢測儀的設計。該儀器以MSP430系列單片機為主要核心進(jìn)行相關(guān)軟硬件部分的設計，主要功能包括計算并顯示電弧爐三相諧波電流的基波與各次諧波、功率因數、有效值以及有功無(wú)功功率等各項參數。
1 主要原理
要在電路中獲得可以通過(guò)單片機計算的電流信號，必然先經(jīng)過(guò)采樣，變換為離散的數字信號。設有周期函數：
其中：Ω為頻率；X為幅度；周期為T(mén)。以x(nT，)作為周期信號x(t)的抽樣，每個(gè)周期內抽樣N點(diǎn)，即T=NT，經(jīng)傅里葉變換后形成變換對，簡(jiǎn)化后可表示為：
其中：，n∈(-∞,+∞)，k∈(∷∞，+∞)；X(k)的物理意義是序列x(n)第k次諧波分量的幅度。
在使用計算機或者單片機做信號處理方面的工作時(shí)，要求信號在頻域和時(shí)域都是離散的，且都是有限長(cháng)。離散傅里葉級數滿(mǎn)足離散要求，但是在時(shí)域、頻域雖然都是周期函數其也都是無(wú)限長(cháng)的，所以在時(shí)域、頻域中各取1個(gè)周期，可以得到傅里葉變換對：
再根據快速傅里葉變換(FFT)理論，利用WN形成“蝶形單元”，經(jīng)過(guò)分組、碼位倒序等步驟計算，這樣即可方便地通過(guò)計算機或單片機進(jìn)行變換求其頻譜。在此指出的檢測諧波電流的儀器主要系統就是通過(guò)FFT方法計算出相應的諧波分量及其參數。
1．1 分數諧波的測量
可以看出，利用式(4)進(jìn)行FFT可以準確地分離出被測電流中整數次諧波信號。正如在前文中所指出的，電弧爐系統中不僅包括整數次諧波，還包括大量分數諧波和間諧波。例如，對于頻率為50 Hz的電網(wǎng)電流信號，其周期為20 ms，電弧爐作為負載可能還會(huì )產(chǎn)生出頻率在50 Hz以下或者不為50 Hz整數倍的諧波。如果在檢測時(shí)采樣的時(shí)間正好為一個(gè)周期20 ms，則頻率低于50 Hz的諧波信號就無(wú)法檢測出來(lái)，在這里，可以通過(guò)延長(cháng)采樣時(shí)間的方法分理出分數次諧波。具體方法：對于基波頻率為Ω，周期為T(mén)的電網(wǎng)電流信號來(lái)說(shuō)，如果現在需要檢測的是頻率為Ω0／l的諧波分量(l為不為零的整數)，則采樣時(shí)間必須為T(mén)1=lT。這樣采樣出來(lái)的序列可以看成是頻率為Ω1=Ω/l的電流信號的1個(gè)周期；如果系統抽樣頻率不變，仍然是每T時(shí)間內抽樣N個(gè)點(diǎn)，即T=NTs，則T1=lT=lNTS，可得：
這樣，在進(jìn)行相關(guān)的FFT變換過(guò)程，通過(guò)定義新的蝶形因子WlN，得出的X(k)具有新的物理意義，即k/l次諧波分量的幅度。也就是說(shuō)，通過(guò)設定不同的l值，改變FFT程序中的蝶形因子，可以分離出1／l次諧波分量。
1．2 諧波參數的計算
在檢測過(guò)程中，由于電弧爐系統諧波具有利用隨時(shí)間隨機變化的特點(diǎn)，所以相比于連續測量每個(gè)時(shí)刻的諧波分量，測量一段短時(shí)間內諧波信號的平均有效值，既能體現出諧波分量短時(shí)間內的具體情況，也能體現出諧波在一段時(shí)間內的變化趨勢。因此需要在某個(gè)時(shí)間內利用采樣取得的離散信號來(lái)計算有效值、功率以及功率因子等諧波參量。
設在1個(gè)采樣周期內采樣N次，采樣得到的電壓為Vi，電流為ii，其中i=1，2，…，N，則電壓的有效值為：
其中：Unk為k次諧波的電壓幅值；Ink為k次諧波的電流幅值；αk一βk為忌次諧波的電壓和電流的相位差。各次諧波分量的計算應用FFT進(jìn)行諧波分析，也就是對采樣信號經(jīng)過(guò)FFT變換得到的信號頻譜用來(lái)計算各次諧波分量。時(shí)域中的采樣序列x(n)經(jīng)FFT變換后成為頻域中的復序列：
其中：Xr(k)為實(shí)部；Xi(k)為虛部。
由于x(n)為實(shí)數列，因此對應的復數序列是共扼對稱(chēng)的。N點(diǎn)采樣值經(jīng)FFT變換后只能得到N／2個(gè)相互獨立的結果。例如，當采樣點(diǎn)數為128時(shí)，經(jīng)FFT后，最高只能計算出64次諧波分量。根據上式就可求出k次諧波電壓、電流的幅值。單相k次諧波電壓含有率：
單相諧波電流含量：
電流諧波總的畸變率為：
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