常用家用电器的波形测量与分析

王锌桐， 王晓波

(安徽电气工程职业技术学院， 安徽 合肥 230051)

常用家用电器的波形测量与分析

王锌桐， 王晓波

(安徽电气工程职业技术学院， 安徽 合肥 230051)

高次谐波是影响电能质量的一项重要指标，家用电器绝大部分属于非线性负荷，使用过程中会产生高次谐波[1]，虽然功率不大，但是数量巨大，汇集在一起，仍然会对电能质量造成很大的影响。因此，测量常见家用电器的电气波形，会对谐波分析、谐波治理或其他谐波研究具有指导意义。

高次谐波；家用电器；电气波形

0 引言

电网的高次谐波含量是衡量电能质量是否合格的一项重要指标，高次谐波在波形当中所占的比例和波形畸变的程度反映了电力系统受到高次谐波影响的程度，高次谐波也会影响电力系统中的电气设备及其安全运行，如果谐波所占比例过大，就会影响用电设备的正常工作，甚至可能损坏用电设备和负荷。由于电网中存在大量的谐波源和非线性设备，产生的高次谐波电流，汇集到电网中，使电网电压产生波形畸变[2]。在我国，每户居民的用电容量近几年来有很大增长。目前，家用电子设备主要是电视机和个人电脑，以及用于热力泵和空调机的ASD、紧凑式荧光灯(电子镇流器)和电池充电器等。此外，还包括微波炉、电磁灶、洗衣机、电冰箱和调光灯等电气设备[3]。根据现有的负荷特性，单个居民客户注入的谐波电流值都较小，而且实际上对单个居民客户注入的谐波电流值，目前也没有任何标准来加以限制。但是，随着家用电子设备拥有量的增长，以及换流式开关电源的大量使用，将会加大居民客户电流的畸变率；成百上千的居民客户的汇合，可能会成为该地区配电系统重大的谐波源。家用电子负荷的电源输入端都带有二极管桥整流器，它们的快速增长所带来的主要问题是这些负荷会影响供电电流的波形，这是带电容器平滑环节的二极管桥整流器的固有特性所决定的，这些负荷产生的低次谐波在配电系统中经小量的抵消后进行叠加。对于连接到变压器二次的相线与中线之间的单相负荷，三次谐波是配电系统中需要特别注意的问题。

文章将通过试验测试一些常见的家用电器的电器波形，观察其中高次谐波的含量，分析不断增长的住宅区非线性负荷可能带来的影响，为谐波治理提供一定的数据基础。

1 高次谐波的产生

在电力系统中，如果使用了非线性负荷，由于非线性负荷的特性，电气设备上所加的电压与在设备上产生的电流不成正比关系，而成非线性关系，在电气设备使用过程中就会造成正弦波扭曲，发生波形畸变，从而产生高次谐波。

如果电气设备或负荷的伏安特性是成线性关系，见图1中的直线1，给负荷外加正弦波形电压u时[4]，即会产生正弦波电流i，同样，给负荷外加正弦波形电流i时，即会产生正弦波电压u。由于负荷是线性的，电流和电压仍然保持线性关系，此时电气波形不会发生任何扭曲，没有波形畸变，所以不会产生高次谐波。

如果电气设备或负荷的伏安特性为非线性负荷，见图1中的曲线2，给电气负荷外加正弦波电压u时，由于负荷的非线性特性，产生的电流不可能为正弦波，而是非正弦波，其频率仍和工频相同(50Hz)，同样，给电气负荷外加正弦波电流时，由于负荷非线性的特性，产生的电压u为非正弦波[5]。此时电气波形发生扭曲，产生了畸变，高次谐波随即产生[6]。

任何一个非正弦的周期波，不管是电气量还是非电气量(如电流、磁通、电压和声音等)，通过一定的数学方法，可以分解为某一个频率和这个频率整数倍频率的正弦波之和。如图2为矩形波电流(显然为非正弦波)i=f(ωt)的分解，ω=2πfrad/s为电网的角频率(工频)[7]。分解出的i1=f1(ωt)为工频正弦波，与原来的非正弦波的频率相同，把它称为基波[8]；i3=f3(3ωt)、i5=f5(5ωt)、i7=f7(7ωt)、i9=f9(9ωt)等为3倍工频、5倍工频、7倍工频和9倍工频的正弦波，称为3次谐波、5次谐波、7次谐波和9次谐波等，统称为高次谐波[9]。很明显，谐波次数越高，它们与基波的合成波形就越逼近于原来的波形——矩形波[8]。

根据数学原理，任何一个角速度为ω非正弦周期波f(ωt)的正弦波可以分解为[10]：

(1)

式中，a0——直流分量；

N——正整数，h=1，2，3，4…，称为谐波次数；

fh(Nωt)——基波频率N倍的正弦波分量[11]。其中：N=1的正弦波分量为基波；N=2，3，4…的各正弦波分量，称为高次谐波或谐波，其频率为基波频率的2、3、4倍等[12]。

由此可见，从数学的角度上来看，高次谐波实际上就是一个周期变化电气量的正弦波分量，它的频率为基波频率的整数倍[13]。

电气量中出现的一些物理现象与谐波类似，但仍有区别，要注意区分。比如，高次谐波中，次数N必须为正整数，而铁磁分频谐振现象，则可能出现倍数为分数次或小数次的电压电流量。

2 常见家用电器电气波形的测量及分析

根据电器测量波形的测量与分析，可将常见家用电器从产生谐波的角度分为下列几个类型。

2.1 纯阻性线性负荷

此次测量的负荷中，电饭锅、电吹风、空调(制冷、制热)和电冰箱等都属于此类负荷。此类负荷功率较大，一般可以达到一千瓦至数千瓦，但是在使用过程中负荷特性接近于纯阻性负荷，所以对电网质量几乎没有影响。图3为电饭锅的电压电流波形，图4为电吹风的电压电流波形，图5为空调(制冷)的电压电流波形，图6为空调(制热)的电压电流波形，图7为电冰箱的电压电流波形，表1为纯阻性线性负荷电流中的谐波比例。

表1 纯阻性线性负荷电流中的谐波比例

谐波次数幅值比(%)电饭锅电吹风空调(制冷)空调(制热)电冰箱谐波次数幅值比(%)电饭锅电吹风空调(制冷)空调(制热)电冰箱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 电子电源模块负荷

现代城市家庭中相当一部分家用电器都属于这一类型。LED灯、台式计算机、笔记本电脑、CRT电视和LED电视等都具有完成交直流转换的电源模块，为微电子元件供电。这些负荷大部分为单相的，供电电压是220V，一般单相电子电源的实际功率为数百瓦到数千瓦。这类负荷由于存在交直流转换模块，所以产生了较大的波形畸变，甚至出现了相当高次的谐波。此类负荷的特点是，会产生一定量的高次谐波，但是一般来说功率不是太大，由于用电负荷较小，所以对于整个电网来说，它们对电能质量的影响一般。图8为LED灯的电压电流波形，图9为笔记本电脑中的电压电流波形，图10为PC机电脑中的电压电流波形，图11为CRT电视的电压电流波形，图12为LED电视的电压电流波形，表2为电子电源模块负荷电流中的谐波比例。

表2 电子电源模块负荷电流中的谐波比例

2.3 荧光灯

荧光灯通过电弧发光照明，由于电弧的特性使得荧光灯的工作电压和电流关系呈现非线性。荧光灯实际工作电流中所含高次谐波分量的多少，与所用的镇流器有着直接联系。一般来说，使用电子镇流器的荧光灯的三次谐波含量要比使用电磁镇流器的荧光灯三次谐波的谐波含量大。如在实测中，测试的样品使用的为电子镇流器，它的三次谐波含量达到了40.4%。图13为荧光灯的电压电流波形，表3为荧光灯电流中的谐波比例。

表3 荧光灯电流中的谐波比例

谐波次数幅值比(%)谐波次数幅值比(%)谐波次数幅值比(%)1100215．7340．440528．460713．580951001151201310．61401512．1160179．2180196．4200212．8

2.4 交流调速驱动装置(ASD)负荷

交流电动机将逐渐被ASD所替代，这种替代可以提高它们的工作效率，同时具有明显的节约电能的作用，变频空调和变频洗衣机等变频家用电器就属于此类负荷。此类负荷使电气波形中产生大量的高次谐波，同时由于此类负荷功率一般较大，使用时间长，所以对电能质量造成了较大的影响。图14为变频洗衣机的电压电流波形，表4为变频洗衣机电流中的谐波比例。

表4 变频洗衣机电流中的谐波比例

3 结论

常见家用电器用电负荷除了少量的阻性负荷属于线性设备，大部分设备为非线性设备。在现代城市家庭中，LED灯、个人计算机、节能灯、洗衣机和变频空调等，都是典型的非线性设备。一般来说，常见家用电器单拿出任何一个来看，设备容量都比较小，但是千家万户都在使用家用电器，加在一起的数量十分巨大，所以负荷不容小觑。由于在城市住宅小区中，一般都是以三相四线制供电方式进行供电，当这些单相用电设备过多的集中在其中一相供电时，就会造成三相负荷不平衡，这时应当注意在家用电器集中开启时间(如晚上)，中性线上通过的电流是否发生过流等情况。如果在预期的公有连接点所注入的高次谐波电流超过了允许规定值，那么此时，必须要及时地采取一些有效的谐波消除或者抑制措施。所以，家庭中常见家用电器负荷的电气波形可以为谐波评估提供有效数据，也可以为谐波治理提供数据基础。

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[责任编辑：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年安徽电气工程职业技术学院科研基金项目(项目编号：2013ybxm003)。

王锌桐(1981-)，女，讲师，吉林松原人，从事电力系统分析教学、电能质量研究工作。 王晓波(1979-)，男，讲师，安徽寿县人，从事继电保护教学及开发、电能质量研究工作。

TM925.06

A

1672-9706(2015)03- 0035- 06