三相谐波源论文和设计-徐亮

全文摘要

本实用新型公开了一种三相谐波源，包括检测模块、用于输出谐波电压的谐波发生器、PWM控制器、与PWM控制器连接的上位机，谐波发生器与PWM控制器连接；本实用新型采用由前滤波器、谐波功率模块、后滤波器组合形成的三相谐波发生模块，通过PWM控制器对三相谐波发生模块同时输出多种频率叠加的谐波电压进行控制，达到了PWM整流和逆变的独立控制，确保了控制逻辑的准确性和可靠性，实现了谐波次数和幅值的精确控制；该三相谐波源能输出三相谐波2至50次的高次谐波，可实现多台并联运行，具备并联扩容的能力，并且具有抗干扰能力强、运行稳定性高、数据测试准确可靠、运行速度快、工作效率高、接线简单且操作便捷、运行过程安全等诸多优点。

主设计要求

1.三相谐波源，其特征在于：包括检测模块(6)、用于输出谐波电压的谐波发生器(3)、用于对谐波发生器(3)输出的谐波电压进行电压频率及幅值进行控制的PWM控制器(4)、与PWM控制器(4)连接的上位机(5)，谐波发生器(3)与PWM控制器(4)连接；谐波发生器(3)包括通信模块(34)、继电器输出模块(32)、模拟量输出模块(33)、三相谐波发生模块(31)，检测模块(6)的输入端与供电电网(7)连接，检测模块(6)的输出端与上位机(5)连接，上位机(5)通过通信模块(34)分别与继电器输出模块(32)的输入端和模拟量输出模块(33)的输入端连接，继电器输出模块(32)的输出端和模拟量输出模块(33)的输出端分别与三相谐波发生模块(31)连接，三相谐波发生模块(31)与供电电网(7)连接；三相谐波发生模块(31)设有依次连接的前滤波器(8)、谐波功率模块(9)、后滤波器(10)，谐波功率模块(9)包括用于建立稳定的直流电压的PWM整流器(91)、直流侧储能电容(92)、用于生成给定的电压信号的PWM逆变器(93)，PWM整流器(91)、直流侧储能电容(92)、PWM逆变器(93)依次连接，前滤波器(8)的输出端与PWM整流器(91)的输入端连接，PWM逆变器(93)的输出端与后滤波器(10)连接，PWM控制器(4)的输出端分别与PWM整流器(91)、PWM逆变器(93)连接。

设计方案

2.根据权利要求1所述的三相谐波源，其特征在于：PWM控制器(4)采用单片机(40)，单片机(40)设有双端口并口RAM(11)，双端口并口RAM(11)具有数据输入口、数据输出口、地址输入口、地址扫描口，双端口并口RAM(11)的数据输入口、地址输入口连接在单片机(40)上；单片机(40)连接有用于规定幅值的第一8位并口模数转换器(16)、第二8位并口模数转换器(18)，第一8位并口模数转换器(16)的数据口、第二8位并口模数转换器(18)的数据口均与单片机(40)连接，第一8位并口模数转换器(16)的REF口、第二8位并口模数转换器(18)的REF口与基准模块(17)的输出连接。

3.根据权利要求2所述的三相谐波源，其特征在于：单片机(40)还连接有用于控制输出波形的第三8位并口模数转换器(12)、第四8位并口模数转换器(14)，第三8位并口模数转换器(12)、第四8位并口模数转换器(14)均通过双端口并口RAM(11)的数据输出口连接到单片机(40)。

4.根据权利要求3所述的三相谐波源，其特征在于：第一8位并口模数转换器(16)、第二8位并口模数转换器(18)的输出口分别与第一运放阵列(15)连接，第一运放阵列(15)的输出端分别与第三8位并口模数转换器(12)、第四8位并口模数转换器(14)的REF口连接，第三8位并口模数转换器(12)、第四8位并口模数转换器(14)的输出端分别与第二运放阵列(13)连接，第二运放阵列(13)的输出端与谐波发生器(3)连接。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的三相谐波源，其特征在于：前滤波器(8)和后滤波器(10)均采用RLC滤波方式。

6.根据权利要求5所述的三相谐波源，其特征在于：三相谐波发生模块(31)包括结构完全相同的A相谐波发生模块(311)、B相谐波发生模块(312)、C相谐波发生模块(313)，A相谐波发生模块(311)、B相谐波发生模块(312)、C相谐波发生模块(313)均设有三相谐波发生电路(310)，三相谐波发生电路(310)包括状态监测器(3102)、交流接触器(3103)、继电器(3104)、单调消谐电路(3105)、高通消谐电路(3107)、反并联晶闸管(3106)，状态监测器(3102)的输入端通过断路器(3101)与供电电网(7)连接，状态监测器(3102)的输出端通过交流接触器(3103)与继电器(3104)触点的一端连接，继电器(3104)触点的另一端与单调消谐电路(3105)或高通消谐电路(3107)的一端连接，单调消谐电路(3105)或高通消谐电路(3107)的另一端与反并联晶闸管(3106)的一端连接，各支路的反并联晶闸管(3106)的另一端连接在一起，反并联晶闸管(3106)的触发信号输入端与模拟量输出模块(33)连接，继电器(3104)的线圈与继电器输出模块(32)连接，状态监测器(3102)的通信端口与通信模块(34)连接。

7.根据权利要求6所述的三相谐波源，其特征在于：单调消谐电路(3105)包括串联连接的第一电阻(31053)、第一电抗器(31052)、第一电容器(31051)。

8.根据权利要求6或7所述的三相谐波源，其特征在于：高通消谐电路(3107)包括第二电阻(31073)、第二电抗器(31071)、第二电容器(31072)、第三电容器(31074)，第三电容器(31074)与第二电阻(31073)串联之后再与第二电抗器(31071)并联形成并联支路，并联支路再与第二电容器(31072)串联。

9.根据权利要求8所述的三相谐波源，其特征在于：检测模块(6)包括电流互感器(61)、模数转换器(62)，电流互感器(61)的输入端与供电电网(7)连接，电流互感器(61)的输出端与模数转换器(62)的输入端连接，模数转换器(62)的输出端与上位机(5)连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种谐波源，尤其涉及一种三相谐波源。

背景技术

近年来，随着电网技术的飞速发展，多元化用电需求的持续增加，间歇式分布式能源的大量接入，导致用户侧设备的复杂性越来越高，电网谐波问题变得日益严重。目前，现有的三相谐波源主要存在的缺点在于：由于接入电网系统的非线性负荷、冲击性负荷容易产生电压波动闪变、电压凹陷凸升以及严重的三相不平衡等问题，不能确保控制逻辑的准确性和可靠性，难以实现谐波次数和幅值的精确控制；此外现有的三相谐波源还存在设计繁杂、并联扩容能力较差、运行稳定性较低、数据测试准确性较低以及接线繁琐且操作复杂、运行过程不安全等诸多问题。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种三相谐波源，该三相谐波源采用由前滤波器、谐波功率模块、后滤波器组合形成的三相谐波发生模块，通过PWM控制器对三相谐波发生模块同时输出多种频率叠加的谐波电压进行控制，达到了PWM整流和逆变的独立控制，确保了控制逻辑的准确性和可靠性，实现了谐波次数和幅值的精确控制。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决：

三相谐波源，包括检测模块、用于输出谐波电压的谐波发生器、用于对谐波发生器输出的谐波电压进行电压频率及幅值进行控制的PWM控制器、与PWM控制器连接的上位机，谐波发生器与PWM控制器连接；谐波发生器包括通信模块、继电器输出模块、模拟量输出模块、三相谐波发生模块，检测模块的输入端与供电电网连接，检测模块的输出端与上位机连接，上位机通过通信模块分别与继电器输出模块的输入端和模拟量输出模块的输入端连接，继电器输出模块的输出端和模拟量输出模块的输出端分别与三相谐波发生模块连接，三相谐波发生模块与供电电网连接；三相谐波发生模块设有依次连接的前滤波器、谐波功率模块、后滤波器，谐波功率模块包括用于建立稳定的直流电压的PWM整流器、直流侧储能电容、用于生成给定的电压信号的PWM逆变器，PWM整流器、直流侧储能电容、PWM逆变器依次连接，前滤波器的输出端与PWM整流器的输入端连接，PWM逆变器的输出端与后滤波器连接，PWM控制器的输出端分别与PWM整流器、PWM逆变器连接；其中，上位机用于设置、显示三相电流波形界面、状态监测显示界面及谐波产生次数设置界面；采用由前滤波器、谐波功率模块、后滤波器组合形成的三相谐波发生模块，通过PWM控制器对三相谐波发生模块同时输出多种频率叠加的谐波电压进行控制，达到了PWM整流和逆变的独立控制，确保了控制逻辑的准确性和可靠性，实现了谐波次数和幅值的精确控制。

作为优选，PWM控制器采用单片机，单片机设有双端口并口RAM，双端口并口RAM具有数据输入口、数据输出口、地址输入口、地址扫描口，双端口并口RAM的数据输入口、地址输入口连接在单片机上；

作为优选，单片机连接有用于规定幅值的第一8位并口模数转换器、第二8位并口模数转换器，第一8位并口模数转换器的数据口、第二8位并口模数转换器的数据口均与单片机连接，第一8位并口模数转换器的REF口、第二8位并口模数转换器的REF口与基准模块的输出连接；

作为优选，单片机还连接有用于控制输出波形的第三8位并口模数转换器、第四8位并口模数转换器，第三8位并口模数转换器、第四8位并口模数转换器均通过双端口并口RAM的数据输出口连接到单片机；

作为优选，第一8位并口模数转换器、第二8位并口模数转换器的输出口分别与第一运放阵列连接，第一运放阵列的输出端分别与第三8位并口模数转换器、第四8位并口模数转换器的REF口连接，第三8位并口模数转换器、第四8位并口模数转换器的输出端分别与第二运放阵列连接，第二运放阵列的输出端与谐波发生器连接。

本实用新型专利中，单片机将波形数据通过数据输入口及地址输入口写入双端口并口RAM内，建立波形表格，写入的地址不同即可实现移相。单片机分别将幅值信号的高8位、低8位传送给第一8位并口模数转换器和第二8位并口模数转换器，第一8位并口模数转换器和第二8位并口模数转换器通过基准模块计算输出电压，传递给第一运放阵列，第一运放阵列通过比例累加，将输出值传递给第三8位并口模数转换器和第四8位并口模数转换器的REF口，从而规定输出波形的幅值。

本实用新型专利中，单片机将输出的波形数据写入双端口并口RAM，将每一时刻点的数据写入第三8位并口模数转换器和第四8位并口模数转换器，第三8位并口模数转换器和第四8位并口模数转换器通过自身的REF口的基准电压，计算输出电压，传送给第二运放阵列，从而输出需要的波形相位。

作为优选，前滤波器和后滤波器均采用RLC滤波方式，其中，前滤波器和后滤波器均包括互相连接的滤波电感、滤波电阻、滤波电容，滤波电感串联连接在PWM整流器上，滤波电阻与滤波电容串联连接之后再并联连接在PWM整流器上。

作为优选，三相谐波发生模块包括结构完全相同的A相谐波发生模块、B相谐波发生模块、C相谐波发生模块，A相谐波发生模块、B相谐波发生模块、C相谐波发生模块均设有三相谐波发生电路，三相谐波发生电路包括状态监测器、交流接触器、继电器、单调消谐电路、高通消谐电路、反并联晶闸管，状态监测器的输入端通过断路器与供电电网连接，状态监测器的输出端通过交流接触器与继电器触点的一端连接，继电器触点的另一端与单调消谐电路或高通消谐电路的一端连接，单调消谐电路或高通消谐电路的另一端与反并联晶闸管的一端连接，各支路的反并联晶闸管的另一端连接在一起，反并联晶闸管的触发信号输入端与模拟量输出模块连接，继电器的线圈与继电器输出模块连接，状态监测器的通信端口与通信模块连接。状态监测器主要用于实现各个支路的状态监测、互锁功能和过零信号的检测，保证继电器和交流接触器的正确吸合和无涌流投切。

作为优选，单调消谐电路包括串联连接的第一电阻、第一电抗器、第一电容器。

作为优选，高通消谐电路包括第二电阻、第二电抗器、第二电容器、第三电容器，第三电容器与第二电阻串联之后再与第二电抗器并联形成并联支路，并联支路再与第二电容器串联。

作为优选，检测模块包括电流互感器、模数转换器，电流互感器的输入端与供电电网连接，电流互感器的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与上位机连接。

本实用新型专利中，被测样品通过变压器连接在谐波发生器上，变压器对谐波发生器输出的谐波电压进行电压变换并传递电能，提高了三相谐波源在检验被测样品对电能质量的补偿能力过程中的适应性。

本实用新型专利中，谐波发生器设在谐波源柜内，带PWM控制器的单片机设在谐波控制柜内，谐波源柜、谐波控制柜均设在被测样品旁边，被测样品设在测试架上，测试架设在墙面上，测试架设有接线架，接线架由支撑架支撑在天花板下方，支撑架固定设在墙面或天花板上，接线架设有线槽，电缆线埋设在线槽中，谐波源柜、谐波控制柜、被测样品均通过电缆线与供电电网连接。由支撑架、接线架、测试架组合形成的安装结构，既为三相谐波源的安装及布线提供了较高的稳固性、牢靠性和平衡能力，又使得三相谐波源的设计紧凑且具有较高的安全性，并且充分的利用了有限的测试空间。

本实用新型由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：采用由前滤波器、谐波功率模块、后滤波器组合形成的三相谐波发生模块，通过PWM控制器对三相谐波发生模块同时输出多种频率叠加的谐波电压进行控制，达到了PWM整流和逆变的独立控制，确保了控制逻辑的准确性和可靠性，实现了谐波次数和幅值的精确控制；该三相谐波源能输出三相谐波2至50次的高次谐波，可实现多台并联运行，具备并联扩容的能力，并且具有抗干扰能力强、运行稳定性高、数据测试准确可靠、运行速度快、工作效率高、接线简单且操作便捷、运行过程安全等诸多优点。

附图说明

图1为本实用新型的三相谐波源对被测样品进行检测实施例的原理框图。

图2为本实用新型的三相谐波源实施例的电路原理框图。

图3为本实用新型的三相谐波发生电路实施例的电路原理图。

图4为本实用新型的三相谐波发生模块主回路实施例的电路原理图。

图5为本实用新型的PWM控制器采用单片机实施例的原理框图。

图6为本实用新型的谐波源柜、谐波控制柜、被测样品安装实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步详细描述。

三相谐波源，如图1-6所示，包括检测模块6、用于输出谐波电压的谐波发生器3、用于对谐波发生器3输出的谐波电压进行电压频率及幅值进行控制的PWM控制器4、与PWM控制器4连接的上位机5，谐波发生器3与PWM控制器4连接；谐波发生器3包括通信模块34、继电器输出模块32、模拟量输出模块33、三相谐波发生模块31，检测模块6的输入端与供电电网7连接，检测模块6的输出端与上位机5连接，上位机5通过通信模块34分别与继电器输出模块32的输入端和模拟量输出模块33的输入端连接，继电器输出模块32的输出端和模拟量输出模块33的输出端分别与三相谐波发生模块31连接，三相谐波发生模块31与供电电网7连接；三相谐波发生模块31设有依次连接的前滤波器8、谐波功率模块9、后滤波器10，谐波功率模块9包括用于建立稳定的直流电压的PWM整流器91、直流侧储能电容92、用于生成给定的电压信号的PWM逆变器93，PWM整流器91、直流侧储能电容92、PWM逆变器93依次连接，前滤波器8的输出端与PWM整流器91的输入端连接，PWM逆变器93的输出端与后滤波器10连接，PWM控制器4的输出端分别与PWM整流器91、PWM逆变器93连接。

本实施例中，PWM控制器4采用单片机40，单片机40设有双端口并口RAM11，双端口并口RAM11具有数据输入口、数据输出口、地址输入口、地址扫描口，双端口并口RAM11的数据输入口、地址输入口连接在单片机40上；单片机40连接有用于规定幅值的第一8位并口模数转换器16、第二8位并口模数转换器18，第一8位并口模数转换器16的数据口、第二8位并口模数转换器18的数据口均与单片机40连接，第一8位并口模数转换器16的REF口、第二8位并口模数转换器18的REF口与基准模块17的输出连接。

本实施例中，单片机40还连接有用于控制输出波形的第三8位并口模数转换器12、第四8位并口模数转换器14，第三8位并口模数转换器12、第四8位并口模数转换器14均通过双端口并口RAM11的数据输出口连接到单片机40。

本实施例中，第一8位并口模数转换器16、第二8位并口模数转换器18的输出口分别与第一运放阵列15连接，第一运放阵列15的输出端分别与第三8位并口模数转换器12、第四8位并口模数转换器14的REF口连接，第三8位并口模数转换器12、第四8位并口模数转换器14的输出端分别与第二运放阵列13连接，第二运放阵列13的输出端与谐波发生器3连接。

本实施例中，前滤波器8和后滤波器10均采用RLC滤波方式。

本实施例中，三相谐波发生模块31包括结构完全相同的A相谐波发生模块311、B相谐波发生模块312、C相谐波发生模块313，A相谐波发生模块311、B相谐波发生模块312、C相谐波发生模块313均设有三相谐波发生电路310，三相谐波发生电路310包括状态监测器3102、交流接触器3103、继电器3104、单调消谐电路3105、高通消谐电路3107、反并联晶闸管3106，状态监测器3102的输入端通过断路器3101与供电电网7连接，状态监测器3102的输出端通过交流接触器3103与继电器3104触点的一端连接，继电器3104触点的另一端与单调消谐电路3105或高通消谐电路3107的一端连接，单调消谐电路3105或高通消谐电路3107的另一端与反并联晶闸管3106的一端连接，各支路的反并联晶闸管3106的另一端连接在一起，反并联晶闸管3106的触发信号输入端与模拟量输出模块33连接，继电器3104的线圈与继电器输出模块32连接，状态监测器3102的通信端口与通信模块34连接。

本实施例中，单调消谐电路3105包括串联连接的第一电阻31053、第一电抗器31052、第一电容器31051。

本实施例中，高通消谐电路3107包括第二电阻31073、第二电抗器31071、第二电容器31072、第三电容器31074，第三电容器31074与第二电阻31073串联之后再与第二电抗器31071并联形成并联支路，并联支路再与第二电容器31072串联。

本实施例中，检测模块6包括电流互感器61、模数转换器62，电流互感器61的输入端与供电电网7连接，电流互感器61的输出端与模数转换器62的输入端连接，模数转换器62的输出端与上位机5连接。

本实施例中，单片机将波形数据通过数据输入口及地址输入口写入双端口并口RAM内，建立波形表格，写入的地址不同即可实现移相。单片机分别将幅值信号的高8位、低8位传送给第一8位并口模数转换器和第二8位并口模数转换器，第一8位并口模数转换器和第二8位并口模数转换器通过基准模块计算输出电压，传递给第一运放阵列，第一运放阵列通过比例累加，将输出值传递给第三8位并口模数转换器和第四8位并口模数转换器的REF口，从而规定输出波形的幅值。

本实施例中，单片机将输出的波形数据写入双端口并口RAM，将每一时刻点的数据写入第三8位并口模数转换器和第四8位并口模数转换器，第三8位并口模数转换器和第四8位并口模数转换器通过自身的REF口的基准电压，计算输出电压，传送给第二运放阵列，从而输出需要的波形相位。

本实施例中，被测样品1通过变压器2连接在谐波发生器3上，变压器2对谐波发生器3输出的谐波电压进行电压变换并传递电能，提高了三相谐波源在检验被测样品对电能质量的补偿能力过程中的适应性。

本实施例中，谐波发生器3设在谐波源柜22内，带PWM控制器4的单片机40设在谐波控制柜23内，谐波源柜22、谐波控制柜23均设在被测样品1旁边，被测样品1设在测试架19上，测试架19设在墙面上，测试架19设有接线架20，接线架20由支撑架21支撑在天花板下方，支撑架21固定设在墙面或天花板上，接线架20设有线槽200，电缆线埋设在线槽200中，谐波源柜22、谐波控制柜23、被测样品1均通过电缆线与供电电网7连接。由支撑架、接线架、测试架组合形成的安装结构，既为三相谐波源的安装及布线提供了较高的稳固性、牢靠性和平衡能力，又使得三相谐波源的设计紧凑且具有较高的安全性，并且充分的利用了有限的测试空间。

总之，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本实用新型专利的涵盖范围。

设计图

三相谐波源论文和设计

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主设计要求

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