1、整流电路的谐波和功率因数 三 R L负载时交流侧谐波和功率因数分析 二 谐波与功率因数分析的基础 四 整流输出电压和电流的谐波分析 五 抑制谐波与改善功率因数 一 谐波与功率因数的危害 许多电力电子装置要消耗无功功率 会对公用电网带来不利影响 无功功率会导致电流增大和视在功率增加 导致设备容量增加 无功功率增加 会使总电流增加 从而使设备和线路的损耗增加使线路电压降增大 冲击性无功负载还会使电压剧烈波动 一 谐波与功率因数的危害 电力电子装置还会产生谐波 对公用电网产生危害 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗 降低发电 输电及用电设备的效率 大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾谐
2、波影响各种电气设备的正常工作谐波会引起电网局部的并联谐振和串联谐振谐波会导致继电保护和自动装置的误动作谐波会对邻近的通信系统产生干扰 A 电网电压正弦波相电压波形畸变率极限 许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准 或由权威机构制定限制谐波的规定 国家标准 GB T14549 93 电能质量公用电网谐波 从1994年3月1日起开始实施 B 用户单台变流设备接入电网的允许容量 二 谐波和无功功率分析基础 1 谐波满足狄里赫利条件 可分解为傅里叶级数基波 fundamental 在傅里叶级数中 频率与工频相同的分量谐波 频率较基波频率大于1整数倍的分量谐波次数 谐波频率和基波频率的整数比n次谐波电流
3、含有率以HRIn HarmonicRatioforIn 表示电流谐波总畸变率THDi TotalHarmonicdistortion 定义为 2 功率因数 1 正弦电路中的情况电路的有功功率就是其平均功率 视在功率为电压 电流有效值的乘积 即S UI无功功率定义为 Q UIsinj功率因数l定义为有功功率P和视在功率S的比值 此时无功功率Q与有功功率P 视在功率S之间有如下关系 功率因数是由电压和电流的相位差j决定的 l cosj 二 谐波和无功功率分析基础 2 非正弦电路中的情况有功功率 视在功率 功率因数的定义均和正弦电路相同 功率因数仍由式定义 公用电网中 通常电压的波形畸变很小 而电流
4、波形的畸变可能很大 因此 不考虑电压畸变 研究电压波形为正弦波 电流波形为非正弦波的情况有很大的实际意义 二 谐波和无功功率分析基础 3 非正弦电路的有功功率设正弦波电压有效值为U 畸变电流有效值为I 基波电流有效值及与电压的相位差分别为I1和j1 这时有功功率为 P UI1cosj1功率因数为 基波因数 n I1 I 即基波电流有效值和总电流有效值之比位移因数 基波功率因数 cosj1可见 功率因数由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定的 二 谐波和无功功率分析基础 4 非正弦电路的无功功率定义很多 但尚无被广泛接受的科学而权威的定义一种简单的定义是仿照式给出的 这样定义的无功功率Q
5、反映了能量的流动和交换 目前被较广泛的接受 但该定义对无功功率的描述很粗糙 二 谐波和无功功率分析基础 无功功率采用符号Qf 忽略电压中的谐波时有 Qf UI1sinj1在非正弦情况下 因此引入畸变功率D 使得 比较式 可得 忽略电压谐波时这种情况下 Qf为由基波电流所产生的无功功率 D是谐波电流产生的无功功率 二 谐波和无功功率分析基础 三 R L负载时交流侧谐波和功率因数分析 1 单相桥式全控整流电路1 忽略换相过程和电流脉动 带阻感负载 直流电感L为足够大 电流i2的波形 2 变压器二次侧电流谐波分析 n 1 3 5 电流中仅含奇次谐波各次谐波有效值与谐波次数成反比 且与基波有效值的比值
6、为谐波次数的倒数 3 功率因数计算基波电流有效值为i2的有效值I Id可得基波因数为电流基波与电压的相位差就等于控制角 故位移因数为所以 功率因数为 三 R L负载时交流侧谐波和功率因数分析 2 三相桥式全控整流电路1 阻感负载 忽略换相过程和电流脉动 直流电感L为足够大2 以 30 为例 交流侧电压和电流波形如图中的ua和ia波形所示 此时 电流为正负半周各120 的方波 其有效值与直流电流的关系为 三相桥式全控整流电路带阻感负载a 30 时的波形 二 R L负载时交流侧谐波和功率因数分析 3 变压器二次侧电流谐波分析 电流基波和各次谐波有效值分别为电流中仅含6k 1 k为正整数 次谐波各次
7、谐波有效值与谐波次数成反比 且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数 三 R L负载时交流侧谐波和功率因数分析 3 功率因数计算基波因数为电流基波与电压的相位差仍为 故位移因数仍为功率因数为 三 R L负载时交流侧谐波和功率因数分析 四 整流输出电压和电流的谐波分析 1 整流电路的输出电压中主要成分为直流 同时包含各种频率的谐波 这些谐波对于负载的工作是不利的 a 0 时 m脉波整流电路的整流电压波形 0 时 m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析整流输出电压谐波分析 将纵坐标选在整流电压的峰值处 则在 p m p m区间 整流电压的表达式为 对该整流输出电压进行傅里叶级数分解 得出 式中
8、k 1 2 3 且 四 整流输出电压和电流的谐波分析 为了描述整流电压ud0中所含谐波的总体情况 定义电压纹波因数为ud0中谐波分量有效值UR与整流电压平均值Ud0之比 其中 而 四 整流输出电压和电流的谐波分析 电压纹波因数式不同脉波数m时的电压纹波因数值表 四 整流输出电压和电流的谐波分析 2 整流输出电流谐波分析 负载电流的傅里叶级数可由整流电压的傅里叶级数求得 当负载为R L和反电动势E串联时 上式中 n次谐波电流的幅值dn为 n次谐波电流的滞后角为 四 整流输出电压和电流的谐波分析 3 0 时整流电压 电流中的谐波有如下规律 1 m脉波整流电压ud0的谐波次数为mk k 1 2 3
9、次 即m的倍数次 整流电流的谐波由整流电压的谐波决定 也为mk次 2 当m一定时 随谐波次数增大 谐波幅值迅速减小 表明最低次 m次 谐波是最主要的 其它次数的谐波相对较少 当负载中有电感时 负载电流谐波幅值dn的减小更为迅速 3 m增加时 最低次谐波次数增大 且幅值迅速减小 电压纹波因数迅速下降 四 整流输出电压和电流的谐波分析 4 不为0 时的情况 三相半波整流电压谐波的一般表达式十分复杂 给出三相桥式整流电路的结果 说明谐波电压与 角的关系 以n为参变量 n次谐波幅值 取标幺值 对 的关系如图所示 当 从0 90 变化时 ud的谐波幅值随 增大而增大 90 时谐波幅值最大 从90 180
10、 之间电路工作于有源逆变工作状态 ud的谐波幅值随 增大而减小 三相全控桥电流连续时 以n为参变量的与 的关系 四 整流输出电压和电流的谐波分析 五 抑制谐波与改善功率因数 1 增加整流装置的相数 2 装设无源电力谐波滤波器 一 谐波抑制措施 组成 由电力电容器 电抗器和电阻器按一定方式连接而成类型 单调谐滤波器 双调谐滤波器和高通滤波器 一阶减幅型 基波功率损耗太大 一般不采用 二阶减幅型 基波损耗较小 阻抗频率特性较好 结构简单 工程上用得最多 三阶减幅型 基波损耗更小 但特性不如二阶 用得不多 C型滤波器 一种新型的高通型式 特性介于二阶与三阶之间 基波损耗很小 只是它对工频偏差及元件参
11、数变化较为敏感 无源电力滤波器的缺点 有效材料消耗多 体积大 滤波要求和无功补偿 调压要求有时难以协调 滤波效果不够理想 只能做成对某几次谐波有滤波效果 而很可能对其他几次谐波有放大作用 在某些条件下可能和系统发生谐振 引发事故 当谐波源增大时 滤波器负担加重 可能因谐波过载不能运行 五 抑制谐波与改善功率因数 3 装设有源电力滤波器 五 抑制谐波与改善功率因数 以实时检测的谐波电流为补偿对象 具有良好的补偿效果和通用性 类型 根据与补偿对象连接的方式不同而分为并联型和串联型两种储能元件为电容的电压型 采用电感的电流型 补偿原理 设负荷电流iL是方波电流 图a 其中所含的高次谐波分量为iH 图
12、b 有源电力滤波器如果产生一个如图c所示的与图b所示的幅值相等 且相位于相反的电流iF 则iF和iL综合后 电源侧的电流iS就变成如图d所示的正弦波形 构成 由高次谐波电流的检测 调节和控制器 脉宽调制器 PWM 的逆变器和直流电源等主要环节组成 五 抑制谐波与改善功率因数 二 提高晶闸管的相控变流电路功率因数的措施 采用两组对称的整流器串联 小控制角运行 增加整流相数 设置补偿电容 采用不可控整流加直流斩波器调压 五 抑制谐波与改善功率因数 五 抑制谐波与改善功率因数 相控变流技术的电力电子装置存在着网侧功率因数低以及投网运行时向电网注入谐波的两大问题 采取措施 抑制以至消除这些电力公害是电力电子技术领域中一项重要的研究课题 也是国内外学者研究的热门课题 谢谢
