整流電路的諧波和功率因數(shù)

1、許多電力電子裝置要消耗無功功率，會(huì)對(duì)公用電網(wǎng)帶來不利影響。無功功率會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，導(dǎo)致設(shè)備容量增加。無功功率增加，會(huì)使總電流增加，從而使設(shè)備和線路的損耗增加使線路電壓降增大，沖擊性無功負(fù)載還會(huì)使電壓劇烈波動(dòng)電力電子裝置還會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生危害。諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性線會(huì)使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作諧波會(huì)引起電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。用戶供電電用戶供電電壓壓 ( (KV)KV)0.380.386 6或或10103

2、535或或6363 110110電壓畸變極電壓畸變極限限( () )1.51.5許多國家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)，或由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14549-93）電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波從1994年3月1日起開始實(shí)施。用戶供電電用戶供電電壓壓( (kV)kV)設(shè)備型式設(shè)備型式允許接入容量允許接入容量( (KVA)KVA) 3 3脈波脈波 6 6脈波脈波 1212脈波脈波0.380.38不控不控半控半控全控全控 23023063.963.99090 310310150150 6 6或或1010不控不控半控半控全控全控 400 400 12001200480480600600

3、 3000300015001500 35 35或或6363不控不控半控半控全控全控 660 660 1700 1700740740850850 3900390019001900 110 110及以上及以上不控不控半控半控全控全控10001000 4400 4400 2300 2300 3700 3700 1100011000 970097001. 諧波諧波滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級(jí)數(shù)傅里葉級(jí)數(shù)基波（fundamental）在傅里葉級(jí)數(shù)中，頻率與工頻相同的分量諧 波頻率較基波頻率大于1整數(shù)倍的分量諧波次數(shù)諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比n次諧波電流含有率以HRIn（Harmonic Ratio

4、 for In）表示 電流諧波總畸變率THDi（Total Harmonic distortion）定義為 %1001IIHRInn%1001IITHDhi2. 功率因數(shù)功率因數(shù)（1） 正弦電路中的情況 電路的有功功率有功功率就是其平均功率平均功率： 視在功率視在功率為電壓、電流有效值的乘積，即S=UI 無功功率無功功率定義為： Q=U I sinj j 功率因數(shù)功率因數(shù)l 定義為有功功率P和視在功率S的比值： 此時(shí)無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間有如下關(guān)系： 功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差j 決定的：l l =cos j j j20cos)(21UItuidPSPl222QPS（2）

5、非正弦電路中的情況有功功率、視在功率、功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同，功率因數(shù)仍由式 定義。公用電網(wǎng)中，通常電壓的波形畸變很小，而電流波形的畸變可能很大。因此，不考慮電壓畸變，研究電壓波形為正弦波、電流波形為非正弦波的情況有很大的實(shí)際意義。SPl（3） 非正弦電路的有功功率 設(shè)正弦波電壓有效值為U，畸變電流有效值為I，基波電流有效值及與電壓的相位差分別為I1和j 1。 這時(shí)有功功率為：P=U I1 cosj j1 功率因數(shù)功率因數(shù)為： 基波因數(shù)基波因數(shù)n n =I1 / I，即基波電流有效值和總電流有效值之比 位移因數(shù)位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）cosj j 1可見： 功率因數(shù)由基波電流相移和電流

6、波形畸功率因數(shù)由基波電流相移和電流波形畸變這兩個(gè)因素共同決定的。變這兩個(gè)因素共同決定的。 11111coscoscosjnjjlIIUIUISP* （4） 非正弦電路的無功功率定義很多，但尚無被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義一種簡單的定義是仿照式給出的： 這樣定義的無功功率這樣定義的無功功率Q反映了能量的流動(dòng)和交反映了能量的流動(dòng)和交換，目前被較廣泛的接受，但該定義對(duì)無功功換，目前被較廣泛的接受，但該定義對(duì)無功功率的描述很粗糙。率的描述很粗糙。22PSQ無功功率采用符號(hào)Qf，忽略電壓中的諧波時(shí)有：Q f =U I 1 sinj j 1 在非正弦情況下， ，因此引入畸變功率畸變功率D，使得： 比較式，

7、可得： 忽略電壓諧波時(shí) 這種情況下：Q f為由基波電流所產(chǎn)生的無功功率，為由基波電流所產(chǎn)生的無功功率，D是諧波電流是諧波電流產(chǎn)生的無功功率。產(chǎn)生的無功功率。222fQPS2222DQPSf222DQQf22222nnfIUQPSD1. 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 1）忽略換相過程和電流脈動(dòng)，帶阻感負(fù)載，直流電感L為足夠大（電流i2的波形） 2）變壓器二次側(cè)電流諧波分析： n=1,3,5,電流中僅含奇次諧波各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù),5,3,1,5,3,1dd2sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnntnItnnIttt

8、IinIInd223） 功率因數(shù)計(jì)算功率因數(shù)計(jì)算 基波電流有效值為 i2的有效值I= Id可得基波因數(shù)為 電流基波與電壓的相位差就等于控制角 ，故位移因數(shù)為 所以，功率因數(shù)為 d122IInII12 209 .jnllcos9.0cos22cos111IIjlcoscos112. 三相橋式全控整流三相橋式全控整流電路電路1）阻感負(fù)載，忽略換相過程和電流脈動(dòng)，直流電感L為足夠大2）以 =30為例，交流側(cè)電壓和電流波形如圖中的ua和ia波形所示。此時(shí)，電流為正負(fù)半周各120的方波，其有效值與直流電流的關(guān)系為 ud1 = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuactOtOtOtO

9、idiat1uaubucd32II三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載帶阻感負(fù)載a a=30=30 時(shí)的波形時(shí)的波形3）變壓器二次側(cè)電流諧波分析： 電流基波和各次諧波有效值分別為 電流中僅含6k1（k為正整數(shù)）次諧波各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)3 , 2 , 11613 , 2 , 116dddasin2) 1(sin2sin1) 1(32sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32kknnkkknktnItItnnItItttttIi,3 ,2, 1, 16,66dd1kknInIIIn3）功率因數(shù)計(jì)算）功

10、率因數(shù)計(jì)算基波因數(shù)為 電流基波與電壓的相位差仍為 ，故位移因數(shù)仍為 功率因數(shù)為 955. 031nIIjlcoscos11jnllcos955. 0cos3cos111II1. 整流電路的輸出電壓中主要成分為直流，同時(shí)包含各種頻率的諧波，這些諧波對(duì)于負(fù)載的工作是不利的。udtOmm2 mU22 =0時(shí)，m脈波整流電路的整流電壓波形 =0 時(shí)：m脈波整流電路的整流電壓 和整流電流的諧波分析1) 整流輸出電壓諧波分析整流輸出電壓諧波分析：將縱坐標(biāo)選在整流電壓的峰值處，則在- /m /m區(qū)間，整流電壓的表達(dá)式為： 對(duì)該整流輸出電壓進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，得出： 式中，k=1，2，3；且： tucos20

11、dtnnkUtnbUumknmknncos1cos21cos2d0d0d0mmUUsin22d0d021cos2Unkbn為了描述整流電壓ud0中所含諧波的總體情況，定義電壓紋波電壓紋波因數(shù)因數(shù)為ud0中諧波分量有效值UR與整流電壓平均值Ud0之比： 其中： 而： d0RUUu2d022RUUUUmknnmmUttUmUmm22sin1)(d)cos2(2222電壓紋波因數(shù)式電壓紋波因數(shù)式 不同脈波數(shù)m時(shí)的電壓紋波因數(shù)值表mmmmmmUUusinsin2sin42121222d0Rm23612 u（%）48.218.274.180.99402） 整流輸出電流諧波分析整流輸出電流諧波分析：負(fù)載電

12、流的傅里葉級(jí)數(shù)可由整流電壓的傅里葉級(jí)數(shù)求得： 當(dāng)負(fù)載為R、L和反電動(dòng)勢E串聯(lián)時(shí)，上式中： n次諧波電流的幅值dn為： n次諧波電流的滯后角為： )cos(ddnmknntndIijREUId0d22)(LnRbzbdnnnnRLnnjarctan3） =0 時(shí)整流電壓、電流中的諧波有如下規(guī)律：時(shí)整流電壓、電流中的諧波有如下規(guī)律：（1）m脈波整流電壓ud0的諧波次數(shù)為mk（k=1，2，3.）次，即m的倍數(shù)次；整流電流的諧波由整流電壓的諧波決定，也為mk次；（2）當(dāng)m一定時(shí)，隨諧波次數(shù)增大，諧波幅值迅速減小，表明最低次（m次）諧波是最主要的，其它次數(shù)的諧波相對(duì)較少；當(dāng)負(fù)載中有電感時(shí)，負(fù)載電流諧波幅

13、值dn的減小更為迅速；（3） m增加時(shí)，最低次諧波次數(shù)增大，且幅值迅速減小，電壓紋波因數(shù)迅速下降。 4） 不為不為0 時(shí)的情況時(shí)的情況： 三相半波整流電壓諧波的一般表達(dá)式十分復(fù)雜，給出三相橋式整流電路的結(jié)果，說明諧波電壓與 角的關(guān)系。以n為參變量，n次諧波幅值（取標(biāo)幺值）對(duì) 的關(guān)系如圖所示：當(dāng) 從0 90 變化時(shí)，ud的諧波幅值隨 增大而增大， =90 時(shí)諧波幅值最大。 從90 180之間電路工作于有源逆變工作狀態(tài)，ud的諧波幅值隨 增大而減小。030120150180600.10.20.390n=6n=12n=18/( )U2Lcn2三相全控橋電流連續(xù)時(shí)，以n為參變量的與 的關(guān)系組成：由電力

14、電容器，電抗器和電阻器按一定方式連接而成 類型：單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器 ：基波功率損耗太大，一般不采用，基波功率損耗太大，一般不采用，：基波損耗較小、阻抗頻率特性較好、結(jié)構(gòu)簡單，工基波損耗較小、阻抗頻率特性較好、結(jié)構(gòu)簡單，工程上用得程上用得最多最多，：基波損耗更小，但特性不如二階，用得不多基波損耗更小，但特性不如二階，用得不多。：一種新型的高通型式，特性介于二階與三階之間，一種新型的高通型式，特性介于二階與三階之間，基波損耗很小，只是它對(duì)工頻偏差及元件參數(shù)變化較為敏感基波損耗很小，只是它對(duì)工頻偏差及元件參數(shù)變化較為敏感 有效材料消耗多，體積大；有效材料消耗多，體積大；濾波要求和

15、無功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)；濾波要求和無功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)；濾波效果不夠理想，只能做成對(duì)某幾次諧波有濾波濾波效果不夠理想，只能做成對(duì)某幾次諧波有濾波效果，而很可能對(duì)其他幾次諧波有放大作用；效果，而很可能對(duì)其他幾次諧波有放大作用；在某些條件下可能和系統(tǒng)發(fā)生諧振，引發(fā)事故；在某些條件下可能和系統(tǒng)發(fā)生諧振，引發(fā)事故；當(dāng)諧波源增大時(shí)，濾波器負(fù)擔(dān)加重，可能因諧波過當(dāng)諧波源增大時(shí)，濾波器負(fù)擔(dān)加重，可能因諧波過載不能運(yùn)行載不能運(yùn)行 q類型：類型：根據(jù)與補(bǔ)償對(duì)象連接的方式不同而分為和兩種 儲(chǔ)能元件為電容的，采用電感的 q構(gòu)成構(gòu)成：由高次諧波電流的檢測、調(diào)節(jié)和控制器、脈寬調(diào)制器（PWM）的逆變器和直流電源等主要環(huán)節(jié)組成 *采用兩組對(duì)稱的整流器串