整流電路的諧波與功率因數(shù)課件

整流電路的諧波和功率因數(shù)三、R、L負(fù)載時(shí)交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析二、諧波與功率因數(shù)分析的基礎(chǔ)四、整流輸出電壓和電流的諧波分析五、抑制諧波與改善功率因數(shù)一、諧波與功率因數(shù)的危害整流電路的諧波和功率因數(shù)三、R、L負(fù)載時(shí)交流側(cè)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)一、諧波與功率因數(shù)的危害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。一2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。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。3A.電網(wǎng)電壓正弦波相電壓波形畸變率極限

用戶供電電壓(KV)0.38

6或1035或63110

電壓畸變極限(％)５４３1.5許多國(guó)家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國(guó)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(guó)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。A.電網(wǎng)電壓正弦波相電壓波形畸變率極限110

4B.用戶單臺(tái)變流設(shè)備接入電網(wǎng)的允許容量

用戶供電電壓(kV)

設(shè)備型式

允許接入容量(KVA)

3脈波

6脈波

12脈波

0.38

不控半控全控－－－

23063.990

310－150

6或10不控半控全控

400－－1200480600

3000－1500

35或63不控半控全控

660－－1700740850

3900－1900

110及以上不控半控全控1000－－440023003700

11000－9700B.用戶單臺(tái)變流設(shè)備接入電網(wǎng)的允許容量5二、諧波和無功功率分析基礎(chǔ)1.諧波滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級(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（HarmonicRatioforIn）表示

電流諧波總畸變率THDi（TotalHarmonicdistortion）定義為

二、諧波和無功功率分析基礎(chǔ)1.諧波62.功率因數(shù)（1）正弦電路中的情況

電路的有功功率就是其平均功率：

視在功率為電壓、電流有效值的乘積，即S=UI

無功功率定義為：Q=UIsinj

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=cosj

二、諧波和無功功率分析基礎(chǔ)2.功率因數(shù)二、諧波和無功功率分析基礎(chǔ)7（2）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。二、諧波和無功功率分析基礎(chǔ)（2）非正弦電路中的情況二、諧波和無功功率分析基礎(chǔ)8（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j1。這時(shí)有功功率為：P=UI1

cosj1

功率因數(shù)為：

基波因數(shù)——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)（基波功率因數(shù)）——cosj1可見：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。

二、諧波和無功功率分析基礎(chǔ)**（3）非正弦電路的有功功率二、諧波和無功功率分析基礎(chǔ)**9（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(jiǎn)單的定義是仿照式給出的：

這樣定義的無功功率Q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)無功功率的描述很粗糙。二、諧波和無功功率分析基礎(chǔ)（4）非正弦電路的無功功率二、諧波和無功功率分析基礎(chǔ)10無功功率采用符號(hào)Qf，忽略電壓中的諧波時(shí)有：Qf=UI1

sinj

1

在非正弦情況下，，因此引入畸變功率D，使得：

比較式，可得：

忽略電壓諧波時(shí)

這種情況下：Qf為由基波電流所產(chǎn)生的無功功率，D是諧波電流產(chǎn)生的無功功率。二、諧波和無功功率分析基礎(chǔ)無功功率采用符號(hào)Qf，二、諧波和無功功率分析基礎(chǔ)11三、R、L負(fù)載時(shí)交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析1.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)三、R、L負(fù)載時(shí)交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析1.單相橋式全控123）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

三、R、L負(fù)載時(shí)交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析3）功率因數(shù)計(jì)算三、R、L負(fù)載時(shí)交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分132.三相橋式全控整流電路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

三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a=30

時(shí)的波形二、R、L負(fù)載時(shí)交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析2.三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路二、R、L負(fù)143）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6k

1（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)三、R、L負(fù)載時(shí)交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析3）變壓器二次側(cè)電流諧波分析：三、R、L負(fù)載時(shí)交流側(cè)諧波和功153）功率因數(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

三、R、L負(fù)載時(shí)交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析3）功率因數(shù)計(jì)算三、R、L負(fù)載時(shí)交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析16四、整流輸出電壓和電流的諧波分析1.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。a=0

時(shí)，m脈波整流電路的整流電壓波形四、整流輸出電壓和電流的諧波分析1.整流電路的輸出電壓中17

=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-p/m~p/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：

四、整流輸出電壓和電流的諧波分析=0時(shí)：m脈波整流電路的整流電壓四、整流輸出電壓和電18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：

四、整流輸出電壓和電流的諧波分析為了描述整流電壓ud0中所含諧波的總體情況，定義電壓紋波因數(shù)19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m23612∞gu（%）48.218.274.180.9940四、整流輸出電壓和電流的諧波分析電壓紋波因數(shù)式四、整流輸出電壓和電流的諧波分析202）整流輸出電流諧波分析：負(fù)載電流的傅里葉級(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(shì)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：

四、整流輸出電壓和電流的諧波分析2）整流輸出電流諧波分析：四、整流輸出電壓和電流的諧波分213）

=0

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。四、整流輸出電壓和電流的諧波分析3）=0時(shí)整流電壓、電流中的諧波有如下規(guī)律：四、整224）

不為0

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。三相全控橋電流連續(xù)時(shí)，以n為參變量的與

的關(guān)系四、整流輸出電壓和電流的諧波分析4）不為0時(shí)的情況：三相全控橋四、整流輸出電壓和電流23五、抑制諧波與改善功率因數(shù)1.增加整流裝置的相數(shù)2.裝設(shè)無源電力諧波濾波器（一）諧波抑制措施組成：由電力電容器，電抗器和電阻器按一定方式連接而成類型：?jiǎn)握{(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器五、抑制諧波與改善功率因數(shù)1.增加整流裝置的相數(shù)2.裝設(shè)無源24一階減幅型：基波功率損耗太大，一般不采用，二階減幅型：基波損耗較小、阻抗頻率特性較好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程上用得最多，三階減幅型：基波損耗更小，但特性不如二階，用得不多。C型濾波器：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

一階減幅型：基波功率損耗太大，一般不采用，25無源電力濾波器的缺點(diǎn)①有效材料消耗多，體積大；②濾波要求和無功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)；③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；④在某些條件下可能和系統(tǒng)發(fā)生諧振，引發(fā)事故；⑤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)行五、抑制諧波與改善功率因數(shù)無源電力濾波器