電力電子技術(shù)-3.5電壓諧波

1、2-13.5 整流電路的諧波和功率因數(shù)整流電路的諧波和功率因數(shù)引言引言隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用日益廣泛，由此帶來(lái)的諧波(harmonics)和無(wú)功(reactive power)問(wèn)題日益嚴(yán)重，引起了關(guān)注。無(wú)功的危害：導(dǎo)致設(shè)備容量增加。使設(shè)備和線路的損耗增加。線路壓降增大，沖擊性負(fù)載使電壓劇烈波動(dòng)。諧波的危害：降低設(shè)備的效率。影響用電設(shè)備的正常工作。引起電網(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作。對(duì)通信系統(tǒng)造成干擾。2-23.5.1 諧波和無(wú)功功率分析基礎(chǔ)諧波和無(wú)功功率分析基礎(chǔ)1） 諧波諧波對(duì)于非正弦波電壓，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)：n次諧波

2、電流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示 電流諧波總畸變率THDi（Total Harmonic distortion）定義為 %1001IIHRInn%1001IITHDhi正弦波電壓可表示為：)sin(2)(utUtu基波（fundamental）頻率與工頻相同的分量諧波頻率為基波頻率大于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2-32.5.2 帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路 交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析1) 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路忽略換相過(guò)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

3、波形見(jiàn)圖2-6）i2Otd21,3,5,1,3,5,411(sinsin3sin5 )3541sin2sinnnniItttIntIntndd變壓器二次側(cè)電流諧波分析：nIInd22n=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)。2-4應(yīng)用應(yīng)用matlab進(jìn)行單相全控橋大感性負(fù)載電進(jìn)行單相全控橋大感性負(fù)載電流諧波分析流諧波分析3.83.8053.813.8153.823.8253.833.835-200-1000100200Time (s)FFT window: 2 of 250 cycles of selected signal0

4、10020030040050005101520253035Frequency (Hz)Fundamental (50Hz) = 211.2 , THD= 42.78%Mag (% of Fundamental) 雙擊示波器設(shè)傳輸：使能save data to workspace,采樣時(shí)間1e-6。運(yùn)行，完成后點(diǎn)開(kāi)powergui,設(shè)定參數(shù)，點(diǎn)顯示即得結(jié)果。50Hz 基波5次3次，幅值為基波的1/32-52.5.2 帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路 交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析基波電流有效值為 i2的有效值I= Id，結(jié)合式可得基波因數(shù)為 電流基波與電壓的相位

5、差就等于控制角 ，故位移因數(shù)為 所以，功率因數(shù)為 d122IIII12 209 .1112 2coscos0.9cosIPFI11coscosDF 功率因數(shù)計(jì)算功率因數(shù)計(jì)算2-63.5.2 帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路 交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析交流側(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三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a=30時(shí)的波形阻感負(fù)載，忽略換相過(guò)程和電流脈動(dòng)，直流電感L為足夠大。以 =30為例，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：d32II tud1 = 30ud2uduabuacubcubaucau

6、cbuabuac tOOtOtOidiat1uaubucd32II （2-78）2-73.5.2 帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路 交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析變壓器二次側(cè)電流諧波分析：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,3,2,1,16,66dd1kknInIIIn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)。功率因數(shù)計(jì)算功率因數(shù)計(jì)算基波因數(shù)：955.031II位移因數(shù)仍為：coscos11功率因數(shù)為：cos955.0cos3cos111II2-83.5.3 電容濾波的不可

7、控整流電路電容濾波的不可控整流電路 交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析1) 單相橋式不可控整流電路單相橋式不可控整流電路 實(shí)用的單相不可控整流電路采用感容濾波。電容濾波的單相不可控整流電路交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律：諧波次數(shù)為奇次。諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小。諧波與基波的關(guān)系是不固定的。 越大，則諧波越小。LC關(guān)于功率因數(shù)的結(jié)論如下：位移因數(shù)接近1，輕載超前，重載滯后。諧波大小受負(fù)載和濾波電感的影響。2-93.5.3 電容濾波的不可控整流電路電容濾波的不可控整流電路 交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析2) 三相橋式不可控整流電路三相橋式不可控整流電路 實(shí)際應(yīng)用的電容濾

8、波三相不可控整流電路中通常有濾波電感。交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律交流側(cè)諧波組成有如下規(guī)律：諧波次數(shù)為6k1次，k =1，2，3。諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小。諧波與基波的關(guān)系是不固定的。關(guān)于功率因數(shù)的結(jié)論如下關(guān)于功率因數(shù)的結(jié)論如下：位移因數(shù)通常是滯后的,但與單相時(shí)相比,位移因數(shù)更接近1。隨負(fù)載加重（RC的減小），總的功率因數(shù)提高；同時(shí)，隨濾波電感加大，總功率因數(shù)也提高。2-103.5.4 整流輸出電壓的諧波分析整流輸出電壓的諧波分析 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。M脈波相控整流電壓通用公式：0t mmmmPNMBERQFu00n2,4,

9、(cos t+b sin t)dcnnuUann22/sm00mUsin td( t) =sinsin22mmmdcsmmmUUtdttdt2sincossdcUUmm2/0sincos t ( t)mnsmmaUtnd2/0sinsin t ( t)mnsmmbUtnd222221sincos11211 cos2(1)(1),1,2,3,snmnnUnUabmnnnnmmnnnkm k1tannnnba2-113.5.4 整流輸出電壓的諧波分析整流輸出電壓的諧波分析 =0時(shí)整流電壓諧波有如下規(guī)律：m m脈波整流電壓脈波整流電壓u ud0d0的諧波次數(shù)為的諧波次數(shù)為mkmk（k k=1=1，2

10、 2，3.3.）次，即）次，即m m的倍數(shù)次。的倍數(shù)次。當(dāng)當(dāng)m m一定時(shí)，隨諧波次數(shù)增大，諧波幅值迅速減一定時(shí)，隨諧波次數(shù)增大，諧波幅值迅速減小，表明小，表明最低次（最低次（m m次）諧波是最主要的次）諧波是最主要的，其它，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)次數(shù)的諧波相對(duì)較少；當(dāng)負(fù)載中有電感時(shí)，負(fù)載電流諧波幅值載電流諧波幅值d dn n的減小更為迅速。的減小更為迅速。m m增加時(shí)，最低次諧波次數(shù)增大，且幅值迅速減增加時(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。小，電壓紋波因數(shù)迅速下降。 2-12整流輸出電壓的諧波分析整流輸出電壓的諧波分析2sin(2 /)U2cos

11、122 /mssmmmUtdtUmrms=0整流電壓有效值22UdcnUUrms又整流電壓的紋波系數(shù) 22222sin14sinrmsdcdcUUmmRFUmm23648.2%,18.27%,4.18%RFRFRF隨整流波頭數(shù)增加，紋波迅速下降2-133.5.4 整流輸出電壓的諧波分析整流輸出電壓的諧波分析 不為不為0 時(shí)的情況時(shí)的情況：整流電壓諧波的一般表達(dá)式十分復(fù)雜，下面只說(shuō)明諧波電壓與 角的關(guān)系。以n為參變量，n次諧波幅值對(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。306090120150 18000.10.20.3UnmUsmn=6n=12n=18三相橋相控整流諧波電壓特性000000306090120150 18000.20.40.60.8UnmUsmn=2n=4n=6單相橋相控整流