整流電路的諧波和功率因數

1、許多電力電子裝置要消耗無功功率，會對公用電網帶來不利影響。無功功率會導致電流增大和視在功率增加，導致設備容量增加。無功功率增加，會使總電流增加，從而使設備和線路的損耗增加使線路電壓降增大，沖擊性無功負載還會使電壓劇烈波動電力電子裝置還會產生諧波，對公用電網產生危害。諧波使電網中的元件產生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線會使線路過熱甚至發(fā)生火災諧波影響各種電氣設備的正常工作諧波會引起電網局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產生干擾。用戶供電電用戶供電電壓壓 (KV)(KV)0.380.386 6或或101035

2、35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)布了限制電網諧波的國家標準，或由權威機構制定限制諧波的規(guī)定。國家標準（GB/T14549-93）電能質量公用電網諧波從1994年3月1日起開始實施。用戶供電電用戶供電電壓壓(kV)(kV)設備型式設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 30

3、00300015001500 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，可分解為傅里葉級數傅里葉級數基波（fundamental）在傅里葉級數中，頻率與工頻相同的分量諧 波頻率較基波頻率大于1整數倍的分量諧波次數諧波頻率和基波頻率的整數比n次諧波電流含有率以HRIn（Harmonic Ratio fo

4、r In）表示 電流諧波總畸變率THDi（Total Harmonic distortion）定義為 %1001IIHRInn%1001IITHDhi2. 功率因數功率因數（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 功率因數功率因數l 定義為有功功率P和視在功率S的比值： 此時無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間有如下關系： 功率因數是由電壓和電流的相位差j 決定的：l l =cos j j j20cos)(21UItuidPSPl222QPS（2） 非正弦

5、電路中的情況有功功率、視在功率、功率因數的定義均和正弦電路相同，功率因數仍由式 定義。公用電網中，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際意義。SPl（3） 非正弦電路的有功功率 設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。 這時有功功率為：P=U I1 cosj j1 功率因數功率因數為： 基波因數基波因數n n =I1 / I，即基波電流有效值和總電流有效值之比 位移因數位移因數（基波功率因數）cosj j 1可見： 功率因數由基波電流相移和電流波形畸

6、功率因數由基波電流相移和電流波形畸變這兩個因素共同決定的。變這兩個因素共同決定的。 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而權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反映了能量的流動和交反映了能量的流動和交換，目前被較廣泛的接受，但該定義對無功功換，目前被較廣泛的接受，但該定義對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Qf，忽略電壓中的諧波時有：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，可得：

7、 忽略電壓諧波時 這種情況下：Q f為由基波電流所產生的無功功率，為由基波電流所產生的無功功率，D是諧波電流是諧波電流產生的無功功率。產生的無功功率。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，帶阻感負載，直流電感L為足夠大（電流i2的波形） 2）變壓器二次側電流諧波分析： 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成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數,5,3,1,5,3,1dd2sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnntnItnnItttIin

8、IInd223） 功率因數計算功率因數計算 基波電流有效值為 i2的有效值I= Id可得基波因數為 電流基波與電壓的相位差就等于控制角 ，故位移因數為 所以，功率因數為 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）阻感負載，忽略換相過程和電流脈動，直流電感L為足夠大2）以 =30為例，交流側電壓和電流波形如圖中的ua和ia波形所示。此時，電流為正負半周各120的方波，其有效值與直流電流的關系為 ud1 = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuactOtOtOtOidi

9、at1uaubucd32II三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路帶阻感負載帶阻感負載a a=30=30 時的波形時的波形3）變壓器二次側電流諧波分析： 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）次諧波各次諧波有效值與諧波次數成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數3 , 2 , 11613 , 2 , 116dddasin2) 1(sin2sin1) 1(32sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32kknnkkknktnItItnnItItttttIi,3 ,2, 1, 16,66dd1kknInIIIn3）功率因數計算）功率因數

10、計算基波因數為 電流基波與電壓的相位差仍為 ，故位移因數仍為 功率因數為 955. 031nIIjlcoscos11jnllcos955. 0cos3cos111II1. 整流電路的輸出電壓中主要成分為直流，同時包含各種頻率的諧波，這些諧波對于負載的工作是不利的。udtOmm2 mU22 =0時，m脈波整流電路的整流電壓波形 =0 時：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整流輸出電壓諧波分析：將縱坐標選在整流電壓的峰值處，則在- /m /m區(qū)間，整流電壓的表達式為： 對該整流輸出電壓進行傅里葉級數分解，得出： 式中，k=1，2，3；且： tucos20dtnnk

11、UtnbUumknmknncos1cos21cos2d0d0d0mmUUsin22d0d021cos2Unkbn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因數為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電壓紋波因數式電壓紋波因數式 不同脈波數m時的電壓紋波因數值表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：負載電流的傅里葉

12、級數可由整流電壓的傅里葉級數求得： 當負載為R、L和反電動勢E串聯(lián)時，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 時整流電壓、電流中的諧波有如下規(guī)律：時整流電壓、電流中的諧波有如下規(guī)律：（1）m脈波整流電壓ud0的諧波次數為mk（k=1，2，3.）次，即m的倍數次；整流電流的諧波由整流電壓的諧波決定，也為mk次；（2）當m一定時，隨諧波次數增大，諧波幅值迅速減小，表明最低次（m次）諧波是最主要的，其它次數的諧波相對較少；當負載中有電感時，負載電流諧波幅值dn的減

13、小更為迅速；（3） m增加時，最低次諧波次數增大，且幅值迅速減小，電壓紋波因數迅速下降。 4） 不為不為0 時的情況時的情況： 三相半波整流電壓諧波的一般表達式十分復雜，給出三相橋式整流電路的結果，說明諧波電壓與 角的關系。以n為參變量，n次諧波幅值（取標幺值）對 的關系如圖所示：當 從0 90 變化時，ud的諧波幅值隨 增大而增大， =90 時諧波幅值最大。 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，以n為參變量的與 的關系組成：由電力電容器，電

14、抗器和電阻器按一定方式連接而成 類型：單調諧濾波器、雙調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、結構簡單，工基波損耗較小、阻抗頻率特性較好、結構簡單，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，只是它對工頻偏差及元件參數變化較為敏感基波損耗很小，只是它對工頻偏差及元件參數變化較為敏感 有效材料消耗多，體積大；有效材料消耗多，體積大；濾波要求和無功補償、

15、調壓要求有時難以協(xié)調；濾波要求和無功補償、調壓要求有時難以協(xié)調；濾波效果不夠理想，只能做成對某幾次諧波有濾波濾波效果不夠理想，只能做成對某幾次諧波有濾波效果，而很可能對其他幾次諧波有放大作用；效果，而很可能對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；當諧波源增大時，濾波器負擔加重，可能因諧波過當諧波源增大時，濾波器負擔加重，可能因諧波過載不能運行載不能運行 q類型：類型：根據與補償對象連接的方式不同而分為和兩種 儲能元件為電容的，采用電感的 q構成構成：由高次諧波電流的檢測、調節(jié)和控制器、脈寬調制器（PWM）的逆變器和直流電源等主要環(huán)節(jié)組成 *采用兩組對稱的整流器串聯(lián)