整流电路的谐波和功率因数

1、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。用户供电电用户供电电压压 ( (KV)KV)0.380.386 6或或10103

2、535或或6363 110110电压畸变极电压畸变极限限( () )1.51.5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。用户供电电用户供电电压压( (kV)kV)设备型式设备型式允许接入容量允许接入容量( (KVA)KVA) 3 3脉波脉波 6 6脉波脉波 1212脉波脉波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. 谐波谐波满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数傅里叶级数基波（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次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio

4、 for In）表示 电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为 %1001IIHRInn%1001IITHDhi2. 功率因数功率因数（1） 正弦电路中的情况 电路的有功功率有功功率就是其平均功率平均功率： 视在功率视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=UI 无功功率无功功率定义为： Q=U I sinj j 功率因数功率因数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 l =cos j j j20cos)(21UItuidPSPl222QPS（2）

5、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。SPl（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j 1。 这时有功功率为：P=U I1 cosj j1 功率因数功率因数为： 基波因数基波因数n n =I1 / I，即基波电流有效值和总电流有效值之比 位移因数位移因数（基波功率因数）cosj j 1可见： 功率因数由基波电流相移和电流

6、波形畸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。变这两个因素共同决定的。 11111coscoscosjnjjlIIUIUISP* （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这样定义的无功功率Q反映了能量的流动和交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。率的描述很粗糙。22PSQ无功功率采用符号Qf，忽略电压中的谐波时有：Q f =U I 1 sinj j 1 在非正弦情况下， ，因此引入畸变功率畸变功率D，使得： 比较式，

7、可得： 忽略电压谐波时 这种情况下：Q f为由基波电流所产生的无功功率，为由基波电流所产生的无功功率，D是谐波电流是谐波电流产生的无功功率。产生的无功功率。222fQPS2222DQPSf222DQQf22222nnfIUQPSD1. 单相桥式全控整流电路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为谐波次数的倒数,5,3,1,5,3,1dd2sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnntnItnnIttt

8、IinIInd223） 功率因数计算功率因数计算 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 d122IInII12 209 .jnllcos9.0cos22cos111IIjlcoscos112. 三相桥式全控整流三相桥式全控整流电路电路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 ud1 = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuactOtOtOtO

9、idiat1uaubucd32II三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路带阻感负载带阻感负载a a=30=30 时的波形时的波形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6k1（k为正整数）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为谐波次数的倒数3 , 2 , 11613 , 2 , 116dddasin2) 1(sin2sin1) 1(32sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32kknnkkknktnItItnnItItttttIi,3 ,2, 1, 16,66dd1kknInIIIn3）功率因数计算）功

10、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 955. 031nIIjlcoscos11jnllcos955. 0cos3cos111II1. 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。udtOmm2 mU22 =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1) 整流输出电压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- /m /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，k=1，2，3；且： tucos20

11、dtnnkUtnbUumknmknncos1cos21cos2d0d0d0mmUUsin22d0d021cos2Unkbn为了描述整流电压ud0中所含谐波的总体情况，定义电压纹波电压纹波因数因数为ud0中谐波分量有效值UR与整流电压平均值Ud0之比： 其中： 而： d0RUUu2d022RUUUUmknnmmUttUmUmm22sin1)(d)cos2(2222电压纹波因数式电压纹波因数式 不同脉波数m时的电压纹波因数值表mmmmmmUUusinsin2sin42121222d0Rm23612 u（%）48.218.274.180.99402） 整流输出电流谐波分析整流输出电流谐波分析：负载电

12、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： )cos(ddnmknntndIijREUId0d22)(LnRbzbdnnnnRLnnjarctan3） =0 时整流电压、电流中的谐波有如下规律：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.）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

13、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。 4） 不为不为0 时的情况时的情况： 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。030120150180600.10.20.390n=6n=12n=18/( )U2Lcn2三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与 的关系组成：由电力

14、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 ：基波功率损耗太大，一般不采用，基波功率损耗太大，一般不采用，：基波损耗较小、阻抗频率特性较好、结构简单，工基波损耗较小、阻抗频率特性较好、结构简单，工程上用得程上用得最多最多，：基波损耗更小，但特性不如二阶，用得不多基波损耗更小，但特性不如二阶，用得不多。：一种新型的高通型式，特性介于二阶与三阶之间，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数变化较为敏感基波损耗很小，只是它对工频偏差及元件参数变化较为敏感 有效材料消耗多，体积大；有效材料消耗多，体积大；滤波要求和

15、无功补偿、调压要求有时难以协调；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；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；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载不能运行 q类型：类型：根据与补偿对象连接的方式不同而分为和两种 储能元件为电容的，采用电感的 q构成构成：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 *采用两组对称的整流器串