电力电子技术(12)——整流电路的谐波和功率因数

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目录

引言

2.5.1 谐波和无功功率分析基础

1)谐波

2)功率因数

2.5.2 带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析

1)单相桥式全控整流电路

2)三相桥式全控整流电路(相对于单相,功率要大一些)

2.5.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析

1)单相桥式不可控整流电路

2)三相桥式不可控整流电路

2.5.4 整流输出电压和电流的谐波分析


引言

随着电力电子技术的发展,其应用日益广泛,由此带来的谐波和无功问题日益严重,引起了关注。

无功的危害:

  • 导致设备容量增加。
  • 使设备和线路的损耗增加。
  • 线路压降增大,冲击性负载使电压剧烈波动。

谐波的危害:

  • 降低设备的效率。
  • 影响用电设备的正常工作。
  • 引起电网局部的谐振,使谐波放大,加剧危害。
  • 导致继电保护和自动装置的误动作。
  • 对通信系统造成干扰。

电力电子技术(12)——整流电路的谐波和功率因数

 

2.5.1 谐波和无功功率分析基础

1)谐波

正弦波电压可表示为:电力电子技术(12)——整流电路的谐波和功率因数

对于非正弦波电压,满足狄里赫利条件,可分解为傅里叶级数

基波——频率与工频相同的分量

谐波——频率为基波频率大于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(Harmonic Ratio for )表示:

电流谐波总畸变率(Total Harmonic Distortion)定义为:

(i表示电流,表示所有谐波总的有效值)

2)功率因数

正弦电路中(电压和电流波形均为正弦波)的情况:

电路的有功功率就是其平均功率

视在功率为电压、电流有效值的乘积,即

无功功率定义为:

功率因数定义为有功功率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:电力电子技术(12)——整流电路的谐波和功率因数

功率因数是由电压和电流的相位差决定的:

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。

不考虑电压畸变(实际情况电压畸变很小,电流畸变较大),研究电压为正弦波、电流为非正弦波的情况有很大的实际意义。

非正弦电路的有功功率:(不同频率的正弦波是正交的,其乘积在一个周期内的积分为0,因此按原始公式计算得出的为同频率的电压、电流相乘然后积分得到的结果,由于电压为正弦波,因此只有电压基波和电流基波相乘才能产生有功功率)

功率因数为:

  • 基波因数——,即基波电流有效值和总电流有效值之比
  • 位移因数(基波功率因数)——

功率因数由基波电流相移电流波形畸变这两个因数共同决定的。

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:,无功功率Q反映了能量的流动和交换,目前被较广泛的接受。

忽略电压中的谐波时,也可定义无功功率:

在非正弦情况下,电力电子技术(12)——整流电路的谐波和功率因数,因此引入畸变功率D,使得:电力电子技术(12)——整流电路的谐波和功率因数

为基波电流所产生的无功功率,D是谐波电流产生的无功功率。

2.5.2 带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析

1)单相桥式全控整流电路

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,电流的波形如图所示。

电力电子技术(12)——整流电路的谐波和功率因数

 电力电子技术(12)——整流电路的谐波和功率因数

变压器二次侧(交流侧)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。

功率因数计算

基波电流有效值为:

的有效值,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:

2)三相桥式全控整流电路(相对于单相,功率要大一些)

阻感负载负载,忽略换相过程和电流脉动,直流电感L为足够大。

电力电子技术(12)——整流电路的谐波和功率因数

 

以为例,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:

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(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。

功率因数计算

基波因数:

位移因数仍为:

功率因数为:

2.5.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析

1)单相桥式不可控整流电路

实用的单相不可控整流电路采用感容滤波。

电容滤波的单相不可控整流电路交流侧谐波组成有如下规律:

  • 谐波次数为奇次。
  • 谐波次数越高,谐波幅值越小。
  • 谐波与基波的关系是不固定的。
  • 越大,则谐波越小。

关于功率因数的结论如下:

  • 位移因数接近1,轻载超前(电流相位相对于电压相位的关系),重载滞后。
  • 谐波大小受负载和谐波电感的影响。

2)三相桥式不可控整流电路

实际应用的电容滤波三相不可控整流电路中通常有滤波电感。

交流侧谐波组成有如下规律:

  • 谐波次数为次,k=1,2,3,...。
  • 谐波次数越高,谐波幅值越小。
  • 谐波与基波的关系是不固定的。

关于功率因数的结论如下:

  • 位移因数通常是滞后的,但与单相时相比,位移因数更接近1。
  • 随负载加重(的减小),总的功率因数越高;同时,随滤波电感加大,总功率因数也提高。

2.5.4 整流输出电压和电流的谐波分析

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(输出电压波形是脉动的),这些谐波对于负载的工作是不利的。

电力电子技术(12)——整流电路的谐波和功率因数

时,m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析:

整流电压、电流中的谐波有如下规律

  • m脉波整流电压的谐波次数为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。
  • 当m一定时,随着谐波次数增大,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,负载电流谐波幅值的减小更为迅速。
  • 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。(三相桥式整流电路m=6,单相桥式整流电路m=2;控制角相同时,前者电压纹波远小于后者)

不为0°时的情况:

整流电压谐波的一般表达式十分复杂,下面只说明谐波电压与角的关系。

以n为参变量,n次谐波幅值对的关系如图所示。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-444422.html

  • 当从0°~90°变化时,的谐波幅值随增大而增大,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,的谐波幅值随增大而减小。
电力电子技术(12)——整流电路的谐波和功率因数
横轴为控制角,纵轴为n次谐波的幅值

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