整流電路的諧波和功率因數

2021-01-10 電子產品世界

整流電路的諧波和功率因數
隨著電力電子技術的發展，其應用日益廣泛，由此帶來的諧波(harmonics)和無功(reactive power)問題日益嚴重，引起了關注。
無功的危害：
a 導致設備容量增加。
b 使設備和線路的損耗增加。
c 線路壓降增大，衝擊性負載使電壓劇烈波動。諧波的危害：
a 降低設備的效率。
b 影響用電設備的正常工作。
c 引起電網局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。
d 導致繼電保護和自動裝置的誤動作。
e 對通信系統造成幹擾
(1) 諧波和無功功率分析基礎
正弦波電壓可表示為：
對於非正弦波電壓，滿足狄裡赫利條件，可分解為傅立葉級數：基波（fundamental）——頻率與工頻相同的分量
諧波——頻率為基波頻率大於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 for In）表示

電流諧波總畸變率THDi（Total Harmonic distortion）定義為


在正弦電路中，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=UIsin功率因數cos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之間有如下關係：功率因數是由電壓和電流的相位差φ決定的：=cos在非正弦電路中，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。
不考慮電壓畸變，研究電壓為正弦波、電流為非正弦波的情況有很大的實際意義。非正弦電路的有功功率：P=UI1 cos1 功率因數：基波因數：n =I1/I，即基波電流有效值和總電流有效值之比
位移因數（基波功率因數）：cos1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。非正弦電路的無功功率：

無功功率Q反映了能量的流動和交換，目前被較廣泛的接受。忽略電壓中的諧波時有：Qf =UI1 sin1
在非正弦情況下， 因此引入畸變功率D，使得：Qf為由基波電流所產生的無功功率，D是諧波電流產生的無功功率。
(2)帶阻感負載時可控整流電路交流側諧波和功率因數分析a、單相橋式全控整流電路忽略換相過程和電流脈動，在阻感負載且電感L足夠大時電流i2的波形見下圖。


（2-36）

其中：
由變壓器二次側電流諧波分析可知：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。基波電流有效值為： i2的有效值I=Id，結合上式可得基波因數為：
電流基波與電壓的相位差就等於控制角a，故位移因數為


所以，功率因數為：b、三相橋式全控整流電路
以a =30°為例，在阻感負載時，忽略換相過程和電流脈動，且直流電感L為足夠大。此時，電流為正負半周各120°的方波，如下圖所示，其有效值與直流電流的關係為：

圖2-25 三相橋式全控整流電路
帶阻感負載a =30°時的波形由變壓器二次側電流諧波分析可知，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）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。基波因數：位移因數仍為：功率因數為：
(3) 電容濾波的不可控整流電路交流側諧波和功率因數分析a、單相橋式不可控整流電路
實用的單相不可控整流電路常採用感容濾波。電容濾波的單相不可控整流電路交流側諧波組成有如下規律：
諧波次數為奇次。
諧波次數越高，諧波幅值越小。
諧波與基波的關係是不固定的。
 越大，則諧波越小。
電容濾波的單相不可控整流電路的功率因數具有如下結論：位移因數接近1，輕載超前，重載滯後。
諧波大小受負載和濾波電感的影響。b、三相橋式不可控整流電路
常用的電容濾波三相不可控整流電路中通常都帶有濾波電感。其交流側諧波組成有如下規律：
諧波次數為6k±1次，k =1，2，3…。
諧波次數越高，諧波幅值越小。
諧波與基波的關係是不固定的。
電路的功率因數有如下結論：
位移因數通常是滯後的,但與單相時相比,位移因數更接近1。
隨負載加重（wRC的減小），總的功率因數提高；同時，隨濾波電感加大，總功率因數也提高。(4) 整流輸出電壓和電流的諧波分析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，這些諧波對於負載的工作是不利的。a、a =0°時，m脈波整流電路的整流電壓和整流電流的諧波分析

如圖2-26，當a=0時，m脈波整流電路的整流電壓和電流中的諧波有如下規律：
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。
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的減小更為迅速。
當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。 b、a不為0 °時的情況
整流電壓諧波的一般表達式十分複雜，下面只說明諧波電壓與a 角的關係。以n為參變量，n次諧波幅值對a 的關係如圖2-27所示：


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