电力电子技术第五版课件第3章 整流电路35-36

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1、13.5 整流电路的谐波和功率因数23.5 整流电路的谐波和功率因数引言n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(harmonics)和无功(reactive power)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。33.5.1 谐波和无功功率分析基础1） 谐波谐波对于非正弦波电压，满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数傅里叶级数： n次谐波电流含有率以HRIn

2、（Harmonic Ratio for In）表示 （3-57） 电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为 （3-58）%1001IIHRInn%1001IITHDhi正弦波电压可表示为：)sin(2)(utUtu 基波（fundamental）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Ih:总谐波电流的有效值43.5.1 谐波和无功功率分析基础2） 功率因数功率因数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：20cos)(21UItuidP（3-59） 视在功率视在功率为电压、电

3、流有效值的乘积，即S=UI （3-60） 无功功率无功功率定义为： Q=U I sin （3-61） 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：SPl（3-62） 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：222QPS（3-63） 功率因数是由电压和电流的相位差 决定的：l l =cos （3-64）53.5.1 谐波和无功功率分析基础n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，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。SPl非正弦电路的有功功率 ：P=U I1 cos 1 （3-65

4、）功率因数功率因数为：11111coscoscoslIIUIUISP（3-66） 基波因数基波因数 =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）cos 1功率因数由基波电流相移基波电流相移和电流波形畸变电流波形畸变这两个因素共同决定的。63.5.1 谐波和无功功率分析基础n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（3-63）给出的： （3-67）22PSQ 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。 也可仿照式（3-61）定义无功功率，为和式（3-67）区别，采用符号Qf，忽略电压中的谐波时

5、有：Q f =U I 1 sin 1 (3-68）在非正弦情况下， ，因此引入畸变功率畸变功率D，使得： （3-69）222fQPS2222DQPSfQ f为由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。73.5.2 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i2的波形见图3-6g）i2Otd21,3,5,1,3,5,411(sinsin3sin5)3541sin2sinnnniItttIntIntndd（3-72）变压器二次侧电流谐波分析：nIInd22n=1,3,5,

6、（3-73） 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。 电流基波和各次谐波有效值为：83.5.2 带阻感负载时可控整流电路 交流侧谐波和功率因数分析q基波电流有效值为基波电流有效值为 （3-74）q i2的有效值的有效值I= Id，结合式（，结合式（3-74）可得）可得基波因数基波因数为为 （3-75）q电流基波与电压的相位差就等于控制角电流基波与电压的相位差就等于控制角 ，故故位移因数（基波功率位移因数（基波功率因数）因数）为为 （3-76）q 所以，功率因数为所以，功率因数为 d122IIII12 209 .llcos9.0cos22co

7、s111IIlcoscos11（3-77） 功率因数计算功率因数计算93.5.2 带阻感负载时可控整流电路 交流侧谐波和功率因数分析2）三相桥式全控整流电路）三相桥式全控整流电路图2-23 三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30时的波形阻感负载，忽略换相过程和电流脉动，直流电感L为足够大。以 =30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：d32II （3-78）tud1 = 30ud2uduabuacubcubaucaucbuabuac tOOtOtOidiat1uaubucd32II （2-78）103.5.2 带阻感负载时可控整流电路 交流侧谐波

8、和功率因数分析 电流基波和各次谐波有效值分别为,3,2,1,16,66dd1kknInIIIn（3-80） 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。功率因数计算功率因数计算 基波因数：955.031II（3-81） 位移因数仍为：lcoscos11（3-82） 功率因数为：10.955cosll（3-83）113.5.3 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。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

9、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。LC关于功率因数的结论如下：位移因数接近1，轻载超前，重载滞后。谐波大小受负载和滤波电感的影响。123.5.3 电容滤波的不可控整流电路 交流侧谐波和功率因数分析2) 三相桥式不可控整流电路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交流侧谐波组成有如下规律：谐波次数为6k1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关于功率因数的结论如下：位移因数通常是滞后的,但

10、与单相时相比,位移因数更接近1。随负载加重（RC的减小），总的功率因数提高；同时，随滤波电感加大，总功率因数也提高。133.5.4 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，这些谐波对于负载的工作是不利的。图3-35 =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。整流输出电压谐波分析整流输出电压谐波分析整流输出电流谐波分析整流输出电流谐波分析电压纹波因数电压纹波因数0.80.91图 2-330.81udtOmm2mU220RudUU143.5.4 整流输出电压和电流的谐波分析n =0时整流电压、电流

11、中的谐波有如下规律：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。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，负载电流谐波幅值dn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。 153.5.4 整流输出电压和电流的谐波分析n 不为不为0 时的情况时的情况：q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。030120 150 180600.10.20.390n=6n=12n=18/()U