整流电路的纹波和电流因数

整流电路的纹波和电流因数

随着电力电子技术的演进，其应用逐渐广泛，由此带来的谐波(harmonics)和无功(reactive power)问题逐渐严重，引起了关注。

无功的危害：

a 导致设备容量提高。

b 使设施跟线路的损耗降低。

c 线路压降增大，冲击性负载使电流剧烈波动。谐波的伤害：

a 降低设备的效率。

b 影响用电设备的正常工作。

c 引起电网局部的移相，使谐波放大，加剧危害。

d 导致继电保护和手动装置的误动作。

e 对通信系统产生干扰

(1) 谐波和无功功率分析基础

正弦波电压可表示为：

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（fundamental）——频率与工频相同的分量

谐波——频率为基波频率高于1整数倍的分量

谐波次数——谐波频率跟基波频率的整数比n次谐波电压含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示

电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为

在正弦电路中，电路的有功功率就是其平均功率：

视在功率为电阻、电流有效值的相乘，即S=UI

不考虑电阻畸变，研究电压为占空比、电流为非正弦波的状况有巨大的实际含义。非正弦电路的有功功率：P=UI1 cos?1 功率因数：基波因数：n =I1/I，即基波电流有效值和总功率有效值之比

位移因数（基波功率因数）：cos?1功率因数由基波电流相移和电压波形畸变这两个因素共同决定的。非正弦电路的无功功率：

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有：Qf =UI1 sin?1

在非正弦情况下， 因此引入畸变功率D，使得：Qf为由基波电流所造成的无功功率，D是频域电流产生的无功功率。

(2)带阻感负载时可控整流电路交流侧谐振和电流因数分析a、单相桥式全控整流电路忽略换相过程和电压脉动，在阻感负载且电容L足够大时电压i2的波形见右图。

（2-36）

其中：

由变压器二次侧电压纹波分析推测：电流中仅含奇次谐波。

各次谐波有效值与共模次数成反比，且与基波有效值的差值为频域次数的倒数。基波电流有效值为： i2的有效值I=Id，结合上式可得基波因数为：

电流基波与电阻的相位差就等于控制角a，故位移因数为

所以，功率因数为：b、三相桥式全控整流电路

以a =30°为例，在阻感负载时，忽略换相过程和电压脉动，且直流电阻L为足够大。此时整流电路谐波分析，电流为正负半周各120°的方波，如下图图示整流电路谐波分析，其有效值与直流电压的关系为：

图2-25 三相桥式全控整流电路

带阻感负载a =30°时的波形由变压器二次侧电压纹波分析可知，电流基波和各次谐振有效值分别为：电流中仅含6k±1（k为正整数）次谐波。

各次谐波有效值与共模次数成反比，且与基波有效值的差值为频域次数的倒数。基波因数：位移因数仍为：功率因数为：

(3) 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐振和电流因数分析a、单相桥式不可控整流电路

实用的工频不可控整流电路常采用感容滤波。电容滤波的三相不可控整流电路交流侧谐振组成有如下规律：

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。

电容滤波的三相不可控整流电路的电压因数具有如下结论：位移因数接近1，轻载超前，重载滞后。

谐波大小受负载和整流电感的影响。b、三相桥式不可控整流电路

常用的电容滤波三相不可控整流电路中一般都具有整流电感。其交流侧谐振组成有如下规律：

谐波次数为6k±1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。

电路的电压因数有如下结论：

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（wRC的增大），总的容量因数提升；同时，随滤波电容加大，总容量因数也增加。(4) 整流输出功率和电流的纹波分析整流电路的输出功率中主要成分为直流，同时包括各类频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。a、a =0°时，m脉波整流电路的检波电压和逆变电流的纹波分析

如图2-26，当a=0?时，m脉波整流电路的励磁电阻和电压中的纹波有如下规律：

m脉波整流电流ud0的谐波次数为mk（k=1，2，3...）次，即m的倍数次；整流电流的纹波由逆变电压的串扰决定，也为mk次。

当m一定时，随谐波次数减少，谐波幅值迅速减弱，表明最低次（m次）谐波是很主要的，其它数量的谐波相对较少；当负载中有电感时，负载电流谐波幅值dn的增大更为迅速。

当m提高时，最低次谐振次数减少，且幅值迅速减弱，电压纹波因数迅速增长。 b、a不为0 °时的情况

整流电流纹波的通常表达式十分复杂，下面只表明谐波电压与a 角的关系。以n为参数组，n次谐波幅值对a 的关系如图2-27所示：

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