【文章內(nèi)容簡介】 圖25 三相橋式全控整流電路帶電阻負載a=60176。時的波形 諧波危害隨著電力電子技術的發(fā)展，整流器的應用日益廣泛，整流電路產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生的危害也不容忽視。其中包括：1) 諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線會使線路過熱甚至發(fā)生火災；2) 諧波影響各種電器設備的正常工作，使電機發(fā)生機械振動、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴重過熱，使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短以至損壞；3) 諧波會引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，引起嚴重事故；4) 諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作；5) 諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并使電氣測量儀表計量不準確。 由于公用電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流對用電設備和電網(wǎng)本身都造成很大的危害，世界許多國家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標準，由權威機構制定限制諧波的規(guī)定。世界各國制定的諧波標準大都比較接近。我國由技術監(jiān)督局于1993年發(fā)布了國家標準(GB／T14549—93)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，并從1994年3月1日起開始實施。 諧波治理分析傳統(tǒng)的不控整流電路，即橋式整流后跟一大的平波電容，這種電路只有在輸入電壓的絕對值大于電容電壓時才會有電流的輸入，因而使得輸入電流成為一種不連續(xù)的近似為脈沖式的波形，這種波形含有大量的諧波。采用這種電路的電力裝置如線性穩(wěn)壓源，當今流行的大多數(shù)開關電源，其前置輸入整流部分基本采用這種電路。相控變流裝置。電力電子技術的發(fā)展，特別是品閘管的發(fā)明，使得各種變流技術和電力控制相應產(chǎn)生，這種技術由于只是在每個電壓周期的某一段相角范圍內(nèi)導電，因而其輸入電流也有大量的諧波成分，而且在調(diào)壓過程中隨著相控角的加大，功率因數(shù)減小。交流回路中的較低次諧波電流相對較大。這種裝置如各種由直流電壓供電的逆變和斬波裝置，它們的直流電源由相控的整流電路得到。從上面可以看出，引起諧波的污染源絕大部分是電力設備的電源部分，尤其是ACDC 部分。因此，改進現(xiàn)有的整流裝置，改善它們的輸入電流波形，是減少諧波污染的最根本的途徑。 治理方法 目前諧波的治理可采用以下方法：(1)變頻器的隔離、屏蔽、接地：變頻器系統(tǒng)的供電電源與其它設備的供電電源相互獨立。或在變頻器和其它用電設備的輸入側安裝隔離變壓器。或者將變頻器放人鐵箱內(nèi)，鐵箱外殼接地。同時變頻器輸出電源應盡量遠離控制電纜敷設(不小于50mm間距)，必須靠近敷設時盡量以正交角度跨越，必須平行敷設時盡量縮短平行段長度(不超過lmm)，輸出電纜應穿鋼管并將鋼管作電氣連通并可靠接地。(2)加裝交流電抗器和直流電抗器：當變頻器使用在配電變壓器容量大于500KVA，且變壓器容量大于變頻器容量的10倍以上，則在變頻器輸入側加裝交流電抗器。而當配電變壓器輸出電壓三相不平衡，且不平衡率大于3％時，變頻器輸人電流峰值很大，會造成導線過熱，則此時需加裝交流電抗器。嚴重時則需加裝直流電抗器。(3)加裝無源濾波器：將無源濾波器安裝在變頻器的交流側，無源濾波器由L、C、R元件構成諧波共振回路，當LC回路的諧波頻率和某一次高次諧波電流頻率相同時，即可阻止高次諧波流人電網(wǎng)。無源濾波器特點是投資少、頻率高、結構簡單、運行可靠及。維護方便。無源濾波器缺點是濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，對某些次諧波有放大的可能、耗費多、體積大。 (4)加裝有源濾波器：早在70年代初，日本學者就提出有源濾波器的概念，有源濾波器通過對電流中高次。諧波進行檢測，根據(jù)檢測結果輸入與高次諧波成分具有相反相位電流，達到實時補償諧波電流的目的。與無源濾波器相比具有高度可控性和快速響應性，有一機多能特點。且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險。也可自動跟蹤補償變化的諧波。但存在容量大，價格高等特點。(5)加裝無功功率靜止型無功補償裝置：對于大型沖擊性負荷，可裝設無功功率的靜止型無功補償裝置，以或得補償負荷快速變動的無功需求，改善功率因數(shù)，濾除系統(tǒng)諧波，減少向系統(tǒng)注入諧波電流，穩(wěn)定母線電壓，降低三相電壓不平衡度，提高供電系統(tǒng)承受諧波能力。而其中以自飽和電抗型(SR型)的效果最好，其電子元件少，可靠性高，反應速度快，維護方便經(jīng)濟，且我國一般變壓器廠均能制造。(6)線路分開：因電源系統(tǒng)內(nèi)有阻抗，所以諧波負荷電流將造成電壓波形的諧波電壓畸形。把產(chǎn)生諧波的負荷的供電線路和對諧波敏感的負荷供電線路分開，線性負荷和非線性負荷從同一電源接口點PCC開始由不同的電路饋電，使非線性負荷產(chǎn)生的畸變電壓不會傳導到線性負荷上去。(7)電路的多重化、多元化：逆變單元的并聯(lián)多元化是采用2個或多個逆變單元并聯(lián)，通過波形移位疊加，抵消諧波分量；整流電路的多重化是采用12脈波、18脈波、24脈波整流，可降低諧波成分；功率單元的串聯(lián)多重化是采用多脈波(如30脈波的串聯(lián))，功率單元多重化線路也可降低諧波成分。此外還有新的變頻調(diào)制方法，如電壓矢量的變形調(diào)制。(8)變頻器的控制方式的完善：隨著電力電子技術、微電子技術、計算機網(wǎng)絡等高新技術發(fā)展，變頻器控制方式有了以下發(fā)展：數(shù)字控制變頻器，變頻器數(shù)字化采用單片機MCS5l或80C196MC等，輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來實現(xiàn)更加完善的控制性能；多種控制方式結合，單一的控制方式有著各自的缺點，如果將這些單一控制方式結合起來，可以取長補短，從而達到降低諧波提高效率的功效。(9)使用理想化的無諧波污染的綠色變頻器：綠色變頻器的品質(zhì)標準是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負載使都能使功率因數(shù)為l，可獲得工頻上下任意可控的輸出功率。第三章 濾波電路 引言電路的輸出電壓不是純粹的直流，從示波器觀察整流電路的輸出，與直流相差很大，波形中含有較大的脈動成分，稱為紋波。為獲得比較理想的直流電壓，需要利用具有儲能作用的電抗性元件（如電容、電感）組成的濾波電路來濾除整流電路輸出電壓中的脈動成分以獲得直流電壓。 濾波電路簡介常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復式濾波(包括倒L型、LC濾波、LCπ型濾波和RCπ型濾波等)。有源濾波的主要形式是有源RC濾波，也被稱作電子濾波器。直流電中的脈動成分的大小用脈動系數(shù)來表示，此值越大，則濾波器的濾波效果越差。 脈動系數(shù)(S)=輸出電壓交流分量的基波最大值／=1．57，全波整流和橋式整流的輸出電壓的脈動系數(shù)S≈O．67。對于全波和橋式整流電路采用C型濾波電路后，其脈動系數(shù)S=1／(4(RLC／T1)。(T為整流輸出的直流脈動電壓的周期。) 電阻濾波電路RCπ型濾波電路，實質(zhì)上是在電容濾波的基礎上再加一級RC濾波電路組成的。如圖32RC濾波電路。若用S表示C1兩端電壓的脈動系數(shù)，則輸出電壓兩端的脈動系數(shù)S=(1/ωC2R)S。 31電容濾波32 CRC或RCπ型電阻濾波 脈動系數(shù)S=(1/ωC2R39。)S39。33 LC電感濾波34π型濾波或叫CLC濾波由分析可知，電阻R的作用是將殘余的紋波電壓降落在電阻兩端，最后由C2再旁路掉。在ω值一定的情況下，R愈大，C2愈大，則脈動系數(shù)愈小，也就是濾波效果就越好。而R值增大時，電阻上的直流壓降會增大，這樣就增大了直流電源的內(nèi)部損耗；若增大C2的電容量，又會增大電容器的體積和重量，實現(xiàn)起來也不現(xiàn)實。這種電路一般用于負載電流比較小的場合。 電感濾波電路根據(jù)電抗性元件對交、直流阻抗的不同，由電容C及電感L所組成的濾波電路的基本形式如圖33334所示。因為電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C并聯(lián)在負載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L應與負載串聯(lián)。并聯(lián)的電容器C在輸入電壓升高時，給電容器充電，可把部分能量存儲在電容器中。而當輸入電壓降低時，電容兩端電壓以指數(shù)規(guī)律放電，就可以把存儲的能量釋放出來。經(jīng)過濾波電路向負載放電，負載上得到的輸出電壓就比較平滑，起到了平波作用。若采用電感濾波，當輸入電壓增高時，與負載串聯(lián)的電感L中的電流增加，因此電感L將存儲部分磁場能量，當電流減小時，又將能量釋放出來，使負載電流變得平滑，因此，電感L也有平波作用。利用儲能元件電感器L的電流不能突變的特點，在整流電路的負載回路中串聯(lián)一個電感，使輸出電流波形較為平滑。因為電感對直流的阻抗小，交流的阻抗大，因此能夠得到較好的濾波效果而直流損失小。電感濾波缺點是體積大,成本高。橋式整流電感濾波電路如圖35所示。電感濾波的波形圖如圖36所示。根據(jù)電感的特點，當輸出電流發(fā)生變化時，L中將感應出一個反電勢，使整流管的導電角增大，其方向?qū)⒆柚闺娏靼l(fā)生變化。35電感濾波電路在橋式整流電路中，當u2正半周時，DD3導電，電感中的電流將滯后u2不到90176。當u2超過90176。后開始下降，電感上的反電勢有助于DD3繼續(xù)導電。當u2處于負半周時，DD4導電，變壓器副邊電壓全部加到DD3兩端，致使DD3反偏而截止，此時，電感中的電流將經(jīng)由DD4提供。由于橋式電路的對稱性和電感中電流的連續(xù)性，四個二極管DD3；DD4的導電角θ都是180176。，這一點與電容濾波電路不同。35電感濾波電路波形圖已知橋式整流電路二極管的導通角是180176。，整流輸出電壓是半個半個正弦波，其平均值約為 。電感濾波電路，二極管的導通角也是180176。，當忽略電感器L的電阻時，負載上輸出的電壓平均值也是 。如果考慮濾波電感的直流電阻R，則電感濾波電路輸出的電壓平均值為 （3－1）要注意電感濾波電路的電流必須要足夠大，即RL不能太大，應滿足wLRL，此時IO（AV）可用下式計算 (32)由于電感的直流電阻小，交流阻抗很大，因此直流分量經(jīng)過電感后的損失很小，但是對于交流分量，在wL和 上分壓后，很大一部分交流分量降落在電感上，因而降低了輸出電壓中的脈動成分。電感L愈大，RL愈小，則濾波效果愈好，所以電感濾波適用于負載電流比較大且變化比較大的場合。采用電感濾波以后，延長了整流管的導電角，從而避免了過大的沖擊電流。 電容濾波原理詳解當電路采用電容濾波，輸出端空載，如圖36(a)所示，設初始時電容電壓uc為零。接入電源后，當u2在正半周時，通過DD3向電容器C充電；當在u2的負半周時，通過DD4向電容器C充電，充電時間常數(shù)為（a）電路圖 （b）波形圖