整流设备谐波研究-大学毕业设计.doc

新疆大学毕业论文（设计）

1绪 论

1.1本论文的背景和意义
1.1.1 背景
电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压电流、波形的畸变。1945年J.C.Read发表有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。
到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发飙了有关变流器引起电力系统稀薄谐波问题的大量论文。E.W.Kimbark在其著作中对此进行了总结。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分的关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。
近30年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前常用的以三相桥式和单相桥式整流电路为最多使其成为最严重的谐波污染源。
1.1.2 意义
整流设备谐波研究的意义，主要是因为谐波的危害十分严重:
（1）谐波是电能生产、传输和利用的效率降低，
（2）使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。
（3）谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。
（4）谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。
总之，电力电子技术是21世纪最重要的技术之一，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍。同时，对谐波污染的治理也已成为电工科学技术界所必须解决的问题[1]。
1.2 本论文的主要方法和研究进展
1.2.1三相桥式全控整流电路的工作原理
三相全控整流电路主电路如图1-1所示：

图1-1 三相桥式全控整流电路电路原理图

将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、 VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5， 共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为 VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。
1.2.2 主电路工作原理说明
(1)阻感性负载，以α≤60 º为例，ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于：由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同。阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。

图1-3 阻感性负载α=30o
（2）定量分析
当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载α≤60º°时）的平均值为：

带电阻负载且α>60º°时，整流电压平均值为：

输出电流平均值为 ：Id = Ud /R
当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形为正负半周各宽120°、前沿相差180°的矩形波，其有效值为：

1.2.2 谐波分析方法
1.2.2.1 谐波
对于周期为T＝2π／ω的非正弦电压，一般满足狄里赫利条件，可分解为傅里叶级数。在傅立叶级数中，

基波（fundamental）— 在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量， n＝1
谐波（harmonic）— 频率为基波频率整数倍（大于1）的分量，n>1
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HRIn表示

In为第n次谐波电流有效值，I1为基波电流有效值。
电流谐波总畸变率THDi定义为

Ih为总谐波电流有效值，

表1-1谐波电压限值
电网标称电压kv

电压总畸变率％
各次谐波电压含有率％
奇次

偶次
0.38
5.0
4.0
2.0
6
4.0
3.2
1.8
10
35
3.0
2.4
1.2
66
110
2.0
1.6
0.8

表1-2 注入公共连接点的电流允许值
标准电压kv
基准短路容量MVA
谐波次数及谐波电流允许值A
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
0.38
10
78
62
39
62
26
44
19
21
16
28
13
24
21
12
9.7
18
8.6
18
7.8
8.9
7.1
14
6.5
12
6
100
43
34
21
34
14
24
11
11
8.5
16
7.1
15
6.1
6.8
5.3
10
4.7
9.0
4.3
4.9
3.9
7.4
3.6
6.8
10
100
26
20
13
20
8.5
15
6.4
6.8
5.1
9.3
4.3
7.9
3.7
4.1
3.2
6.0
2.8
3.4
2.6
2.9
2.3
4.3
2.1
4.1
35
250
15
12
7.7
12
5.1
8.8
3.8
4.1
3.1
5.6
2.6
4.7
3.2
2.3
1.9
3.6
1.7
3.2
1.5
1.8
1.4
2.7
1.3
2.5
66
500
16
13
8.7
13
5.4
9.3
4.1
4.3
3.3
5.9
2.7
5.0
2.3
2.6
2.0
3.8
1.8
3.4
1.6
1.9
1.5
2.8
1.4
2.6
110
750
12
9.6
6.0
9.6
4.0
6.8
3.0
3.2
2.4
4.3
2.0
3.7
1.7
1.9
1.3
2.8
1.3
2.5
1.2
1.4
1.1
2.1
1.0
1.9

注：220KV基准短路容量取2000MVA
当电网公共连接点的最小短路容量不同于表1-2基准短路容量时，按下式修正表1-2中的谐波电流允许值：

式中SK1——公共连接点的最小短路容量，MVA；
SK2——基准短路容量，MVA；
Ihp——表1-2中的第h次谐波电流允许值，A；
Ih——短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值。

1.2.2.2 功率因数
①正弦电路中的情况
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 S = UI
无功功率定义为：Q = U I sinφ
功率因数λ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：

功率因数是由电压和电流的相位差φ决定：λ=cosφ
②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，功率因数仍由下式定义：

公用电网中，通常电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变可能很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情况有很大的实际意义。

设正弦波电压有效值为U，畸变电流有效值为I，基波电流有效值及与电压的相位差分别为I1和φ1。这时有功功率为：
P=U I1 cosφ1
功率因数为：

基波因数 —ν = I1 / I，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）— cosφ1
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：

这样定义的无功功率Q反映了能量的流动和交换，目前被较广泛的接受，但该定义对无功功率的描述很粗糙。
采用符号Qf定义为由基波电流所产生的无功功率，忽略电压中的谐波时有：
Qf =UI1sinφ1

在非正弦情况下， ，因此引入畸变功率D，表示由谐波电流产生的无功功率，使得：

比较上面两个式子，可得：

忽略电压谐波时

1.2.2.3带阻感负载时三相桥式全控整流电路交流侧谐波和功率因数分析
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α=30 º为例，电流为正负半周各120 º°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6k±1（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
基波因数为

电流基波与电压的相位差仍为α，故位移因数仍为

功率因数为

2 MATLAB仿真分析
2.1未加滤波器的三相整流桥Matlab仿真
三相桥式全控整流电路在Simulink环境下，运用PowerSystemBlockset的各种元件模型建立了三相桥式全控整流电路的仿真模型，仿真结构如图2-1所示：

图2-1 未加滤波器的三相桥matlab仿真
利用FFT对Uabc进行傅里叶变换得到频谱图如图2-2所示：

图2-2 Uabc频谱图
2.2三相整流桥Matlab仿真数据分析
对应的谐波电压总畸变率和n次谐波电压含有率如表2-1所示：

表2-1 谐波电压总畸变率和n次谐波电压含有率
谐波电压总畸变率(THD)%
17.05
谐波次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
n次谐波畸变率%
-
0.08
0.03
0.18
0.09
0.25
0.05
0.20
0.07
0.10
12.27
0.11
10.55
谐波次数
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
n次谐波畸变率%
0.10
0.07
0.24
0.08
0.34
0.09
0.22
0.01
0.03
1.47
0.02
0.95
0.01
由数据与表1-1对照可知THDu大于2.0%的标准，HRU11和HRU13均大于1.6%的标准
对应的谐波电流含量和谐波电流总畸变率如表2-2所示

表2-2 谐波电流含量和谐波电流总畸变率
谐波电流压总畸变率(THD)%
9.83
谐波次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
n谐波电流含量
-
1.11
0.81
3.90
1.34
4.55
1.12
2.99
0.64
0.96
127.2
1.21
92.68
谐波次数
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
n谐波电流含量
0.76
0.48
1.79
0.58
2.15
0.51
1.23
0.12
0.16
7.31
0.06
4.37
0.07
由表1-2中数据可以计算当公共连接点的最小短路容量为1200MVA基准短路容量取2000MVA时对应的谐波电流允许值：
I5=28.8KA,I7=4.08KA,I11=2.58KA,I13=1.2KA,
I17=1.68KA,I19=1.5KA,I23=1.26KA,I25=1.14KA
由图2-5中谐波电流值和允许值对比可知I11和I13均不符合标准
综上，可知需要设计合适的滤波器来降低谐波电流对电网的影响
3 滤波器的设计
3.1滤波器简介
滤波器早被公认为各种电子产品的重要部件，其主要功能是作为各种电信号的提取、分隔、抑止干扰，滤波器不但是确保电子产品本身正常可靠工作的重要部件，而且是减少相互影响、确保正常工作环境的重要器件。滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。
3.2滤波器分类
滤波器分为有源和无源二大类，由于无源滤波器不需电源、不易产生干扰、稳定、可靠、适应范围广等特点，因而被广泛应用。
无源滤波器品种很多，按构成元件不同最常见的有：RC滤波器、LC滤波器、陶瓷滤波器、晶体滤波器、机械滤波器、声表面波滤波器，还有螺旋滤波器、介质滤波器、微波滤波器等。
滤波器按其主要特性可分为：带通、带阻、高通、低通、可变通带等滤波器。
滤波器按其功能可以分为：中频滤波器、边带滤波器、话路滤波器、线性相移滤波器、相位恒定滤波器、相位配对滤波器、电源滤波器等。
3.3常用滤波器的原理
（1）单调谐滤波器
单调谐滤波器电路图如图3-1所示。

图3-1 单调谐滤波器电路原理图

滤波器对n次谐波的阻抗为:

式中:下标fn表示第n次单调谐滤波器的频率;ω为基波角频率。
工作原理:单调谐滤波器是利用串联L、C谐振原理构成的,谐振次数n为:

在谐振点处,Zfn=Rfn,因Rfn很小,n次谐波电流主要由Rfn分流,很少流入电网中,对于其他次数的谐波, Zfn远大于Rfn,谐波分流很少。因此,只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样,则该次谐波将流入无源滤波器,从而起到滤除该次谐波的目的。
(2)高通滤波器

(a) (b) (c) (d)
图3-2 高通滤波器原理图
图3-2(a)为一阶高通滤波器,一阶高通滤波器需要的电容太大,基波损耗也太大,因此一般不采用。
图3-2(b)为二阶高通滤波器,二阶高通滤波器的滤波性能最好,但与三阶高通滤波器相比,其基波损耗也较高。
图 3-2(c)为三阶高通滤波器,三阶高通滤波器比二阶高通滤波器多一个电容器C2，C2容量与C1相比很小,它提高了滤波器对基波频率的阻抗,从而大大减少了基波损耗,这是三阶高通滤波器的主要优点。
图3-2(d)为C型高通滤波器,C型高通滤波器的性能介于二阶和三阶之间。C2与L调谐在基波频率上,故可大大减少基波损耗。缺点是:对基波频率失谐;对元件参数漂移比较敏感。
（3）双调谐滤波器
双调谐滤波器电路如图3-3所示。

图3-3 双调谐滤波器原理图
双调谐滤波器有两个谐振频率,同时吸收这两个频率的谐波,其作用等效于两个并联的单调谐滤波器。双调谐滤波器与两个单调谐滤波器相比,其基波损耗较小,且只有一个电感L1承受全部冲击电压。正常运行时,串联电路的基波阻抗远大于并联电路的基波阻抗,所以并联电路所承受的工频电压比串联电路的低的多。

1 式样

1.1 式样
样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样。
1.1.1 式样
样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样。
1.1.2 式样
样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样。
1.1.3 式样
样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样。

1.2 式样
样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样。
1.2.1 式样
样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样。

三级标题缩进2字符，
行距固定值20磅，所有空行为小四号字

公式：

（1-1）

图：

图1-1 电力线路的等值电路

表：
表1-1 变压器参数
实验数据
1
2
3
短路损耗
27.6
28.9
29.4
短路电压
6.42
6.54
6.55
空载损耗
11.05
8.4
10.6
空载电流
2.0
1.42
1.84

表格允许下页接写，接写时表题省略，表头应重复书写，并在右上方写“续表××”

2 式样

2.1 式样
样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样。
2.1.1 式样
样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样。
2.1.2 式样
样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样。
2.1.3 式样
样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样。

2.2 式样
2.2.1 式样
样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样。
2.2.2 式样
样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样样。

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