整流装置交流谐波电流的相位
三相6脉波整流器谐波与触发角
三相6脉波整流器谐波与触发角
三相6脉波整流器是一种常见的电力电子设备，用于将交流电
转换为直流电。
在这种整流器中，谐波是一个重要的问题，因为它
会影响整流器的性能和稳定性。
谐波是指波形中含有频率是基波频
率的整数倍的成分，它会导致电网中的电压和电流失真，甚至会对
其他设备造成干扰。
谐波与触发角之间存在着密切的关系。
触发角是指控制整流器
中晶闸管导通的相位角度，通过调整触发角可以实现对整流器输出
电压的控制。
当整流器工作时，谐波的产生与触发角密切相关。
合
适的触发角可以减小谐波的产生，提高整流器的效率和稳定性。
因此，对于三相6脉波整流器来说，合理地选择触发角可以有效地减
小谐波的产生，从而改善整流器的性能。
从另一个角度来看，谐波与触发角还涉及到功率因数的问题。
谐波会导致电网中的功率因数下降，影响电网的稳定性，而通过调
整触发角可以实现对功率因数的控制，从而减小谐波对电网的影响。
总的来说，三相6脉波整流器的谐波与触发角之间存在着复杂
的相互关系，合理地选择触发角可以减小谐波的产生，提高整流器
的效率和稳定性，同时还可以改善功率因数，减小对电网的影响。
因此，在实际应用中，需要综合考虑谐波与触发角之间的关系，以实现整流器的最佳性能。
电力系统谐波管理暂行规定
电力系统谐波管理暂行规定SD126-84中华人民共和国水利电力部关于颁发《电力系统谐波管理暂行规定》(SD126-84)的通知(84)水电电生字第56号根据国家经济委员会经能［1983］648号文批转的《全国供用电规则》4.8的规定，我部电力科学研究院制订了《电力系统谐波管理暂行规定》，经征求工业、交通有关部门的意见，并经部内有关单位多次会审，现予颁发。
目前，我国正在制订限制电压、电流高次谐波的国家标准。
近年来，工业、交通各部门使用的各种硅换流设备和其他非线性用电设备急增，所产生的高次谐波电流大量注入电网，使电网电压正弦波形发生畸变，电能质量下降，威胁电网和其他用户电气设备的安全经济运行。
为保证电网和用户电气设备的安全运行，在国家标准正式颁布前，各级电力部门要按本规定的要求，加强对电网高次谐波的监视和管理。
由于对电网高次谐波的监视和管理尚需作一定的准备，所以本规定自一九八五年一月一日起正式执行。
但新增加的各种换流设备和其他非线性用电设备，必须符合本规定的要求，方能接入电网运行。
本规定的解释由电力科学研究院负责。
执行中有何问题和意见，请随时告部生产司和电力科学研究院。
一九八四年八月三十一日1总则1.1电力系统中的谐波主要是冶金、化工、电气化铁路等换流设备及其他非线性用电设备产生的。
随着晶闸管整流及晶闸管换流设备的广泛使用和各种非线性负荷的增加，大量的谐波电流注入电网，造成电压正弦波形畸变，使电能质量下降，给发供电设备及用户用电设备带来严重危害。
为向国民经济各部门提供质量合格的50Hz电能，必须对各种非线性用电设备注入电网的谐波电流加以限制，以保证电网和用户用电设备的安全经济运行，特制订本规定。
1.2本规定适用于电力系统以及由电网供电的所有电力用户。
1.3电网原有的谐波超过本规定的电压正弦波形畸变率极限值时，应查明谐波源并采取措施，把电压正弦波形畸变率限制在规定的极限值以内。
在本规定颁发前，已接入电网的非线性用电设备注入电网的谐波电流超过本规定的谐波电流允许值时，应制定改造计划并限期把谐波电流限制在允许范围以内。
24脉波整流变压器电流的谐波计算分析
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图 3 是 7 结绕组在理想状态下， 一个时间周期
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"##直流侧电流谐波分析
图 & 是三种常用的带纹波的直流电流波形， 输 出负载设定为阻性（ 。图 &- 对应图 ’ 中 .’/.( ! )*+） 四组整流器中任意一组整流器输出的电流波形， 图 或 .1/.(） 两组整流器并列输 &0 对应图 ’ 中 .’/.&（ 出的电流波形， 图 &2 对应图 ’ 中 .’/.( 四组整流器 并列输出的电流波形。
整流电路的谐波和功率因数分析
w t1
wt
wt
Id
wt
Id
p-a
p+a
wt
wt
wt
图3-4 单相半波带阻感负载有 续流二极管的电路及波形
13/159
3.1.1 单相半波可控整流电路
☞基本数量关系 u2
O
流过晶闸管的电流平均值为：u d
w t1
wt
p a IdVT 2p Id
O
wt
id
Id
O
wt
iVT
Id
流过晶闸管的电流有效值为：i
T
u
u
1
2
VT
i
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u
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u
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u
g
2p
wt
0
wt
u
d
0a
q
wt
u
VT
0
wt
图3-1 单相半波可控整流电路及波形
7/159
3.1.1 单相半波可控整流电路
☞直流输出电压平均值
U d
1
2p
p a
2U2 sin wtd(wt)
2U 2
2p
(1
cosa )
0.45U 2
1
cosa
2
☞随着a增大，Ud减小，该电路中VT的a移相范围为180。
O
VD R
p-a
p+a
wt
O
wt
uVT
IVT
1
2p
p a
I
2 d
d
(wt
)
p a 2p I d
O
电力系统系统中谐波
输配电过程中产生的谐波
电力变压器是输配电过程中主要的谐波来源，由于变压器的设 计需要考虑经济性，其铁心的磁化曲线处于非线性的饱和状态，使 得工作时的磁化电流为尖顶型的波形，因而产生奇次谐波。较高的 变压器铁心饱和程度使得其工作点偏离了线性曲线，产生了较大的 谐波电流，其奇次谐波电流的比例可以达到变压器额定电流的0.5% 以上。
民用电力设备产生的谐波
整流晶闸管设备。由于整流晶闸管广泛应Байду номын сангаас在开关电源、机电控制、充电装置等许多 方面，给电网带来了相当多的谐波。据统计，由整流设备引起的谐波将近达到全部谐 波的40%，是谐波的一个主要来源。
变频设备。电动机、电梯、水泵、风机等机电设备中常用的变频设备，因为大部分是 相位控制，其谐波成分比较复杂，除了整数次的谐波成分外，还含有一定分数次的谐 波成分，变频设备的功率一般较大，其广泛应用对电网造成的谐波也越来越多。
谐波的产生
电网谐波主要由发电设备(电源端)、输配电设备以及电力系统 非线性负载等三个方面引起的。
电源端自身产生的谐波 输配电过程中产生的谐波 电力设备产生的谐波
电源端自身产生的谐波
发电机的三相绕组在制作上很难做到绝对对称，由于制作工艺 影响，其铁心也很难做到绝对的均匀一致，加上发电机的稳定性等 其他一些原因，会产生一些谐波，但一般来说相对较少。
有源滤波装置
有源滤波装置的应用
·
有源滤波装置
有源电力滤波器，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的 数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运 算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时 监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字 信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制 （PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM 功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电 网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。与无源滤波器相 比,APF具有高度可控性和快速响应性,能补偿各次谐波,可抑制闪变、补偿 无功,有一机多能的特点;在性价比上较为合理;滤波特性不受系统阻抗的影 响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能,可自动跟踪补偿变 化着的谐波。
谐波原理及治理方法
谐波原理及治理方法一、1. 何为谐波？在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。
当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。
谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。
谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。
谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为l00Hz，3次谐波则是150Hz。
一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。
在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。
对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。
“谐波”一词起源于声学。
有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。
傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。
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发表的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，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。
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和关注。
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。
谐波研究的意义，道理是因为谐波的危害十分严重。
谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，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。
整流电路的PFC
• 忽略电压谐波时
∑I
n=2
∞
2 n
这种情况下：
Q f为由基波电流所产生的无功功率，D是谐波电流 为由基波电流所产生的无功功率， 是谐波电流 产生的无功功率。 产生的无功功率。
三、R、L负载时交流侧谐波和功率因数分析 1. 单相桥式全控整流电路
1）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）
五、抑制谐波与改善功率因数 （一）谐波抑制措施 1.增加整流装置的相数 1.增加整流装置的相数 2.装设无源电力谐波滤波器
许多国家都发布了限制电网谐波的国家标 准，或由权威机构制定限制谐波的规定。 国家标准（GB/T14549-93）《电能质量公 用电网谐波》从1994年3月1日起开始实施。 A.电网电压正弦波相电压波形畸变率极限 A.电网电压正弦波相电压波形畸变率极限
用户供电电 压 (KV) 电压畸变极 限(％)
0.38
0.3 cn 2 U2L 0.2 0.1
n=6
n=12 n=18 0 30 60 90 120 150 180
值随α 增大而增大， α =90°时谐波 ° 幅值最大。
α/(°)
•
α 从90°~ 180°之间电路工作于有源 逆变工作状态，ud 的谐波幅值随 α
增大而减小。
三相全控桥 电流连续时，以n 为参变量的与α 的关系
四、整流输出电压和电流的谐波分析
4） α 不为 °时的情况 ） 不为0°时的情况： 三相半波整流电压谐波的一般表 达式十分复杂，给出三相桥式整 流电路的结果，说明谐波电压与 α 角的关系。 以n为参变量，n次谐波幅值（取 标幺值）对α 的关系如图所示：
• 当α 从0°~ 90°变化时，ud的谐波幅 ° °
PWM整流电路工作原理
PWM整流电路的原理分析摘要:无论是不控整流电路，还是相控整流电路，功率因数低都是难以克服的缺点.PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路，本文以《电力电子技术》教材为基础，详细分析了单相电压型桥式PWM整流电路的工作原理和四种工作模式。
通过对PWM整流电路进行控制，选择适当的工作模式和工作时间间隔，交流侧的电流可以按规定目标变化，使得能量在交流侧和直流侧实现双向流动，且交流侧电流非常接近正弦波，和交流侧电压同相位，可使变流装置获得较高的功率因数。
1 概述传统的整流电路中，晶闸管相控整流电路的输人电流滞后于电压，其滞后角随着触发角的增大而增大，位移因数也随之降低。
同时输人中谐波分量也相当大，因此功率因数很低。
而二极管不控整流电路虽然位移因数接近于1，但输人电流中谐波分量很大，功率因数也较低。
PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路，它能在不同程度上解决传统整流电路存在的问题。
把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。
通过对PWM整流电路进行控制，使其输人电流非常接近正弦波，且和输人电压同相位，则功率因数近似为1。
因此，PWM整流电路也称单位功率因数变流器。
参考文献［1］在第6章“PWM控制技术”中增添了“PWM整流电路及其控制方法”这一部分内容。
但在PWM整流电路的工作原理中介绍篇幅较少，只是针对PWM整流电路的运行方式相量图进行分析，没有分析其工作过程。
对PWM 整流电路不熟悉的教师在了解这部分内容时普遍感觉吃力。
1 单相电压型桥式PWM整流电路电压型单相桥式PWM整流电路最早用于交流机车传动系统，为间接式变频电源提供直流中间环节，其电路如图I所示。
每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成。
L为交流侧附加的电抗器，在PWM整流电路中是一个重要的元件，起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。
为简化分析，可以忽略L的电阻。
图 1 电压型单相桥式PWM整流电路除必须具有输人电感外，PWM整流器的电路结构和PWM逆变电路是相同的。
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整流装置交流侧谐波电流的相位⒈ 确定谐波电流相位的要点⑴ 不同次数（频率）谐波电流相互间无向量关系，不能进行向量计算。
① 不同次数谐波的周期用时间来表示是不相等的：不同次数谐波的频率1f n f n ⋅=，不同次数谐波的周期用时间表示则为： 111f n f T n n ⋅== 基波频率Z H f 501= 基波的周期s f T 02.0111==。
5次谐波的周期s f T 004.0155==； 7次谐波的周期s f T 003.0177≈=。
② 不同次数谐波的周期用角度来表示是相同的：ππϑ22=⋅⋅=n n n T f⑵ 在等效p 相整流系统中，1+=pK n 次谐波电流的相序为正序；1-=pK n 次谐波电流的相序为负序。
对于正序，顺时针方向为滞后；对于负序，顺时针方向为超前。
当整流变压器网侧绕组△联结时，正序及负序谐波的线电流均较相应同次谐波的相电流滞后30°，这30°的相位移对于不同次谐波所代表的时间是不相等的。
另外，虽然正序及负序谐波的线电流均滞后相应同次谐波的相电流滞后30°，但是它们向量图的画法却不相同。
()BL n i ()CA n i ()CL n i()AL n i()CL n i ()BL n i B ()AL n 图1 网侧绕组△联结时正序谐波线、相电流相位关系()CL n i ()CA n i ()BL n i()AL n i) ()BL n i ()CL n i C ()AL n 图2 网侧绕组△联结时负序谐波的线、相电流相位关系⑶ 整流装置阀侧交流电压对于网侧交流电压相位上是有所移动的，若确定装置网侧交流电流的相位关系时，应注意以下两点：① 整流变压器阀侧电流基波相位在不控整流时与阀侧电压相位是一致的。
因此网侧交流电流与阀侧交流电流相位差等于阀侧电压与网侧电压的相位差。
在绘制不同次谐波的向量图时，该相位差均为同一数值，不因谐波次数而异，也与移相方式无关。
② 若整流变压器阀侧电压滞后网侧电压一个角度时，则按阀侧电流相位确定网侧电流的相位，即在阀侧电流相位的基础上向超前方向转动同一角度。
反之，若阀侧电压超前网侧电压一个角度，在确定网侧电流的相位时，则在阀侧电流相位的基础上向滞后方向转动这一角度。
⒉ 谐波电流相位确定之例1：采用双绕组双分裂结构的整流变压器，一组为Dd0联结的三相桥式系统；另一组为Dy11联结的三相桥式系统，构成12脉波整流。
确定两组三相桥式系统中5、7、11、13、17、19、23、25次谐波的相位关系。
讨论：⑴ 以Dd0联结为基准。
因为Dy11联结的阀侧电压相位是要超前于网侧电压30°，而Dd0联结的阀侧电压与网侧电压同相位，所以Dy11联结的阀侧电压相位较Dd0联结的阀侧电压相位也超前30°；相应地Dy11联结的阀侧基波电流相位也要超前Dd0联结的阀侧基波电流相位30°。
⑵ 对于阀侧5次谐波电流而言，Dy11联结的5次谐波电流相位要超前Dd0联结的5次谐波电流相位150305=⨯°，即()115Dy a I 超前()05Dd a I 150°（与基波转向同，逆时针方向）。
对于阀侧7次谐波电流而言，Dy11联结的7次谐波电流相位要超前Dd0联结的7次谐波电流相位210307=⨯°，即()117Dy a I 超前()07Dd a I 210°（与基波转向同，逆时针方向）。
⑶ 当按阀侧谐波电流相位绘制网侧谐波电流（()115Dy A I 、()117Dy A I 、()05Dd A I 、()07Dd A I ）时，Dd0联结的阀侧、网侧谐波电流（()05Dd a I 、()05Dd A I ）同相位；而Dy11联结的()115Dy A I 、()117Dy A I 均在()115Dy a I 、()117Dy a I 的位置上按各自相序的滞后方向旋转30°（5次谐波为逆时针，7次谐波为顺时针）。
见下图：I ()05Dd A I (7Dd a I )05×30° 7×30°=210()115Dy a I ()115Dy A I (7Dy A I ()117Dy a（a ）5次谐波 （b ）7次谐波图3 12脉波整流系统中5、7次谐波电流的相位关系从图3可以看出：在两组三相桥式12脉波整流系统中，网侧线电流中的5次及7次谐波相位均相差180°。
若两组三相桥的负荷相等，则这两次谐波相互抵消，亦即在电网电流中没有这两次谐波（17及19次谐波也是如此）。
⑷ 对于阀侧11次谐波电流而言，Dy11联结的11次谐波电流相位要超前Dd0联结的11次谐波电流相位3303011=⨯°，即()1111Dy a I 超前()011Dd a I 330° （与基波转向同，逆时针方向）。
对于阀侧13次谐波电流而言，Dy11联结的13次谐波电流相位要超前Dd0联结的13次谐波电流相位3903013=⨯°，即()1113Dy a I 超前()013Dd a I 390° （与基波转向同，逆时针方向）。
⑸ 当按阀侧谐波电流相位绘制网侧谐波电流（()1111Dy A I 、()1113Dy A I 、()011Dd A I 、()013Dd A I ）时，Dd0联结的阀侧、网侧谐波电流（()011Dd a I 、()011Dd A I ）同相位；而Dy11联结的()1111Dy A I 、()1113Dy A I 均在()1111Dy a I 、()1113Dy a I 的位置上按各自相序的滞后方向旋转30°（5次谐波为逆时针，7次谐波为顺时针）。
见下图：()011Dd a I ()011Dd A I ()115Dy A I ()1113Dy A I ()013Dd a I ()013Dd A I()1111Dy a I (7Dy a I 11×30°=150 13×30°=3900（a ）11次谐波 （b ）13次谐波图4 12脉波整流系统中11、13次谐波电流的相位关系从图4可以看出：在两组三相桥式12脉波整流系统中，网侧线电流中的11次及13次谐波相位差均为0°。
若两组三相桥的负荷相等，则这两次谐波电流相互相加，亦即在电网电流中这两次谐波电流是单组6脉波整流的两倍（23及25次谐波也是如此）。
3 谐波电流相位确定之例2：两台12脉波整流装置并联运行，其中一台移相+7.5°，另一台移相－7.5°，构成24脉波整流。
由于装置的内部原因，两台整流装置中均有剩余的非特征5次及7次谐波存在。
确定两台整流装置中5次及7次；11次及13次谐波的相位关系。
讨论：产生剩余非特征谐波的原因相同，两台12脉波整流装置中各自剩余的5次谐波大小相等（7次、11次、13次、17次、19次谐波也如此）。
⑴ 5次、7次、17次、19次谐波的位关系以移相+7.5°的整流装置为基准，则移相－7.5°的整流装置中阀侧基波电流相位滞后其15°，所以移相－7.5°的整流装置中阀侧剩余的5次谐波电流将较移相+7.5°的整流装置中的阀侧剩余的5次谐波电流滞后75155=⨯°（与基波转向同，顺时针方向）。
然后再按照两台整流装置的阀侧的5次谐波电流相位绘制出各自网侧的5次谐波电流：+7.5°的整流装置向滞后方向（注意5次为负序，逆时针方向）转7.5°，－7.5°的整流装置向超前方向转7.5°。
同理，可以绘出剩余7次谐波的向量图。
A I 5 Ⅰa I 7Ⅱ5° ⅡA I 5 ⅡA I 7 Ⅱa 7 系统图 5次谐波电流相位 7次谐波电流相位 图5 构成24脉波两台整流装置并联运行系统5次及7次谐波电流相位关系从图5可以看出分别移相+7.5°、－7.5°的两台整流装置网侧所剩余的5次及7次谐波电流均是有90°的相位差，所以24脉波整流装置中的5次、7次网侧谐波电流是单台12脉波整流器中剩余的5次、7次谐波电流的2倍。
两台整流装置网侧所剩余的17次、19次谐波电流也是有90°的相位差，所以在24脉波整流装置中的17次、19次网侧谐波电流也是单台12脉波整流器中剩余的17次、19次谐波电流的2倍：Ⅰ17 ⅠA I 19A I 17 a I 85°17次谐波电流相位 19次谐波电流相位图6 构成24脉波两台整流装置并联运行系统17次及19次谐波电流相位关系⑵ 11次及13次谐波的相位关系以移相+7.5°的整流装置为基准，则移相－7.5°的整流装置中阀侧基波电流相位滞后其15°，所以移相－7.5°的整流装置中阀侧剩余的11次谐波电流将较移相+7.5°的整流装置中的阀侧剩余的11次谐波电流滞后1651511=⨯°（与基波转向同，顺时针方向）。
然后再按照两台整流装置的阀侧的11次谐波电流相位绘制出各自网侧的11次谐波电流：+7.5°的整流装置向滞后方向（注意11次为负序，逆时针方向）转7.5°，－7.5°的整流装置向超前方向转7.5°。
同理，可以绘出剩余13次谐波的向量图。
ⅠA I 11 7.5°Ⅰa I 11 Ⅰa I 13 7.5° ⅠA I 1311×15°=165°13×15°=195°ⅡA I 11 7.5° Ⅱa I 11 Ⅱa I 13 7.5°ⅡA I 1311次谐波电流相位 13图7 构成24脉波两台整流装置并联运行系统11次及13次谐波电流相位关系 从图7可以看出分别移相+7.5°、－7.5°的两台整流装置网侧所剩余的11次及13次谐波电流均是有180°的相位差，若台整流装置的负荷相等，则这两次剩余谐波将相互抵消，亦即在电网电流中没有这两次剩余谐波。
对于构成24脉波两台整流装置并联运行系统在中的23次及25次谐波电流的相位关系，可以按照上面的方法绘制出分别移相+7.5°、－7.5°的两台整流装置网侧谐波电流的相位差均为0°，亦即在电网电流中这两次谐波电流是单台整流装置谐波电流量的两倍。