电能质量分析与控制6

p f U THFF h fh h 100% h 1 800 1000 U1
50 2
f h 谐波频率
p fh 该频率权值
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四、谐波对电能计量的影响
概念：基波功率做功，谐波功率不做功，应不计量。 电表计量时为基波和各次谐波功率之和
X h hX1 ；容性电抗 谐波感性电抗：
X ch X c1 h
从谐波源处看，在谐波频率下，并联电容器与系统等值电感为并 联关系，若谐振频率落在某次谐波上，可引起谐振过电压。
若： Ish>Ih，系统谐波电流放大 Ich>Ih，电容器谐波电流放大 Ish，Ich>Ih，谐波严重放大
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二、谐波对电机的影响
电机受谐波电压畸变的影响较大。电机末端的谐波电压畸变，在 电机里表现为谐波磁链。谐波磁链以与转子同步频率不同 的频率旋转，在转子中感应出高频电流。谐波电压畸变将 引起电机的效率下降、发热、振动和高频噪声。
三、谐波对通讯的干扰
通过感应方式与通讯线路耦合干扰通讯 国际电报电话咨询委员会 （CCITT）：电话谐波波形系数
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6.2 波形畸变的基本概念
非线性负荷引起电流波形 的畸变，一般畸变波形是周期 的，属于谐波范畴。 畸变电流流经系统时，在系统 阻抗上产生压降，从而产生电 压畸变。
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一、几个概念：
1. 2. 3. 4. 谐波：基波频率的整数倍。 间谐波和次谐波：有些用电负荷会出现非工频频率整数倍 的周期性电流的波动，又称为分数谐波，或称为间谐波。 频率低于工频的间谐波又称为次谐波。 谐波和暂态现象：暂态和谐波是两个完全不同的现象，它 们的分析方法也是不同的。暂态过程高频分量与系统的基 波频率无关。 短时间谐波：对于短时间的冲击电流（变压器空载合闸）， 将包含短时间的谐波和间谐波电流，称为短时间的谐波电 流或快速变化谐波电流，应与电力系统稳态和准稳态谐波 区别开来。 陷波：换流装置在换相时，会导致电压波形出现陷波或称 换相缺口，不属于谐波范畴。
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为防止出现谐波谐振的可能，常在 电容器上配置一定的电抗器，设 s X基值的系统电抗率和电抗 器电抗率
I Ch I sh
' X sh hX s Ih I h Ch I h X Kh X Ch hX s hX K X C h ' X sh hX K X C h Ih I h sh I h X sh hX s hX K X c h
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HRI h
THDI
I
h2
M
Ih 100% I1
2 h
I1
100%
总畸变率描述电流时的局限
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三、非正弦电路的功率和功率因数
1、正弦电压、电流
P UI cos
Q UI sin
I cos h
无功功率物理意义为能量互换的最大规模，并不消耗电能 T 2、非正弦电压、电流 1
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定义视在功率：
定义畸变功率
2 2 S UI (U h )( I h ) h h
D S 2 (P 2 Q 2 f )
一般实际情况：电压畸变小，可考虑成正弦信号，有
P UI1 cos 1 Q1 UI1 sin 1
功率因数
PF

2s k
第二临界状态，电容支路呈感性
h2 1
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s 2k
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三次谐波问题 并联电容器后，对三次谐波有放大作用，应引起注意 电阻性负荷的作用 起阻尼作用，一般线路的电阻可有效抑制谐振的发生
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6.7电容器与串联电抗器的电压和电流 一、无功功率补偿引起的母线电压升高 Xd、Sd为母线短路阻抗、短路容量。 二、电容器与串联电抗器的电压和电流 设电容器与串联电抗器的基波电抗分别为 Xc和Xk ，母线、电容器 和电抗器的基波电压分别为U1、Uc1和Uk1，电容器的基波电流为 I1，有： U1 1
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2）直流侧电感量不够大， 则电流将出现断续。
3）当负载为蓄电池、 直 流电动机等带有反电动势 负荷时。
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2.三相全控桥式整流器 （1）控制角为零时 电流为波宽120o的缺口矩形波， 缺口宽度为 60o。 谐波含有率1/h。 电压、基波电流同相，整流器 无功=0
0.16 ~ 0.36rad
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2、电力调节电路
移相控制单相交流调压电路(电阻性负载)
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6.4 谐波的影响和危害
在电力危害方面： ⑴旋转电机等的（换流变压器过载）附加谐波损耗与发热，缩短使用寿命； ⑵谐波谐振过电压，造成电气元件及设备的故障与损坏； ⑶电能计量错误。 在信号干扰方面： ⑴对通信系统产生电磁干扰，使电信质量下降； ⑵重要的和敏感的自动控制、保护装置不正确动作； ⑶危害到功率处理器自身的正常运行。
I1 XC X K
UC U
2 C1
U
QC X d QcU N UN Sd
U
h2

2 Ch
U C1 1 HRI h h2 h
2 h2

2
U C 1 I1 X C U K 1 I1 X K U12 1 Q XC 1 k
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P UI 1 cos 1 I 1 1 cos 1 cos 1 2 S UI I 1 THD I
可见：功率因数受两方面影响：
① 相移功率因数，即基频电压、电流的相位差：
cos 1
5
② 电流的基波分量所占比例，即电流畸变程度： I1 / I
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2 3I d

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（2）控制角不为零时 电流为波宽120o的缺口矩形波，缺口宽度为 60o。 谐波含有率1/h。 基波电流相位落后电压，功率因数<1，吸取无功
1 T 3 2 3 6 u dt u dt U cos U d 0 cos d ab T 0 / 6 3 6
Ud0
ia (t )
1 T 3 /2 3 6 u dt u ab dt U 1.35U 1 d T 0 /6
1 1 1 1 (sin 1t sin 51t sin 71t sin111t sin131t ) 5 7 11 13
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一、谐波对变压器的影响
1. 均方根值电流。如果变压器容量正好与负荷容量相同，那么谐 波电流将使得均方根值电流大于额定值。总均方根值电流的增 加会引起导体损耗增加。
2.
涡流损耗。涡流是由磁链引起的变压器的感应电流。感应电流 流经绕组、铁芯以及变压器磁场环绕的其他导体时，会产生附 加发热。损耗以引起涡流的谐波电流的频率的平方增加。
Ch
I s Ch I h s k 1 h2
sh
I sh k 1 h2 Ih s k 1 h2
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谐振状态，并联谐振
h0 1 s k
电容器全谐振，串联谐振
hk 1

k
第一临界状态，电容支路呈容性
h1 1
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二、整流装置
AC/DC整流器、DC/AC逆变器以及变频设备等。
1.单相全控桥式整流器
1）直流侧电感足够大，电流波 形是连续的交变方波，正负半周 的波形完全相同，幅值相等。
谐波含有率1/h。
i (t ) 4Id 1 1 (sin 1t sin 31t sinh 1t ) 3 h
对非线性用户 PJ2： K1R P 1R KhR P hR 由于
PhR PhM
表现为谐波的影响使少计的电量远大于多计的电量，两者的差额 表现为供电线损率有所增大。 结论： 在计量上有利于非线性用户，不利于线性用户和电力部门。
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6.5谐波谐振与放大
P
uidt U T
0 h
h h
仅同频率的电压和电流才能构成有功功率，不同频率的电压和电流 不构成有功功率 Q f U hI h sin h 定义无功 h Qf没有正弦波情况下能量交换的最大量度等明确的物理意义， 某谐波可能出现感性无功功率 ，而另一次谐波可能出现容性无 功功率，不同频率的无功相加本身无意义。
h kp 1
三、电弧炉
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四、电力机车
由于电力机车的负荷是单相整流性质，故对电网影响主要是“负序” 和“高次谐波”。其谐波特点：随机波动性、高压渗透性、稳态 奇次性。
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五、家用电器
1、桥式整流电容平波电路 电视机的谐波特点是谐波的峰值与基波峰值重合，同相电压供电 的多台电视机产生的谐波相位相同，而且同时间的使用频率高， 造成供电系统谐波增大。