整流設(shè)備諧波研究-畢業(yè)論

1、精品文檔1緒 論1.1本論文的背景和意義 背景電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。當(dāng)時(shí)在德國(guó)，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓電流、波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術(shù)的開展，發(fā)飆了有關(guān)變流器引起電力系統(tǒng)稀薄諧波問(wèn)題的大量論文。E.W.Kimbark在其著作中對(duì)此進(jìn)行了總結(jié)。70年代以來(lái)，由于電力電子技術(shù)的飛速開展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重。世界各國(guó)都對(duì)諧波問(wèn)題予以充分的關(guān)注。國(guó)際上召開了屢次有關(guān)諧

2、波問(wèn)題的學(xué)術(shù)會(huì)議，不少國(guó)家和國(guó)際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。近30年來(lái)，電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。目前常用的以三相橋式和單相橋式整流電路為最多使其成為最嚴(yán)重的諧波污染源。 意義整流設(shè)備諧波研究的意義，主要是因?yàn)橹C波的危害十分嚴(yán)重:1諧波是電能生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，2使電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。3諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。4諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量

3、出現(xiàn)混亂。對(duì)于電力系統(tǒng)外部，諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。 總之，電力電子技術(shù)是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)開展的重大障礙。同時(shí)，對(duì)諧波污染的治理也已成為電工科學(xué)技術(shù)界所必須解決的問(wèn)題1。1.2 本論文的主要方法和研究進(jìn)展三相橋式全控整流電路的工作原理 三相全控整流電路主電路如圖1-1所示：圖1-1 三相橋式全控整流電路電路原理圖將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管VT1、VT3、 VT5稱為共陰極組；陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管VT4、VT6、VT2稱為共陽(yáng)極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒕чl管按圖示的順序編號(hào)，即共

4、陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT1、VT3、VT5， 共陽(yáng)極組中與a、b、c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。從后面的分析可知，按此編號(hào)，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)?VT1VT2VT3VT4VT5VT6。 主電路工作原理說(shuō)明(1)阻感性負(fù)載，以60 º為例，ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。區(qū)別在于：由于負(fù)載不同，同樣的整流輸出電壓加到負(fù)載上，得到的負(fù)載電流id波形不同。阻感負(fù)載時(shí)，由于電感的作用，使得負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，負(fù)載電流的波形可近似為一

5、條水平線。圖1-3 阻感性負(fù)載=30o2定量分析當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)即帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載60º°時(shí)的平均值為：帶電阻負(fù)載且>60º°時(shí)，整流電壓平均值為：輸出電流平均值為 ：Id = Ud /R當(dāng)整流變壓器采用星形接法，帶阻感負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流波形為正負(fù)半周各寬120°、前沿相差180°的矩形波，其有效值為： 諧波分析方法.1 諧波對(duì)于周期為T2的非正弦電壓，一般滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級(jí)數(shù)。在傅立葉級(jí)數(shù)中，基波fundamental 在傅里葉級(jí)數(shù)中，頻率與工頻相同的分量， n1諧波harmonic 頻率為

6、基波頻率整數(shù)倍大于1的分量，n>1諧波次數(shù) 諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比n次諧波電流含有率以HRIn表示 In為第n次諧波電流有效值，I1為基波電流有效值。電流諧波總畸變率THDi定義為Ih為總諧波電流有效值，表1-1諧波電壓限值電網(wǎng)標(biāo)稱電壓kv電壓總畸變率各次諧波電壓含有率奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.810353.02.41.2661102.01.60.8表1-2 注入公共連接點(diǎn)的電流允許值標(biāo)準(zhǔn)電壓kv基準(zhǔn)短路容量MVA諧波次數(shù)及諧波電流允許值A(chǔ)23456789101112131415161718192021222324250.381078623962264419

7、211628132421129.7188.6187.88.97.1146.512610043342134142411118.5167.1156.16.85.3104.79.04.34.93.97.43.66.810100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.74.13.26.02.83.42.62.92.34.32.147125.18.83.84.13.15.62.64.73.22.31.93.61.73.21.51.81.42.71.32.56650016138.7135.49.34.14.33.35.92.75.02.32.62.03.

8、81.83.41.61.91.52.81.42.6110750129.66.09.64.06.83.03.22.44.32.03.71.71.91.32.81.32.51.21.41.12.11.01.9注：220KV基準(zhǔn)短路容量取2000MVA當(dāng)電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的最小短路容量不同于表1-2基準(zhǔn)短路容量時(shí)，按下式修正表1-2中的諧波電流允許值：式中SK1公共連接點(diǎn)的最小短路容量，MVA；SK2基準(zhǔn)短路容量，MVA；Ihp表1-2中的第h次諧波電流允許值，A；Ih短路容量為Sk1時(shí)的第h次諧波電流允許值。 .2 功率因數(shù)正弦電路中的情況有功功率就是其平均功率：視在功率為電壓、電流有效值的乘積，即

9、S = UI無(wú)功功率定義為：Q = U I sin 功率因數(shù)定義為有功功率P和視在功率S的比值： 此時(shí)無(wú)功功率Q與有功功率P、視在功率S之間有如下關(guān)系： 功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差決定：=cos非正弦電路中的情況有功功率、視在功率、功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同，功率因數(shù)仍由下式定義：公用電網(wǎng)中，通常電壓的波形畸變很小，而電流波形的畸變可能很大。因此，不考慮電壓畸變，研究電壓波形為正弦波、電流波形為非正弦波的情況有很大的實(shí)際意義。設(shè)正弦波電壓有效值為U，畸變電流有效值為I，基波電流有效值及與電壓的相位差分別為I1和1。這時(shí)有功功率為：P=U I1 cos1功率因數(shù)為： 基波因數(shù) = I1

10、/ I，即基波電流有效值和總電流有效值之比位移因數(shù)基波功率因數(shù) cos1非正弦電路的無(wú)功功率定義很多但尚無(wú)被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義一種簡(jiǎn)單的定義是：這樣定義的無(wú)功功率Q反映了能量的流動(dòng)和交換，目前被較廣泛的接受，但該定義對(duì)無(wú)功功率的描述很粗糙。采用符號(hào)Qf定義為由基波電流所產(chǎn)生的無(wú)功功率，忽略電壓中的諧波時(shí)有：Qf =UI1sin1在非正弦情況下， ，因此引入畸變功率D，表示由諧波電流產(chǎn)生的無(wú)功功率，使得：比擬上面兩個(gè)式子，可得： 忽略電壓諧波時(shí).3帶阻感負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析阻感負(fù)載，忽略換相過(guò)程和電流脈動(dòng)，直流電感L為足夠大以=30 º為例，電流為

11、正負(fù)半周各120 º°的方波其有效值與直流電流的關(guān)系為變壓器二次側(cè)電流諧波分析： 電流基波和各次諧波有效值分別為 電流中僅含6k±1k為正整數(shù)次諧波各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)功率因數(shù)計(jì)算基波因數(shù)為 電流基波與電壓的相位差仍為，故位移因數(shù)仍為 功率因數(shù)為 2 MATLAB仿真分析 2.1未加濾波器的三相整流橋Matlab仿真三相橋式全控整流電路在Simulink環(huán)境下，運(yùn)用PowerSystemBlockset的各種元件模型建立了三相橋式全控整流電路的仿真模型，仿真結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-1 未加濾波器的三相橋matlab

12、仿真利用FFT對(duì)Uabc進(jìn)行傅里葉變換得到頻譜圖如圖2-2所示：圖2-2 Uabc頻譜圖2.2三相整流橋Matlab仿真數(shù)據(jù)分析對(duì)應(yīng)的諧波電壓總畸變率和n次諧波電壓含有率如表2-1所示：表2-1 諧波電壓總畸變率和n次諧波電壓含有率諧波電壓總畸變率(THD)%17.05諧波次數(shù)12345678910111213n次諧波畸變率%-0.080.030.180.090.250.050.200.070.1012.270.1110.55諧波次數(shù)14151617181920212223242526n次諧波畸變率%0.100.070.240.080.340.090.220.010.031.470.020.9

13、50.01由數(shù)據(jù)與表1-1對(duì)照可知THDu大于2.0%的標(biāo)準(zhǔn)，HRU11和HRU13均大于1.6%的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的諧波電流含量和諧波電流總畸變率如表2-2所示表2-2 諧波電流含量和諧波電流總畸變率諧波電流壓總畸變率(THD)%9.83諧波次數(shù)12345678910111213n諧波電流含量-1.110.813.901.344.551.122.990.640.96127.21.2192.68諧波次數(shù)14151617181920212223242526n諧波電流含量0.760.481.790.582.150.511.230.120.167.310.064.370.07由表1-2中數(shù)據(jù)可以計(jì)算當(dāng)公共連

14、接點(diǎn)的最小短路容量為1200MVA基準(zhǔn)短路容量取2000MVA時(shí)對(duì)應(yīng)的諧波電流允許值：I5=28.8KA,I7=4.08KA,I11=2.58KA,I13=1.2KA,I17=1.68KA,I19=1.5KA,I23=1.26KA,I25=1.14KA由圖2-5中諧波電流值和允許值比照可知I11和I13均不符合標(biāo)準(zhǔn)綜上，可知需要設(shè)計(jì)適宜的濾波器來(lái)降低諧波電流對(duì)電網(wǎng)的影響3 濾波器的設(shè)計(jì)3.1濾波器簡(jiǎn)介濾波器早被公認(rèn)為各種電子產(chǎn)品的重要部件，其主要功能是作為各種電信號(hào)的提取、分隔、抑止干擾，濾波器不但是確保電子產(chǎn)品本身正?？煽抗ぷ鞯闹匾考沂菧p少相互影響、確保正常工作環(huán)境的重要器件。濾波器

15、是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其它頻率成分。在測(cè)試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。3.2濾波器分類濾波器分為有源和無(wú)源二大類，由于無(wú)源濾波器不需電源、不易產(chǎn)生干擾、穩(wěn)定、可靠、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用。無(wú)源濾波器品種很多，按構(gòu)成元件不同最常見的有：RC濾波器、LC濾波器、陶瓷濾波器、晶體濾波器、機(jī)械濾波器、聲外表波濾波器，還有螺旋濾波器、介質(zhì)濾波器、微波濾波器等。濾波器按其主要特性可分為：帶通、帶阻、高通、低通、可變通帶等濾波器。濾波器按其功能可以分為：中頻濾波器、邊帶濾波器、話路濾波器、線性相移濾波器、相位恒定濾波器、相

16、位配對(duì)濾波器、電源濾波器等。3.3常用濾波器的原理1單調(diào)諧濾波器單調(diào)諧濾波器電路圖如圖3-1所示。圖3-1 單調(diào)諧濾波器電路原理圖濾波器對(duì)n次諧波的阻抗為:式中:下標(biāo)fn表示第n次單調(diào)諧濾波器的頻率;為基波角頻率。工作原理:單調(diào)諧濾波器是利用串聯(lián)L、C諧振原理構(gòu)成的,諧振次數(shù)n為:在諧振點(diǎn)處,Zfn=Rfn,因Rfn很小,n次諧波電流主要由Rfn分流,很少流入電網(wǎng)中,對(duì)于其他次數(shù)的諧波, Zfn遠(yuǎn)大于Rfn,諧波分流很少。因此,只要將濾波器的諧振次數(shù)設(shè)定為與需要濾除的諧波次數(shù)一樣,那么該次諧波將流入無(wú)源濾波器,從而起到濾除該次諧波的目的。(2)高通濾波器(a) (b) (c) (d)圖3-2

17、高通濾波器原理圖圖3-2(a)為一階高通濾波器,一階高通濾波器需要的電容太大,基波損耗也太大,因此一般不采用。圖3-2(b)為二階高通濾波器,二階高通濾波器的濾波性能最好,但與三階高通濾波器相比,其基波損耗也較高。圖 3-2(c)為三階高通濾波器,三階高通濾波器比二階高通濾波器多一個(gè)電容器C2，C2容量與C1相比很小,它提高了濾波器對(duì)基波頻率的阻抗,從而大大減少了基波損耗,這是三階高通濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)。圖3-2(d)為C型高通濾波器,C型高通濾波器的性能介于二階和三階之間。C2與L調(diào)諧在基波頻率上,故可大大減少基波損耗。缺點(diǎn)是:對(duì)基波頻率失諧;對(duì)元件參數(shù)漂移比擬敏感。3雙調(diào)諧濾波器雙調(diào)諧濾波器

18、電路如圖3-3所示。圖3-3 雙調(diào)諧濾波器原理圖雙調(diào)諧濾波器有兩個(gè)諧振頻率,同時(shí)吸收這兩個(gè)頻率的諧波,其作用等效于兩個(gè)并聯(lián)的單調(diào)諧濾波器。雙調(diào)諧濾波器與兩個(gè)單調(diào)諧濾波器相比,其基波損耗較小,且只有一個(gè)電感L1承受全部沖擊電壓。正常運(yùn)行時(shí),串聯(lián)電路的基波阻抗遠(yuǎn)大于并聯(lián)電路的基波阻抗,所以并聯(lián)電路所承受的工頻電壓比串聯(lián)電路的低的多。1 式樣1.1 式樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣。 式樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣。 式樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣。 式樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣。1.2 式樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣。 式樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣樣。三級(jí)標(biāo)題縮進(jìn)2字符，行距固定值20磅，所有空行為小四號(hào)字公式： 1-1 圖：圖1-1 電力線路的等值電路表：表1-1 變壓器參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)123短路損耗27.628.929.4短路電壓6.426.546.55空載損耗11.058.410.6空載電流2.01.421.84表格允許下頁(yè)接寫，接寫時(shí)表題省略，表頭應(yīng)重復(fù)