梅英格之諧波與無功

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1、諧波和無功功率的產(chǎn)生在工業(yè)和生活用電負(fù)荷中，電感性負(fù)荷占有很大的比例。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、變壓器、日光燈等都是典型的電感性負(fù)荷。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統(tǒng)中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。電感性負(fù)荷必須吸收無功功率才能正常工作，這是由其本身的性質(zhì)所決定的。電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無功功率，特別是各種相控裝置。如相控整流器、相控交流功率調(diào)整電路和周波變流器，在工作時(shí)基波電流滯后于電網(wǎng)電壓，要消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，從上一節(jié)的討論可以看出，諧波源都是要消耗無功功率的。非相控的二極管整流電路的基波

2、電流相位和電網(wǎng)電壓相位大致相同，所以不消耗基波無功功率。但是它也產(chǎn)生大量的諧波電流，因此也消耗一定的無功功率。工業(yè)用電弧爐在工作時(shí)電極處于短路狀態(tài)，不但消耗大量的無功功率，且因電弧不穩(wěn)定，其所消耗的無功功率波動(dòng)也很大。同時(shí)，它也產(chǎn)生大量的諧波電流，且諧波頻譜不規(guī)則，幾乎是連續(xù)頻譜。公用電網(wǎng)中的諧波源主要是各種電力電子裝置（含家用電器、計(jì)算機(jī)等的電源部分）、變壓器、發(fā)電機(jī)、電弧爐和熒光燈等。在電力電子裝置大量應(yīng)用之前，最主要的諧波源是電力變壓器的勵(lì)磁電流，其次是發(fā)電機(jī)。在電力電子裝置大量應(yīng)用之后，它成為最主要諧波源。發(fā)電機(jī)是公用電網(wǎng)的電源，當(dāng)在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組中通以直流電流，并在磁極下產(chǎn)生按正

3、弦分布的磁場(chǎng)時(shí)，定子繞組中將感應(yīng)出正弦電勢(shì)，發(fā)電機(jī)輸出電壓波形為正弦波。但這只是理想的情況。實(shí)際電機(jī)中，磁極磁場(chǎng)并非完全按照正弦規(guī)律分布，因此感應(yīng)電勢(shì)就不是理想的正弦波，輸出電壓中也就包含一定的諧波。這種諧波電勢(shì)的頻率和幅值只取決于發(fā)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和工作情況，基本與外接負(fù)荷無關(guān)，可以看成諧波電壓源。在設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)時(shí)，采取了許多削弱諧波電勢(shì)的措施，因此其輸出電壓的諧波含量是很小的。國際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)定發(fā)電機(jī)的端電壓波形在任何瞬間與其基波波形之差不得大于基波幅值的5%。因此，在分析公用電網(wǎng)的諧波時(shí)，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)電勢(shì)為純正弦波形，不考慮其諧波分量。變壓器的諧波電流是由其勵(lì)磁回路的非線性引

4、起的。加在變壓器上的電壓通常是正弦波電壓，該電壓和鐵芯磁通是微分關(guān)系，即(1-47)圖1-6不考慮磁滯影響時(shí)的電壓、磁通和勵(lì)磁電流波形因此鐵芯中磁通也是按正弦規(guī)律變化的，只是其相位滯后于電壓p/2。勵(lì)磁電流和磁通的關(guān)系是由鐵芯的磁化曲線決定的。由于磁化曲線是非線性的，所以產(chǎn)生正弦磁通的勵(lì)磁電流只能是非正弦的。圖1-6給出了電壓和磁通為正弦波時(shí)勵(lì)磁電流的波形，這里未考慮磁滯的影響?？梢钥闯觯瑘D中的勵(lì)磁電流已變成具有1/4周期對(duì)稱特點(diǎn)的尖頂波了。對(duì)其波形進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分析可知，其中含有全部的奇次諧波，以3次諧波分量為最大?？紤]磁滯影響時(shí)的電壓、磁通和勵(lì)磁電流的波形如圖1-7所示。和圖1-6的波

5、形相比，勵(lì)磁電流波形發(fā)生扭曲，已不再是1/4周期對(duì)稱波形，但仍是正負(fù)半周對(duì)稱的波形，從第1.1節(jié)的分析可知，其中仍只含有以3次諧波為主的奇次諧波。圖1-7考慮磁滯影響時(shí)的電壓、磁通和勵(lì)磁電流波形對(duì)于三相變壓器來說，其勵(lì)磁電流和鐵芯結(jié)構(gòu)、變壓器接線方式都有關(guān)。若變壓器有一側(cè)采用D接線，則可以為3的倍數(shù)次諧波提供通路，使磁通和電動(dòng)勢(shì)都很接近正弦波。3的倍數(shù)次諧波電流只在D回路中流通，而不流入公用電網(wǎng)，流入電網(wǎng)的只是6k±1（k為正整數(shù)）次諧波。若變壓器沒有D接線，則勵(lì)磁電流中就沒有3的倍數(shù)次諧波電流，這時(shí)由于磁化曲線的非線性就會(huì)在磁通中產(chǎn)生3的倍數(shù)次諧波，使磁通變?yōu)槠巾敳?。在三柱變壓器中磁?dòng)勢(shì)

6、里3的倍數(shù)次諧波是各相同相位的，因此這些諧波磁通的路徑必須是由空氣、油和變壓器外殼構(gòu)成的回路。而這種路徑磁阻很大，使3的倍數(shù)次諧波的磁通僅為獨(dú)立鐵芯時(shí)的10%左右。因此磁通和電動(dòng)勢(shì)仍接近正弦波。變壓器勵(lì)磁電流的諧波含量和鐵芯飽和程度直接相關(guān)，即和其所加的電壓有關(guān)。正常情況下，所加電壓為額定電壓，鐵芯基本工作在線性范圍內(nèi)，諧波電流含量不大。但在輕載時(shí)電壓升高，鐵芯工作在飽和區(qū)，諧波電流含量就會(huì)大大增加。另外，在變壓器投入運(yùn)行過程、暫態(tài)擾動(dòng)、負(fù)荷劇烈變化及非正常狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。電弧爐的諧波主要是由起弧的時(shí)延和電弧的嚴(yán)重非線性引起的。電弧長(zhǎng)度的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性使得其電流諧波頻譜十

7、分復(fù)雜，其諧波頻率分布范圍主要在0.1~30Hz。電爐工作在熔煉期間諧波電流很大，當(dāng)工作在精煉期間時(shí)由于電弧特性較穩(wěn)定，諧波電流較小。電弧爐諧波電流隨時(shí)間的變化很大。表1-5給出了不同資料所給的由電弧爐引起的平均諧波電流?？梢钥闯?，2次、3次和5次諧波最為嚴(yán)重。表1-5電弧爐引起的平均諧波電流諧波諧波電流（以基波百分?jǐn)?shù)表示）次數(shù)資料1資料2資料323.24.14.534.04.54.741.11.82.853.22.14