谐波与谐波阻抗精.ppt
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1、谐波与谐波阻抗第1页,本讲稿共43页谐波定义谐波定义供供电电系系统统谐谐波波的的定定义义是是对对周周期期性性非非正正弦弦电电量量进进行行傅傅立立叶叶级级数数分分解解,除除了了得得到到与与电电网网基基波波频频率率相相同同的的分分量量,还还得得到到一一系系列列大大于于电电网网基基波波频频率率的的分分量量,这这部部分分电电量量称称为为谐谐波波。谐谐波波频频率率与与基基波波频频率率的的比比值值(n=fn/f1)称称为为谐谐波波次次数数。电电网网中中有有时时也也存存在在非非整整数数倍倍谐谐波波,称称为为非非谐谐波波(Non-harmonics)或或分分数数谐谐波波。谐谐波波实实际际上上是是一一种种干干扰
2、扰量量,使使电电网网受受到到“污污染染”。电电工工技技术术领领域域主主要要研研究究谐谐波波的的发发生生、传输、测量、危害及抑制,其频率范围一般传输、测量、危害及抑制,其频率范围一般为为2n40。4谐波及谐波阻抗特性谐波及谐波阻抗特性4.1概述概述第2页,本讲稿共43页用用Fourier级数表示级数表示设用周期为设用周期为T的函数表示实际畸变电流或电压的函数表示实际畸变电流或电压交交直型电力牵引负荷是单相整流负荷,主要含有奇次谐波直型电力牵引负荷是单相整流负荷,主要含有奇次谐波第3页,本讲稿共43页谐波的产生谐波的产生向向公公用用电电网网注注入入谐谐波波电电流流或或在在公公用用电电网网上上产产生
3、生谐谐波波电电压压的的电电气气设备称为谐波源。设备称为谐波源。1.非正弦电压作用于线性负载或系统非正弦电压作用于线性负载或系统2.正弦电压作用于非线性系统正弦电压作用于非线性系统 具具有有非非线线性性特特性性的的电电气气设设备备是是主主要要的的谐谐波波源源,例例如如带带有有功功率率电电子子器器件件的的变变流流设设备备,交交流流控控制制器器和和电电弧弧炉炉、感感应应炉炉、荧荧光光灯灯、变变压压器器等等。这这些些设设备备取取用用的的电电流流是是非非正正弦弦形形的的,其其谐谐波波分分量量使使系系统统正正弦弦电电压压产产生生畸畸变变。谐谐波波电电流流的的量量取取决决于于谐谐波波源源设设备备本本身身的的
4、特特性性及及其其工工作作状状况况,而而与电网参数无关,故可视为恒流源。与电网参数无关,故可视为恒流源。第4页,本讲稿共43页第一种谐波产生方式:非正弦电压作用于线性网络。第一种谐波产生方式:非正弦电压作用于线性网络。从线性网络观之,可视非正弦电压为内阻很低的谐波电压从线性网络观之,可视非正弦电压为内阻很低的谐波电压源,或直接视为谐波电压源。电力系统中这类谐波源主要描源,或直接视为谐波电压源。电力系统中这类谐波源主要描述处于逆变状态下的换流装置对交流系统的作用。述处于逆变状态下的换流装置对交流系统的作用。第二种谐波产生方式:正弦电压作用于非线性系统。第二种谐波产生方式:正弦电压作用于非线性系统。
5、从交流系统看非线性系统,则非线性系统表现为内阻很低的谐波电从交流系统看非线性系统,则非线性系统表现为内阻很低的谐波电流源,或直接视为谐波电流源。流源,或直接视为谐波电流源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源,谐波电流的量取具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源,谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况,而与电网参数无关,故决于谐波源设备本身的特性及其工作状况,而与电网参数无关,故可视为恒流源。可视为恒流源。第5页,本讲稿共43页1、非线性电磁耦合装置、非线性电磁耦合装置几乎所有带铁芯的装置,像电力变压器、静止补偿装置的饱和电几乎所有带铁芯的装置,像电力变压器、静止补偿装置的饱和电
6、抗器等通常都具有非线性伏安特性,故即使正弦电压作用下也会使抗器等通常都具有非线性伏安特性,故即使正弦电压作用下也会使电流波形畸变,其中以电流波形畸变,其中以3次谐波为主。磁路严重饱和(如暂态过程次谐波为主。磁路严重饱和(如暂态过程中的直流分量作用)时,电流波形畸变加剧,除中的直流分量作用)时,电流波形畸变加剧,除3次及次及3的整数倍谐的整数倍谐波电流外的高次谐波愈加显著,同时也使系统电压的波形畸变。波电流外的高次谐波愈加显著,同时也使系统电压的波形畸变。一般变压器和电抗器的空载合闸涌流可达额定电流的一般变压器和电抗器的空载合闸涌流可达额定电流的68倍,此时倍,此时谐波分量极为明显。但正常工作时
7、变压器的饱和非线性及产生的谐波可谐波分量极为明显。但正常工作时变压器的饱和非线性及产生的谐波可予不记,而饱和电抗器的正常工作产生的谐波通常因配有较好的滤波装予不记,而饱和电抗器的正常工作产生的谐波通常因配有较好的滤波装置而不对交流系统产生过大影响。置而不对交流系统产生过大影响。第6页,本讲稿共43页2.换流装置换流装置相对三相系统而言,这些换流装置可进一步分为对称换流装置和不相对三相系统而言,这些换流装置可进一步分为对称换流装置和不对称换流装置。对称换流装置。对称换流装置中最简单的和具有原理性的是三相换流桥,它又分为三相对称换流装置中最简单的和具有原理性的是三相换流桥,它又分为三相全控(使用全
8、控(使用6晶闸管即可控硅)桥,三相半控(用晶闸管即可控硅)桥,三相半控(用3个可控硅和价格便宜个可控硅和价格便宜的的3支二极管)桥和三相不控(用支二极管)桥和三相不控(用6支二极管)桥三种。支二极管)桥三种。三相不控桥:整流,自然换相,电压不可调三相不控桥:整流,自然换相,电压不可调半控桥:整流,改变三支可控硅的控制角可调电压半控桥:整流,改变三支可控硅的控制角可调电压全控桥:整流,逆变,电压可调全控桥:整流,逆变,电压可调第7页,本讲稿共43页p相换流装置,其谐波次数为相换流装置,其谐波次数为 认为直流侧输出理想直流电流时,则交流侧(波形为方波)的谐波电流认为直流侧输出理想直流电流时,则交流
9、侧(波形为方波)的谐波电流含量含量相数倍增法。工程中有相数倍增法。工程中有6相,相,12相,相,24相等的应用,并通过相等的应用,并通过3-相变压器(配以移相装置)完成倍相变换。相变压器(配以移相装置)完成倍相变换。p相换流装置正常相换流装置正常工作时只产生部分奇次谐波而不产生偶次谐波。工作时只产生部分奇次谐波而不产生偶次谐波。第8页,本讲稿共43页广义地看,基波以外的频率信号都称之为谐波。通常,广义地看,基波以外的频率信号都称之为谐波。通常,谐波:谐波:把基波整倍数频率的正弦信号分量称为谐波把基波整倍数频率的正弦信号分量称为谐波分数谐波:分数谐波:基波分数倍数的谐波称为分数谐波基波分数倍数的
10、谐波称为分数谐波次谐波:次谐波:小于小于1的分数对应的谐波称为次谐波的分数对应的谐波称为次谐波(中)间谐波:(中)间谐波:大于大于1的分数对应的谐波称为交互谐波或中间谐波。的分数对应的谐波称为交互谐波或中间谐波。特征谐波特征谐波是指定系统(装置)正常运行所产生的谐波。如三相是指定系统(装置)正常运行所产生的谐波。如三相整流桥产生的整流桥产生的5、7、11、13、17、19等次谐波为其特征谐波,电等次谐波为其特征谐波,电力机车产生的力机车产生的3、5、7、9等次谐波以外的谐波称为非特征谐波,等次谐波以外的谐波称为非特征谐波,它通常在它通常在3及以上相的换流装置中因电压不平衡、相或触发不对称及以上
11、相的换流装置中因电压不平衡、相或触发不对称以及其他不正常情况下而造成。以及其他不正常情况下而造成。第9页,本讲稿共43页变变压压器器激激磁磁电电流流中中含含有有3,5,7等等各各次次谐谐波波分分量量。由由于于变变压压器器的的原原副副边边绕绕组组中中总总有有一一组组为为角角形形接接法法,为为3次次谐谐波波提提供供了了通通路路,故故3次次谐谐波波电电流流不不流流入入电电网网。但但当当各各相相激激磁磁电电流流不不平平衡衡时时,可可使使3次次谐谐波波的的残余分量(最多可达残余分量(最多可达20%)进入电网。)进入电网。当当电电网网接接有有多多个个谐谐波波源源时时,由由于于各各谐谐波波源源的的同同次次谐
12、谐波波电电流流分量的相位不同,其和将小于各分量的算术和。分量的相位不同,其和将小于各分量的算术和。第10页,本讲稿共43页谐波污染对电网及用户的主要影响谐波污染对电网及用户的主要影响谐波电流对电力系统发电机的不良影响谐波电流流入三相定子绕组时,产生旋转磁场,引起振动扭矩。谐波旋转磁场对转子以数倍同步转速的速度相交链,因此在转子回路中感应出数倍基波频率的电压和电流。由定子的谐波旋转磁场与转子的激磁电流以及由定子的工作旋转磁场与谐波在转子中感应的电流相互作用而产生的交变电磁力矩,传到转子转轴和定子机座上,引起额外的振动扭矩。谐波电流流入三相定子绕组时,还增加定子绕组和定子铁芯的附加电能损失和发热。
13、引起转子激磁绕组的附加发热。当谐波电流与负序电流同时流入三相定子绕组时,则在转子激磁绕组回路中感应出6倍或12倍基波频率的电流。该电流引起附加的电能损失和发热。第11页,本讲稿共43页引起阻尼绕组过热,以致损坏。由于谐波旋转磁场在转子上的阻尼绕组中感应出电势而引起电流。当感应电流过大时,会导致阻尼绕组过热,以致损坏。谐波电流对感应电动机的不良影响感应电动机的谐波功率损失主要是铜损,当流过感应电动机的谐波电流增大时,其铁芯齿部磁饱和增大,使基波电抗和谐波电抗都减小,因而使谐波功率损失增大。此外,磁饱和也会引起激磁阻抗和基波负序阻抗减小。在感应电动机的端电压和基波负序电压一定时,激磁电流和负序电流
14、引起的铜损也会增大。从而引起附加发热增大。谐波电流对电力系统电气计量仪表的不良影响高次谐波对电气计量仪表,特别是电能计量仪表,影响较大。这是因为现在使用的功率表并没有关于受高次谐波和功率因数影响而产生误差的限制措施。第12页,本讲稿共43页谐波电流对电力系统变压器的不良影响由于谐波电流流入变压器产生的铁芯磁滞现象会引起噪音增大。此外,还会由高次谐波电流、电压而引起的附加铁损和铜损,使变压器总电能损失增大,容量利用率减小。造成电网功率损耗增加,线路和设备过热;引起变电站局部的并联或串联谐振,造成电力设备损坏;造成继电保护和自动装置误动作;增大磁场干扰,影响电子仪表和通信系统的正常工作,降低通信质
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- 谐波 阻抗
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