电力电子：谐波与功率因数

电容器过载，降低系统 容量
对通信系统造成干扰
导致继电保护和自动装置 误动作
加速设备老化，缩短设备使 用寿命，甚至损坏设备
谐波的主要危害
浪费电能
谐波的治理：使用有源或无源滤波器
任务5.1 谐波与功率因数概念
❖ 5.1.2 整流电路的功率因数
❖ 功率因数的定义：交流用电设备的输入有功功率平均值P与其视在功率 S之比为输入功率因数PF。 PF计算公式为：PF=P/S
任务5.1 谐波与功率因数概念
❖ 5.1.2 整流电路的功率因数
❖ 4.提高用电设备功率因数的意义 （1）设备有效利用率更高； （2）改善电压的质量； （3）减少电源压降； （4）较小传输损耗； （5）输配电成本降低。 功率因数校正降低了系统中的无功功率、功率损耗进而输配电成本也随 之下降。
任务5.2 谐波与功率因数关系
❖ 5.2.1 电流谐波总畸变率 ❖ 输入电流总畸变率THDi的定义：除基波电流外的所有谐波电流总有效值
与基波电流有效值之比值。
❖ 电流有效值关系
I 2
I
2 n
I12
(
I
2 2
I
2 3
)
I12
I
2 h
n1
❖ I： 电流有效值
❖ I1：基波电流有效值 ❖ Ih：谐波电流总有效值 ❖ 电流谐波总畸变率
❖ 1.线性负载的有功功率及功率因数 如图5.1所示
图5.1 线性负载的输入电压及输入电流波形
有功功率 P UI cos 功率因数 PF P UI 念
❖ 5.1.2 整流电路的功率因数
❖ 2.非线性负载的有功功率及功率因数 ❖ 用电设备为非线性负载时，交流电源供给负载的电流不再是标准的正弦
如日光灯、电视机、调速风扇、空调、冰箱等。 ❖ （4）高新技术设备
现代办公和商用计算机、节能灯、核磁共振设备等。
任务5.1 谐波与功率因数概念
5.1.1 整流电路的输入谐波
2.谐波的产生及其危害
由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波，产生谐波
的负荷称为谐波源。
Text
电弧炉
电力电子装置
THDi
Ih I1
I 2 I12 I1
I
2 n
n2
I1
任务5.2 谐波与功率因数关系
❖ 5.2.2 谐波与功率因数的关系式 PF 1 cos 1 THDi2
❖ 如果不考虑位移，那功率因数和谐波的关系就如表5.1所示 表5.1 谐波与功率因数的关系
谐波 含量 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 功率 因素 0.99 0.98 0.96 0.93 0.89 0.86 0.82 0.78
任务5.1 谐波与功率因数概念
❖ 5.1.2 整流电路的功率因数
❖ 3.功率因数的调整 ❖ 电网中的电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等，大多属于
电感性负荷，这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸 收有功功率，还同时吸收无功功率。 ❖ 因此在电网中安装并联电容器无功补偿设备后，将可以提供补偿感性 负荷所消耗的无功功率，减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线路 输送的无功功率。 ❖ 减少了无功功率在电网中的流动，可以降低输配电线路中变压器及母 线因输送无功功率造成的电能损耗，这种措施称作功率因数补偿。
耗的因素，其中重要的因素之一就是无功功率。无功功率感性负荷所引 起，工业以及公共电网上的主要负荷是电阻-电感性的。 ❖ 电网功率因数调整的目的是通过在某些特定的环节上用超前无功功率来 补偿滞后无功功率。此方法还能避免过高压降及额外的电阻损耗。 ❖ 将电容器尽可能地靠近电感负载并联于电网，就可产生所需的超前无功 功率。静态电容补偿装置可以减少电网上传输的滞后无功功率。 ❖ 当网络条件改变时，通过增加或减少单个电力电容器，就可逐步调整所 需的超前无功功率来补偿滞后无功功率。
输入谐波
任务5.1 谐波与功率因数概念
❖ 5.1.1 整流电路的输入谐波
❖ 2.谐波的产生及其危害 ❖ 由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波，产生
谐波的负荷称为谐波源。主要谐波源有以下几类： ❖ （1）电力电子装置
工业常用有整流、逆变、调压和变频器等。 ❖ （2） 电弧炉
用于钢铁等行业的交流和直流电弧炉等。 ❖ （3）家用电器
谐波源的主要来源
家用电器
高新技术设备
任务5.1 谐波与功率因数概念
T 5.1.1 整流电路的输入谐波 2.谐波的产生及其危害 供电电压的谐波畸变率可能高达10%。谐波源随着高新技术的发展而猛增，电 网电压的畸变率也将上升。
谐波电流和谐波电压的出现，可以导致相关设备的误动作，谐波引起的共振甚 至破坏电网中的某些设备。ext
波周期电流，而是非正弦周期电流。 ❖ 如图5.2所示非正弦方波可以分解为基波和各次谐波的叠加。
图5.2 非正弦周期量的傅里叶分解 ❖ 非正弦周期电流的分解：基波电流与各次谐波电流的叠加。
任务5.1 谐波与功率因数概念
❖ 5.1.2 整流电路的功率因数
❖ 3.功率因数的调整 ❖ 电能的合理应用要求在传输及分配中要尽量限制电网中所有引起电能损
任务5.1 谐波与功率因数概念
❖5.1.1 整流电路的输入谐波
❖ 1.谐波的概念
❖ 谐波定义为基波的整数倍的电量，通常意义上是 指谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的 n次 分量。谐波是由非线性电压/电流特性的电子负载 而产生的。主要非线性负载有UPS、开关电源、 整流器、变频器、逆变器等。
正弦波 非正弦波
电力电子技术
谐波与功率因数
项目5 谐波与功率因数
❖ 项目导读
❖ 以晶闸管整流电路为代表的电力电子电路，给公用电网注入了 大量谐波电流，而谐波电流在电网阻抗上产生压降又使公用电 网电压波形产生畸变。
❖ 谐波在电力系统中是一种干扰量，使电网受到“污染”。 ❖ 本项目将介绍谐波的概念、危害、谐波与功率因数的关系，以
及功率因数校正技术。
项目5 谐波与功率因数
❖ 项目目标
❖ 知识目标：认识谐波的概念、危害，了解功率因数校正技术， 掌握谐波与功率因数的关系。
❖ 能力目标：能对各种整流电路进行谐波及功率因数分析，并掌 握各种功率因数校正电路的正确应用。
项目5 谐波与功率因数
主要内容： 1 任务5.1 谐波与功率因数概念 2 任务5.2 谐波与功率因数关系 3 任务5.3 功率因数校正技术