谐波电流抑制

发电厂电气论文

关于谐波的电流和抑制技术

姓名：赵根

学号：2012441952

专业班级：电自12-4

指导老师：张海燕

2015.5.13

谐波电流和抑制技术

摘要：谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念，才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。谐波产生的原因主要有：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。主要非线性负载有UPS 、开关电源、整流器、变频器等

关键词：谐波电流 抑制技术

一． 谐波电流产生的原因：

对于阻性负载、感性负载或容性负载以及它们的线性组合而成的网络其电流可用式（1）表示。

)(φω±⨯=t SIN I i （1）

这类负载的电流波形仍为正弦波，其谐波电流应为零。现在我们正广泛使用的一些具有整流电路的电子产品如彩色电视机、显示器、微机等产品的电流波形却与之不同。这类用电器具的电压和电流之间的关系更为复杂，图

（一）所示是这类电路典型的电压电流波形图。

其电流仅在线电压达到峰值前后的一段时间内不为零，在其它时间则电

流为零。这种电流波形往往符合标准GB17625.1中的D 类波形，由于其是周期与电源周期相同的电流脉冲，因而具有丰富的谐波分量。

电源电路会引起这种电流波形的必要因素有二个：一是要有整流电路，二是整流后有大的滤波电容。整流电路中的二极管起着开关作用，当电源电压大于滤波电容两端的电压时，二极管导通，供电电源对电容充电并提供负载电流，其余时间二极管截止，负载依靠电容的贮能供电，表现在供电电源一侧的电流为零。如图（二）所示为一个简单的能产生D 类波形的电路。峰值电流的大小与滤波电容和负载的大小有关。

实际上，图（二）所示的整流方法使得用电器具仅在电源瞬时电压处于峰值附近，电源瞬时电压超过电容两端电压时才从电网汲取电流，这就形成了在电源电压峰值附近，与电压周期相同的高峰值充电电流脉冲。这种电源电路在电网中引起了较高的电流谐波，并使得功率因数降低。功率因素通常在0.5左右，这样视在功率比实际功率大得多。

图（一）：整流电路的电压、电流波形

二．非正弦波形的功率消耗

对于电压和电流波形为正弦波，假如功率因素为cos(φ)，则瞬时功率p(t)和平均功率p 由下式计算得出：

φφωφφωωcos 2

)]2cos([cos )()

cos()cos()(⨯⨯=-+⨯=-⨯=I V p t I V t p t I t V t p 对于非正弦电压、电流波形利用傅立叶变换可将瞬时电压和电流波形表达成各种谐波分量的和：

)

sin(2)()

sin(2)(11

h h h h h h t h I t I t h V t V βωαω+⨯⨯=+⨯⨯=∑∑∞=∞

=

式中V(t)和I(t)为电压电流的瞬时值，h h I V 和为电压和电流的有效值，h h βα和为电压和电流的相位。所以实际功率可以表达为基波的实际功率1P 和谐波的实际功率H P 之和

H P P P +=1。这里1

111111,cos βαφφ-=⨯=I V P 和∑∞=⨯=2cos h h h h H I V P φ，h h h βαφ-=。所以非正弦波信号的功率由基波信号的功率和各次谐波信号的功率和组成，由上述公式可以看出只有谐波的电压、电流均存在的情况下，谐波的功率才不为零。在谐波测试系统中，由于测试功率源为纯净的电压源，在这种条件下用电能表测得的实际消耗功率仅是基波的功率。

湝波电流的大小可用均方根值来表示：⎰=T

dt t I T I 02)(1，基波的功率除以均方根电流与电压的乘积可得到非正弦电流情况下的功率因素PF 。所以由谐波电流引起的功率因数降低并不是由电压、电流相位差引起的而是由于电流波形的畸变引起的。

三．减小谐波电流的措施

目前常用的减小电流谐波的措施主要有两种：一种是在电源电路中串联扼流电感

图（二）简单的能产生D 类电流波形的电路

器，电感器成本低，生产工艺简单，可靠性好，因而在电视机中得到广泛应用；另一种是利用功率因数校正电路来达到改善电流波形的目的，采用该电路的好处是功率因数基本上能达到1，但是其成本较高，生产、调试等工艺过程比前者复杂。该电路的应用电路在其生产公司的技术资料中已有详细的介绍，因而本文主要介绍抑制电感器的应用方法。

目前常用的谐波抑制电感器外形如同变压器，铁蕊呈“目”字形，一般由两个基本相同的绕组组成。外层铁蕊组成封闭的磁路，有减小漏磁的作用。谐波抑制电感器有三种应用方法，如图(三)所示为一种典型的应用电路。

图（三）谐波抑制电感器的典型应用电路

另外谐波抑制电感器还可以用在EMI滤波器前，此时应注意由于电路振荡容易引起高次谐波电流不合格，如高次谐波电流过大则可通过调节EMI滤波器的参数或附加吸收电路来消除振荡；第三种使用方法是将谐波抑制电感器串联在桥式整流电路与电容器中间。第一种和第三种应用方法均不易产生高次谐波电流不合格现象，使用起来方便可靠，大量生产时产品性能的一致性好。

四．谐波抑制电感器的工作原理

当电源电压超过滤波电容两端的电压时，电源通过整流电路向电容充电，这时的充电峰值电流大而且持续的时间短，电流波形如图（四）所示。当加入一个合适的电感器后，由于电感具有阻止电流突变的作用使得峰值电流减小为原来的一半，持续时间增长，电流波形如图（五）所示。

图（四）未加谐波抑制电感时的

电压、电流波形，峰值电流为

2.59A，功率因数为0.5，电流脉

冲宽度小。

图（五）加谐波抑制电感时的电流

波形，峰值电流为 1.12A，功率因

数为0.76，电流脉冲宽度增大为原

来的一倍。