交流电源系统中的电流谐波产生原因及危害分析

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2 ( ) s in ( 2 ) ( n 1) 2 0 ( n 2 k , k 1, 2 , 3, ...) 2 2 I 2 ( n c o s n s in s in n c o s ) ( n 2 k 1, k 1, 2 , 3, ...) 2 n 1
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无源电力滤波器
无源电力滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要段， 是一种用并联滤波器滤除谐波的典型电路结构，通常是根 据所要实现的功能由电力电容器、电抗器和电阻组合而成。 优点：
结构简单
维护方便，造价低 对特殊次谐波吸收效果明显
缺点：
只能抑制规定次谐波 滤波特性受系统参数影响大 可能与系统发生谐振 装置体积大，损耗大 滤波要求和无功补偿、调压 要求有时难以协调
交流电源系统中的电流谐波 产生原因及危害分析
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概述
电流谐波产生原因 电流谐波危害分析
电流谐波抑制技术
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概述
随着电力系统的发展以及电力市场的开 放，电能质量问题越来越引起广泛关注。由 于各种非线性负载(谐波源)应用普及，产生 的谐波对电网的污染日益严重。因此，谐波 及其抑制技术己成为国内外广泛关注的课题。
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电流谐波抑制标准
The permission of harmonic current in common connection
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电流谐波抑制技术
主动型谐波抑制技术
对接入电网的设备本身进行改进，限制其产生的谐波含量 或者不产生谐波。小功率电力装置：功率因数校正（Power Factor Correct, PFC) 电路；大功率电力装置：多绕组变压器 的多脉冲整流或将多脉冲整流与移相结合的准多脉冲整流。
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电流谐波产生原因
具有非线性特性的电气设备 当正弦电压加在非线性负载两端时，流经非线性 负载的电流波形不为正弦波，产生了大量的谐波。
非线性负载是导致交流电源系统中产 生电流谐波的主要原因！
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线性与非线性负载
线性负载（Linear load): 当施加可变正弦电压时， 其负载阻抗参数恒定的那种负载。 非线性负载（Non-linear load): 负载阻抗参数（Z） 不总为恒定常数，随诸如电压或者时间等其他参 数而变化的那种负载。
对电力变压器的危害
谐波会使变压器的铜损和铁损增加，变压器的实际容量减少。 同时，谐波还会使变压器噪声增大。
对电力电缆的危害
谐波次数升高，频率上升，电缆导体集肤效应明显，导致导体 的交流电阻增大，使电缆的允许通过电流减小。
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谐波电流的危害
对用电设备的危害
对电动机的危害
Βιβλιοθήκη Baidu
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有源电力滤波器
1）实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及 变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的 响应。 2）可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时 不需要储能元件，补偿谐波时所需要储能元件容量也不 大，且补偿无功功率的大小可做到连续调节。 3）受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。 4）能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变 化的影响。 5）既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波 和无功源集中补偿。
谐波对于异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗， 降低效率，严重时使电动机过热。另外，电动机的谐波电流频 率接近某零件的固定频率时，会使电动机产生机械振动。
对低压开关设备的危害
谐波会使配电用断路器和漏电断路器产生误动作 。
对弱电系统设备的干扰
对于计算机网络、通信、有线电视、防报警与楼宇自动化等弱 电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方 式耦合到这些系统中，产生干扰
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单相桥式全控整流电路
输入电压Uac和输入电流Iac波形
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单相桥式全控整流电路
输入电流Iac波形频谱分析（FFT）
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谐波电流的危害
对供配电线路的危害
影响线路的稳定的运行
供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、 感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况 下保证线路与设备的安全。这些继电保护装置容易受谐波影响， 产生误动或拒动，严重威胁供配电系统的稳定与安全运行
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非线性负载
开关电源等中的整流设备
整流设备，尤其是带感性负载的整流设备所带来的谐波污 染严重困扰电力系统的正常运行
变频设备
变频器的输入电流呈尖峰状，谐波成分负载，不仅含有整 数次谐波，还含有分数次谐波
电弧炉、电石炉
电炉的三相电机很难同时接触到高低不平的炉料，导致三 相负载不平衡，产生谐波电流，主要是2-7次谐波
影响电网的质量
电力系统中的谐波能使电网电压的波形发生畸变。另外，相同 频率的谐波电压和谐波电流要产生同次频率的有功功率和无功 功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。
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谐波电流的危害
对电力设备的危害
对电力电容器的危害
当电网存在谐波时，补偿电容和电感有可能发生谐振，其回路 中产生的过电压或过电流将远远大于供电电压或电流，使电容 器出现过电流与过负荷，温度增高，寿命减少。在谐波严重的 情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。

THD=
n2
In
2
100%
I1
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电流谐波产生原因
电源本身质量不高产生的谐波 发电机是产生电能的装置，由于三相绕组在制作 上很难做到绝对对称，铁心也很难做到均匀一致 和其他一些原因，致使电源多少会产生一些谐波 输配电系统产生的谐波 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于 变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，使得磁 化电流呈尖顶波形，含有奇次谐波。其大小与磁 路的结构形式、铁心的饱和程度有关。
家用电器
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单相桥式全控整流电路
电阻性负载 导通角α=30°
S1 S2 Vac R S4 S3
1 2
2
ia c I d

n1

a n s in ( n w t ) b n c o s ( n w t )
n 1

Id
[
2 I 2 s in ( t ) d ( t )
- 2 I s in 2 2 ( n 1) 0 ( n 2 k , k 1, 2 , 3, ...) 2 2 I 2 (1 n s in n s in c o s n c o s ) ( n 2 k 1, k 1, 2 , 3, ...) 2 n 1
设计和制造经验成熟
可以改善功率因数
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有源电力滤波器
有源电力滤波器是一种能够弥补无源滤波器不足的一种新 型谐波抑制设备，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的 新型电力电子装置，它能对大小变化的谐波以及变化的无 功进行补偿。它的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电 流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相 反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。
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有源电力滤波器
有源电力滤波器系统基本结构
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讨论一: 需要关注的问题: 交流电源系统的谐波------电力公害 谐波产生的原因 谐波带来的危害 应对谐波的措施
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谐波影响
对电网产生谐波“污染” “二次效应”——电流流过线路阻抗造成 谐波电压降， 反过来使电网电压也产生畸变。 干扰其他的用电设备 线路中产生损耗
2012/4/19
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应对措施: LC无源滤波 功率因数校正技术 有源滤波
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电流谐波
电流谐波(Harmonic Current)：将非正弦周期性电流函 数按傅立叶级数展开时，其频率为原周期电流频率整 数倍的各正弦分量的统称。频率等于原周期电流频率 k倍的谐波电流称为k次谐波电流。 总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion, THD):全 部谐波含量均方根值与基波均方根值之比，以百 分数表示。
缺点：成本高, 效率低。同时在采用脉宽调制技术 的电力电子系统中，还会产生高次谐波，需要抑制 高次谐波。
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电流谐波抑制技术
被动型谐波抑制技术
通过外加设备达到谐波抑制的目的，即装设无源电力滤波 器（Power Filter, PF)、有源电力滤波器（Active Power Filter, APF）或混合型电力滤波器进行滤波。
2012/4/19 14
谐波电流的危害
对人体和电力测量准确性的影响
目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它 们受谐波的影响较大。特别是电能表(多采用感应型)， 当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。 从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时， 会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆 翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的 电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。

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