整流設備諧波產生原因和治理

安科瑞 陳聰

01 簡述

 各種電子設備和電子計算機，都需要由穩定的直流電源供電。通常都是將工業用的交流電經變換來獲得所需的直流電。傳統的把交流電變換成穩定的直流電的方式主要分為變壓、整流、濾波、穩壓等四個過程。

02 單相整流設備諧波分析

  常見的單相整流負載主要有，以電視機為代表的家用電器，特別是變頻空調、電磁爐等；節能燈、調光燈等照明設備；大尺寸的LED屏幕（采用很多開關電源并聯供電）

1、單項可控整流電路原理圖。

2、單項可控整流電路輸入電壓和輸出電壓波形

3、單項可控整流輸入電流波形（發生畸變）

4、輸入電流波形FFT分析，主要為150HZ(3次諧波)，3N次諧波。

    諧波電流在流過變壓器時，會造成變壓器的損耗增加，從而導致變壓器的溫度過高。其中，三次諧波電流造成變壓器過熱的情況很嚴重。三次諧波還會引起跳閘、零線過熱等諸多問題。

03 6脈整流設備諧波分析

 單向整流電路應用在負載功率需求較小的場合，一般不超過1KW。而在機電產品中，有很多設備需要較大功率的直流供電電壓，這就要采用三相整流電路。比如工業變頻器、電弧焊機、車床、起重機等。其輸出功率在幾千瓦~幾百千瓦，由于功率較大，一般采用三相6脈整流電路來提供大功率直流電壓輸出。

1、6脈可控整流電路原理圖。

2、6脈可控整流電路輸入電壓和輸出電壓波形

3、6脈可控整流輸入電流波形（發生畸變）

4、輸入電流波形FFT分析，主要為250HZ(5次諧波)、350HZ(7次諧波)、6N±1等其它高次諧波。

04 12脈整流設備諧波分析

      12 脈波整流器由一個整流變壓器和兩個三相橋式電路構成,整流變壓器為三繞組變壓器,兩個三相橋式電路對稱,并分別與整流變壓器的兩個低壓繞組連接。12 脈波整流器通過兩個 6 脈波三相橋式電路的組合,可以實現 12 脈動的效果。

1、12脈整流電路原理圖。

2、12脈可控整流電路輸入電壓和輸出電壓波形

3、12脈可控整流輸入電流波形（發生畸變）

4、輸入電流波形FFT分析，主要為550HZ(11次諧波)、650HZ(13次諧波)、12N±1等其它高次諧波。

  12脈波整流電路應用于風力發電、自耦變壓器、航空飛機電源整流等領域、軌道牽引設備。APF和SVG 對 12 脈波整流器的電能質量治理,主要是對 12 脈波整流器進行無功補償和諧波治理。其無功補償比較容易實現,而諧波治理比較復雜。

05 24脈整流設備諧波分析

  24 脈波整流機組整流以大幅度減少系統中的低次諧波含量。其主要由 2 臺相同容量的 12 脈波軸向雙分裂式牽引移相整流變壓器和 4 組由三相全波整流橋構成的整流器兩部分共同組成。具有諧波分量低、電壓脈波小,濾波設備所需資金投入少等優點。整流機組中的 2 臺整流變壓器閥側均有 2 套低壓繞組,分別采用 Y 型和△型接線,使得 2 套繞組的線電壓形成 30°的相位角。網側繞組采用 2 種不同的延邊三角形接線方式進行移相，左延△接法實現移相+7.5°,右延△接法實現移相-7.5°。通過移相處理,得到 4 套閥側繞組的線電壓互差 15°的相位角。它們各自經過由三相全波整流橋構成的整流器整流,在 4 組整流器的直流側并聯運行,組成 2x12 脈波整流系統。

    24 脈波整流系統低次諧波含量較低，通常使用在高鐵、地鐵等牽引系統。

結束語

整流裝置產生的諧波占所有諧波的近 25-33%,對電網的危害較大,諧波造成配電線纜、變壓器發熱,降低通話質量,空氣開關誤動作,發電機喘振等不良后果;諧波按電流相序分為+序(3k+1 次,k 為0和正整數)、-序(3k+2次,k 為0 和正整數).0序(3k 次,k 為正整數),+序電流使損耗加重,-序電流使電機反轉、發熱,0 序電流使中線電流異常增加。大量的諧波電流注入電網，造成電壓波形畸變，供電質量下降，嚴重危害供發電設備和用電設備。

  APF（有源濾波器） 是用于對諧波進行動態治理的新型電力電子裝置。其克服了無源濾波器容易引起振蕩、補償特性單一、易發生過載等不足,對諧波電流的補償效果不受系統阻抗影響。能夠治理大小、頻率都變化的諧波,SVG(有源無功補償裝置)可以對變化的無功進行補償,提高系統整體的功率因數;因此APF和SVG在需動態治理諧波和無功的場合得到廣泛應用。

安科瑞電氣電能質量治理案例

SVG(靜止無功補償)治理案例

無功補償+APF(有源濾波)治理案例