晶闸管整流器高次谐波和功率因数优化

图5-14 晶闸管-直流电动机调速系统的机械特性

晶闸管整流器使交流电源电流波形产生畸变，成为周期性非正弦函数。利用傅里叶级数可以把非正弦函数展开成为电源频率整数倍的各次正弦函数。交流电源侧的高次谐波序次为

n=km±1 （k=1、2、3…）

式中 m——整流相数，三相零式整流电路m=3，三相零式整流电路。m=6。

例如，三相桥式整流电路m=6，那么在交流电源侧就有5、7、11、13、17、19…等序次的高次谐波电流。谐波电流的理想有效值（即不考虑重叠角，认为直流电流为矩形波）为

即电流5次谐波的有效值是基波分量有效值的1/5，7次谐波为1/7，其余依次类推。

考虑到高次谐波，三相桥式整流器交流侧电流的表达式为(www.xing528.com)

在这些谐波电流中5、7、11、13次谐波的影响较大，序次再高些的谐波电流，幅值很小可以忽略。高次谐波电流和基波电压形成的功率是谐波畸变功率，其本质是无功功率。谐波畸变功率对于电网和其他并联运行的晶闸管设备十分有害，必须加以治理。对于大功率的整流器，可以增加整流相数减少高次谐波，也常常采用带有滤波器的动态无功补偿装置（SVC）。

有些现场使用电容柜对晶闸管整流器进行功率因数补偿，这样做是很危险的。没用串联电感的电容器将与电网中其他感性负载构成并联谐振，而且是有源发散振荡，将产生数十倍的极高的过电压，可能造成过压、过流跳闸，严重时电网的高压侧过压、烧毁晶闸管主柜，并且危及附近的变频器和PLC系统。笔者曾经数次遇到LC并联谐振造成的巨大破坏力，在此提醒读者注意。正确的办法是在补偿电容上串入电感，形成对3、7、11等高次谐波的串联滤波器，并且LC电路的谐振频率略低于理论计算值（即有足够大的电抗率），同时电路的Q值不要过高。这样既提高滤波的效果，又降低了并联谐振的危险性。

评价电流畸变程度的系数是畸变系数v

三相桥式整流器的畸变系数等于0.955，功率因数等于基波的功率因数（也称作位移因数）乘以畸变系数，即

工程上常用cosα近似整流器的功率因数cosφ。在晶闸管-直流电动机调速系统中，因为cosα=U_d/U_d0，当直流电动机的转速较高时，相应的U_d较高，cosφ随之升高；当直流电动机的转速较低时，相应的U_d较低，cosφ随之降低。所以，可以近似认为整流器的功率因数等于实际整流电压的相对值。