消除谐波降损节能计算方法.doc

消除谐波降损节能计算方法 一、谐波损耗推导 1、前言 随着电力电子技术的发展，非线性负载得到广泛的应用，因此非线性负载带来的谐波问题逐步得到人们的重视，人们对谐波的研究逐步深入，研究重点侧重于谐波对电网及电网中设备造成的危害，对谐波产生的各种能源损耗研究不多，该文针对谐波附加损耗的计算是在奥地利George J,Wakileh博士的计算基础上由解放军理工大学汪彦良等四位导师补充完成。该文主要针对集肤效应增大导体的阻抗进行研究，根据日本电力公司提供的资料，5次谐波含量为10%时，就能使变压器损耗比不存在谐波时增大10%。 2、集肤效应时谐波附加损耗分析 各设备的损耗分类较复杂。以变压器为例分析：变压器损耗分为：铜耗、铁耗、介质损耗、杂散损耗等。其铁耗又分为磁滞损耗和涡流损耗。不管分类如何复杂，按性质分只有两类：基本损耗和谐波损耗。 谐波环境下，考虑集肤效应时，导体的各次谐波阻抗为 (1) 式中，rn为导体中n次谐波电流所对应的电阻，Ω；n为谐波次数。 变压器的铜耗 考虑集肤效应时，根据（1）可得变压器铜耗为 （2） 式中，P为变压器铜耗，W；各次谐波电流，A；n=1时，表示基波电流；为变压器绕组基波电阻；为各次谐波含量，是指各次谐波电流与基波电流的比值，即表示为 后面公式采用都才是为了表达方便。表示谐波电流，表示基波电流。 由式（2）可知，变压器的铜损耗由两部分构成。第一部分为基本的铜损耗，是由基波电流产生的；第二部分为谐波损耗，它是基波损耗的K倍 (3) 在变压器中，当绕组导线施加畸变电流时，发生第一次集肤效应；绕组磁化变压器铁心后，产生了畸变磁场，又施加在绕组上，在绕组导线上发生第二次集肤效应。当变压器绕组为△-Y接线方式时，3n次零序谐波电流叠加。变压器的谐波损耗通常归类为杂散损耗，及线圈涡流损耗，它是引起变压器铁心额外发热的重要因素。在各类电器设备中，谐波电流的附件损耗占基本铜耗的比例，以变压器为较大。 变压器铁耗 铁耗是指发生在铁心中的损耗，铁心被外加励磁磁化，在磁化过程中产生了能量损耗。铁耗包括磁滞损耗和涡流损耗，它导致变压器和电机效率降低，铁心温度升高，从而限制了出力的提高。磁滞损耗是由铁心磁化极性的反转造成的，有磁性材料的尺寸和品质、磁通密度的最大值和交流电流的频率决定的。对于正常范围1.5Wb/m2以下的磁通密度，基波频率下的磁滞损耗为 （4） 式中，为常数，其值由铁心材料和尺寸决定：为交流电流的基波频率；为磁通密度n次谐波最大值；为指数，其值取决于铁心材料，通常为1.6。当考虑谐波时，由式（4）可得 （5） 由（5）推导得 （6） 式中，为n次谐波的磁滞损耗标值；为第n次谐波的磁滞损耗；n为谐波次数，n=1表示基波；为磁通密度n次谐波最大值；为磁化电流的第n次谐波峰值；为总磁滞损耗。 涡流损耗是由涡流电流流动引起的功率损耗，涡流感生于变压器铁心中，由交流励磁引起。基本涡流损耗为 （7） 式中，k为常数，取决于铁心材料、尺寸和叠片厚度。 考虑谐波及集肤效应时，由式（7）可得 （8） （9） 式中，为n次谐波的磁滞损耗标值；为第n次谐波的磁滞损耗；n为谐波次数，n=1表示基波；为磁通密度n次谐波最大值；为磁化电流的第n次谐波峰值；为总涡流损耗。 则总铁耗为 （10） 由以上分析可知，铁心的损耗中无论是磁滞损耗还是涡流损耗，它的损耗都具有相同的形式，均是由基本损耗和谐波损耗构成。在磁滞损耗中，谐波造成的附件损耗是基本损耗的K倍 （11） 在涡流损耗中，谐波造成的附件损耗是基本损耗的K倍，此时K系数为 （12） 显然，谐波引起的涡流损耗增加值超过有磁滞引起的磁滞损耗增加值。 谐波损耗的附加倍数 通过变压器铜耗和铁耗分析可知，考虑谐波及集肤效应时，无论是铜耗还是铁耗，无论是磁滞损耗还是涡流损耗，谐波造成的附件损耗具有相同的形式 （13） 式中，为谐波损耗：为基波