中南大学信息院电力谐波实验报告1.docx
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中南大学信息院电力谐波实验报告1
电力谐波实验报告
专业班级：
学号：
姓名：
指导老师：
20xx年
实验二单相并联型晶闸管投切电容器（TSC）
一．实验目的
1．掌握TSC的系统结构与工作原理
2．了解TSC的分组投切控制
3．了解TSC投入的暂态过程
4．研究TSC投切对系统电压电流及无功功率的影响
二．实验设备
1．TSC电路
2．信号采集电路
3．无功负载
4．万用表
5．导线若干
三．实验原理
单相TSC的基本结构如图1所示，它由电容器C、双向导通晶闸管（或反并联晶闸管）SW和阻抗值很小的限流电抗器L组成。
限流电抗器的主要作用是限制晶闸管阀由于误操作引起的浪涌电流。
TSC只有两个工作状态，即投入和切除状态。
投入状态下，双向晶闸管（或反并联晶闸管）导通，电容器并入线路中，TSC向系统发出容性无功功率；切除状态下，双向晶闸管（或反并联晶闸管）阻断，TSC支路不起作用，不输出无功功率。
图1单相TSC的结构示意图
四．实验内容
1.实验接线
图2单相TSC无功补偿实验线路图
本实验TSC中的交流电容按1：
2：
4设置，分别为5μF，10μF，20μF。
实验中，可采用DSP自动控制和手动的方式实现三组TSC的分组投切。
2.实验步骤
在实验台断电状态下依次挂上所需的实验电路，按实验线路图搭接好必要的连线。
检查无误之后方可给实验台通电，开始实验。
图3单相TSC无功补偿实验
首先将TSC投切方式选择为手动，并将该方式下所有投切开关均置于断开状态下。
转动负载电感Lf的调节旋钮，改变电感的感性无功，同时在上位机上观察线路电压电流及功率因数的变化趋势并将实验数据记录于表2.1中。
保持负载电阻R并入线路，转动调节旋钮将负载电感的感性无功分别置于不同的功率因数情况下，手动选择投切的TSC组数，使得在没有过补的情况下线路的功率因数最佳，并记录下各个阶段的线路电压电流及功率因数并将实验数据分别记录于表1、表2、表3、表4中。
五、结果与分析
1.实验数据
表1
线路电压
（V）
线路电流
（A）
有功功率
（W）
无功功率
（VAR）
功率因数
0.96
0.18
0.05
0.17
功率因数
0.96
0.19
0.07
0.17
功率因数
0.96
0.21
0.09
0.17
表2
投切前感性负载功率因数
线路电压
（V）
线路电流
（A）
有功功率
（W）
无功功率
（VAR）
投入后功率
因数
投入一组电容
0.96
0.21
0.09
0.18
0.50
投入两组电容
0.96
0.25
0.17
0.17
0.73
投入三组电容
0.96
0.32
0.25
0.18
0.82
表3
投切前感性负载功率因数
线路电压
（V）
线路电流
（A）
有功功率
（W）
无功功率
（VAR）
投入后功率
因数
投入一组电容
0.96
0.21
0.11
0.17
0.57
投入两组电容
0.96
0.26
0.19
0.16
0.26
投入三组电容
0.96
0.33
0.16
0.27
0.85
表4
投切前感性负载功率因数
线路电压
（V）
线路电流
（A）
有功功率
（W）
无功功率
（VAR）
投入后功率
因数
投入一组电容
0.96
0.21
0.14
0.15
0.65
投入两组电容
0.96
0.27
0.21
0.15
0.80
投入三组电容
0.96
0.36
0.29
0.19
0.88
2.波形图
1）表1中，
时的波形图为
时的波形图为
2）表2中，投切一组电容波形图为
投切两组电容波形图为
投切三组电容波形图为
3）表3中，投切一组电容波形图为
投切两组电容波形图为
投切三组电容波形图为
六．思考题
1．TSC的分组投切有什么不足之处？
1 当有两组以上的电容器同时工作时，在不同组的电容器之间，晶闸管导通瞬间会产生很大的冲击电流。
2 存在投切过零准确性和晶闸管温升问题。
3 不能实现连续调节无功功率。
2．投入TSC之后，对线路的电压、电流及功率因数有何影响？
简要分析原因。
1 投入TSC后，线路电压基本不变；
2 晶闸管导通瞬间会产生较大的冲击电流，因此对线路电流的影响是是电流增大；
3 投入TSC后，线路功率因数增大，因为投入TSC后，电容器并入线路中，电容器和感性负载之间发生能量交换，从而大大减少了电源与负载间的能量交换，无功功率减少，提高了功率因数。
七、实验结论
1 根据电流电压的波形比较图可以看出，在没有投入电容器的时候，电路呈现感性负载，则电压超前电流，
增加时超前越来越少，则感性越来越弱。
2 投入电容器时，也从电流电压的波形比较图可以看出，投入电容器会使电压超前电流的相位变小，则容性补偿了感性的负载，最终使功率因数上升。
3 通过本实验，我了解到了投切电容可以减小无功功率，提高功率因数。
实验四谐波发生源实验
一．实验目的
1.熟悉各实验挂件的功能，了解各个挂件的电路结构。
2.在线检测由负载引入的谐波分量，通过引入前后电压，电流波形对比，了解谐波产生的原因及特性。
3.通过该实验的学习为后面谐波检测和谐波治理实验做好准备。
二．实验设备
1.电力谐波及FACTS综合实验台
2.信号采集及控制电路挂件
3.负载电路挂件
4.工控机
5.导线若干
三．实验原理
电力谐波源包括两大类——含半导体非线性元件的谐波源和含电弧及铁磁性设备（电弧炉或铁磁性非线性元件）的谐波源。
含有半导体非线性元件的谐波源是电力系统的主要谐波源，这类设备主要有三相整流器、单相全控整流桥、单相变流器、变频器、交流调压器以及家用低压电器等。
电力谐波及FACTS综合实验装置模拟由非线性元件产生的谐波源，由晶闸管和阻抗负载构成三相桥式全控整流电路，其结构如图4.1所示。
图4.1电力谐波源
四．实验内容和步骤
三相整流桥+电阻负载实验
1 将电阻负载接入到三相桥式全控整流电路中，谐波源挂件按图4.2接好电路，仔细检查电路的接线是否正确，检查挂件的快速熔断器是否完好，经老师核查无误后接通电源，观察并记录显示屏上负载电压
，负载电流
的波形；改变晶闸管触发角的大小，观察负载电压
，负载电流波形变化的情况。
图4.2三相桥式全控整流电路（电阻负载）
2 根据观察到的负载电压
，负载电流
的波形，计算晶闸管触发角的大小。
3 记录不同触发角下FFT分析的谐波源数据，基波电流有效值
，N次谐波电流有效值
，N次谐波含有率
，谐波总畸变率
等，并根据所采用的方法将数据记录在表4.1，表4.2中。
4 将表4.1中的数据和国家标准相比较，根据所学的电力电子学知识计算符合国家标准谐波含量下的晶闸管触发角的大小。
表4.1电阻负载谐波数据（自适应方法）触发角为30°
次数
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
0.17
0.02
0.05
0.02
0.01
0.02
0.01
0.01
0.01
0.01
100%
6.29%
29.36%
0.11%
10.7%
2.2%
5.42%
5.78%
2.85%
2.91%
93.4%
11.0%
27.5%
11.0%
5.5%
11.0%
5.5%
5.5%
5.5%
5.5%
表4.2电阻负载谐波数据（FFT变换）触发角为30°
次数
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
0.46
0.04
0.13
0.05
0.03
0.05
0.03
0.03
0.02
0.02
100%
9.2%
27.67%
9.84%
8.02%
9.82%
5.1%
7%
4.37%
4.17%
94%
8.2%
26.6%
10.2%
6.1%
10.2%
6.1%
6.1%
4.1%
4.1%
五．思考题
1.电力谐波源主要有哪些？
电力谐波源包括两大类：
含半导体非线性元件的谐波源和含电弧及铁磁性设备（电弧炉或铁磁性非线性元件）的谐波源。
含有半导体非线性元件的谐波源是电力系统的主要谐波源，这类设备主要有三相整流器、单相全控整流桥、单相变流器、变频器、交流调压器以及家用低压电器等。
2.谐波主要有什么危害？
由于谐波的频率较高，使导线的集肤效应加重，因此铜损急剧增加。
同时变压器铁心由于不能适应急剧变化的磁通而导致铁损急剧增加。
谐波会影响表计的计量精度。
从原理上进行分析：
谐波源将其吸收的一部分电网电能转变为谐波发送到电网中去，因此电能表会将谐波能量当作发电来进行计算，从而导致计量误差。
对于机械式电能表还会由于高频率谐波所产生的高频涡流阻力而变慢。
因为在高次谐波严重的情况下（例如中频炉）会严重影响电能表的计量精度，导致莫名其妙的丢电现象。
精密电子设备（包括电子式电能表）会被严重干扰，导致不能正常工作，甚至烧毁。
所有接于电网中的设备的损耗都会增加，温升增加。
含有电容器的设备受影响最为严重，甚至可能导致设备损坏以及电容器爆炸等事故。
电机类负荷由于谐波的逆序作用而导致输出扭矩下降。
继电保护机构可能会由于谐波而产生误动或拒动故障。
六、实验结论
通过本实验，我了解到谐波产生的原因及特性，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。
谐波是指一个电气量的正弦波分量。
其频率为基波频率的整数倍，不同频率的谐波对不同的电气设备会有不同的影响。
谐波主要由谐波电流源产生，当正弦波（基波）电压施加到非线性负载上时，负载吸收的电流与其上施加的电压波形不一至，其电流发生了畸变。
由于负载与整个网络相连接，这样畸变电流就可以流人到电网中，这样的负载就成了电力系统中的谐波源。
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