電力公害及其抑制PPT演示文稿

1、1,第9章 電力公害及其抑制,9.1 電力公害及其分類 9.2 諧波產(chǎn)生及其抑制 9.3 電磁干擾及其抑制 9.4 提高功率因數(shù)的對策,2,9.1.1 什么是電力公害,電力電子裝置如整流器、逆變器和斬波器等對于電網(wǎng)來說屬于非線性負(fù)載，它產(chǎn)生的有害高次諧波電流 “注入”電網(wǎng)，造成電網(wǎng)的嚴(yán)重污染。 在高頻開關(guān)器件大量應(yīng)用的電力電子裝置中，由于高電壓和大電流脈沖的前后沿很陡峭，會產(chǎn)生頻段很寬的電磁干擾信號，這些電磁信號是嚴(yán)重的電磁干擾 源，對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和其他設(shè)備構(gòu)成相當(dāng)大的危害。 整流器等電力電子裝置往往使網(wǎng)側(cè)電流滯后于網(wǎng)側(cè)電壓，造成電力電子裝置功率因數(shù)降低，使電網(wǎng)無功功率增加，給電網(wǎng)帶來額

2、外的負(fù)擔(dān)，并影響供電質(zhì)量,9.1 電力公害及其分類,3,9.1.2 電力公害分類,1. 諧波公害 1) 使電網(wǎng)供電電壓波形畸變，供電質(zhì)量降低 像對基波電流一樣，供電系統(tǒng)對諧波也呈現(xiàn)一定阻抗，因此注入供電系統(tǒng)的諧波電流會在電網(wǎng)上產(chǎn)生一定的壓降。這些諧波電壓增加到供電電壓上，將使電壓波形畸變，并使三相交流電的對稱性受到影響。 2) 產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)過電壓和過電流 在電力系統(tǒng)中常有功率因數(shù)補(bǔ)償電容和電感。在這種情況下，供電系統(tǒng)與補(bǔ)償電感電容構(gòu)成諧振回路，從而引起過電壓或過電流現(xiàn)象。 3) 使供用電系統(tǒng)的能量損耗增加，供用電設(shè)備的壽命縮短 當(dāng)供電電壓為正弦波而負(fù)載電流為非正弦波時(shí)，諧波電流都是無功電流,4,2

3、. 電磁干擾公害 高頻開關(guān)變換器工作時(shí)，內(nèi)部的高電壓或大電流波形以極短的時(shí)間上升或下降，這些具有陡變沿的脈沖信號會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾信號。這些電磁干擾信號一方面會污染電網(wǎng)，通過電網(wǎng)干擾其他用電設(shè)備；另一方面通過傳輸線的傳導(dǎo)或經(jīng)過空間進(jìn)行輻射而對電子設(shè)備的正常工作造成威脅,5,3. 功率因數(shù)公害 按照定義，功率因數(shù)是變流裝置電網(wǎng)側(cè)有功功率與視在功率之比。電網(wǎng)接變流裝置之后，功率因數(shù)必然降低，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)輸入電流有效值增大，使得熔斷器、斷路器及傳輸線的規(guī)格及電源濾波器的容量增大。 在三相四線制整流電源中不但使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低，而且由于它的三次諧波電流在零線中相位相同，這些諧波電流合成后使零線電流增大，

4、有時(shí)可能超過各相相電流。因?yàn)榘窗踩珮?biāo)準(zhǔn)規(guī)定，零線不能裝設(shè)保護(hù)裝置，所以可能使零線因過熱而損壞,6,9.2.1 諧波產(chǎn)生機(jī)理,在電力電子變換電路中存在著周期性非正弦電流，它使得供電系統(tǒng)中不僅有基波電流，而且還有大量諧波電流。以帶電感性負(fù)載的單相橋式和三相橋式整流電路為例，當(dāng)觸發(fā)角為 時(shí)，變壓器次級電壓和電流波形如圖9.1所示,圖9.1 整流變壓器次級電壓和電流波形,9.2 諧波產(chǎn)生及其抑制,7,8,圖9.2 三相橋式整流電路及其整流變壓器次級電壓和電流波形圖,9,圖9.3 四種變換電路的網(wǎng)側(cè)電流波形,10,任何整流電路其網(wǎng)側(cè)電流波形都是非正弦波，而且隨著整流相數(shù)增加諧波分量減少，網(wǎng)側(cè)電流波形越接

5、近于正弦波。由此可見，增加整流相數(shù)是提高功率因數(shù)、減少諧波成分的一種有效途徑,結(jié)論,11,9.2.2 諧波抑制對策,1. LC無源濾波器,圖9.4 LC無源濾波器,利用LC電路的串聯(lián)諧振特點(diǎn)抑制向電網(wǎng)注入的諧波電流。在諧振頻率上電路的阻抗最小，而非諧振頻率上，阻抗增大。將諧振點(diǎn)調(diào)整至某特征諧波頻率，即可濾去某一高次諧波,12,2. 靜止無功補(bǔ)償器 在網(wǎng)側(cè)設(shè)置無功補(bǔ)償裝置(Static Var Compensator，SVC)用于補(bǔ)償諧波造成的無功功率，以提高功率因數(shù)；合理地設(shè)置無功補(bǔ)償裝置中電感L和電容C，使其能在某次頻率產(chǎn)生諧振，從而濾除該頻率的諧波,圖9.5 SCV類型,13,3. 有源電

6、力濾波器補(bǔ)償,圖9.7 并聯(lián)有源濾波器,14,4. 增加整流相數(shù),圖9.9 兩組三相橋并聯(lián)的十二相整流電路,15,9.3.1 電磁干擾的產(chǎn)生,1. 電磁干擾的產(chǎn)生 電力電子裝置工作時(shí)，電力電子器件的電壓和電流波形都是以極短的時(shí)間上升和下降。這些具有陡變沿的脈沖信號會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，故高頻變換器本身就是一個(gè)很強(qiáng)的寬帶電磁波發(fā)射源，也即很強(qiáng)的電磁干擾源。裝置的功率越大，這種電磁發(fā)射能力越強(qiáng),a) (b) 圖9.10 高頻開關(guān)的前后沿過沖波形及其頻譜,9.3 電磁干擾及其抑制,16,2. 電磁干擾形成的因素 電磁干擾源，指產(chǎn)生電磁干擾的組件、器件、設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。高頻開關(guān)器件構(gòu)成的

7、電力電子裝置就是一種典型的干擾源。 耦合路徑，指把能量從干擾源耦合(或傳輸)到敏感設(shè)備上，并使該設(shè)備產(chǎn)生響應(yīng)的媒介。傳導(dǎo)干擾和輻射干擾就是按照耦合路徑來進(jìn)行劃分的。傳導(dǎo)干擾是通過導(dǎo)線進(jìn)行傳播的，耦合干擾是通過“場”進(jìn)行傳播的。 敏感設(shè)備，指對電磁干擾發(fā)生回應(yīng)的設(shè)備,圖9.11 電磁干擾三要素,17,共模干擾是出現(xiàn)于導(dǎo)線與地之間的干擾。我們把導(dǎo)線BC與地(E)和導(dǎo)線AD與公共基準(zhǔn)點(diǎn)（地）之間存在的EMI信號稱為共模干擾信號，即圖中的u1和u2。 差模干擾是出現(xiàn)于信號回路內(nèi)的與正常信號電壓相串聯(lián)的一種干擾，是一個(gè)信號輸入端相對于另一個(gè)信號輸入端電位的變化。它通常是由磁耦合引起的。如圖9.12所示，

8、當(dāng)有變化的外磁場與兩條信號線間包圍的面積相連時(shí)，則在信號回路內(nèi)出現(xiàn)感應(yīng)電壓u3，它與有用信號us相串聯(lián)，共同作用于的輸入端,圖9.12 共模干擾與差模干擾,18,9.3.2 電磁干擾抑制,1. 共模干擾的抑制 減小變壓器初、次級繞組的寄生電容。其方法是：扇形繞在圓環(huán)上；分開線軸繞組；增加內(nèi)繞組隔離；法拉第屏蔽,圖9.14 具有法拉第屏蔽的變壓器,19,圖9.15 變壓器旁路電容,圖9.16 框架地電容,采用變壓器旁路電容及框架地電容,20,2. 差模干擾的抑制 差模干擾具有與共模干擾相同的起因，即二極管和功率管的開通、關(guān)斷，寄生電容的充、放電等。 在輸入和輸出濾波電容器兩端的等效串聯(lián)電阻(ES

9、R)和等效串聯(lián)電感(ESL)上會產(chǎn)生差模干擾。因此，選用較低的ESR和ESL的濾波電容可得到較低的差模干擾。一般地，電解電容應(yīng)與聚丙烯電容器(無感電容)相并聯(lián)。差模干擾及開關(guān)紋波的抑制主要取決于濾波參數(shù)是否合適。 印制線路板(PCB)的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的，引線過長以及不適當(dāng)?shù)碾娐纷呔€路徑、形狀，將會增加與濾波電容相串聯(lián)的寄生電感。輸入或輸出阻抗不平衡會使共模干擾變?yōu)椴钅８蓴_。類似于差分放大器，電阻不平衡會引起放大器共模抑制比(CMRR)的降低,21,3. 輻射干擾的抑制 高頻諧波電流流過一個(gè)回路就會形成磁場，理論上該磁場強(qiáng)度正比于回路面積和諧波電流的大小。諧波電流大小決定于波形、上升時(shí)間、下降

10、時(shí)間，以及基頻振幅。因此，往往可用減小回路面積、減小或電流峰值 來減小輻射干擾。前面所介紹的抑制傳導(dǎo)干擾的一些措施均能有效地減小諧波電流回路面積，所以這些方法在減小輻射干擾中也是有效的。緩沖電路可用來有效地減小di/dt。良好的整流器屏蔽外殼 是防止輻射干擾的有效方法之一,22,4. EMI電源濾波器 EMI電源濾波器是抑制傳導(dǎo)干擾最為有效的手段，它毫無衰減地把直流、50Hz、400Hz的電源功率傳輸?shù)皆O(shè)備上去，卻大大衰減經(jīng)電源傳入的EMI信號，保護(hù)設(shè)備免受其害。同時(shí)，它又能抑制設(shè)備本身產(chǎn)生的EMI信號，防止它進(jìn)入電網(wǎng)，污染電磁環(huán)境，危害其他設(shè)備,圖9.17 電源濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),23,9.4.1 變流裝置的功率因數(shù),晶閘管變流裝置的功率因數(shù)定義為交流側(cè)有功功率與視在功率之比。以帶電感性負(fù)載的單相橋式全控整流電路為例，假設(shè)負(fù)載為大電感而且輸出電流平直，忽略變壓器漏抗對電路的影響。當(dāng)變流器在整流狀態(tài)工作時(shí)，電路交流側(cè)的電壓及電流的有關(guān)波形如圖9.18所示。此時(shí)整流裝置的視在功率為 電網(wǎng)輸入的有功功率只應(yīng)是基波功率，其值為 式中， 為變壓器初級電流基波分量 的有效值， 稱為位移因數(shù)，定義為電壓 與基波電流相位角的余弦值,24,圖9.18 電感性負(fù)載單相橋式全控整流電路波形,根據(jù)上述晶閘管變流裝置功率因數(shù)的定義，其功率因數(shù)為,由圖9.18不難看出,變流裝置的功率因數(shù)