功率因數(shù)補(bǔ)償和解決諧波電流

1、功率因數(shù)補(bǔ)償與解決諧波電流方案選擇與設(shè)計(jì)自從2000年國家技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督局發(fā)文要求各空調(diào)廠家從而2002年8月份開始執(zhí)行電磁兼容（EMC ）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以來，各個(gè)空調(diào)廠家均十分重視EMC問題的解決。從同行了解的情況看，普遍認(rèn)為變頻空調(diào)的諧波電流（執(zhí)行 GB17625.1-1998）難以解決。同時(shí)認(rèn)為解決諧波電流時(shí)需要提高功率因數(shù)，而 提高功率因數(shù)又十分困難，或者成本較高（采用PFC技術(shù)）。針對(duì)以上情況，首先對(duì)功率因數(shù)和諧波電流的關(guān)系進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，得出用無源功率因數(shù)補(bǔ)償解決諧波電流問 題的理論方法。由于無源功率因數(shù)補(bǔ)償具有成本低、可靠性高的優(yōu)勢，因此， 在設(shè)計(jì)上

2、應(yīng)優(yōu)先使用。針對(duì)諧波電流和功率因數(shù)關(guān)系的問題， 在經(jīng)過仔細(xì)分析以后，認(rèn)為需要改 變“解決諧波電流就需要提高功率因數(shù)”這種老觀念。功率因數(shù)和諧波電流是 有一定的關(guān)系，但并不是除了提高功率因數(shù)之外就沒有其它辦法。當(dāng)然功率因 數(shù)提高以后，諧波電流肯定容易解決，但是在功率因數(shù)不是十分高的情況下， 諧波問題也可以解決。首先看一個(gè)電流波形，見圖，根據(jù)所看到的圖中的電流波形，很少有人認(rèn) 為該波形是可以通過的諧波電流。 但是實(shí)際情況是該波形恰好是諧波電流要求 的各次諧波的極限值的疊加。50電流波形是從上述波形的傅利葉級(jí)數(shù)展開式明10I = 5x1.414sin w t+1.08sin2® t+2.3

3、sin3E t+0.43si門4即 t+1.14sin5® 360+0.3sin6w t+0.77sin7wt+0.4sin9w t+0.33sinil wt+0.21sin 13w t-為效電角度（度）5安培的基波和在限制邊沿的其它高次諧波的疊加。雖然上述電流波形樣子 十分難看，但是對(duì)于諧波來說如果將上式中除基波以外的其它高次諧波電流的 峰值略微下調(diào)，電流肯定可以恰好通過國標(biāo)。這就為使用無源功率因數(shù)補(bǔ)償解 決諧波電流問題提供了理論基礎(chǔ)。下面再看我公司在變頻空調(diào)上實(shí)際測試的結(jié)果，該整機(jī)的功率因數(shù)僅僅為0.87。鵬科興公司KFR-28GW/BP變頻空調(diào)各次諧波電流含量諧波次數(shù)諧波含量（

4、A）諧波限值（A）結(jié)論20.1281.08Pass31.9662.30Pass40.0480.43Pass50.7321.14Pass60.0320.30Pass70.3370.77Pass80.0260.23Pass90.2930.40Pass100.0190.184Pass110.1690.33Pass120.0160.153Pass130.1790.21Pass140.0140.131Pass150.1080.15Pass160.0120.115Pass170.1230.132Pass180.0100.102Pass190.0680.118Pass200.0130.092Pass210.

5、0720.107Pass220.0120.084Pass230.0500.098Pass240.0110.077Pass250.0430.089Pass260.0070.071Pass270.0380.083Pass280.0060.066Pass290.0350.078Pass300.0060.061Pass310.0390.073Pass320.0110.058Pass330.0240.068Pass340.0070.054Pass350.0380.064Pass360.0070.051Pass370.0270.061Pass380.0120.048Pass390.0360.058Pass

6、400.0120.046Pass從上面的數(shù)據(jù)明顯可以看出：通過了諧波電流的整機(jī)，功率因數(shù)并不是必 須達(dá)到0.97以上，或者更高。另外功率因數(shù)并不高，并不代表諧波電流不能 通過。當(dāng)然功率因數(shù)很高的情況下，諧波電流一般是可以通過。深層的潛在意 思是，要通過諧波電流，應(yīng)該適當(dāng)分配各次諧波的比例，并不是盲目的提高功率因數(shù)。 例如國標(biāo)對(duì)偶次諧波的最大值限制十分嚴(yán)格， 那么在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該從設(shè) 計(jì)原理上降低固有偶次的含量， 國標(biāo)對(duì)于奇次諧波要求比較松， 尤其是 3 次諧 波，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分利用奇次諧波，尤其是三次諧波的限值?？梢哉f 三次諧波對(duì)于諧波的影響十分大， 在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮。 具體設(shè)計(jì)方法在

7、這 里不再詳談，下面從理論上進(jìn)一步分析功率因數(shù)。當(dāng)電流、電壓均為周期性正弦波，相位差為書則瞬時(shí)電流、電壓為i=lmax sin 31u =Umax sin(31+書)因此 P 瞬時(shí)=ui =lmax sin 3 t . Umax sin( 3 t+ © )=UI cos w -Ui cos(2 3 t+ © )故有用功率為：P 有用 =1/T/TO P 瞬時(shí) dt = 1/T=UI cos©因止匕入=P有用/ S視在= UI cos3 /UI= cos3 從上式可以看出，功率因數(shù)為電流、電壓相位差的余玄。一般情況下，負(fù) 載為電感性負(fù)載， 電流落后于電壓， 所以可以

8、用并聯(lián)電容等方法補(bǔ)償功率因數(shù)。如果電流、電壓的波形均不是正弦波， 是周期性的非正弦波， 且有相位差， 即電流、電壓波形有畸變，又有相位差，對(duì)電流、電壓波形進(jìn)行傅利葉展開， 可以得出如下結(jié)論：P瞬時(shí)=ui =Uo+ 刀n=1*Unsin(wt)刀n=1*lnsin(wt+ w ') 由于實(shí)際電網(wǎng)中， 電壓波形基本上為正弦波， 畸變可以忽略， 且沒有直流 成份。上式可以簡化為：P 瞬時(shí)=U1 sin(w t+ © )?刀n=1*Insin(w t+ © ')因此 P 有用 = 1/ T/T0 P 瞬時(shí) dt=1/T / T0 U1si n(w t+©

9、)?刀 n=1* In si n(w t+ © ')dt= U1 I1 ? cos(© -© ') /2所以 入=P有用/S視在=I1/I cos 0=k cos 0上式中0 =© '- © ,K 為波形畸變因子， 代表基波電流有效值占總電流有效 值的比例。cos0為相移因子，代表基波電流、電壓相位差的余弦，故又稱為 基波功率因數(shù)。從上式明顯可以看出， 非正弦波的功率因數(shù)取決于兩個(gè)因素， 一個(gè)是波形 的畸變，另外一個(gè)是電流、電壓相位差。實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)空調(diào)的工作情況 和上述理論模型符合，故解決空調(diào)的功率因數(shù)的入手點(diǎn)就十分顯然。雖然說，如果僅僅是為了解決諧波問題并不一定要把功率因數(shù)提得十分 高，但是在技術(shù)上，應(yīng)盡量提高整機(jī)的功率因數(shù)，因?yàn)樘岣吖β室驍?shù)有十分現(xiàn) 實(shí)的意義。1、大量無功功率的存在，降低了電網(wǎng)的供電質(zhì)量，特別是高次諧波的存 在，會(huì)導(dǎo)