第五講：諧波電流、功率因數(shù)及PC電源的PFC技術(shù)

1、第五講:諧波電流、功率因數(shù)及PC電源的PFC技術(shù) 1、電流相移與傳統(tǒng)功率因數(shù)概念功率因數(shù)的概念起源是相當(dāng)早的,人們對它的重視起源于交流供電和電動(dòng)機(jī)時(shí)代,由于變壓器的使用可以使電能非常方便、高效地利用交流供電來傳輸,所以全球所有國家和地區(qū)都采用了交流供電的方式。電動(dòng)機(jī)被廣泛使用后,人們才開始重視功率因數(shù)的概念,因?yàn)檫@種呈感性的負(fù)載使得電網(wǎng)電流的相位滯后于電壓相位,引起電網(wǎng)傳輸?shù)挠泄β?Real Power小于視在功率(ApparentPower。所以引入功率因數(shù)PF的概念,定義為有功功率與視在功率的比值,如果線路中只存在相移的因素,則功率因數(shù)的值將等于電壓與電流相位差角的余弦,即PF=cos。

2、這也就是功率因數(shù)傳統(tǒng)的表達(dá)式。相移的產(chǎn)生會(huì)使用電器功率因數(shù)的降低,從而加重了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān),因?yàn)殡娏鬏斁€上要傳送更大的電流來傳遞所需功率。2、電網(wǎng)負(fù)載補(bǔ)償傳統(tǒng)功率因數(shù)矯正方法傳統(tǒng)的提高功率因數(shù)的方法就是使用負(fù)載補(bǔ)償?shù)霓k法,即人為地在電網(wǎng)上增加容性負(fù)載來匹配呈感性的電力負(fù)荷,直到電網(wǎng)的整體負(fù)載接近阻性,也就是利用并聯(lián)諧振的方法。該方法通常會(huì)在變電站實(shí)施,可以對某一供電區(qū)進(jìn)行整體的功率因數(shù)補(bǔ)償。3、諧波電流的產(chǎn)生與功率因數(shù)概念的變化半導(dǎo)體變流技術(shù)發(fā)展起來后,人們對電能的利用效率大大提高,但大量開關(guān)電源和晶閘管的使用帶來了另一個(gè)問題,那就是諧波電流。諧波電流的名稱是一個(gè)數(shù)學(xué)上的概念,從直觀的物理概念來

3、理解的話,其含義就是電流波形相對于理想正弦波的變形。從數(shù)學(xué)解析來講,任何周期函數(shù)都可以寫出它的傅利葉展開式,即:而且則f(t可改寫為:式中F0為常數(shù)項(xiàng),對應(yīng)電流的直流分量,n=1的項(xiàng)為基波分量,其它各項(xiàng)則為基波的各次諧波分量。而n則為基波與各次諧波分量的相移。對于理想電網(wǎng)電壓波形,純阻性負(fù)載的電流解析式中,僅含有基波分量且相移為零;對于含有電抗(包括感抗和容抗的線性負(fù)載,仍只有基波分量,但會(huì)產(chǎn)生相移;對于非線性負(fù)載則會(huì)產(chǎn)生諧波分量。因此,線路的非線性是導(dǎo)致電流波形畸變即產(chǎn)生諧波電流的原因。諧波電流的存在也會(huì)使功率因數(shù)降低,傳統(tǒng)的功率因數(shù)表達(dá)式PF=cos無法表述諧波電流,所以只能用功率因數(shù)最普

4、遍的定義,即有功功率與視在功率的比值。4、諧波電流的危害諧波電流不僅會(huì)使功率因數(shù)降低,而且會(huì)帶來更嚴(yán)重的危害。主要有以下幾個(gè)方面:加重了電網(wǎng)中線負(fù)擔(dān)。三相四線制是應(yīng)用最為廣泛的配電方式,由于三相平衡負(fù)載中的中線電流為零,所以該配電方式中的中線往往載流量很小,大量非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流將流過中線,造成中線過負(fù)荷,嚴(yán)重時(shí)可能將中線燒毀。加重了電網(wǎng)高壓電容的負(fù)擔(dān)。電網(wǎng)用戶變壓器端往往接有高壓電容用來濾除電網(wǎng)高頻干擾,高頻的諧波電流流過電容將使其溫度上升甚至爆炸。引起電網(wǎng)電壓波形畸變。電力配線有一定的阻抗,高峰值的諧波電流將會(huì)使配電電纜上產(chǎn)生諧波電壓降,從而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形的畸變,影響其它用電器的穩(wěn)

5、定運(yùn)行。5、諧波電流的限制標(biāo)準(zhǔn)諧波電流的危害被稱為電力公害或是電力污染,嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的供電質(zhì)量。為保證電網(wǎng)供電質(zhì)量和維護(hù)人類健康,國際電工委會(huì)員f t(F01na n cosntb n sinnt+(=+cosnb nH n(IEC77委員會(huì)(電磁兼容編制了兩個(gè)適合于評價(jià)16A以下低壓設(shè)備對電網(wǎng)供電質(zhì)量影響的標(biāo)準(zhǔn),分別是:(1IEC61000-3-2(1995電磁兼容,第3部分:限值,第2章:每相額定電流小于等于16A的低壓電器設(shè)備所引起的諧波電流發(fā)送限值(2IEC61000-3-3(1994電磁兼容,第3部分:限值,第3章:在低壓供電系統(tǒng)中,額定電流小于、等于16A設(shè)備的電壓波動(dòng)和閃爍限值

6、IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)等同地轉(zhuǎn)化為我國國家標(biāo)準(zhǔn),GB17625.1-1998低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值(設(shè)備每相輸入電流16A,并已正式出版。從國際上看,IEC61000-3-2和IEC61000 -3-3標(biāo)準(zhǔn)的出版是為了替代IEC在80年代初出版的IEC555系列的標(biāo)準(zhǔn):IEC555-1(1982家用電器及類似電氣設(shè)備在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的干擾,第1部分:定義;IEC555-2(1982家用電器及類似電氣設(shè)備在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的干擾,第2部分:諧波;IEC555-3(1982家用電器及類似電氣設(shè)備在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的干擾,第3部分:電壓波動(dòng)。比較IEC61000-3系列與IEC5

7、55系列標(biāo)準(zhǔn)的名稱,不難看出新標(biāo)準(zhǔn)已擴(kuò)大了標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍,從早先的家用電器和類似用途的電氣設(shè)備擴(kuò)大到所有接在低壓電網(wǎng)中的電氣設(shè)備,其意義重大。遵守新標(biāo)準(zhǔn)的要求,可保證在低壓電網(wǎng)上的所有設(shè)備免受諧波和電壓波動(dòng)的危害,及保護(hù)用電人員身體的健康。在歐洲,歐共體幾乎是在國際標(biāo)準(zhǔn)出版的同時(shí),將IEC61000-3-2和IEC61000-3-3同步地轉(zhuǎn)化成了歐洲標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)號(hào)分別是EN61000 -3-2和EN61000-3-3。歐共體已經(jīng)從2001年1月1日強(qiáng)制執(zhí)行這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。此舉表明,與強(qiáng)制執(zhí)行其他電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)一樣,設(shè)備對電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響也將成為國際貿(mào)易的重要砝碼。按標(biāo)準(zhǔn)要求,對不同的用電設(shè)備可用4

8、種類別加以分類,不同類別的設(shè)備有不同的諧波電流限值。A類指三相平衡(各線的額定電流相差不大于20%的設(shè)備,及不屬于以下3類設(shè)備的其他設(shè)備。B類指便攜式工具(特別是指手持式短時(shí)工作制電氣工具,但對于對稱控制的、短時(shí)工作制家電設(shè)備(如電吹風(fēng)等仍按A類設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。C類指包括調(diào)光設(shè)備在內(nèi)的照明裝置。D類指輸入電流有特殊波形的設(shè)備(如在輸入電路中有整流器及電容器,使輸入電流在每半周波內(nèi),至少有95%的持續(xù)時(shí)間是落在以電流基波為中心的區(qū)域內(nèi),且輸入的有功功率小于等于600W (對大于600W的設(shè)備,仍按A類設(shè)備的限值考核。A類,C類和D類設(shè)備所引起的諧波電流限值分別如表1、表2和表3所示。對B類設(shè)備,標(biāo)

9、準(zhǔn)規(guī)定取A類設(shè)備的1.5倍。 注:是電路的功率因數(shù);對白熾燈照明裝置,如采用相位控制,觸發(fā)角不應(yīng)超出145。 注:“mA/W”限值適用于有功功率大于75W 的設(shè)備。 可以看到, 以上規(guī)定或標(biāo)準(zhǔn)中, 沒有提到對功率因數(shù)的限制,這主要是因?yàn)殡娏飨嘁坪椭C波都會(huì)引起功率因數(shù)降低,但對電網(wǎng)具有污染性的因素是諧波電流。而且功率因數(shù)對諧波電流并不是很敏感,如下圖所示,當(dāng)電流諧波失真為30%時(shí),仍會(huì)有0.95的功率因數(shù)。所以各國家和地區(qū)的限制規(guī)定都采用了直接限制各次諧波含量的方法。6、PC 電源PFC 技術(shù)分類及優(yōu)缺點(diǎn)分析 抑制諧波電流的方法有多種,并且沿用傳統(tǒng)的名稱,統(tǒng)稱功率因數(shù)校正即PFC (Power

10、Factor Correction 大致可分為兩類,即無源校正和有源校正。對于PC 電源最簡單的PFC 方法就是采用串聯(lián)電感的無源校正方法,該電感是一只工頻電感,直接串聯(lián)在交流電源進(jìn)線或是整流橋與輸入平滑電容之間,該方法的優(yōu)點(diǎn)是:1. 線路簡單,無需對原電路作較大改動(dòng)。2. 低的EMI3. 可靠性高4. 成本低 其缺點(diǎn)為:1. 功率因數(shù)不是很高(一般低于0.82. 重量較重3. 容易產(chǎn)生工頻振動(dòng)和噪音下面給出的仿真波形,是典型250W 電源的輸入電壓電流波形,以及電流波形的傅利葉分析結(jié)果,仿真使用電感量為60mH ,結(jié)果符合GB17625.1的要求。未加PFC 校正時(shí)電壓電流波形仿真:電流波形

11、的傅利葉分析:增加PFC 電感后的電壓電流波形仿真:增加PFC電感后電流波形傅利葉分析:通過上面幾個(gè)仿真的結(jié)果,可以看出PFC 電感使得電流波形變得較為圓滑,諧波分量明顯降低,實(shí)測的結(jié)果與仿真波形是一致的。串聯(lián)電感的方法已經(jīng)被許多電源廠家采用,成為目前中小功率PC電源的應(yīng)用最多的PFC方式。除了串聯(lián)電感的方法,PC電源也可采用有源功率因數(shù)校正的方法,有源功率因數(shù)校正的方法就是在輸入整流橋與平滑電容之間插入一個(gè)開關(guān)變換器線路,利用開關(guān)變換器控制輸入電流的波形跟隨電網(wǎng)電壓波形,從而使得整個(gè)電源呈現(xiàn)阻性。最廣泛使用的線路拓?fù)涫荁oost拓?fù)?。簡化的原理圖如下:由于采用了開關(guān)變換器的技術(shù),有源功率因數(shù)校正方法可以輕松實(shí)現(xiàn)0.99以上的功率因數(shù), PFC電路的控制方式也有多種,有峰值電流控制、平均電流控制及滯環(huán)控制等方法,每種方法都有各自的特點(diǎn)。有源功率因數(shù)校正的優(yōu)點(diǎn)在于:1.可以實(shí)現(xiàn)很高的功率因數(shù)和很小的諧波電流2.重量較輕3.不產(chǎn)生工頻振動(dòng)和噪音其缺點(diǎn)為:1.線路復(fù)雜2.因?yàn)榫€路復(fù)雜,導(dǎo)致可靠性降低3.較大的EMI4.成本較高一般來講,無源PFC比較適合于功率較小的場合,常見250W以下,而有源PFC適合功率較大的場合或是對功率因數(shù)要求較高的場合,可從數(shù)百瓦到數(shù)千