D.功率因数补偿和解决谐波电流.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除功率因数补偿与解决谐波电流方案选择与设计自从2000年国家技术质量监督局发文要求各空调厂家从而2002年8月份开始执行电磁兼容（EMC）的相关标准以来，各个空调厂家均十分重视EMC问题的解决。从同行了解的情况看，普遍认为变频空调的谐波电流（执行GB17625.1-1998）难以解决。同时认为解决谐波电流时需要提高功率因数，而提高功率因数又十分困难，或者成本较高（采用PFC技术）。针对以上情况，首先对功率因数和谐波电流的关系进行分析，根据实际应用情况，对功率因数进行数学计算，得出用无源功率因数补偿解决谐波电流问题的理论方法。由于无源功率因数补偿具有成本低、可靠性高的优势，因此，在设计上应优先使用。针对谐波电流和功率因数关系的问题，在经过仔细分析以后，认为需要改变“解决谐波电流就需要提高功率因数”这种老观念。功率因数和谐波电流是有一定的关系，但并不是除了提高功率因数之外就没有其它办法。当然功率因数提高以后，谐波电流肯定容易解决，但是在功率因数不是十分高的情况下，谐波问题也可以解决。首先看一个电流波形，见图，根据所看到的图中的电流波形，很少有人认为该波形是可以通过的谐波电流。但是实际情况是该波形恰好是谐波电流要求的各次谐波的极限值的叠加。1050-5-1090180270360相角度（度）电流（A）实际上，该波形的等效波形见如下公式：I = 5x1.414sint+1.08sin2t+2.3sin3t+0.43sin4t+1.14sin5t+0.3sin6t+0.77sin7t+0.4sin9t+0.33sin11t+0.21sin13t 从上述波形的傅利叶级数展开式明显可以看出，图中电流波形是有效电流为5安培的基波和在限制边沿的其它高次谐波的叠加。虽然上述电流波形样子十分难看，但是对于谐波来说如果将上式中除基波以外的其它高次谐波电流的峰值略微下调，电流肯定可以恰好通过国标。这就为使用无源功率因数补偿解决谐波电流问题提供了理论基础。下面再看我公司在变频空调上实际测试的结果，该整机的功率因数仅仅为0.87。鹏科兴公司KFR-28GW/BP变频空调各次谐波电流含量谐波次数N谐波含量（A）谐波限值（A）结论20.1281.08Pass31.9662.30Pass40.0480.43Pass50.7321.14Pass60.0320.30Pass70.3370.77Pass80.0260.23Pass90.2930.40Pass100.0190.184Pass110.1690.33Pass120.0160.153Pass130.1790.21Pass140.0140.131Pass150.1080.15Pass160.0120.115Pass170.1230.132Pass180.0100.102Pass190.0680.118Pass200.0130.092Pass210.0720.107Pass220.0120.084Pass230.0500.098Pass240.0110.077Pass250.0430.089Pass260.0070.071Pass270.0380.083Pass280.0060.066Pass290.0350.078Pass300.0060.061Pass310.0390.073Pass320.0110.058Pass330.0240.068Pass340.0070.054Pass350.0380.064Pass360.0070.051Pass370.0270.061Pass380.0120.048Pass390.0360.058Pass400.0120.046Pass从上面的数据明显可以看出：通过了谐波电流的整机，功率因数并不是必须达到0.97以上，或者更高。另外功率因数并不高，并不代表谐波电流不能通过。当然功率因数很高的情况下，谐波电流一般是可以通过。深层的潜在意思是，要通过谐波电流，应该适当分配各次谐波的比例，并不是盲目的提高功率因数。例如国标对偶次谐波的最大值限制十分严格，那么在设计时应该从设计原理上降低固有偶次的含量，国标对于奇次谐波要求比较松，尤其是3次谐波，所以在设计时，应该充分利用奇次谐波，尤其是三次谐波的限值。可以说三次谐波对于谐波的影响十分大，在设计时应该充分考虑。具体设计方法在这里不再详谈，下面从理论上进一步分析功率因数。当电流、电压均为周期性正弦波，相位差为则瞬时电流、电压为i=Imax sint u =Umax sin(t+)因此 P瞬时 = ui =Imax sint . Umax sin(t+) =UI cos-Ui cos(2t+)故有用功率为： P有用 = 1/TT0 P瞬时 dt = 1/T =UI cos因此 = P有用/ S视在 = UI cos/UI = cos从上式可以看出，功率因数为电流、电压相位差的余玄。一般情况下，负载为电感性负载，电流落后于电压，所以可以用并联电容等方法补偿功率因数。如果电流、电压的波形均不是正弦波，是周期性的非正弦波，且有相位差，即电流、电压波形有畸变，又有相位差，对电流、电压波形进行傅利叶展开，可以得出如下结论： P瞬时 = ui =Uo+n=1Unsin(t)n=1Insin(t+)由于实际电网中，电压波形基本上为正弦波，畸变可以忽略，且没有直流成份。上式可以简化为：P瞬时 = U1 sin(t+)n=1Insin(t+)因此 P有用= 1/ TT0 P瞬时dt = 1/TT0 U1sin(t+)n=1Insin(t+)dt =U1 I1 cos(-)/2所以 = P有用/S 视在 = I1/Icos = k cos 上式中=-,K为波形畸变因子，代表基波电流有效值占总电流有效值的比例。cos为相移因子，代表基波电流、电压相位差的余弦，故又称为基波功率因数。从上式明显可以看出，非正弦波的功率因数取决于两个因素，一个是波形的畸变，另外一个是电流、电压相位差。实际应用中，大多数空调的工作情况和上述理论模型符合，故解决空调的功率因数的入手点就十分显然。虽然说，如果仅仅是为了解决谐波问题并不一定要把功率因数提得十分高，但是在技术上，应尽量提高整机的功率因数，因为提高功率因数有十分现实的意义。1、大量无功功率的存在，降低了电网的供电质量，特别是高次谐波的存在，会导致设备误动作。2、大量的无功