D.功率因数补偿和解决谐波电流

1、D功率 流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，

2、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。实际上，该波形的等效波形见如下公式：I = 5xl.414sin w t+1.08sin2 w t+2.3sln3

3、w t+0.43sin4 3 t+1.14sin5 co t+0.3sin6 3 t+0.77sin7 3 t+0.4sin9 w t+0.33sinll（*）t+0.21sln!3 31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 o鹏科兴公司KFR-28GVV

4、/BP变频空调各次谐波电流含量谐波含量(A)谐波限值(A)结论20.128L08Pass31.9662.30Pass40.0480.43Pass50.7321.14Pass60.032030Pass70.3370.77Pass80.0260.23Pass90.2930.40Pass100.0190.184Pass110.1690.33Pass120.0160.153Pass130.1790.21Pass140.0140.131Pass150.1080.15Pass160.0120.115Pass170.1230.132Pass180.0100.102Pass190.0680.118Pass20

5、0.0130.092Pass210.0720.107Pass220.0120.084Pass230.0500.098Pass240.0110.077Pass250.0430.089Pass260.0070.071Pass270.0380.083Pass280.0060.066Pass290.0350.078Pass300.0060.061Pass310.0390.073Pass320.0110.058Pass330.0240.068Pass340.0070.054Pass350.0380.064Pass360.0070.051Pass370.0270.061Pass380.0120.048Pa

6、ss390.0360.058Pass400.0120.046Pass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

7、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 sinotu =Umax sin( wt+ )因此 P iw = ui =Imax sin o t. Umax sin( 31+ 巾)=UI cos 3 Ui cos(2 w t+ )故有用功率为：P 有用=1/T J TO P 瞬时 dt = 1/T=UI cos因此入=P有討S视在=UI COS3/UI=COS 3从上式可以看出，功率因数为电流、电压相位差的余玄。i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

8、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+EnulxUnsingt) (En=l*Insin(3t+3')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 規时=U1 sin( co t+ 2 )( £"181111(3 1+ A) 因此P有用=l/TjTOPq时dt=1/T jTOUlshi(3t+0)(En=locii1SiI1(3t+A) dt=(U1 II cos(

9、')/2所以入=P有MS决在=Il/I cos 0=k cos 9上式中e =旷-® ,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。cosO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