第五讲：谐波电流、功率因数及PC电源的PFC技术

1、第五讲:谐波电流、功率因数及PC电源的PFC技术 1、电流相移与传统功率因数概念功率因数的概念起源是相当早的,人们对它的重视起源于交流供电和电动机时代,由于变压器的使用可以使电能非常方便、高效地利用交流供电来传输,所以全球所有国家和地区都采用了交流供电的方式。电动机被广泛使用后,人们才开始重视功率因数的概念,因为这种呈感性的负载使得电网电流的相位滞后于电压相位,引起电网传输的有功功率(Real Power小于视在功率(ApparentPower。所以引入功率因数PF的概念,定义为有功功率与视在功率的比值,如果线路中只存在相移的因素,则功率因数的值将等于电压与电流相位差角的余弦,即PF=cos。

2、这也就是功率因数传统的表达式。相移的产生会使用电器功率因数的降低,从而加重了电网的负担,因为电力传输线上要传送更大的电流来传递所需功率。2、电网负载补偿传统功率因数矫正方法传统的提高功率因数的方法就是使用负载补偿的办法,即人为地在电网上增加容性负载来匹配呈感性的电力负荷,直到电网的整体负载接近阻性,也就是利用并联谐振的方法。该方法通常会在变电站实施,可以对某一供电区进行整体的功率因数补偿。3、谐波电流的产生与功率因数概念的变化半导体变流技术发展起来后,人们对电能的利用效率大大提高,但大量开关电源和晶闸管的使用带来了另一个问题,那就是谐波电流。谐波电流的名称是一个数学上的概念,从直观的物理概念来

3、理解的话,其含义就是电流波形相对于理想正弦波的变形。从数学解析来讲,任何周期函数都可以写出它的傅利叶展开式,即:而且则f(t可改写为:式中F0为常数项,对应电流的直流分量,n=1的项为基波分量,其它各项则为基波的各次谐波分量。而n则为基波与各次谐波分量的相移。对于理想电网电压波形,纯阻性负载的电流解析式中,仅含有基波分量且相移为零;对于含有电抗(包括感抗和容抗的线性负载,仍只有基波分量,但会产生相移;对于非线性负载则会产生谐波分量。因此,线路的非线性是导致电流波形畸变即产生谐波电流的原因。谐波电流的存在也会使功率因数降低,传统的功率因数表达式PF=cos无法表述谐波电流,所以只能用功率因数最普

4、遍的定义,即有功功率与视在功率的比值。4、谐波电流的危害谐波电流不仅会使功率因数降低,而且会带来更严重的危害。主要有以下几个方面:加重了电网中线负担。三相四线制是应用最为广泛的配电方式,由于三相平衡负载中的中线电流为零,所以该配电方式中的中线往往载流量很小,大量非线性负载产生的谐波电流将流过中线,造成中线过负荷,严重时可能将中线烧毁。加重了电网高压电容的负担。电网用户变压器端往往接有高压电容用来滤除电网高频干扰,高频的谐波电流流过电容将使其温度上升甚至爆炸。引起电网电压波形畸变。电力配线有一定的阻抗,高峰值的谐波电流将会使配电电缆上产生谐波电压降,从而导致电网电压波形的畸变,影响其它用电器的稳

5、定运行。5、谐波电流的限制标准谐波电流的危害被称为电力公害或是电力污染,严重影响了电网的供电质量。为保证电网供电质量和维护人类健康,国际电工委会员f t(F01na n cosntb n sinnt+(=+cosnb nH n(IEC77委员会(电磁兼容编制了两个适合于评价16A以下低压设备对电网供电质量影响的标准,分别是:(1IEC61000-3-2(1995电磁兼容,第3部分:限值,第2章:每相额定电流小于等于16A的低压电器设备所引起的谐波电流发送限值(2IEC61000-3-3(1994电磁兼容,第3部分:限值,第3章:在低压供电系统中,额定电流小于、等于16A设备的电压波动和闪烁限值

6、IEC61000-3-2标准已经等同地转化为我国国家标准,GB17625.1-1998低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流16A,并已正式出版。从国际上看,IEC61000-3-2和IEC61000 -3-3标准的出版是为了替代IEC在80年代初出版的IEC555系列的标准:IEC555-1(1982家用电器及类似电气设备在供电系统中产生的干扰,第1部分:定义;IEC555-2(1982家用电器及类似电气设备在供电系统中产生的干扰,第2部分:谐波;IEC555-3(1982家用电器及类似电气设备在供电系统中产生的干扰,第3部分:电压波动。比较IEC61000-3系列与IEC5

7、55系列标准的名称,不难看出新标准已扩大了标准的适用范围,从早先的家用电器和类似用途的电气设备扩大到所有接在低压电网中的电气设备,其意义重大。遵守新标准的要求,可保证在低压电网上的所有设备免受谐波和电压波动的危害,及保护用电人员身体的健康。在欧洲,欧共体几乎是在国际标准出版的同时,将IEC61000-3-2和IEC61000-3-3同步地转化成了欧洲标准,标准号分别是EN61000 -3-2和EN61000-3-3。欧共体已经从2001年1月1日强制执行这两个标准。此举表明,与强制执行其他电磁兼容性标准一样,设备对电网供电质量的影响也将成为国际贸易的重要砝码。按标准要求,对不同的用电设备可用4

8、种类别加以分类,不同类别的设备有不同的谐波电流限值。A类指三相平衡(各线的额定电流相差不大于20%的设备,及不属于以下3类设备的其他设备。B类指便携式工具(特别是指手持式短时工作制电气工具,但对于对称控制的、短时工作制家电设备(如电吹风等仍按A类设备进行试验。C类指包括调光设备在内的照明装置。D类指输入电流有特殊波形的设备(如在输入电路中有整流器及电容器,使输入电流在每半周波内,至少有95%的持续时间是落在以电流基波为中心的区域内,且输入的有功功率小于等于600W (对大于600W的设备,仍按A类设备的限值考核。A类,C类和D类设备所引起的谐波电流限值分别如表1、表2和表3所示。对B类设备,标

9、准规定取A类设备的1.5倍。 注:是电路的功率因数;对白炽灯照明装置,如采用相位控制,触发角不应超出145。 注:“mA/W”限值适用于有功功率大于75W 的设备。 可以看到, 以上规定或标准中, 没有提到对功率因数的限制,这主要是因为电流相移和谐波都会引起功率因数降低,但对电网具有污染性的因素是谐波电流。而且功率因数对谐波电流并不是很敏感,如下图所示,当电流谐波失真为30%时,仍会有0.95的功率因数。所以各国家和地区的限制规定都采用了直接限制各次谐波含量的方法。6、PC 电源PFC 技术分类及优缺点分析 抑制谐波电流的方法有多种,并且沿用传统的名称,统称功率因数校正即PFC (Power

10、Factor Correction 大致可分为两类,即无源校正和有源校正。对于PC 电源最简单的PFC 方法就是采用串联电感的无源校正方法,该电感是一只工频电感,直接串联在交流电源进线或是整流桥与输入平滑电容之间,该方法的优点是:1. 线路简单,无需对原电路作较大改动。2. 低的EMI3. 可靠性高4. 成本低 其缺点为:1. 功率因数不是很高(一般低于0.82. 重量较重3. 容易产生工频振动和噪音下面给出的仿真波形,是典型250W 电源的输入电压电流波形,以及电流波形的傅利叶分析结果,仿真使用电感量为60mH ,结果符合GB17625.1的要求。未加PFC 校正时电压电流波形仿真:电流波形

11、的傅利叶分析:增加PFC 电感后的电压电流波形仿真:增加PFC电感后电流波形傅利叶分析:通过上面几个仿真的结果,可以看出PFC 电感使得电流波形变得较为圆滑,谐波分量明显降低,实测的结果与仿真波形是一致的。串联电感的方法已经被许多电源厂家采用,成为目前中小功率PC电源的应用最多的PFC方式。除了串联电感的方法,PC电源也可采用有源功率因数校正的方法,有源功率因数校正的方法就是在输入整流桥与平滑电容之间插入一个开关变换器线路,利用开关变换器控制输入电流的波形跟随电网电压波形,从而使得整个电源呈现阻性。最广泛使用的线路拓扑是Boost拓扑。简化的原理图如下:由于采用了开关变换器的技术,有源功率因数校正方法可以轻松实现0.99以上的功率因数, PFC电路的控制方式也有多种,有峰值电流控制、平均电流控制及滞环控制等方法,每种方法都有各自的特点。有源功率因数校正的优点在于:1.可以实现很高的功率因数和很小的谐波电流2.重量较轻3.不产生工频振动和噪音其缺点为:1.线路复杂2.因为线路复杂,导致可靠性降低3.较大的EMI4.成本较高一般来讲,无源PFC比较适合于功率较小的场合,常见250W以下,而有源PFC适合功率较大的场合或是对功率因数要求较高的场合,可从数百瓦到数千