電力電子技術(shù)課件11諧波與功率因數(shù)

1、第五章 諧波與功率因數(shù) 5.1 諧波與功率因數(shù)的概念 5.2 諧波與功率因數(shù)的關(guān)系 5.3 功率因數(shù)校正技術(shù) 5.1 5.1 諧波與功率因數(shù)的概念諧波與功率因數(shù)的概念m諧波的概念 諧波通常意義上是指周期量的傅里葉級(jí)數(shù)中大于1的n次分量，即周期量所包含的頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量。 根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)的原理，周期函數(shù)都可以展開為常數(shù)與一組具有共同周期的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)之和。其展開式中，常數(shù)表達(dá)的部分稱之為直流分量，最小正周期等于原函數(shù)的周期的部分稱之為基波或一次諧波，最小正周期的若干倍等于原函數(shù)的周期的部分稱之為高次諧波。因此高次諧波的頻率必然也等于基波的頻率的若干倍，基波頻率3倍的波稱之為三次諧

2、波，基波頻率5倍的波稱之為五次諧波，以此類推。不管幾次諧波，他們都是正弦波。 諧波是由非線性特性的電子負(fù)載而產(chǎn)生的。主要有非線性負(fù)載有、開關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等。 5.1 5.1 諧波與功率因數(shù)的概念諧波與功率因數(shù)的概念)sin()(10nnunutnCti%1001IIHRInn)sin()(10nnunutnCtu 諧波的定義諧波的定義(3)(3)諧波次數(shù)諧波次數(shù)諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比(1) (1) 基波基波在傅里葉級(jí)數(shù)中，頻率與原信號(hào)頻率在傅里葉級(jí)數(shù)中，頻率與原信號(hào)頻率（工頻工頻）相同的分量相同的分量(2) (2) 諧波諧波頻率為基波頻率整數(shù)倍的分

3、量頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量(4)n(4)n次諧波電流含有率次諧波電流含有率( (HRIHRIn n) ) %1001IITHDhi(5)(5)電流諧波總畸變率電流諧波總畸變率( (THDiTHDi) )sin()(111tCtii)sin()(111tCtuu)sin()(ninntnCti)sin()(nunntnCtu)sin(211tI)sin(211tU)sin(2nntnI)sin(2nntnU5.1 5.1 諧波與功率因數(shù)的概念諧波與功率因數(shù)的概念 諧波的產(chǎn)生由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。產(chǎn)生諧波的負(fù)荷稱為諧波源。 主要的諧波源有 （1）電力電子裝置。工

4、業(yè)上常用的整流、逆變、調(diào)壓和變頻器等 （2）電弧爐。包括用于鋼鐵等行業(yè)的交流和直流電弧爐等。 （3）家用電器。如時(shí)光燈、電視機(jī)、調(diào)速風(fēng)扇、空調(diào)、冰箱等。 （4）高新技術(shù)設(shè)備等?，F(xiàn)代辦公和商用計(jì)算機(jī)、節(jié)能燈、核磁共振設(shè)備等。5.1 5.1 諧波與功率因數(shù)的概念諧波與功率因數(shù)的概念 諧波的危害諧波的危害m1 1）諧波將降低發(fā)電、輸電和用電設(shè)備的效率；）諧波將降低發(fā)電、輸電和用電設(shè)備的效率；m2 2）諧波影響電網(wǎng)上其他電氣設(shè)備的正常工作，如造成電）諧波影響電網(wǎng)上其他電氣設(shè)備的正常工作，如造成電動(dòng)機(jī)機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)熱，使變壓器局部過(guò)熱，電纜、動(dòng)機(jī)機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)熱，使變壓器局部過(guò)熱，電纜、電容器設(shè)

5、備過(guò)熱、使絕緣老化、壽命降低；電容器設(shè)備過(guò)熱、使絕緣老化、壽命降低；m3 3）諧波會(huì)引起電網(wǎng)局部的串聯(lián)和并聯(lián)諧振，從而使諧波）諧波會(huì)引起電網(wǎng)局部的串聯(lián)和并聯(lián)諧振，從而使諧波放大，使諧波造成的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。放大，使諧波造成的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。m4 4）諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，并使電氣測(cè)）諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，并使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。m5 5）諧波對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲、降）諧波對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲、降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通

6、信系統(tǒng)無(wú)法正常工作。作。 5.1 5.1 諧波與功率因數(shù)的概念諧波與功率因數(shù)的概念線性負(fù)載的有功功率及功率因數(shù)電路的有功功率就是其平均功率電路的有功功率就是其平均功率：20cos)(21UItuidP視在功率：視在功率：功率因數(shù)：功率因數(shù)：cosSPPF無(wú)功功率無(wú)功功率Q與有功功率與有功功率P、視在功率、視在功率S之間有如下關(guān)系：之間有如下關(guān)系： 功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差 決定的：決定的：PF=cos 無(wú)功功率無(wú)功功率： S=UI 即為電壓、電流有效值的乘積Q=U I sin 222QPS5.1 5.1 諧波與功率因數(shù)的概念諧波與功率因數(shù)的概念11cosUI

7、UIUI11cosSPPF 非線性負(fù)載的有功功率及功率因數(shù)（電壓不含諧波，電流含諧波）有功功率有功功率：20)(21tuidP視在功率：視在功率：功率因數(shù)：功率因數(shù)：功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差 決定的決定的：l l =cos S=UI11cosII1cosv基波因數(shù)基波因數(shù) ，即基波電流有效值和總電流有效值之比即基波電流有效值和總電流有效值之比位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）總功率因數(shù)：總功率因數(shù)：1lvIIv111cosl5.1 5.1 諧波與功率因數(shù)的概念諧波與功率因數(shù)的概念 非線性負(fù)載的有功功率及功率因數(shù)（電壓不含諧波，電流含諧波） 無(wú)功

8、功率無(wú)功功率：（1）定義很多，但尚無(wú)被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)）定義很多，但尚無(wú)被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義。威的定義。（2 2）一種簡(jiǎn)單的定義：）一種簡(jiǎn)單的定義： 22PSQ （3 3）另外一種定義：）另外一種定義： 2222DQPSfQ f為由基波電流所產(chǎn)生的無(wú)功功率：D是諧波電流產(chǎn)生的無(wú)功功率：11sinUIQf5.1 5.1 諧波與功率因數(shù)的概念諧波與功率因數(shù)的概念 無(wú)功功率的危害無(wú)功功率的危害 （1 1）導(dǎo)致設(shè)備容量增加。導(dǎo)致設(shè)備容量增加。（2 2）使設(shè)備和線路的損耗增加。使設(shè)備和線路的損耗增加。（3 3）線路壓降增大。線路壓降增大。 整流電路無(wú)功功率的危害整流電路無(wú)功功率的危害1 1）整

9、流電路交流側(cè)無(wú)功功率過(guò)大，會(huì)引起公共電網(wǎng)無(wú)功功）整流電路交流側(cè)無(wú)功功率過(guò)大，會(huì)引起公共電網(wǎng)無(wú)功功率過(guò)大，進(jìn)而危害其他設(shè)備；率過(guò)大，進(jìn)而危害其他設(shè)備；2 2）整流電路直流流側(cè)無(wú)功功率過(guò)大，會(huì)使所帶負(fù)載效率變）整流電路直流流側(cè)無(wú)功功率過(guò)大，會(huì)使所帶負(fù)載效率變低低 5.1 5.1 諧波與功率因數(shù)的概念諧波與功率因數(shù)的概念m功率因數(shù)的調(diào)節(jié)m 電網(wǎng)功率因數(shù)調(diào)整的目的是通過(guò)在某些特定的環(huán)電網(wǎng)功率因數(shù)調(diào)整的目的是通過(guò)在某些特定的環(huán)節(jié)上用超前無(wú)功功率來(lái)補(bǔ)償滯后無(wú)功率。此方法還能節(jié)上用超前無(wú)功功率來(lái)補(bǔ)償滯后無(wú)功率。此方法還能避免過(guò)高壓降及額外的電阻損耗。將電容器盡可能的避免過(guò)高壓降及額外的電阻損耗。將電容器盡可

10、能的靠近電感負(fù)載并聯(lián)于電網(wǎng)，就可以產(chǎn)生所需要的超前靠近電感負(fù)載并聯(lián)于電網(wǎng)，就可以產(chǎn)生所需要的超前無(wú)功功率。無(wú)功功率。m 在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后，將可在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后，將可以提供補(bǔ)償感性負(fù)載所消耗的無(wú)功功率，減少電網(wǎng)電以提供補(bǔ)償感性負(fù)載所消耗的無(wú)功功率，減少電網(wǎng)電源側(cè)向感性負(fù)載提供及由線路輸送的無(wú)功功率，減少源側(cè)向感性負(fù)載提供及由線路輸送的無(wú)功功率，減少無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，這種措施稱為功率因數(shù)補(bǔ)無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，這種措施稱為功率因數(shù)補(bǔ)償。償。 5.1 5.1 諧波與功率因數(shù)的概念諧波與功率因數(shù)的概念m提高用電設(shè)備功率因數(shù)的意義 （1）輸配電成本降低。

11、（2）有效的利用了設(shè)備。 （3）改善電壓的質(zhì)量。 （4）減少壓降。 （5）優(yōu)化電纜尺寸。 （6）較小的傳輸損耗。 5.2 5.2 諧波與功率因數(shù)的關(guān)系諧波與功率因數(shù)的關(guān)系 交流輸入電流中除基波電流交流輸入電流中除基波電流I Is1s1外通常還含有各次諧波電流外通常還含有各次諧波電流I Isnsn（n n2 2，3 3，4 4，） 。 THDTHD的的定義：除基波電流外的所有諧波電流總有效值與基波電流有效值之定義：除基波電流外的所有諧波電流總有效值與基波電流有效值之比值比值 22122212 由于hSnSnSSIIIII1222121121211SnSnSSSSSShIIIIIIIIITHD輸入

12、電流總畸變率輸入電流總畸變率THD THD 5.2 5.2 諧波與功率因數(shù)的關(guān)系諧波與功率因數(shù)的關(guān)系SPPFAC/ssIVS 11111cos/)(cos)/(cos)/( SSSSSSSSACIIIVIVIVPPF221222221111111THDIIIIIIISnSnnSnSSSS輸入功率因數(shù)輸入功率因數(shù)PFPF ：交流側(cè)電壓與電流基波分量之間的相位角交流側(cè)電壓與電流基波分量之間的相位角11稱為稱為基波位移角基波位移角；基波功率因數(shù)基波功率因數(shù)cos1cos1稱為稱為基波位移因數(shù)基波位移因數(shù)DPFDPF；基波因數(shù)基波因數(shù)v v基波電流有效值和總電流有效值之比基波電流有效值和總電流有效值之

13、比. .若交流輸入電壓為無(wú)畸變的正弦波，則只有輸入電流中的基波電流形成若交流輸入電壓為無(wú)畸變的正弦波，則只有輸入電流中的基波電流形成有功功率。這時(shí)有功功率。這時(shí)定義：交流電源輸入有功功率定義：交流電源輸入有功功率P PAC AC 與其視在功率與其視在功率S S 之比，即之比，即5.3 5.3 功率因數(shù)校正技術(shù)功率因數(shù)校正技術(shù)以開關(guān)電源為代表的各種電力電子裝置帶來(lái)一些負(fù)面的問(wèn)題：輸入電流不是正弦波，就涉及到諧波和功率因數(shù)的問(wèn)題。功率因數(shù)校正PFC (Power Factor Correction)技術(shù)：即對(duì)電流脈沖的幅度進(jìn)行抑制，使電流波形盡量接近正弦波的技術(shù)，分成無(wú)源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)

14、校正兩種。 無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)通過(guò)在二極管整流電路中增加電感、電容等無(wú)源元件和二極管元件，對(duì)電路中的電流脈沖進(jìn)行抑制，以降低電流諧波含量，提高功率因數(shù)。 有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用全控開關(guān)器件構(gòu)成的開關(guān)電路對(duì)輸入電流的波形進(jìn)行控制，使之成為與電源電壓同相的正弦波。 5.3 5.3 功率因數(shù)校正技術(shù)功率因數(shù)校正技術(shù)功率因數(shù)校正基本原理PF=1PF=1的理想情形為；的理想情形為；（）輸入電流是無(wú)諧波畸變的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，即（）輸入電流是無(wú)諧波畸變的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，即.（）輸入電流基波與輸入電壓同相位，即（）輸入電流基波與輸入電壓同相位，即cos1cos1、因此，欲提高線路功率因數(shù)，就必須最大限度的抑制輸入

15、因此，欲提高線路功率因數(shù)，就必須最大限度的抑制輸入電流的波形畸變，同時(shí)還必須盡可能的使電流基波與正弦電源電流的波形畸變，同時(shí)還必須盡可能的使電流基波與正弦電源電壓之間的相位差趨于零，電壓之間的相位差趨于零，提高線性感性負(fù)載功率因數(shù)的方法給負(fù)載并接適當(dāng)?shù)碾娙萜?，可將提高到接近于給負(fù)載并接適當(dāng)?shù)碾娙萜鳎蓪⑻岣叩浇咏?當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，可在負(fù)載兩端并聯(lián)電容來(lái)提高它的功率因當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，可在負(fù)載兩端并聯(lián)電容來(lái)提高它的功率因數(shù)。并聯(lián)的電容不同。功率因數(shù)的提高就不同。但并聯(lián)的電容數(shù)。并聯(lián)的電容不同。功率因數(shù)的提高就不同。但并聯(lián)的電容不能過(guò)大，否則電路將變?yōu)槿菪?，功率因?shù)反而會(huì)下降。當(dāng)感不能過(guò)大，否則電

16、路將變?yōu)槿菪裕β室驍?shù)反而會(huì)下降。當(dāng)感性與容性完全抵消時(shí)，負(fù)載就成阻性，功率因數(shù)最大，理論值性與容性完全抵消時(shí)，負(fù)載就成阻性，功率因數(shù)最大，理論值為為.AC/DC整流電路 (1)(1)附加無(wú)源濾波器附加無(wú)源濾波器 無(wú)源無(wú)源LCLC濾波器的濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高、電磁干擾簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高、電磁干擾EMIEMI小。小。缺點(diǎn)是：缺點(diǎn)是：體積、重量大，難以得到高功率因數(shù)體積、重量大，難以得到高功率因數(shù)( (一般提高到一般提高到0.90.9左右左右) )，工，工作性能與頻率、負(fù)載變化及輸入電壓變化有關(guān)，電感和電容間有大的充放作性能與頻率、負(fù)載變化及輸入電壓變化有關(guān)，電感和電

17、容間有大的充放電電流并可能引發(fā)電路電電流并可能引發(fā)電路L L、C C諧振等。諧振等。 在圖示的整流器和電容之間接入一在圖示的整流器和電容之間接入一個(gè)濾波電感，增加的導(dǎo)電寬度，減緩其個(gè)濾波電感，增加的導(dǎo)電寬度，減緩其脈沖性，從而減小電流的諧波成份。或脈沖性，從而減小電流的諧波成份。或者在交流側(cè)并聯(lián)接入者在交流側(cè)并聯(lián)接入LCLC濾波器，使諧波濾波器，使諧波電流經(jīng)電流經(jīng)LCLC濾波器形成回路而不進(jìn)入交流濾波器形成回路而不進(jìn)入交流電源。電源。 采用采用兩類技術(shù)措施兩類技術(shù)措施可減小電源電流中的諧波電流，提高功率因數(shù)可減小電源電流中的諧波電流，提高功率因數(shù) 5.3 5.3 功率因數(shù)校正技術(shù)功率因數(shù)校正技

18、術(shù)提高非線性負(fù)載功率因數(shù)的方法提高非線性負(fù)載功率因數(shù)的方法5.3 5.3 功率因數(shù)校正技術(shù)功率因數(shù)校正技術(shù)m填谷式無(wú)緣校正填谷式無(wú)緣校正 也可以用電容和二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成填谷式無(wú)也可以用電容和二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成填谷式無(wú)緣校正。緣校正?！疤罟入娐诽罟入娐贰笔菍⒔涣髡鳛V波是將交流整流濾波后的電流波形，從窄脈沖形狀展開到接近后的電流波形，從窄脈沖形狀展開到接近于正弦波形狀，相當(dāng)于把窄脈沖電流波形于正弦波形狀，相當(dāng)于把窄脈沖電流波形中的谷點(diǎn)區(qū)域中的谷點(diǎn)區(qū)域“填平填平”了很大一部分的電了很大一部分的電路。路?！疤罟入娐诽罟入娐贰笔抢谜鳂蚝竺娴奶钍抢谜鳂蚝竺娴奶罟入娐穪?lái)大幅度增加整流管的導(dǎo)通角，通谷電路

19、來(lái)大幅度增加整流管的導(dǎo)通角，通過(guò)填平谷點(diǎn)，使輸入電流從尖峰脈沖變?yōu)檫^(guò)填平谷點(diǎn)，使輸入電流從尖峰脈沖變?yōu)榻咏谡也ǖ牟ㄐ危瑢⒐β室驍?shù)提高到接近于正弦波的波形，將功率因數(shù)提高到0.90.9左右，顯著降低總諧波失真。左右，顯著降低總諧波失真。AC/DC整流電路填谷式無(wú)緣校正的填谷式無(wú)緣校正的優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，成本較低，功率因數(shù)補(bǔ)償效果顯著，并且在輸入電電路簡(jiǎn)單，成本較低，功率因數(shù)補(bǔ)償效果顯著，并且在輸入電路中不需要使用體積大重量沉的大電感器。路中不需要使用體積大重量沉的大電感器。5.3 5.3 功率因數(shù)校正技術(shù)功率因數(shù)校正技術(shù)圖圖 5.36 含含 升升 壓壓 型型(Boost)功功 率率 因因

20、 數(shù)數(shù) 校校 正正 器器 環(huán)環(huán) 節(jié)節(jié) 的的 高高 頻頻 整整 流流 器器(2) 附加有源功率因數(shù)校正器或采用高頻附加有源功率因數(shù)校正器或采用高頻PWM整流整流 不可控整流電路與負(fù)載之間接入不可控整流電路與負(fù)載之間接入DC-DC開關(guān)變換器，用電流反饋技術(shù)開關(guān)變換器，用電流反饋技術(shù)使交流電源電流波形跟蹤交流輸入正使交流電源電流波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，并與之同相，從而使輸弦電壓波形，并與之同相，從而使輸入端總諧波畸變率入端總諧波畸變率THD小于小于5，而，而功率因數(shù)可提高到功率因數(shù)可提高到0.95或更高?；蚋?。 含有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的單相整流被含有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的單相整流被簡(jiǎn)稱為簡(jiǎn)稱為有源功率因數(shù)校正有源功率因數(shù)校正(Active Power Factor Co