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有源功率因数校正的应用实例分析(一)
发表时间:2011-4-8 9:57:35  浏览次数:1861
 

一、概述

1、电网谐波问题及有关标准的提出

随着现代工业的高速发展,电力系统的非线性负荷日益增多。如各种换流设备、变频装置、电弧炉、电气化铁道等非线性负荷遍及全系统,而程控交换机、电视机、高频逆变焊机、电子镇流器等信息设备、办公自动化设备和家用电器的使用越来越广泛。

这些非线性负荷产生的谐波电流注入到电网,使公用电网的电压波形产生畸变,严重地污染了电网的环境,威胁着电网中各种电气设备的安全运行。其危害概括起来有以下几个方面:

①可能使电力系统的继电保护和自动装置产生误动或拒动,直接危及电网的安全运行。

②使交流供电设备(如交流发电机、UPS等)输出功率的利用率降低,并使输电线上的损耗增大,造成了紧缺资源的严重浪费。

③使三相四线制电网中的三次及其倍数次谐波在中线同相位,导致合成后中线电流很大,甚至可能超过相电流。但由于安全标准规定中线无保护装置,因此可能过热起火发生安全事故。

④使各种电气设备产生附加损耗和发热、使电机产生机械振动和噪声。

⑤电网中谐波通过电磁感应、电容耦合、以及电气传导等方式,对周围的通讯系统产生干扰、降低信号的传输质量,破坏信号的正常传递,甚至损坏通讯设备。

⑥谐波使电网中广泛使用的各种仪表,如电压表、电流表、有功及无功功率表、功率因数表、电度表等产生误差。为消除此类误差,会大大增加制造成本。

⑦增加了电网中发生谐波谐振的可能性,造成很高的过电压或过电流,从而引起安全事故。 由于电网谐波的诸多危害,国际社会已于上世纪八十年代和九十年代初制定了一些与此相关的标准,以期尽量消除或降低其危害,如IEC1000-3-2、IEEE-519、IEC555-2、EN60555-2、MIL-STD-1399、Bellcore001089等。我国也为此于上世纪八十年代研究对策,做了很多准备工作,并于1993年正式颁布了GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》标准,1998年又制定了GB17625.1-1998标准。在欧洲,从1992年开始对300W以上设备强制实行IEC555-2标准,并于1994年对300W以下设备也作出同样要求。

在美国,早就对700W以上设备产生的谐波作出了限制。而在我国,虽说至今尚未全面强制执行有关标准,但随着现代化进程的加速推进,及绿色电子产品的发展,肯定会对谐波的限制作出强制性要求。

2、功率因数及其校正公用电网谐波和基波无功功率的存在,最终均可归因于电网负荷的功率因数PF小于1并用其来表征。这里的PF包括相移因数和畸变因数(或称畸变系数、失真因数)。为了消除谐波和基波无功功率,应进行功率因数校正(PFC),以提高负荷的功率因数,使其尽量接近于1,即等效于纯电阻负载。传统的功率因数校正采用的是被动的无源校正网络,主要针对线性负荷如感性或容性负荷,以改善相移功率因数,降低无功功率。但其尺寸、重量大,难以得到高功率因数,且其工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关,因此对电网的适应性也较差。同时由于电网中存在高次谐波,也使这种无源PFC难以发挥更大的作用。另有一种被动的有源校正网络叫有源电力滤波器(APF),它是一种动态抑制谐波和补偿无功功率的电力电子装置,能对频率和幅度都变化的谐波进行很好的补偿,对电网的适应性强,但其控制复杂、造价高昂。目前主要思路是将APF和无源校正网络混合使用,以图降低APF容量和整个校正网络的造价。这种网络主要用于大功率负荷。

随着信息技术和电力电子技术的飞速发展,诸如通讯设备、计算机、电子镇流器和家用电器等使用开关电源的非线性负荷大量投入使用。它们通常采用的是桥式整流+电解电容滤波方式,其PF值约为0.55~0.65。有鉴于此,一种新型的主动性有源校正网络,即有源功率因数校正(APFC)技术得到人们的普遍重视。该技术是在负载的整流电路和滤波电容之间增加一个功率变换电路,将输入电流强制校正成与输入电压同相位的正弦波,使功率因数提高到近似为1.0,而且具有稳定的输出电压,从而消除谐波和无功功率并降低了其后接变换器的设计难度和成本。这种方法不仅校正效果好,而且效率高、体积小、重量轻、成本低、适应性强,已被国外大多厂商用于其实际产品中,国内也有很多有实力的厂商对其进行研究和应用。

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