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1、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，或者本钱较高采用 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本钱低、可靠性高的优势，因此，在设计上应优先
2、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方法。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 w t+0.43sin4
3、3 t+1.14sin5 co t+0.3sin6 3 t+0.77sin7 3 t+0.4sin9 w t+0.33sinil *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根底。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/BP变频空调各次谐波电流含量谐波含量
4、(A)谐波限值(A)结论20.128L08Pass31.9662.30Pass40.0480.43Pass50.7321.14Pass60.032030Pass70.3370.77Pass80.0260.23Pass90.2930.40Pass100.0190.184Pass110.1690.33Pass120.0160.153Pass130.1790.21Pass140.0140.131Pass150.1080.15Pass160.0120.115Pass170.1230.132Pass180.0100.102Pass190.0680.118Pass200.0130.092Pass210.0
5、720.107Pass220.0120.084Pass230.0500.098Pass240.0110.077Pass250.0430.089Pass260.0070.071Pass270.0380.083Pass280.0060.066Pass290.0350.078Pass300.0060.061Pass310.0390.073Pass320.0110.058Pass330.0240.068Pass340.0070.054Pass350.0380.064Pass360.0070.051Pass370.0270.061Pass380.0120.048Pass390.0360.058Pass4
6、00.0120.046Pass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到达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拟松，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
7、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？那么瞬时电流、电压为i=lmax sin otu =Umax sin( wt+ )因此 P iw = ui =lmax 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功率因数。如果电流、电压的波形均不是正弦波， 是周期性的
8、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*lnsin(3t+3')由于实际电网中，电压波形根本上为正弦波，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 )?(£ "1811X1(3 困此A)P 有用=l/TjTOPq 时 dt=1/T jTOUlshi(3t+0) ? ( En=l ocii 1SiI1 ( 3t+A) dt=(U1 II ? cos(? ? ')/2所以入=P有M
9、S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， 会导致设备误动作。2、大量的无功功率在电网中流动，提高了供电网络的要求。3、 谐波在中线中的流动、谐波引起的局部电路共振是引起火灾的一个重要 原因。具体解决方法， 在这里不再详细设计，主要通过理论分析、直观的图表、 实 际结果给出解决问题的方法。按上述方法，本公司成功地解决了变频空调 的谐波 电流问题。