1、第五章 谐波与功率因数 5.1 谐波与功率因数的概念 5.2 谐波与功率因数的关系 5.3 功率因数校正技术 5.1 5.1 谐波与功率因数的概念谐波与功率因数的概念m谐波的概念 谐波通常意义上是指周期量的傅里叶级数中大于1的n次分量，即周期量所包含的频率为基波频率整数倍的分量。 根据傅立叶级数的原理，周期函数都可以展开为常数与一组具有共同周期的正弦函数和余弦函数之和。其展开式中，常数表达的部分称之为直流分量，最小正周期等于原函数的周期的部分称之为基波或一次谐波，最小正周期的若干倍等于原函数的周期的部分称之为高次谐波。因此高次谐波的频率必然也等于基波的频率的若干倍，基波频率3倍的波称之为三次谐
2、波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此类推。不管几次谐波，他们都是正弦波。 谐波是由非线性特性的电子负载而产生的。主要有非线性负载有、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。 5.1 5.1 谐波与功率因数的概念谐波与功率因数的概念)sin()(10nnunutnCti%1001IIHRInn)sin()(10nnunutnCtu 谐波的定义谐波的定义(3)(3)谐波次数谐波次数谐波频率和基波频率的整数比谐波频率和基波频率的整数比(1) (1) 基波基波在傅里叶级数中，频率与原信号频率在傅里叶级数中，频率与原信号频率（工频工频）相同的分量相同的分量(2) (2) 谐波谐波频率为基波频率整数倍的分
3、量频率为基波频率整数倍的分量(4)n(4)n次谐波电流含有率次谐波电流含有率( (HRIHRIn n) ) %1001IITHDhi(5)(5)电流谐波总畸变率电流谐波总畸变率( (THDiTHDi) )sin()(111tCtii)sin()(111tCtuu)sin()(ninntnCti)sin()(nunntnCtu)sin(211tI)sin(211tU)sin(2nntnI)sin(2nntnU5.1 5.1 谐波与功率因数的概念谐波与功率因数的概念 谐波的产生由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。产生谐波的负荷称为谐波源。 主要的谐波源有 （1）电力电子装置。工
4、业上常用的整流、逆变、调压和变频器等 （2）电弧炉。包括用于钢铁等行业的交流和直流电弧炉等。 （3）家用电器。如时光灯、电视机、调速风扇、空调、冰箱等。 （4）高新技术设备等。现代办公和商用计算机、节能灯、核磁共振设备等。5.1 5.1 谐波与功率因数的概念谐波与功率因数的概念 谐波的危害谐波的危害m1 1）谐波将降低发电、输电和用电设备的效率；）谐波将降低发电、输电和用电设备的效率；m2 2）谐波影响电网上其他电气设备的正常工作，如造成电）谐波影响电网上其他电气设备的正常工作，如造成电动机机械振动、噪声和过热，使变压器局部过热，电缆、动机机械振动、噪声和过热，使变压器局部过热，电缆、电容器设
5、备过热、使绝缘老化、寿命降低；电容器设备过热、使绝缘老化、寿命降低；m3 3）谐波会引起电网局部的串联和并联谐振，从而使谐波）谐波会引起电网局部的串联和并联谐振，从而使谐波放大，使谐波造成的危害大大增加，甚至引起严重事故。放大，使谐波造成的危害大大增加，甚至引起严重事故。m4 4）谐波会导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测）谐波会导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准确。量仪表计量不准确。m5 5）谐波对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声、降）谐波对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声、降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工低通信质量，重者导致信息丢失，使通
6、信系统无法正常工作。作。 5.1 5.1 谐波与功率因数的概念谐波与功率因数的概念线性负载的有功功率及功率因数电路的有功功率就是其平均功率电路的有功功率就是其平均功率：20cos)(21UItuidP视在功率：视在功率：功率因数：功率因数：cosSPPF无功功率无功功率Q与有功功率与有功功率P、视在功率、视在功率S之间有如下关系：之间有如下关系： 功率因数是由电压和电流的相位差功率因数是由电压和电流的相位差 决定的：决定的：PF=cos 无功功率无功功率： S=UI 即为电压、电流有效值的乘积Q=U I sin 222QPS5.1 5.1 谐波与功率因数的概念谐波与功率因数的概念11cosUI
7、UIUI11cosSPPF 非线性负载的有功功率及功率因数（电压不含谐波，电流含谐波）有功功率有功功率：20)(21tuidP视在功率：视在功率：功率因数：功率因数：功率因数是由电压和电流的相位差功率因数是由电压和电流的相位差 决定的决定的：l l =cos S=UI11cosII1cosv基波因数基波因数 ，即基波电流有效值和总电流有效值之比即基波电流有效值和总电流有效值之比位移因数（基波功率因数）位移因数（基波功率因数）总功率因数：总功率因数：1lvIIv111cosl5.1 5.1 谐波与功率因数的概念谐波与功率因数的概念 非线性负载的有功功率及功率因数（电压不含谐波，电流含谐波） 无功
8、功率无功功率：（1）定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权）定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义。威的定义。（2 2）一种简单的定义：）一种简单的定义： 22PSQ （3 3）另外一种定义：）另外一种定义： 2222DQPSfQ f为由基波电流所产生的无功功率：D是谐波电流产生的无功功率：11sinUIQf5.1 5.1 谐波与功率因数的概念谐波与功率因数的概念 无功功率的危害无功功率的危害 （1 1）导致设备容量增加。）导致设备容量增加。（2 2）使设备和线路的损耗增加。）使设备和线路的损耗增加。（3 3）线路压降增大。）线路压降增大。 整流电路无功功率的危害整流电路无功功率的危害1
9、1）整流电路交流侧无功功率过大，会引起公共电网无功功）整流电路交流侧无功功率过大，会引起公共电网无功功率过大，进而危害其他设备；率过大，进而危害其他设备；2 2）整流电路直流流侧无功功率过大，会使所带负载效率变）整流电路直流流侧无功功率过大，会使所带负载效率变低低 5.1 5.1 谐波与功率因数的概念谐波与功率因数的概念m功率因数的调节m 电网功率因数调整的目的是通过在某些特定的环电网功率因数调整的目的是通过在某些特定的环节上用超前无功功率来补偿滞后无功率。此方法还能节上用超前无功功率来补偿滞后无功率。此方法还能避免过高压降及额外的电阻损耗。将电容器尽可能的避免过高压降及额外的电阻损耗。将电容
10、器尽可能的靠近电感负载并联于电网，就可以产生所需要的超前靠近电感负载并联于电网，就可以产生所需要的超前无功功率。无功功率。m 在电网中安装并联电容器无功补偿设备后，将可在电网中安装并联电容器无功补偿设备后，将可以提供补偿感性负载所消耗的无功功率，减少电网电以提供补偿感性负载所消耗的无功功率，减少电网电源侧向感性负载提供及由线路输送的无功功率，减少源侧向感性负载提供及由线路输送的无功功率，减少无功功率在电网中的流动，这种措施称为功率因数补无功功率在电网中的流动，这种措施称为功率因数补偿。偿。 5.1 5.1 谐波与功率因数的概念谐波与功率因数的概念m提高用电设备功率因数的意义 （1）输配电成本降
11、低。 （2）有效的利用了设备。 （3）改善电压的质量。 （4）减少压降。 （5）优化电缆尺寸。 （6）较小的传输损耗。 5.2 5.2 谐波与功率因数的关系谐波与功率因数的关系 交流输入电流中除基波电流交流输入电流中除基波电流I Is1s1外通常还含有各次谐波电流外通常还含有各次谐波电流I Isnsn（n n2 2，3 3，4 4，） 。 THDTHD的的定义：除基波电流外的所有谐波电流总有效值与基波电流有效值之定义：除基波电流外的所有谐波电流总有效值与基波电流有效值之比值比值 22122212 由于hSnSnSSIIIII1222121121211SnSnSSSSSShIIIIIIIIITH
12、D输入电流总畸变率输入电流总畸变率THD THD 5.2 5.2 谐波与功率因数的关系谐波与功率因数的关系SPPFAC/ssIVS 11111cos/)(cos)/(cos)/( SSSSSSSSACIIIVIVIVPPF221222221111111THDIIIIIIISnSnnSnSSSS输入功率因数输入功率因数PFPF ：交流侧电压与电流基波分量之间的相位角交流侧电压与电流基波分量之间的相位角11称为称为基波位移角基波位移角；基波功率因数基波功率因数cos1cos1称为称为基波位移因数基波位移因数DPFDPF；基波因数基波因数v v基波电流有效值和总电流有效值之比基波电流有效值和总电流有
13、效值之比. .若交流输入电压为无畸变的正弦波，则只有输入电流中的基波电流形成若交流输入电压为无畸变的正弦波，则只有输入电流中的基波电流形成有功功率。这时有功功率。这时定义：交流电源输入有功功率定义：交流电源输入有功功率P PAC AC 与其视在功率与其视在功率S S 之比，即之比，即5.3 5.3 功率因数校正技术功率因数校正技术以开关电源为代表的各种电力电子装置带来一些负面的问题：输入电流不是正弦波，就涉及到谐波和功率因数的问题。功率因数校正PFC (Power Factor Correction)技术：即对电流脉冲的幅度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波的技术，分成无源功率因数校正和有源功
14、率因数校正两种。 无源功率因数校正技术通过在二极管整流电路中增加电感、电容等无源元件和二极管元件，对电路中的电流脉冲进行抑制，以降低电流谐波含量，提高功率因数。 有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成的开关电路对输入电流的波形进行控制，使之成为与电源电压同相的正弦波。 5.3 5.3 功率因数校正技术功率因数校正技术功率因数校正基本原理PF=1PF=1的理想情形为；的理想情形为；（）输入电流是无谐波畸变的标准正弦波，即（）输入电流是无谐波畸变的标准正弦波，即.（）输入电流基波与输入电压同相位，即（）输入电流基波与输入电压同相位，即cos1cos1、因此，欲提高线路功率因数，就必须最大限度的抑
15、制输入因此，欲提高线路功率因数，就必须最大限度的抑制输入电流的波形畸变，同时还必须尽可能的使电流基波与正弦电源电流的波形畸变，同时还必须尽可能的使电流基波与正弦电源电压之间的相位差趋于零，电压之间的相位差趋于零，提高线性感性负载功率因数的方法给负载并接适当的电容器，可将提高到接近于给负载并接适当的电容器，可将提高到接近于.当负载为感性时，可在负载两端并联电容来提高它的功率因当负载为感性时，可在负载两端并联电容来提高它的功率因数。并联的电容不同。功率因数的提高就不同。但并联的电容数。并联的电容不同。功率因数的提高就不同。但并联的电容不能过大，否则电路将变为容性，功率因数反而会下降。当感不能过大，
16、否则电路将变为容性，功率因数反而会下降。当感性与容性完全抵消时，负载就成阻性，功率因数最大，理论值性与容性完全抵消时，负载就成阻性，功率因数最大，理论值为为.AC/DC整流电路 (1)(1)附加无源滤波器附加无源滤波器 无源无源LCLC滤波器的滤波器的优点是：优点是：简单、成本低、可靠性高、电磁干扰简单、成本低、可靠性高、电磁干扰EMIEMI小。小。缺点是：缺点是：体积、重量大，难以得到高功率因数体积、重量大，难以得到高功率因数( (一般提高到一般提高到0.90.9左右左右) )，工，工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，电感和电容间有大的充放作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，电
17、感和电容间有大的充放电电流并可能引发电路电电流并可能引发电路L L、C C谐振等。谐振等。 在图示的整流器和电容之间接入一在图示的整流器和电容之间接入一个滤波电感，增加的导电宽度，减缓其个滤波电感，增加的导电宽度，减缓其脉冲性，从而减小电流的谐波成份。或脉冲性，从而减小电流的谐波成份。或者在交流侧并联接入者在交流侧并联接入LCLC滤波器，使谐波滤波器，使谐波电流经电流经LCLC滤波器形成回路而不进入交流滤波器形成回路而不进入交流电源。电源。 采用采用两类技术措施两类技术措施可减小电源电流中的谐波电流，提高功率因数可减小电源电流中的谐波电流，提高功率因数 5.3 5.3 功率因数校正技术功率因数
18、校正技术提高非线性负载功率因数的方法提高非线性负载功率因数的方法5.3 5.3 功率因数校正技术功率因数校正技术m填谷式无缘校正填谷式无缘校正 也可以用电容和二极管网络构成填谷式无也可以用电容和二极管网络构成填谷式无缘校正。缘校正。“填谷电路填谷电路”是将交流整流滤波是将交流整流滤波后的电流波形，从窄脉冲形状展开到接近后的电流波形，从窄脉冲形状展开到接近于正弦波形状，相当于把窄脉冲电流波形于正弦波形状，相当于把窄脉冲电流波形中的谷点区域中的谷点区域“填平填平”了很大一部分的电了很大一部分的电路。路。“填谷电路填谷电路”是利用整流桥后面的填是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角，通
19、谷电路来大幅度增加整流管的导通角，通过填平谷点，使输入电流从尖峰脉冲变为过填平谷点，使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形，将功率因数提高到接近于正弦波的波形，将功率因数提高到0.90.9左右，显著降低总谐波失真。左右，显著降低总谐波失真。AC/DC整流电路填谷式无缘校正的填谷式无缘校正的优点是优点是电路简单，成本较低，功率因数补偿效果显著，并且在输入电电路简单，成本较低，功率因数补偿效果显著，并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的大电感器。路中不需要使用体积大重量沉的大电感器。5.3 5.3 功率因数校正技术功率因数校正技术图图 5.36 含含 升升 压压 型型(Boost)功功 率率
20、 因因 数数 校校 正正 器器 环环 节节 的的 高高 频频 整整 流流 器器(2) 附加有源功率因数校正器或采用高频附加有源功率因数校正器或采用高频PWM整流整流 不可控整流电路与负载之间接入不可控整流电路与负载之间接入DC-DC开关变换器，用电流反馈技术开关变换器，用电流反馈技术使交流电源电流波形跟踪交流输入正使交流电源电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，并与之同相，从而使输弦电压波形，并与之同相，从而使输入端总谐波畸变率入端总谐波畸变率THD小于小于5，而，而功率因数可提高到功率因数可提高到0.95或更高。或更高。 含有源功率因数校正环节的单相整流被含有源功率因数校正环节的单相整流被简称为
21、简称为有源功率因数校正有源功率因数校正(Active Power Factor Correction)APFC。 它是将高频它是将高频PWM DC-DC变换应用于变换应用于单相整流，故也是一种单相整流，故也是一种单相高频单相高频PWM整流整流。5.3 5.3 功率因数校正技术功率因数校正技术有源功率因数校正的控制思想有源功率因数校正的控制思想思路思路: : 主要是控制已整流后的电流，使之在对滤波大电容充电之前，能与整主要是控制已整流后的电流，使之在对滤波大电容充电之前，能与整流后的电压波形相同，从而避免电流脉冲的形成，达到改善功率因数的目的。流后的电压波形相同，从而避免电流脉冲的形成，达到改善
22、功率因数的目的。 BoostAPFC原理电路原理电路 5.3 5.3 功率因数校正技术优点：优点：（）可得到较高的功率因数，如（）可得到较高的功率因数，如0.950.99，且，且THD小；小；（）可在较宽的输入电压范围（）可在较宽的输入电压范围(如如90264V AC)下工作；下工作；（）体积、重量小；输出电压也可保持恒定，或被调控为指令值。（）体积、重量小；输出电压也可保持恒定，或被调控为指令值。不足不足:电能只能从交流电源流向直流侧负载，而不可能将直流侧的电电能只能从交流电源流向直流侧负载，而不可能将直流侧的电 能反送能反送至交流电网，因此只是一种单向的至交流电网，因此只是一种单向的PWM整流。整流。 现在现在APFCAPFC技术已广泛应用于整流开关电源、交流不间断技术已广泛应用于整流开关电源、交流不间断电源电源(UPS)(UPS)、荧光灯电子镇流器及其它电子仪器电源中。、荧光灯电子镇流器及其它电子仪器电源中。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
