1、第9章 電力公害及其抑制,9.1 電力公害及其分類 9.2 諧波產生及其抑制 9.3 電磁干擾及其抑制 9.4 提高功率因數(shù)的對策,9.1.1 什么是電力公害,電力電子裝置如整流器、逆變器和斬波器等對于電網來說屬于非線性負載，它產生的有害高次諧波電流 “注入”電網，造成電網的嚴重污染。 在高頻開關器件大量應用的電力電子裝置中，由于高電壓和大電流脈沖的前后沿很陡峭，會產生頻段很寬的電磁干擾信號，這些電磁信號是嚴重的電磁干擾 源，對電力系統(tǒng)的正常運行和其他設備構成相當大的危害。 整流器等電力電子裝置往往使網側電流滯后于網側電壓，造成電力電子裝置功率因數(shù)降低，使電網無功功率增加，給電網帶來額外的負擔

2、，并影響供電質量。,9.1 電力公害及其分類,9.1.2 電力公害分類,1. 諧波公害 1) 使電網供電電壓波形畸變，供電質量降低 像對基波電流一樣，供電系統(tǒng)對諧波也呈現(xiàn)一定阻抗，因此注入供電系統(tǒng)的諧波電流會在電網上產生一定的壓降。這些諧波電壓增加到供電電壓上，將使電壓波形畸變，并使三相交流電的對稱性受到影響。 2) 產生網側過電壓和過電流 在電力系統(tǒng)中常有功率因數(shù)補償電容和電感。在這種情況下，供電系統(tǒng)與補償電感電容構成諧振回路，從而引起過電壓或過電流現(xiàn)象。 3) 使供用電系統(tǒng)的能量損耗增加，供用電設備的壽命縮短 當供電電壓為正弦波而負載電流為非正弦波時，諧波電流都是無功電流。,2. 電磁干擾

3、公害 高頻開關變換器工作時，內部的高電壓或大電流波形以極短的時間上升或下降，這些具有陡變沿的脈沖信號會產生很強的電磁干擾信號。這些電磁干擾信號一方面會污染電網，通過電網干擾其他用電設備；另一方面通過傳輸線的傳導或經過空間進行輻射而對電子設備的正常工作造成威脅。,3. 功率因數(shù)公害 按照定義，功率因數(shù)是變流裝置電網側有功功率與視在功率之比。電網接變流裝置之后，功率因數(shù)必然降低，導致網側輸入電流有效值增大，使得熔斷器、斷路器及傳輸線的規(guī)格及電源濾波器的容量增大。 在三相四線制整流電源中不但使網側功率因數(shù)降低，而且由于它的三次諧波電流在零線中相位相同，這些諧波電流合成后使零線電流增大，有時可能超過各

4、相相電流。因為按安全標準規(guī)定，零線不能裝設保護裝置，所以可能使零線因過熱而損壞。,9.2.1 諧波產生機理,在電力電子變換電路中存在著周期性非正弦電流，它使得供電系統(tǒng)中不僅有基波電流，而且還有大量諧波電流。以帶電感性負載的單相橋式和三相橋式整流電路為例，當觸發(fā)角為 時，變壓器次級電壓和電流波形如圖9.1所示。,圖9.1 整流變壓器次級電壓和電流波形,9.2 諧波產生及其抑制,圖9.2 三相橋式整流電路及其整流變壓器次級電壓和電流波形圖,圖9.3 四種變換電路的網側電流波形,任何整流電路其網側電流波形都是非正弦波，而且隨著整流相數(shù)增加諧波分量減少，網側電流波形越接近于正弦波。由此可見，增加整流相

5、數(shù)是提高功率因數(shù)、減少諧波成分的一種有效途徑。,結論：,9.2.2 諧波抑制對策,1. LC無源濾波器,圖9.4 LC無源濾波器,利用LC電路的串聯(lián)諧振特點抑制向電網注入的諧波電流。在諧振頻率上電路的阻抗最小，而非諧振頻率上，阻抗增大。將諧振點調整至某特征諧波頻率，即可濾去某一高次諧波。,2. 靜止無功補償器 在網側設置無功補償裝置(Static Var Compensator，SVC)用于補償諧波造成的無功功率，以提高功率因數(shù)；合理地設置無功補償裝置中電感L和電容C，使其能在某次頻率產生諧振，從而濾除該頻率的諧波。,圖9.5 SCV類型,3. 有源電力濾波器補償,圖9.7 并聯(lián)有源濾波器,4

6、. 增加整流相數(shù),圖9.9 兩組三相橋并聯(lián)的十二相整流電路,9.3.1 電磁干擾的產生,1. 電磁干擾的產生 電力電子裝置工作時，電力電子器件的電壓和電流波形都是以極短的時間上升和下降。這些具有陡變沿的脈沖信號會產生很強的電磁干擾，故高頻變換器本身就是一個很強的寬帶電磁波發(fā)射源，也即很強的電磁干擾源。裝置的功率越大，這種電磁發(fā)射能力越強。,(a) (b) 圖9.10 高頻開關的前后沿過沖波形及其頻譜,9.3 電磁干擾及其抑制,2. 電磁干擾形成的因素 電磁干擾源，指產生電磁干擾的組件、器件、設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象。高頻開關器件構成的電力電子裝置就是一種典型的干擾源。 耦合路徑，指把能量從

7、干擾源耦合(或傳輸)到敏感設備上，并使該設備產生響應的媒介。傳導干擾和輻射干擾就是按照耦合路徑來進行劃分的。傳導干擾是通過導線進行傳播的，耦合干擾是通過“場”進行傳播的。 敏感設備，指對電磁干擾發(fā)生回應的設備。,圖9.11 電磁干擾三要素,共模干擾是出現(xiàn)于導線與地之間的干擾。我們把導線BC與地(E)和導線AD與公共基準點（地）之間存在的EMI信號稱為共模干擾信號，即圖中的u1和u2。 差模干擾是出現(xiàn)于信號回路內的與正常信號電壓相串聯(lián)的一種干擾，是一個信號輸入端相對于另一個信號輸入端電位的變化。它通常是由磁耦合引起的。如圖9.12所示，當有變化的外磁場與兩條信號線間包圍的面積相連時，則在信號回路

8、內出現(xiàn)感應電壓u3，它與有用信號us相串聯(lián)，共同作用于的輸入端。,圖9.12 共模干擾與差模干擾,9.3.2 電磁干擾抑制,1. 共模干擾的抑制 減小變壓器初、次級繞組的寄生電容。其方法是：扇形繞在圓環(huán)上；分開線軸繞組；增加內繞組隔離；法拉第屏蔽。,圖9.14 具有法拉第屏蔽的變壓器,圖9.15 變壓器旁路電容,圖9.16 框架地電容,采用變壓器旁路電容及框架地電容,2. 差模干擾的抑制 差模干擾具有與共模干擾相同的起因，即二極管和功率管的開通、關斷，寄生電容的充、放電等。 在輸入和輸出濾波電容器兩端的等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)上會產生差模干擾。因此，選用較低的ESR和ES

9、L的濾波電容可得到較低的差模干擾。一般地，電解電容應與聚丙烯電容器(無感電容)相并聯(lián)。差模干擾及開關紋波的抑制主要取決于濾波參數(shù)是否合適。 印制線路板(PCB)的設計也是至關重要的，引線過長以及不適當?shù)碾娐纷呔€路徑、形狀，將會增加與濾波電容相串聯(lián)的寄生電感。輸入或輸出阻抗不平衡會使共模干擾變?yōu)椴钅８蓴_。類似于差分放大器，電阻不平衡會引起放大器共模抑制比(CMRR)的降低。,3. 輻射干擾的抑制 高頻諧波電流流過一個回路就會形成磁場，理論上該磁場強度正比于回路面積和諧波電流的大小。諧波電流大小決定于波形、上升時間、下降時間，以及基頻振幅。因此，往往可用減小回路面積、減小或電流峰值 來減小輻射干擾

10、。前面所介紹的抑制傳導干擾的一些措施均能有效地減小諧波電流回路面積，所以這些方法在減小輻射干擾中也是有效的。緩沖電路可用來有效地減小di/dt。良好的整流器屏蔽外殼 是防止輻射干擾的有效方法之一。,4. EMI電源濾波器 EMI電源濾波器是抑制傳導干擾最為有效的手段，它毫無衰減地把直流、50Hz、400Hz的電源功率傳輸?shù)皆O備上去，卻大大衰減經電源傳入的EMI信號，保護設備免受其害。同時，它又能抑制設備本身產生的EMI信號，防止它進入電網，污染電磁環(huán)境，危害其他設備。,圖9.17 電源濾波器的基本網絡結構,9.4.1 變流裝置的功率因數(shù),晶閘管變流裝置的功率因數(shù)定義為交流側有功功率與視在功率之比。以帶電感性負載的單相橋式全控整流電路為例，假設負載為大電感而且輸出電流平直，忽略變壓器漏抗對電路的影響。當變流器在整流狀態(tài)工作時，電路交流側的電壓及電流的有關波形如圖9.18所示。此時整流裝置的視在功率為 電網輸入的有功功率只應是基波功率，其值為 式中， 為變壓器初級電流基波分量 的有效值， 稱為位移因數(shù)，定義為電壓 與基波電流相位角的余弦值。,圖9.18 電感性負載單相橋式全控整流電路波形,根據(jù)上述晶閘管變流裝置功率因數(shù)的定義，其功率因數(shù)為,由圖9.18不難看出,變流裝置的功率因數(shù)即