第九章 电力公害及其抑制

第9章电力公害及其抑制9.1电力公害及其分类9.2谐波产生及其抑制9.3电磁干扰及其抑制9.4提高功率因数的对策9.1.1什么是电力公害电力电子装置如整流器、逆变器和斩波器等对于电网来说属于非线性负载，它产生的有害高次谐波电流“注入”电网，造成电网的严重污染。在高频开关器件大量应用的电力电子装置中，由于高电压和大电流脉冲的前后沿很陡峭，会产生频段很宽的电磁干扰信号，这些电磁信号是严重的电磁干扰源，对电力系统的正常运行和其他设备构成相当大的危害。整流器等电力电子装置往往使网侧电流滞后于网侧电压，造成电力电子装置功率因数降低，使电网无功功率增加，给电网带来额外的负担，并影响供电质量。9.1电力公害及其分类9.1.2电力公害分类1.谐波公害1)使电网供电电压波形畸变，供电质量降低像对基波电流一样，供电系统对谐波也呈现一定阻抗，因此注入供电系统的谐波电流会在电网上产生一定的压降。这些谐波电压增加到供电电压上，将使电压波形畸变，并使三相交流电的对称性受到影响。2)产生网侧过电压和过电流在电力系统中常有功率因数补偿电容和电感。在这种情况下，供电系统与补偿电感电容构成谐振回路，从而引起过电压或过电流现象。3)使供用电系统的能量损耗增加，供用电设备的寿命缩短当供电电压为正弦波而负载电流为非正弦波时，谐波电流都是无功电流。2.电磁干扰公害高频开关变换器工作时，内部的高电压或大电流波形以极短的时间上升或下降，这些具有陡变沿的脉冲信号会产生很强的电磁干扰信号。这些电磁干扰信号一方面会污染电网，通过电网干扰其他用电设备；另一方面通过传输线的传导或经过空间进行辐射而对电子设备的正常工作造成威胁。3.功率因数公害按照定义，功率因数是变流装置电网侧有功功率与视在功率之比。电网接变流装置之后，功率因数必然降低，导致网侧输入电流有效值增大，使得熔断器、断路器及传输线的规格及电源滤波器的容量增大。在三相四线制整流电源中不但使网侧功率因数降低，而且由于它的三次谐波电流在零线中相位相同，这些谐波电流合成后使零线电流增大，有时可能超过各相相电流。因为按安全标准规定，零线不能装设保护装置，所以可能使零线因过热而损坏。9.2.1谐波产生机理在电力电子变换电路中存在着周期性非正弦电流，它使得供电系统中不仅有基波电流，而且还有大量谐波电流。以带电感性负载的单相桥式和三相桥式整流电路为例，当触发角为时，变压器次级电压和电流波形如图9.1所示。u2ti2i21IdO图9.1整流变压器次级电压和电流波形9.2谐波产生及其抑制图9.2三相桥式整流电路及其整流变压器次级电压和电流波形图图9.3四种变换电路的网侧电流波形任何整流电路其网侧电流波形都是非正弦波，而且随着整流相数增加谐波分量减少，网侧电流波形越接近于正弦波。由此可见，增加整流相数是提高功率因数、减少谐波成分的一种有效途径。结论：9.2.2谐波抑制对策1.LC无源滤波器Lr5次谐波滤波器7次谐波滤波器11次谐波滤波器图9.4LC无源滤波器利用LC电路的串联谐振特点抑制向电网注入的谐波电流。在谐振频率上电路的阻抗最小，而非谐振频率上，阻抗增大。将谐振点调整至某特征谐波频率，即可滤去某一高次谐波。2.静止无功补偿器在网侧设置无功补偿装置(StaticVarCompensator，SVC)用于补偿谐波造成的无功功率，以提高功率因数；合理地设置无功补偿装置中电感L和电容C，使其能在某次频率产生谐振，从而滤除该频率的谐波。L电力电子设备或其他谐波源TCRTSCFC（可兼作谐波滤波器）MSCCCC图9.5SCV类型3.有源电力滤波器补偿非线性负载XLu2is=iL-ic=iL1T1T4T3T6T5T2C+控制系统UDUDUD*UAiAiBiBCiCCiACiBCiCCiACUAUBUCic=ihiL=iL1+ih=iL1P+iL1Q+ihGTr图9.7并联有源滤波器4.增加整流相数b2a2c2ARLb1a1c1BCTrLp图9.9两组三相桥并联的十二相整流电路9.3.1电磁干扰的产生1.电磁干扰的产生电力电子装置工作时，电力电子器件的电压和电流波形都是以极短的时间上升和下降。这些具有陡变沿的脉冲信号会产生很强的电磁干扰，故高频变换器本身就是一个很强的宽带电磁波发射源，也即很强的电磁干扰源。装置的功率越大，这种电磁发射能力越强。Of(t)tAnω/ω00123(a)(b)图9.10高频开关的前后沿过冲波形及其频谱9.3电磁干扰及其抑制2.电磁干扰形成的因素①电磁干扰源，指产生电磁干扰的组件、器件、设备、分系统、系统或自然现象。高频开关器件构成的电力电子装置就是一种典型的干扰源。②耦合路径，指把能量从干扰源耦合(或传输)到敏感设备上，并使该设备产生响应的媒介。传导干扰和辐射干扰就是按照耦合路径来进行划分的。传导干扰是通过导线进行传播的，耦合干扰是通过“场”进行传播的。③敏感设备，指对电磁干扰发生回应的设备。电磁干扰源敏感设备耦合路径图9.11电磁干扰三要素共模干扰是出现于导线与地之间的干扰。我们把导线BC与地(E)和导线AD与公共基准点（地）之间存在的EMI信号称为共模干扰信号，即图中的u1和u2。差模干扰是出现于信号回路内的与正常信号电压相串联的一种干扰，是一个信号输入端相对于另一个信号输入端电位的变化。它通常是由磁耦合引起的。如图9.12所示，当有变化的外磁场与两条信号线间包围的面积相连时，则在信号回路内出现感应电压u3，它与有用信号us相串联，共同作用于的输入端。usZmu1u2u3ABDCME图9.12共模干扰与差模干扰9.3.2电磁干扰抑制1.共模干扰的抑制减小变压器初、次级绕组的寄生电容。其方法是：①扇形绕在圆环上；②分开线轴绕组；③增加内绕组隔离；④法拉第屏蔽。CCCDS+－+－CC图9.14具有法拉第屏蔽的变压器CTCTCDS+－+－RCCTCTCDS+－+－CCCC图9.15变压器旁路电容图9.16框架地电容采用变压器旁路电容及框架地电容2.差模干扰的抑制差模干扰具有与共模干扰相同的起因，即二极管和功率管的开通、关断，寄生电容的充、放电等。在输入和输出滤波电容器两端的等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)上会产生差模干扰。因此，选用较低的ESR和ESL的滤波电容可得到较低的差模干扰。一般地，电解电容应与聚丙烯电容器(无感电容)相并联。差模干扰及开关纹波的抑制主要取决于滤波参数是否合适。印制线路板(PCB)的设计也是至关重要的，引线过长以及不适当的电路走线路径、形状，将会增加与滤波电容相串联的寄生电感。输入或输出阻抗不平衡会使共模干扰变为差模干扰。类似于差分放大器，电阻不平衡会引起放大器共模抑制比(CMRR)的降低。3.辐射干扰的抑制高频谐波电流流过一个回路就会形成磁场，理论上该磁场强度正比于回路面积和谐波电流的大小。谐波电流大小决定于波形、上升时间、下降时间，以及基频振幅。因此，往往可用减小回路面积、减小或电流峰值来减小辐射干扰。前面所介绍的抑制传导干扰的一些措施均能有效地减小谐波电流回路面积，所以这些方法在减小辐射干扰中也是有效的。缓冲电路可用来有效地减小di/dt。良好的整流器屏蔽外壳是防止辐射干扰的有效方法之一。4.EMI电源滤波器EMI电源滤波器是抑制传导干扰最为有效的手段，它毫无衰减地把直流、50Hz、400Hz的电源功率传输到设备上去，却大大衰减经电源传入的EMI信号，保护设备免受其害。同时，它又能抑制设备本身产生的EMI信号，防止它进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。CxCy2Cy1LL1NELNEL2图9.17电源滤波器的基本网络结构9.4.1变流装置的功率因数晶闸管变流装置的功率因数定义为交流侧有功功率与视在功率之比。以带电感性负载的单相桥式全控整流电路为例，假设负载为大电感而且输出电流平直，忽略变压器漏抗对电路的影响。当变流器在整流状态工作时，电路交流侧的电压及电流的有关波形如图9.18所示。此时整流装置的视在功率为电网输入的有功功率只应是基波功率，其值为式中，为变压器初级电流基波分量的有效值，称为位移因数，定义为电压与基波电流相位角的余弦值。11SUI1111cosPUI11I11i1cos1utotio1u2udu1ii1u,11i11totio1u2udu1ii1u,β11图9.18电感性负载单相桥式全控整流电路波形根据上述晶闸管变流装置功率因数的定义，其功率因数为11111111111coscoscoscosUIIPSUII由图9.18不难看出1coscos变流装置的功率因数即为111coscosII2212111nnIII9.4.2提高功率因数的原理与方法为提高晶闸管变流装置的功率因数，一般采用下述几种方法：1)减小装置运行时的触发角(逆变状态下则为逆变角)2)设置补偿电路，进行无功功率补偿3)设置滤波器，减少谐波对装置功率因数的影响4)采用两组(或多组)交流装置串联运行5)采用高功率因数整流器6)采用有源功率因数校正电路