變頻空調(diào)電流諧波抑制方案.doc

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變頻空調(diào)電流諧波抑制方案 諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線(xiàn)性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不成線(xiàn)性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。例如：在只含線(xiàn)性元件電阻、電感及電容的簡(jiǎn)單電路里，流過(guò)的電流與施加電壓成正比。所以如果所加電源電壓是正弦的話(huà)，流過(guò)的電流就是正弦的。應(yīng)當(dāng)指出：在有電感、電容等無(wú)功元件的場(chǎng)合，在電壓與電流波形間有一相位移，功率因數(shù)低了，但線(xiàn)路仍然是線(xiàn)性的，只有在電流電壓超過(guò)存儲(chǔ)電容器上存在的電壓，亦即接近正弦波電壓峰值附近時(shí)電流才流通。在空調(diào)變頻控制系統(tǒng)中，220VAC的交流電源經(jīng)過(guò)整流橋整流、大功率晶體管逆變，結(jié)果是在輸入輸出回路產(chǎn)生電流高次諧波。電流諧波可造成電網(wǎng)電壓的嚴(yán)重畸變；電纜電線(xiàn)過(guò)熱，絕緣老化加速，損壞并導(dǎo)致線(xiàn)間短路和接地故障并引起電器火災(zāi)和人身電擊事故；補(bǔ)償功率因數(shù)的電容器過(guò)熱，易損壞，壽命短；系統(tǒng)的功率因數(shù)降低等危害。 1解決方案 根據(jù)我國(guó)CCC認(rèn)證的要求，空調(diào)器需通過(guò)CCC認(rèn)證。對(duì)變頻空調(diào)器而言，EMC中的連續(xù)干擾電壓、斷續(xù)干擾電壓、干擾功率、諧波四項(xiàng)試驗(yàn)被認(rèn)定為家用空調(diào)器必須通過(guò)的項(xiàng)目。對(duì)連續(xù)干擾電壓、斷續(xù)干擾電壓、干擾功率（依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB4343-1995）這三項(xiàng)試驗(yàn)，在電源端加相應(yīng)的電源濾波器和信號(hào)線(xiàn)等地方加相應(yīng)的磁環(huán)等措施即可通過(guò)，而要通過(guò)電流諧波（依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB17625、1-1998）就不那么容易，需加功率因素校正電路（即PFC電路），經(jīng)過(guò)與空調(diào)的匹配及試驗(yàn)。 采用功率因素的校正技術(shù)，可將較低的功率因素（0.85-0.90）提高到較高的功率因素（0.95-0.99）。 為了解決電流諧波問(wèn)題，本文將針對(duì)變頻空調(diào)器如何通過(guò)電流諧波指標(biāo)進(jìn)行一些介紹，可采用以下介紹的3種方案： 1.1無(wú)源濾波方案： 此方案通過(guò)在原有電路上增加LC電路（見(jiàn)圖1），利用電感的蓄流以及二極管的單向?qū)ㄌ匦允闺娏魈崆皩?dǎo)通來(lái)抑制電流諧波的產(chǎn)生。 1.1.1工作原理簡(jiǎn)介 由圖1、圖2（a）/(b)可知，當(dāng)220VAC電源經(jīng)過(guò)全波整流后，脈動(dòng)直流電在0-π/2區(qū)間內(nèi)給電容C1充電，同時(shí)當(dāng)電壓值u0小于u2（u2為電解電容C2處電壓）時(shí)，由于二極管D1的單向?qū)ㄐ?，回路D1-L2-C2并沒(méi)有電流流過(guò)，當(dāng)u0逐漸升至u2時(shí)，D1開(kāi)始導(dǎo)通，電解電容C2開(kāi)始充電，在-π區(qū)間內(nèi)，由于電源電壓開(kāi)始下降，交流電容C1開(kāi)始放電，同時(shí)電解電容C2也開(kāi)始放電，C1原“正極”電壓下降，“負(fù)極”電壓上升，最終“正負(fù)極”交換，需要注意的是C1放電結(jié)束后，靠近L1處的電壓依然比較高，而且因?yàn)槎O管D1的存在，保證了C1右邊相對(duì)于左邊有一個(gè)正向電壓。在π-3π/2區(qū)間內(nèi)，隨著電源電壓的增大，因?yàn)镃1左邊電壓較低，因此電源電壓升到C1左邊電壓時(shí)，將有電流產(chǎn)生，這樣電流比原來(lái)方案將提前產(chǎn)生，減小了電流和電壓的不同步性，從而降低了部分高次諧波含量。 1.1.2應(yīng)用前景 無(wú)源濾波方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，然而，無(wú)源濾波方式的缺陷卻也是其本身無(wú)法彌補(bǔ)的。這些缺陷包括：無(wú)源濾波裝置有效材料消耗多、體積大；只能做成對(duì)某幾次諧波有濾波效果，且濾波效果易受元件或系統(tǒng)參數(shù)、以及電網(wǎng)頻率等變化的影響；在某些條件下可能和系統(tǒng)發(fā)生諧振，引發(fā)事故；當(dāng)諧波源增大時(shí)，濾波器負(fù)擔(dān)隨之加重，以致可能因諧波過(guò)載不能運(yùn)行等。高次諧波也和基波一樣，總是選擇低阻抗路徑通過(guò)，但與基波不同的是，高次諧波優(yōu)先選擇容性電路。因?yàn)殡娙菥哂型ǜ哳l阻低頻的特性?？捎脭?shù)學(xué)表達(dá)式XC=1/2fC來(lái)分析，諧波電路中容抗XC的大小與諧波頻率f、電容容量C的乘積成反比，因此諧波頻率越高，容抗XC越小，諧波電流就越大，因此要注意分析和測(cè)量諧波的含量，而一味地依靠無(wú)功補(bǔ)償來(lái)提高功率因數(shù)，否則高次諧波電流就會(huì)燒壞交流電容C1。此外由于使用了25mH的電感，因此雖然功率因素能夠提高到0.97左右，但是隨著電感L2的增大電感L2會(huì)消耗掉很大一部分能量，這將使得空調(diào)系統(tǒng)的能效比大幅降低。故在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)源濾波方式只能在電功率為1500W以下的機(jī)型，只有這樣才能夠在經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性上滿(mǎn)足要求。 1.2模塊校正方案 此方案是在空調(diào)變頻器的電源前級(jí)加入PFC功率因素較正模塊，通過(guò)比較輸入電流波形和電壓波形及輸出電壓來(lái)確定開(kāi)關(guān)電路的導(dǎo)通時(shí)間，改變輸入電流波形，使電路實(shí)時(shí)呈現(xiàn)純阻性狀態(tài)，從而消除整流電路、逆變電路非阻性負(fù)載等引起的電流電壓諧波（見(jiàn)圖3）。通過(guò)與無(wú)源濾波器的結(jié)合，即可消除空調(diào)器起?；蜻\(yùn)行時(shí)沿電線(xiàn)對(duì)外造成的電磁干擾和諧波干擾。其抑制諧波電流和校正功率因素方面有非常好的效果，諧波電流可通過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，功率因素可校正到0.99。 1.2.1工作原理簡(jiǎn)介 220VAC的交流電經(jīng)過(guò)無(wú)源濾波器濾波后，經(jīng)整流橋整流后成為脈動(dòng)直流電源，見(jiàn)圖4(a)/(b)。開(kāi)關(guān)管在專(zhuān)用芯片的控制下通過(guò)比較輸入電流波形和電壓波形及輸出電壓來(lái)確定開(kāi)關(guān)電路的導(dǎo)通時(shí)間，在t0時(shí)刻當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流流經(jīng)開(kāi)關(guān)管給電感儲(chǔ)能，t1時(shí)刻開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)，電感開(kāi)始以電流形式釋放能量，同時(shí)抬高了相同電壓下的電流值，擬和了t1-t0時(shí)間段電流與電壓波形，從而消除了電流諧波含量，相應(yīng)的功率因素也得到了很大的提高。 1.2.2應(yīng)用前景 PFC方案抑制電流諧波的效果很好，但是由于內(nèi)部的開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率非常高（一般在25K左右），因此工作時(shí)所帶來(lái)的電磁干擾也很大，為了抑制PFC自身所帶來(lái)的干擾通常要采用與PFC等價(jià)值的濾波器件，這樣一來(lái)勢(shì)必大大增加了變頻控制系統(tǒng)的成本，不利于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。所以在沒(méi)有特殊要求的變頻控制系統(tǒng)中不建議采用此方案。 1.3PWM預(yù)調(diào)制方案（部分PFC方案） 此方案屬于有源濾波方式（見(jiàn)圖5），它通過(guò)PWM調(diào)制來(lái)控制IGBT的導(dǎo)通截止時(shí)間，從而將電流波形提前降低了電流諧波含量。 1.3.1工作原理 220VAC電源首先經(jīng)過(guò)無(wú)源的EMI點(diǎn)源濾波殿祿（通常采用濾波電感及共模和差模電容構(gòu)成電源濾波電路）,然后經(jīng)整流橋整流后成脈動(dòng)直流電源，在主回路上D1的正向電壓還不足以使D1導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行PWM控制，將IGBT導(dǎo)通，這樣次回路上將產(chǎn)生電流，通過(guò)幾次導(dǎo)通和關(guān)閉將有效的把電流波形提前如圖6(a)/(b)所示，從而改善電源中的電流諧波。 1.3.2應(yīng)用前景 PWM調(diào)制方案與PFC方案都是通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與截止來(lái)抑制電流諧波的，不同的是PFC方案下的開(kāi)關(guān)管開(kāi)通截止的頻率非常高，因此會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的電磁輻射，而PWM調(diào)制方案僅對(duì)過(guò)零點(diǎn)處進(jìn)行幾次開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與截止控制，因此產(chǎn)生的電磁輻射很小。 在家用電器競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，PWN調(diào)制方案以其低廉的成本，靈活的控制方式較好的濾波效果必將得到廣泛應(yīng)用。 2結(jié)束語(yǔ) 諧波對(duì)供電電源的質(zhì)量影響，對(duì)電網(wǎng)的污染越來(lái)越大，所造成的危害與后果日益嚴(yán)重，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益造成的損失也越來(lái)越驚人