1 引言

電力污染問(wèn)題由來(lái)已久，隨著大量非線性負(fù)荷與大量非線性電力電子變換器的使用，這一問(wèn)題更加嚴(yán)重，已經(jīng)造成了巨大危害，亟待進(jìn)行綜合治理。諧波的產(chǎn)生大致有以下幾個(gè)來(lái)源:
(1) 發(fā)電環(huán)節(jié)
同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與接線不合理將會(huì)產(chǎn)生畸變電壓或頻率漂移，大電網(wǎng)系統(tǒng)存在著長(zhǎng)期低頻振蕩現(xiàn)象，大量用電設(shè)備無(wú)規(guī)律地切投使用;
(2) 送電環(huán)節(jié)
輸配電設(shè)備的非線性和異常工作以及氣候條件的改變;
(3) 用電環(huán)節(jié)
大量非線性電力設(shè)備的使用無(wú)疑是一個(gè)重要原因:
·具有磁飽和特性的鐵芯設(shè)備, 如變壓器、電抗器等;
·電弧設(shè)備，如氣體放電燈、交流弧焊機(jī)、煉鋼電弧爐等;
·電力電子變換設(shè)備，如各種電力變流設(shè)備(整流器、逆變器)、相控調(diào)速和調(diào)壓裝置以及大容量的電力晶閘管可控開(kāi)關(guān)設(shè)備。
這些電力設(shè)備廣泛地用于各行各業(yè)，量大面廣，造成了嚴(yán)重的高次諧波、次諧波和間諧波電流問(wèn)題，迫使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)失真。電力污染還包括電力電子變換器向電網(wǎng)或周邊設(shè)備發(fā)射的電磁干擾，包括連續(xù)騷擾電壓、斷續(xù)騷擾電壓、騷擾功率以及電壓暫降等方面，連同諧波電流一起構(gòu)成了電力設(shè)備的電磁干擾(emi)。
電力諧波的直接后果是電網(wǎng)負(fù)荷額外增加，供電能力下降，損耗加劇，故障增多，損失加重，而且還對(duì)其它電氣設(shè)備造成影響，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1) 對(duì)發(fā)配電和用電設(shè)備的影響;
(2) 對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響;
(3) 對(duì)變壓器的影響;
(4) 對(duì)輸電線路的影響;
(5) 對(duì)電力電容器的影響;
(6) 影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作和可靠性;
(7) 使測(cè)量和計(jì)量?jī)x器的指示和計(jì)量不準(zhǔn)確;
(8) 干擾通信系統(tǒng)的工作;
(9) 對(duì)用電設(shè)備工作質(zhì)量的影響。
諧波問(wèn)題是關(guān)系到供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量的一個(gè)重要問(wèn)題，它不但與供電部門有關(guān)，而且還關(guān)系到廣大電力用戶和電器設(shè)備制造廠的切身利益。為減少供電系統(tǒng)的諧波問(wèn)題，應(yīng)該從管理上和技術(shù)上采取對(duì)策。

國(guó)際上比較著名的標(biāo)準(zhǔn)有1981年ieee制定頒布的ieee519標(biāo)準(zhǔn)和ice555-2。ieee519-1992作為一推薦性(非強(qiáng)制性)的標(biāo)準(zhǔn)限制了電網(wǎng)電壓和終端用戶電流的畸變，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(is)cei1000-3-2(1996)規(guī)定了低壓設(shè)備在輸入相電流不超過(guò)16a的諧波限制標(biāo)準(zhǔn)，cei1000.3.4(1997)則給出了輸入相電流在16a以上諧波電流規(guī)定。歐洲標(biāo)準(zhǔn)en50-160規(guī)定了電能質(zhì)量和諧波限制。

我國(guó)早在1984年原水利電力部就制定和頒布了《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》(sd126－84)。此外，1993年3月1日頒發(fā)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t14549-1993《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》，該標(biāo)準(zhǔn)考慮了不同諧波源疊加計(jì)算的方法，規(guī)定了各級(jí)電網(wǎng)電壓諧波總畸變率和用戶注入電網(wǎng)的諧波電流容許值，對(duì)限制公用電網(wǎng)中的諧波起到了積極的作用。1998年12月14日發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb17625.1-1998《低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值(設(shè)備每相輸入電流≤16a)》，等效采用iec6100-3-2:1995，但在技術(shù)內(nèi)容上與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)完全一致。gb17625.1規(guī)定了準(zhǔn)備接入公用低壓配電系統(tǒng)中的電氣、電子設(shè)備(每相輸入電流≤16a)可能產(chǎn)生的諧波的限值。只有經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證實(shí)符合該標(biāo)準(zhǔn)限值要求的設(shè)備才能接入配電系統(tǒng)中。這樣就可以對(duì)低壓電氣及電子產(chǎn)品注入供電系統(tǒng)的總體諧波電流水平加以限制。

該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)以下四類設(shè)備規(guī)定了諧波電流的發(fā)射限值:
a類設(shè)備: 平衡的三相設(shè)備以及除b、c和d類外的所有其它設(shè)備;
b類設(shè)備: 便攜式電動(dòng)工具;
c類設(shè)備: 包括調(diào)光裝置的照明設(shè)備;
d類設(shè)備: 輸入電流具有標(biāo)準(zhǔn)所定義的“特殊波形”，且其有功功率不大于600w的設(shè)備。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了試驗(yàn)電路和對(duì)試驗(yàn)電源的要求、對(duì)測(cè)量設(shè)備的要求和試驗(yàn)條件等內(nèi)容。

鑒于家電領(lǐng)域電力污染的嚴(yán)重性以及適應(yīng)加入wto后出口需要，2001年12月7日在人民大會(huì)堂國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)適時(shí)地制定了《強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證管理規(guī)定》，標(biāo)志為中國(guó)強(qiáng)制認(rèn)證、ccc或3c認(rèn)證，生效日期為2003年5月1日，這是中國(guó)在諧波治理法規(guī)方面又一重大舉措。
消除電網(wǎng)諧波，過(guò)去較多地使用無(wú)源濾波器，它雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)高次諧波濾除效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，但一般只適用于靜態(tài)條件下工作，而且只能針對(duì)某些高次諧波進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)電網(wǎng)阻抗及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響其濾波性能，并可能引發(fā)過(guò)載、串并聯(lián)諧振等不利現(xiàn)象。而在補(bǔ)償感應(yīng)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)時(shí)，常常采用投切電容器補(bǔ)償，具有響應(yīng)速度慢、不能連續(xù)補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)。
解決諧波問(wèn)題的思路主要有兩條:
(1) 被動(dòng)方法，集中補(bǔ)償
設(shè)計(jì)有源電力濾波器(active power filter)抑制或消除非線性功率裝置產(chǎn)生的諧波污染;
(2) 主動(dòng)方法，就地補(bǔ)償

設(shè)計(jì)單位功率因數(shù)裝置作為現(xiàn)有電力電子裝置的前級(jí)電路，徹底消除產(chǎn)生電網(wǎng)諧波的根源。
就地補(bǔ)償一般采用高功率因數(shù)整流技術(shù)，使其盡量不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)接近于1。目前發(fā)展有整流電路多重化、pwm整流、帶斬波器的二極管整流和矩陣式變頻器等方法。就目前應(yīng)用情況來(lái)看，高功率因數(shù)整流要求對(duì)每臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)專用濾波裝置，系統(tǒng)總體成本比集中補(bǔ)償要高，因此目前多數(shù)采用集中補(bǔ)償或者兩者相結(jié)合的方法消除系統(tǒng)諧波。

由于采用單相電源供電的非線性負(fù)載的使用日益增多和廣泛，尤其采用交－直－交變頻器作為傳動(dòng)電源的電器設(shè)備，例如變頻空調(diào)，都采用傳統(tǒng)的不可控整流器作為變頻器的功率前級(jí)，負(fù)責(zé)向后級(jí)逆變器提供直流電壓，因而不可避免地帶來(lái)諧波污染問(wèn)題，為此必須采用功率因數(shù)校正技術(shù)。從采用的控制手段來(lái)講，單相電源供電設(shè)備的功率因數(shù)校正不外乎無(wú)源pfc、部分有源pfc和完全有源pfc三種。其中完全有源pfc濾波技術(shù)已經(jīng)成熟，控制效果完善，一般認(rèn)為輸出功率上限可達(dá)4.0~5.0kw。本文主要針對(duì)單相有源pfc，即單相有源ac-dc變換器。

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，單相有源ac-dc變換技術(shù)得到了全面的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，出現(xiàn)了許多技術(shù)成果?？刂破骺梢圆捎胢cu和dsp，功率電感可以采用常規(guī)電感和平面電感，電感制作采用了磁集成技術(shù)，磁芯材料可以選用鐵氧體、非晶體和各種磁粉芯，開(kāi)關(guān)頻率可以在十幾khz～接近100khz; 電流檢測(cè)可以采用分流電阻、電流互感器和電流霍爾傳感器; 電流采樣可以采用峰值電流采樣和平均值電流采樣; 導(dǎo)通模式可以采用ccm、dcm和crm; 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用兩電平、三電平和多電平結(jié)構(gòu)，也可以采用串聯(lián)交錯(cuò)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)交錯(cuò)結(jié)構(gòu); 電路設(shè)計(jì)可以采用器件分立、功率集成和智能功率模塊; 控制原理一般均為采用輸出電壓閉環(huán)和電感電流閉環(huán)以及乘法器環(huán)節(jié)，功率開(kāi)關(guān)控制上采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù)和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，調(diào)制頻率上采用固定開(kāi)關(guān)頻率、空載輕載降低開(kāi)關(guān)頻率和調(diào)制開(kāi)關(guān)頻率，在理論分析上單周期控制算法、混沌控制理論等數(shù)學(xué)工具和控制算法都得到了廣泛運(yùn)用。

就目前而言，最常用、最典型與最易于接受的交流電源供電的升壓型單相有源ac-dc變換器為傳統(tǒng)的boost有源pfc，已經(jīng)在通訊行業(yè)以及家電空調(diào)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，非常多的廠商看準(zhǔn)了這個(gè)市場(chǎng)機(jī)遇，包括siemens、unitrode、st、onsemi、ti等世界著名ic生產(chǎn)廠商都推出了各自系列的全模擬有源pfc控制器，如tda16888、l4981a/b、l6561、l1650、l1651、vk05、uc3854an/bn、cm6901以及ucc3818等等。個(gè)別芯片除了具有有源pfc功能外，還具備用于開(kāi)關(guān)電源的pwm能力，支持整機(jī)輸出功率范圍從十幾瓦到5.0kw不等。個(gè)別芯片還具有開(kāi)關(guān)頻率調(diào)制能力，以便改善系統(tǒng)的emc環(huán)境。對(duì)于小功率有源pfc(≤150w)，大都采用斷續(xù)電流工作模式(dcm)或臨界電流工作模式(crm)。對(duì)于大功率有源pfc，一般采用平均電流采樣方式和連續(xù)電流工作模式(ccm)，這也是一種改善emi的舉措。

電力變換的一個(gè)特點(diǎn)是拓?fù)渥儞Q和原理演化，單相有源ac-dc變換電路也不例外,目前已經(jīng)出現(xiàn)了非常多的電路都能夠?qū)崿F(xiàn)有源ac-dc變換，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)升壓功能、降壓功能和升降壓功能，可參閱有關(guān)資料。其中有一類電路，它們具有不同的電路結(jié)構(gòu)，但是可以直接利用或變動(dòng)后利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)升壓有源pfc的工作原理和控制電路，這些電路在家電行業(yè)和通信行業(yè)具有應(yīng)用價(jià)值。本文主要描述具有上述特征的單相有源ac-dc變換器，給出它們的拓?fù)?，并給出應(yīng)用實(shí)例。

2 傳統(tǒng)單相升壓有源pfc的推廣

圖1 基本boost pfc 工作原理1

傳統(tǒng)的單相升壓ac-dc變換器，即單相有源pfc的拓?fù)?，?jiàn)圖1。其工作原理的實(shí)質(zhì)是:借助功率開(kāi)關(guān)s1有規(guī)律的通斷，通過(guò)整流橋?qū)㈦娫磛s短路，使得電感l(wèi)1不斷地儲(chǔ)存能量，并且將全部?jī)?chǔ)能或者部分儲(chǔ)能釋放到負(fù)載側(cè)的直流電解電容，目標(biāo)是獲得與電源電壓同步的正弦輸入電流波形和穩(wěn)定的直流輸出電壓。其控制原理見(jiàn)圖2，主要包含一個(gè)乘法器、一個(gè)電壓閉環(huán)和一個(gè)電流閉環(huán)。乘法器負(fù)責(zé)將電壓誤差放大器輸出、輸入電壓參考波形與電源電壓有效值平方的倒數(shù)相乘，得到綜合的電流參考信號(hào)。電源電壓有效值平方的倒數(shù)可以用來(lái)調(diào)節(jié)輸入電壓范圍，以滿足寬范圍電壓供電的要求，如85vac～275vac。電壓閉環(huán)負(fù)責(zé)將給定電壓與實(shí)際電壓進(jìn)行誤差放大，目標(biāo)是維持輸出電壓穩(wěn)定。電流閉環(huán)負(fù)責(zé)將電流參考信號(hào)與實(shí)際檢測(cè)電流信號(hào)相比較后進(jìn)行pi調(diào)節(jié)，并產(chǎn)生最終控制信號(hào)，與三角載波比較后得到實(shí)際pwm信號(hào), 驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)s1。

圖2 基本boost pfc 工作原理2

傳統(tǒng)單相升壓ac-dc變換器的特征是:升壓電感與功率開(kāi)關(guān)置于整流橋之后，功率開(kāi)關(guān)短路的是整流后的正弦半波電壓，因此也可以說(shuō)單相有源pfc為dc-dc變換器，而整流橋才是ac-dc變換器?；谠撛?，傳統(tǒng)的升壓式單相ac-dc變換器可以進(jìn)行演化。根據(jù)功率開(kāi)關(guān)的位置，可以演化出的四組拓?fù)?橋后、橋中、橋前和倍壓，其中每一組又包含多種具體方案。

2.1 橋后有源ac-dc變換器
這種拓?fù)涞纳龎弘姼信c功率開(kāi)關(guān)置于整流橋的后級(jí)，開(kāi)關(guān)短路的是整流后的正弦半波電壓，而且這類拓?fù)淇梢匝莼龃?lián)交錯(cuò)和并聯(lián)交錯(cuò)拓?fù)?，?jiàn)圖3～圖8。

圖3 橋后有源ac-dc變換器1

圖4 橋后有源ac-dc變換器2

圖5 橋后有源ac-dc變換器3

圖6 橋后有源ac-dc變換器4

圖7 橋后有源ac-dc變換器5

圖8 雙重并聯(lián)交錯(cuò)有源ac-dc變換器

2.2 橋中有源ac-dc變換器
單相全控橋ac-dc變換器拓?fù)?，?jiàn)圖9，它既可以作為有源電力濾波器使用，也可以實(shí)現(xiàn)升壓有源pfc。對(duì)于后者，開(kāi)關(guān)s1~s4的組合有多種，為實(shí)現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)和穩(wěn)定的直流電壓輸出，每一種開(kāi)關(guān)組合都按照一定的規(guī)律交替地直接短路正弦交流電源vs，電感l(wèi)1傳遞能量，其工作原理類似圖1中傳統(tǒng)升壓有源pfc電路。經(jīng)過(guò)分析，圖9所示拓?fù)淇梢杂袔追N簡(jiǎn)化方案，如單臂半控整流ac-dc變換器(見(jiàn)圖10)、低端半控整流ac-dc變換器(見(jiàn)圖11)、高端半控整流ac-dc變換器(見(jiàn)圖12)。這類拓?fù)涞纳龎弘姼兄糜谡鳂蚯凹?jí)，而功率開(kāi)關(guān)置于整流橋其中。

圖9 全控橋整流ac-dc變換器拓?fù)?BR>
圖10 低端半控橋ac-dc變換器拓?fù)?BR>
圖11 單臂半控橋ac-dc變換器拓?fù)?BR>
圖12 高端半控橋ac-dc變換器拓?fù)?BR>

2.3 橋前有源ac-dc變換器
基本的橋前有源ac-dc變換器包括兩種:
(1) 前置雙向開(kāi)關(guān)的ac-dc變換器拓?fù)?，?jiàn)圖13;

圖13 前置雙向開(kāi)關(guān)的ac-dc變換器

(2) 前置單向開(kāi)關(guān)的ac-dc變換器拓?fù)洌?jiàn)圖14。

圖14 前置單向開(kāi)關(guān)的ac-dc變換器

2.4 倍壓有源ac-dc變換器
倍壓有源ac-dc變換器拓?fù)溆卸喾N, 見(jiàn)圖15~圖22。這類拓?fù)涞纳龎弘姼信c功率開(kāi)關(guān)置于整流橋的前級(jí)。

圖15 倍壓有源ac-dc變換器1

圖16 倍壓有源ac-dc變換器2

圖17 倍壓有源ac-dc變換器3

圖18 倍壓有源ac-dc變換器4

圖19 倍壓有源ac-dc變換器5

圖20 倍壓有源ac-dc變換器6

圖21 倍壓有源ac-dc變換器7

圖22 倍壓有源ac-dc變換器8

目前，在單相電路諧波電流抑制方面，個(gè)別拓?fù)湟呀?jīng)得到了應(yīng)用。其中低端半控整流ac-dc變換器又稱為無(wú)橋pfc，三菱公司和fairchild公司已經(jīng)推出了相應(yīng)的dip-pfc功率模塊和配套的控制ic。前置雙向開(kāi)關(guān)的ac-dc變換器中的雙向開(kāi)關(guān)也可以采用其他雙向開(kāi)關(guān)型式。傳統(tǒng)升壓有源pfc方案中的升壓電感為直流電感，而其他ac-dc變換器拓?fù)渲械碾姼袨榻涣麟姼校梢圆捎萌N型式:單電感;分立電感和耦合電感。雖然電感與開(kāi)關(guān)的使用位置和整流橋的型式不同，但以上拓?fù)渑c控制算法具有相似性，但是它們?cè)谄骷x擇、功率模塊設(shè)計(jì)、電感型式等方面又有著許多不同之處，部分單相有源ac-dc變換器的比較見(jiàn)表1。

3 低端半控橋ac-dc變換器的實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)升壓有源ac-dc變換器被廣泛應(yīng)用到變頻電器中，但是該方案需要獨(dú)立的不可控整流橋，置后的升壓電感需要解決抗直流偏磁問(wèn)題，而且升壓電感的位置很不利于整個(gè)功率電路的集成。這些引起了人們對(duì)傳統(tǒng)升壓有源ac-dc變換器的重新思考，設(shè)想在利用其成熟控制思想與現(xiàn)成控制電路的前提下，簡(jiǎn)化其拓?fù)?，并使整個(gè)功率電路便于功率集成。

在利用st公司推出的控制芯片l4981a/b實(shí)現(xiàn)了基本的boost pfc控制方案基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了單位輸入功率因數(shù)的低端半控橋ac-dc變換器，已經(jīng)通過(guò)了變頻空調(diào)負(fù)載實(shí)驗(yàn)，功率可達(dá)2kw。半控橋ac-dc變換器的控制電路與功率電路見(jiàn)圖23，其中濾波電容c1為2.0μf/400vdc，升壓電感l(wèi)1為2x0.40mh，開(kāi)關(guān)頻率為20khz，其他元器件參數(shù)見(jiàn)有關(guān)參考文獻(xiàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)電源電壓范圍為150vrms～264vrms，電源電流達(dá)15arms，輸出直流電壓空載時(shí)400vdc，重載時(shí)平均375vdc左右，電源功率因數(shù)接近于1。

電流檢測(cè)是有源pfc中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，檢測(cè)的電流應(yīng)該反映升壓電感的電流，電流檢測(cè)可以通過(guò)線性隔離放大器、電流互感器或分流電阻等完成，其中采用分流電阻(無(wú)感功率電阻)是一種最佳方案。設(shè)計(jì)了兩種電流檢測(cè)方式:

(1) 電流互感器
電流檢測(cè)原理見(jiàn)圖23，其電流檢測(cè)合成見(jiàn)圖24;

圖23 電流互感器電流檢測(cè)原理

圖24 電流互感器電流檢測(cè)合成

圖25 分流電阻電流檢測(cè)

圖26 輸入電壓與輸入電流波形

(2) 分流電阻
首先需要改變功率電路結(jié)構(gòu)，使得流經(jīng)電阻的電流為實(shí)際電感電流，見(jiàn)圖25，電阻選擇無(wú)感水泥電阻，15mw/10w。圖26為一組不同條件下的電源電壓與電源電流波形，可見(jiàn)pfc效果良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)單相有源pfc簡(jiǎn)要綜述后, 給出了單相升壓有源ac-dc變換器的工作原理和拓?fù)涠喾N, 重點(diǎn)研究了低端半控橋單相有源ac-dc變換器, 這是一種非常有前途的單相有源pfc, 將在變頻家電或通信電源領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介
楊喜軍(1969-) 男 92年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(學(xué)士)，后工作于煤炭部邯鄲煤炭設(shè)計(jì)研究院電力所，98年畢業(yè)于華東冶金學(xué)院(碩士)，2002年畢業(yè)于上海大學(xué)(博士)，現(xiàn)為上海交通大學(xué)電氣工程流動(dòng)站博士后人員，主要研究方向?yàn)殡娏鲃?dòng)、電力變換等。