變頻空調(diào)電流諧波抑制方案.doc

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性負載所致。當電流流經(jīng)負載時，與所加的電壓不成線性關系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。例如：在只含線性元件電阻、電感及電容的簡單電路里，流過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，流過的電流就是正弦的。應當指出：在有電感、電容等無功元件的場合，在電壓與電流波形間有一相位移，功率因數(shù)低了，但線路仍然是線性的，只有在電流電壓超過存儲電容器上存在的電壓，亦即接近正弦波電壓峰值附近時電流才流通。在空調(diào)變頻控制系統(tǒng)中，220VAC的交流電源經(jīng)過整流橋整流、大功率晶體管逆變，結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)電壓的嚴重畸變；電纜電線過熱，絕緣老化加速，損壞并導致線間短路和接地故障并引起電器火災和人身電擊事故；補償功率因數(shù)的電容器過熱，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CCC認證的要求，空調(diào)器需通過CCC認證。對變頻空調(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、諧波四項試驗被認定為家用空調(diào)器必須通過的項目。對連續(xù)干擾電壓、斷續(xù)干擾電壓、干擾功率（依據(jù)標準GB4343-1995）這三項試驗，在電源端加相應的電源濾波器和信號線等地方加相應的磁環(huán)等措施即可通過，而要通過電流諧波（依據(jù)標準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)過與空調(diào)的匹配及試驗。采用功率因素的校正技術，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題，本文將針對變頻空調(diào)器如何通過電流諧波指標進行一些介紹，可采用以下介紹的3種方案：1.1無源濾波方案：此方案通過在原有電路上增加LC電路（見圖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▉硪种齐娏髦C波的產(chǎn)生。1.1.1工作原理簡介由圖1、圖2（a）/(b)可知，當220VAC電源經(jīng)過全波整流后，脈動直流電在0-/2區(qū)間內(nèi)給電容C1充電，同時當電壓值u0小于u2（u2為電解電容C2處電壓）時，由于二極管D1的單向?qū)ㄐ?，回路D1-L2-C2并沒有電流流過，當u0逐漸升至u2時，D1開始導通，電解電容C2開始充電，在-區(qū)間內(nèi)，由于電源電壓開始下降，交流電容C1開始放電，同時電解電容C2也開始放電，C1原“正極”電壓下降，“負極”電壓上升，最終“正負極”交換，需要注意的是C1放電結束后，靠近L1處的電壓依然比較高，而且因為二極管D1的存在，保證了C1右邊相對于左邊有一個正向電壓。在-3/2區(qū)間內(nèi)，隨著電源電壓的增大，因為C1左邊電壓較低，因此電源電壓升到C1左邊電壓時，將有電流產(chǎn)生，這樣電流比原來方案將提前產(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應用前景無源濾波方式結構簡單、運行可靠、維護方便，然而，無源濾波方式的缺陷卻也是其本身無法彌補的。這些缺陷包括：無源濾波裝置有效材料消耗多、體積大；只能做成對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；當諧波源增大時，濾波器負擔隨之加重，以致可能因諧波過載不能運行等。高次諧波也和基波一樣，總是選擇低阻抗路徑通過，但與基波不同的是，高次諧波優(yōu)先選擇容性電路。因為電容具有通高頻阻低頻的特性?？捎脭?shù)學表達式XC=1/2fC來分析，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量諧波的含量，而一味地依靠無功補償來提高功率因數(shù)，否則高次諧波電流就會燒壞交流電容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。故在實際應用中，無源濾波方式只能在電功率為1500W以下的機型，只有這樣才能夠在經(jīng)濟性與實用性上滿足要求。1.2模塊校正方案此方案是在空調(diào)變頻器的電源前級加入PFC功率因素較正模塊，通過比較輸入電流波形和電壓波形及輸出電壓來確定開關電路的導通時間，改變輸入電流波形，使電路實時呈現(xiàn)純阻性狀態(tài)，從而消除整流電路、逆變電路非阻性負載等引起的電流電壓諧波（見圖3）。通過與無源濾波器的結合，即可消除空調(diào)器起?；蜻\行時沿電線對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，諧波電流可通過國家標準，功率因素可校正到0.99。1.2.1工作原理簡介220VAC的交流電經(jīng)過無源濾波器濾波后，經(jīng)整流橋整流后成為脈動直流電源，見圖4(a)/(b)。開關管在專用芯片的控制下通過比較輸入電流波形和電壓波形及輸出電壓來確定開關電路的導通時間，在t0時刻當開關管導通時，電流流經(jīng)開關管給電感儲能，t1時刻開關管斷開，電感開始以電流形式釋放能量，同時抬高了相同電壓下的電流值，擬和了t1-t0時間段電流與電壓波形，從而消除了電流諧波含量，相應的功率因素也得到了很大的提高。1.2.2應用前景PFC方案抑制電流諧波的效果很好，但是由于內(nèi)部的開關管的開關頻率非常高（一般在25K左右），因此工作時所帶來的電磁干擾也很大，為了抑制PFC自身所帶來的干擾通常要采用與PFC等價值的濾波器件，這樣一來勢必大大增加了變頻控制系統(tǒng)的成本，不利于市場競爭。所以在沒有特殊要求的變頻控制系統(tǒng)中不建議采用此方案。1.3PWM預調(diào)制方案（部分PFC方案）此方案屬于有源濾波方式（見圖5），它通過PWM調(diào)制來控制IGBT的導通截止時間，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)過無源的EMI點源濾波殿祿（通常采用濾波電感及共模和差模電容構成電源濾波電路）,然后經(jīng)整流橋整流后成脈動直流電源，在主回路上D1的正向電壓還不足以使D1導通時，通過單片機進行PWM控制，將IGBT導通，這樣次回路上將產(chǎn)生電流，通過幾次導通和關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應用前景PWM調(diào)制方案與PFC方案都是通過調(diào)節(jié)開關管的開通與截止來抑制電流諧波的，不同的是PFC方案下的開關管開通截止的頻率非常高，因此會帶來相應的電磁輻射，而PWM調(diào)制方案僅對過零點處進行幾次開關管的開通與截止控制，因此產(chǎn)生的電磁輻射很小。在家用電器競爭日益激烈的今天，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用。2結束語諧波對供電電源的質(zhì)量影響，對電網(wǎng)的污染越來越大，所造成的危害與后果日益嚴重，對經(jīng)濟效益造成的損失也越來越驚人