功率因数校正基本原理与谐波概念
电路中的功率因数改善与谐波控制
电路中的功率因数改善与谐波控制电力系统是现代社会的基础设施之一，对于电力质量的要求也越来越高。
功率因数和谐波是两个重要的电力质量指标，对电力设备的正常运行和电网的稳定运行都具有重要的影响。
因此，电路中的功率因数改善和谐波控制成为了电力系统优化的关键问题之一。
一、功率因数的概念和意义功率因数是指电路中有用功与总视在功率之比，用功因数来表示。
功率因数的数值范围在0到1之间，其越接近1，表示电路利用率越高。
而功率因数低，则会导致电网中的电流大、损耗增加、线路过载等问题。
功率因数的改善主要有以下几种方式：1. 采用有功补偿设备，如电容器组，通过并联连接至负载电路，将无功功率由容性电流补偿掉，从而提高功率因数；2. 减少负载电流中的谐波成分，并通过谐波滤波器进行谐波控制；3. 合理设计电路参数，在电路连接时，尽量减少电感元件的使用。
二、谐波的概念和产生原因谐波是电路中频率是基波频率整数倍的一组分量，其存在会引起电流和电压的畸变，从而影响电力系统的稳定运行。
谐波主要是由非线性负载引起的，例如电弧炉、整流装置、变频器等。
谐波控制的原则是尽量减少谐波对电力系统的影响，可以采取以下措施：1. 使用谐波滤波器，通过选择合适的谐波滤波器参数来减小谐波电流，从而实现谐波控制；2. 采用谐波限制器，通过控制非线性负载的使用，限制谐波产生；3. 采用低谐波设计的电力设备，以减小谐波的产生和传播。
三、功率因数改善与谐波控制方法的比较功率因数改善和谐波控制都是优化电力系统的重要手段，但两者在应用上有所不同。
功率因数改善主要关注无功功率的补偿，通过提高电路的功率因数来降低电网的无功功率的占比。
能够有效降低线路损耗、改善电压质量、提高电网的稳定性等方面具有显著的作用。
而谐波控制则主要关注谐波电流的控制，通过减小谐波对电力系统的影响，保证电力系统的正常运行和设备的稳定工作。
谐波控制除了可以采用谐波滤波器和谐波限制器等设备外，还可以通过合理设计和选择低谐波的电力设备来进行控制。
整流电路的谐波分析
I
n2
2 n
1 为电压与基波电流间的相位差
1.2无功的基本概念
三相电路的功率因数： 对称：
P S P S
不对称：没有统一定义
理论依据不充分
关于无功、功率因数的计算值得探讨
3.谐波的产生与危害
主要谐波源： 传统非线性设备，包括变压器、旋转电机以及电弧炉等。 现代电力电子非线性设备 由于电力电子设备在各行业的大量应用，作为非线性设备 （谐波源）衍生物的电力谐波也比较普遍，根据日本电 气学会对186家有代表性的电力用户的调查结果，无谐 波源的用户仅占6％，主要谐波源来自90％的电力电子 装置用户，电力电子变换装置是目前主要的谐波源。
-50
-10
-50
-1
-100 0.5 0.505 0.51 0.515 time(s) 0.52 0.525
-20 0.53
-100 0.5 0.505 0.51 0.515 time(s) 0.52 0.525
-2 0.53
-400 0.10
0.12
0.14
0.16无功的基本概念
2） 非线性电路：
P, S 定义与线性电路相同
P U d I d U n I n cos n
n 1
S UI
U I
n 1 n n 1
n
U1 I1 1 THDu2 1 THDi2
2.无功的基本概念
Q 至今没有被广泛接受的权威定义
Q S 2 P2
3.谐波的产生与危害 谐波的危害：
1、线路损耗增加，传输能力下降 2、引起谐振和谐波的放大 3、使电机和变压器损耗增加，引起电机机械 振动 4、对继电保护、通信系统产生干扰
功率因数校正的分析
功率因数校正的分析功率因数校正是一种校正电气设备的技术，旨在改善电力系统的功率因数，提高电能的利用效率。
它对降低电能损耗、增加输电距离、改善电力质量等方面具有重要意义。
本文将对功率因数校正的原理、方法和应用进行详细的分析。
首先，我们来了解功率因数的概念。
功率因数是指交流电路中有功功率与视在功率的比值。
在电力系统中，负载的功率因数越低，说明负载对电能的利用效率越低。
例如，功率因数为0.7的电机，其视在功率是有功功率的倒数，即有147%的电能浪费在线路和变压器上。
所以，提高负载的功率因数对于节约能源具有重要的作用。
接下来，我们探讨功率因数校正的原理。
功率因数的补偿可以通过两种方式实现：被动校正和主动校正。
被动校正是指增加并联电容器或电感器，来补偿负载的无功功率。
这种方式简单、成本较低，但对电流谐波产生不利影响。
主动校正则采用电子装置，通过逆变器和电容器的控制，实现在线校正负载的功率因数。
主动校正方式不受谐波干扰，可在较宽的功率范围内校正功率因数，但设备和安装的成本较高。
然后，我们介绍功率因数校正的方法。
根据负载特点和电网需求，有多种方法可用于功率因数校正。
最常见的方法是并联补偿和串联补偿。
并联补偿是在负载侧并联连接电容器或电感器，通过无功功率的补偿来提高功率因数。
串联补偿是在电源侧串联连接逆变器和电容器，通过控制输出电流和电压来改善负载的功率因数。
此外，也可采用混合补偿方法，即并联和串联补偿的结合，根据实际情况综合考虑。
功率因数校正的应用非常广泛。
在工业领域，大型电机、电离发生器、弧炉等设备都需要进行功率因数校正，以提高电能的利用效率和降低能耗。
在商业和住宅领域，办公楼、超市、酒店、居民小区等场所，安装功率因数校正装置可以减少电能的浪费和降低电费。
此外，电力公司也可在配电网中使用功率因数校正装置，以改善电压质量、提高电能的传输效率。
然而，功率因数校正也面临一些挑战和限制。
首先，校正装置的选择和安装需要根据负载特点和电网要求进行合理设计，避免过校正或欠校正。
电力电子技术11谐波与功率因数
5.1 谐波与功率因数的概念
谐波的产生
由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生 畸变产生谐波。产生谐波的负荷称为谐波源。
主要的谐波源有
（1）电力电子装置。工业上常用的整流、逆变、调 压和变频器等
（2）电弧炉。包括用于钢铁等行业的交流和直流电 弧炉等。
（3）家用电器。如时光灯、电视机、调速风扇、空 调、冰箱等。
2In sin(nt n )
(3)谐波次数
un (t) Cun sin(nt n ) 2Un sin(nt n )
谐波频率和基波频率的整数比
(4)n次谐波电流含有率(HRIn)
HRI n
In I1
100 %
(5)电流谐波总畸变率(THDi)
THD i
Ih I1
100 %
作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，电感和电容间有大的充放
电电流并可能引发电路L、C谐振等。
5.3 功率因数校正技术
填谷式无缘校正
也可以用电容和二极管网络构成填谷式无 缘校正。“填谷电路”是将交流整流滤波 后的电流波形，从窄脉冲形状展开到接近 于正弦波形状，相当于把窄脉冲电流波形 中的谷点区域“填平”了很大一部分的电 路。“填谷电路”是利用整流桥后面的填 谷电路来大幅度增加整流管的导通角，通 过填平谷点，使输入电流从尖峰脉冲变为 接近于正弦波的波形，将功率因数提高到 0.9左右，显著降低总谐波失真。
现在APFC技术已广泛应用于整流开关电源、交流不间断 电源(UPS)、荧光灯电子镇流器及其它电子仪器电源中。
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功率因数校正电路(pfc)电路工作原理及应用
功率因数校正(英文缩写是PFC)是目前比较流行的一个专业术语。
PFC 是在20世纪80年代发展起来的一项新技术，其背景源于离线开关电源的迅速发展和荧光灯交流电子镇流器的广泛应用。
PFC 电路的作用不仅仅是提高线路或系统的功率因数，更重要的是可以解决电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。
线路功率因数降低的原因及危害 导致功率因数降低的原因有两个，一个是线路电压与电流之间的相位角中，另一个是电流或电压的波形失真。
前一个原因人们是比较熟悉的。
而后者在电工学等书籍中却从未涉及。
功率因数(PF)定义为有功功率(P)与视在功率(S)之比值，即PF=P/S 。
对于线路电压和电流均为正弦波波形并且二者相位角Φ时，功率因数PF 即为COS Φ。
由于很多家用电器(如排风扇、抽油烟机等)和电气设备是既有电阻又有电抗的阻抗负载，所以才会存在着电压与电流之间的相位角Φ。
这类电感性负载的功率因数都较低(一般为0.5-0.6)，说明交流(AC)电源设备的额定容量不能充分利用，输出大量的无功功率，致使输电效率降低。
为提高负载功率因数，往往采取补偿措施。
最简单的方法是在电感性负载两端并联电容器，这种方法称为并联补偿。
PFC 方案完全不同于传统的“功率因数补偿”，它是针对非正弦电流波形而采取的提高线路功率因数、迫使AC 线路电流追踪电压波形的瞬时变化轨迹，并使电流与电压保持同相位，使系统呈纯电阻性的技术措施。
长期以来，像开关型电源和电子镇流器等产品，都是采用桥式整流和大容量电容滤波电路来实现AC-DC 转换的。
由于滤波电容的充、放电作用，在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。
滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值(纹波峰值)相差并不多。
根据桥式整流二极管的单向导电性，只有在AC 线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，而当AC 输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时，整流二极管因反向偏置而截止。
功率因数(pf)与总谐波失真(thd)的关系
功率因数（PF）与总谐波失真（THD）的关系在电力系统和电力电子设备中，功率因数（Power Factor，简称PF）和总谐波失真（Total Harmonic Distortion，简称THD）是两个重要的参数。
它们分别反映了电路的有功功率利用效率和电流波形的质量。
本文将详细探讨功率因数与总谐波失真之间的关系。
一、功率因数的定义与意义功率因数，简称PF，是指交流电路中有功功率与视在功率之比。
视在功率是电压与电流有效值的乘积，而有功功率则是实际做功的部分。
功率因数越高，说明电路的有功功率利用效率越高，电力系统的运行越经济。
功率因数受多种因素影响，其中最主要的因素是负载的性质和电路中谐波的含量。
负载的性质决定了电流与电压之间的相位差，而谐波则会导致电流波形发生畸变，从而影响功率因数的大小。
二、总谐波失真的定义与意义总谐波失真，简称THD，是指电流或电压波形中谐波分量与基波分量之比的总和。
在理想的正弦波中，THD为零。
然而，在实际电路中，由于非线性负载、电力电子设备等因素的存在，电流波形往往会发生畸变，产生谐波分量。
THD的大小反映了电流波形的畸变程度，THD 越大，说明电流波形质量越差。
THD对电力系统的影响是多方面的。
首先，谐波会导致电气设备的附加损耗，降低设备的使用寿命。
其次，谐波还可能引起电力系统的谐振现象，导致电压波动和闪变。
此外，谐波还会干扰通信设备和精密仪器的正常运行。
三、功率因数与总谐波失真的关系功率因数与总谐波失真之间存在密切的联系。
一方面，谐波的存在会导致电流波形发生畸变，从而降低功率因数。
这是因为谐波分量与基波分量在相位上存在差异，使得有功功率减小，无功功率增加，进而导致功率因数下降。
另一方面，功率因数的降低也会反过来影响THD的大小。
当功率因数较低时，说明电路中存在较大的无功功率。
为了提高功率因数，通常需要采取补偿措施，如安装电容器等。
然而，这些补偿措施可能会引入新的谐波源，从而增加THD的大小。
电力电子：谐波与功率因数
电容器过载，降低系统 容量
对通信系统造成干扰
导致继电保护和自动装置 误动作
加速设备老化，缩短设备使 用寿命，甚至损坏设备
谐波的主要危害
浪费电能
谐波的治理：使用有源或无源滤波器
任务5.1 谐波与功率因数概念
❖ 5.1.2 整流电路的功率因数
❖ 功率因数的定义：交流用电设备的输入有功功率平均值P与其视在功率 S之比为输入功率因数PF。 PF计算公式为：PF=P/S
任务5.1 谐波与功率因数概念
❖ 5.1.2 整流电路的功率因数
❖ 4.提高用电设备功率因数的意义 （1）设备有效利用率更高； （2）改善电压的质量； （3）减少电源压降； （4）较小传输损耗； （5）输配电成本降低。 功率因数校正降低了系统中的无功功率、功率损耗进而输配电成本也随 之下降。
任务5.2 谐波与功率因数关系
❖ 5.2.1 电流谐波总畸变率 ❖ 输入电流总畸变率THDi的定义：除基波电流外的所有谐波电流总有效值
与基波电流有效值之比值。
❖ 电流有效值关系
I 2
I
2 n
I12
(
I
2 2
I
2 3
)
I12
I
2 h
n1
❖ I： 电流有效值
❖ I1：基波电流有效值 ❖ Ih：谐波电流总有效值 ❖ 电流谐波总畸变率
❖ 1.线性负载的有功功率及功率因数 如图5.1所示
图5.1 线性负载的输入电压及输入电流波形
有功功率 P UI cos 功率因数 PF P UI 念
❖ 5.1.2 整流电路的功率因数
❖ 2.非线性负载的有功功率及功率因数 ❖ 用电设备为非线性负载时，交流电源供给负载的电流不再是标准的正弦
电力电子技术中的功率因数校正的原理是什么
电力电子技术中的功率因数校正的原理是什么在电力电子技术中，功率因数校正是一个十分重要且广泛应用的概念。
它是为了提高电力系统的效率，减少能源浪费而被广泛应用于各种电力设备中。
本文将详细介绍电力电子技术中功率因数校正的原理及其应用。
一、功率因数的概念及意义在交流电路中，功率因数是指有功功率与视在功率之比。
有功功率是电路中消耗的实际功率，而视在功率则是电路中实际流入或流出电能的功率。
功率因数的值介于-1到1之间，其中绝对值越接近1，电路的效率越高。
功率因数的校正对于电力系统至关重要。
当电路中存在较低的功率因数时，电流和电压之间存在较大的相位差，造成电能浪费和设备损耗增加。
而通过功率因数校正，可以使电流和电压保持同步，最大限度地消耗有功功率，减少无效电能的浪费，提高整个电力系统的效率。
二、功率因数校正的原理功率因数校正的原理主要涉及到三个方面：无功功率补偿、谐波滤波和电网电压控制。
1. 无功功率补偿无功功率补偿是指通过安装无功补偿装置，即电容器或电感器，来提供所需的无功功率并改善功率因数。
当功率因数较低时，引入适当的无功补偿可以改善功率因数并降低系统的无效负载。
无功功率补偿设备可以根据电路的要求提供合适的电容或电感值，以补偿电感负载或电容负载所引起的功率因数下降。
2. 谐波滤波谐波滤波是功率因数校正中的另一个重要步骤。
电力电子设备中普遍存在着谐波干扰，这些谐波干扰会导致功率因数的下降。
通过在电力电子装置的输入端或输出端添加谐波滤波器，可以有效地滤除谐波干扰，改善功率因数。
3. 电网电压控制电网电压是功率因数校正的重要参考依据。
在电力电子装置中，通过对电网电压的监测和控制，可以实现对功率因数的调节。
当电网电压发生波动时，电力电子装置可以通过对其输出电压和频率的调整来实现功率因数的校正。
三、功率因数校正的应用功率因数校正技术广泛应用于各种电力设备和系统中，包括智能电网、电力变压器、电力电子装置等。
以下是一些主要的应用领域：1. 智能电网在智能电网中，功率因数校正是确保电网稳定运行和电能高效利用的关键技术之一。
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功率因数调整和谐波抑制基本原理
关键词：正弦波频率（周期）相位交流电电压电流电阻电感电容功率因数谐波
1、为什么要调整功率因数？
电能的合理应用要求在传输及分配中要尽量限制电网中所有引起电能损耗的因素，其中重要的因素之一就是无功功率。
无功功率因感性负荷所引起，工业以及公共电网上的主要负荷是电阻-电感性的。
电网功率因数调整的目的是通过在某些特定的环节上用超前无功功率来补偿滞后无功功率。
此方法还能避免过高压降及额外的电阻损耗。
将电容器尽可能地靠近电感负载并联于电网，就可产生所需的超前无功功率。
静态电容补偿装置可以减少电网上传输的滞后无功功率。
当网络条件改变时，通过增加或减少单个电力电容器，就可逐步调整所需的超前无功功率来补偿滞后无功功率。
2、功率因数调整的好处
☆输配电成本降低：8到24个月即可收回投资成本，功率因数校正降低了系统中的无功功率、功率损耗进而输配电成本也成比例下降。
☆有效的利用设备：功率因数的改善意味着电力设备更经济实用的工作（同样的视在功率具有更高的有功功率）
☆改善电压的质量
☆减少压降
☆优化电缆尺寸：随着功率因数的提高（载流量减小），电缆横截面也因此减小。
或者说，同样的电缆可以传输更多的功率。
☆较小传输损耗：输电线开关装置的载流量减不，假如只有有功部分，这就意味着输电线的铜损得以降低。
3、谐波的概念
谐波是频率几倍于50H频率的正弦电压和电流。
谐波是由非线性电压/电流特性的电子负载的操作而引起的，主要谐波源有以下几类：
①电力电子装置工业常用有整流、逆变、调压和变频器等。
②电弧炉用于钢铁等行业的交流和直流电弧炉等。
③家用电器如日光灯、电视机、调速风扇、空调、冰箱等。
④高新技术设备现代办公和商用计算机、节能灯、核磁共振设备等
发达国家的经验表明，随着科学技术的发展，各种非线性用电设备容量的增长率大大超过电网的发电设备容量的增长率，若不进行有效的谐波控制，供电电压的谐波畸变率可能高达10%。
我国电网已开始遭遇并将迅速面临发达国家当前的谐波局面，即谐波源随着高新技术的发展而猛增，电网电压的畸变率也将上升。
谐波畸变可以导致相关设备的误动作，谐波引起的共振甚至破坏电网中的某些设备，谐振可导致以下不良后果：
☆电容器的过载
☆变压器和传输设备的过载
☆对测量和控制系统的干扰，对计算机和电气传动装置的干扰
☆谐振增加，即谐波放大
☆电压畸变
而有源及无源滤波器可防止这种现象的发生。
4、受谐波影响的功率因数调整
电能对工业而言是极为重要的生产力因素。
我们的目标是如何有效地使用它，通过PFC降低无功电流有助于节约电能。
现代电力电子设备（驱动装置、不间断电源等）的大量使用所产生的非线性电流正以谐波的方式影响着电网并加重了它的负荷（电网污染），在常规的功率因数调整系统中，电力电容器与电力变压器形成了一个谐振电路，使得谐波电压和电流被放大，严重地加大了谐波的危害程度。
这些谐振现象可通过串联带有滤波扼流圈的电容器得以避免，称去谐功率因数调整系统。
去谐系统的自振频率要低于最低的线路谐波频率。
这样对于高于基波频率的谐波而言，去谐PFC系统表现为纯感性，对于50Hz的线路频率而言，
它呈容性，因而无功功率就得以调整。
在低压三相系统中，5次和7次谐波是最为严重的，滤波电容器被用于受谐波影响的系统功率因数校正，此时由电容器和消谐电抗器组成串联谐振电路，调整这个电路的串联谐振频率使之低于系统中的谐波频率。
对于高于谐振点的频率，系统呈感性，这就避免了与系统电感发生共振。
根据所选择的串联谐频率，部分谐波电流可由滤波电容器吸收。
剩余谐波电流则流入上级系统。
滤波电容器有助于减少由谐波引起的电压畸变并减轻对其它电子负载正常工作的干扰。
5、去谐功率因数调整的主要元器件
①PFC-12控制器
现代PFC控制器已经微处理器化。
微处理器分析来自电流变送器的信号并产生开关命令来控制接触器以增加或减少电容器投切的数目。
由这种微处理器PFC 控制器产生的智能控制可确保电容器每级平稳地使用，以及最少的开关操作次数，进而优化了使用周期。
②保险丝
保险丝是用作短路保护的安全装置
③电容器接触器
接触器是一种机电开关元器件，用于常规或KNKD系统中电容器与电容器或电抗器与电容器间的切换。
开关操作可由机械触头或电子开关（半导体）来完成。
若对于敏感负载，需要快速开关控制的情形，采用电子开关控制是较好的选择。
④消谐电抗器ISK
配电网越来越受到现代电力电子设备，即所谓的非线性负载，如驱动马达、不间断电源、电子镇流器等所产生的谐波污染。
谐波对连接在PFC电路中的电容器，特别是工作在共振频率上的电容器是非常危险的，将扼流圈与电容器串联可解调串联共振频率（电容器的共振频率），从而有助于防止电容器损坏。
关键频率是第五次和第七次谐振频率（250Hz和350Hz）滤波电容器组也可减低谐波畸变程度并达到清洁网络的目的。
电容器
功率因数校正电容器能产生必要的超前无功功率以补偿滞后的无功功率。
PFC电容器应该能够经受因为开关操作引起的高浪涌电流(＞100*I N)，如果电容器是并联的电容器组，那么由于来自电网和并联电容器开关的充电电流，会使浪涌电流增加( ≥150*I N)。