嚴希清，陳忠士

（福建船政交通職業(yè)學院機械與智能制造學院，福建 福州 350007）

0 引言

如今各行各業(yè)廣泛應用電力半導體整流裝置，小到家用的小型整流電源，開關電源，大到上萬安培甚至幾十萬安培的大型電解電源，不但如此，還有絕大部分都有整流環(huán)節(jié)的各種逆變裝置、廣泛應用的交流變頻調速等裝置，給電網(wǎng)增加了許多整流負載。這些電力電子裝置基本上是具有非線性特性的負載，使所加的電壓與產(chǎn)生的電流不成線性（正比）關系而造成的波形畸變，就產(chǎn)生大量的諧波，由于諧波的頻率較高，使導線的集膚效應加重，因此銅損急劇增加，同時變壓器鐵心由于不能適應急劇變化的磁通而導致鐵損急劇增加，導致電網(wǎng)功率因數(shù)下降較多，不利于提高電能利用率。諧波超量以及功率因數(shù)降低這兩大因素是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的主要公害，使電能利用率降低，與現(xiàn)階段國家提出的“碳達峰、碳中和”的低碳發(fā)展不相匹配。

公用電網(wǎng)中存在的諧波電壓和諧波電流對用電設備和電網(wǎng)本身都會造成很大的危害，世界上許多國家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標準，或者由權威機構制定了限制諧波的規(guī)定。制定這些標準和規(guī)定的基本原則是限制諧波注入電網(wǎng)的諧波電流，把電網(wǎng)諧波電壓控制在允許范圍內，使接在電網(wǎng)中的電氣設備免受干擾，正常工作[1]。電網(wǎng)的功率因數(shù)低說明電路無功功率增大，電能的利用率降低，線路電壓損失增加。因此，采取措施抑制以至消除電網(wǎng)的諧波，提高電路的功率因數(shù)，達到提高電能利用率，促進節(jié)能減排是電力電子技術領域中一項重要的研究課題。

1 網(wǎng)側電流諧波的抑制和濾除

目前抑制或濾除網(wǎng)側電流諧波的方法有：①在整流裝置的輸入側加裝濾波器；②在網(wǎng)側投入無功補償裝置；③增加整流相數(shù)，使網(wǎng)側電流更加接近正弦波；④盡量設法使整流裝置運行在α比較小的狀態(tài)下，利用多重化技術進行波形疊加，以消除某些低次諧波；⑤利用有源濾波技術等[2]。

抑制諧波的補償裝置也叫失諧濾波器，它的調諧點偏離系統(tǒng)的特征諧波電流（電壓）較遠，相對流過支路的諧波電流比較少，比如各大國產(chǎn)電器設備廠商生產(chǎn)的TBB系列高壓無功集中補償裝置ZTSC低壓動態(tài)無功補償裝置，經(jīng)常選用6%的電抗器來抑制5次諧波，實際選擇6%電抗器的補償支路，調諧點在4.08遠小于5，這樣補償支路流過5次諧波電流少，但達到了諧波不放大，補償設備安全運行的目的。

濾除諧波的補償裝置也叫調諧濾波器，它的調諧點比較接近系統(tǒng)的諧波電流（電壓），流過支路的諧波電流比較多，比如各大國產(chǎn)電器設備廠商生產(chǎn)的ZRFC和ZTFC產(chǎn)品，經(jīng)常設置5次濾波支路，調諧點在4.75＜5，所以大量5次諧波電流流過支路，濾波效果比較好。

2 提高功率因數(shù)的方法

利用全控型器件如IGBT，可以有下面幾種改善功率因數(shù)的方法，電路圖如圖1所示，其中T1、T2、T3和T4均可使用IGBT，但都需要串入整流管。

圖1 單相半控橋及全控橋的整流電路

2.1 利用器件熄滅角的控制提高功率因數(shù)

傳統(tǒng)的相控整流的控制方法，都是通過改變晶閘管的觸發(fā)角α，從而改變器件導通角θ來實現(xiàn)控制。現(xiàn)在可以采用全控型器件，使器件總是在電源過零時導通，然后通過控制熄滅角β來達到改變整流輸出電壓的目的[3]。

圖2（a）中半控橋電路，T1和T2分別在ωt=0和ωt=π時導通，在ωt=π-β和ωt=2π-β時使其關斷。D1和D2也會自動地在相應時刻導通和關斷。圖2（b）中全控橋電路，在感性負載時，有一段時間使T1和T4以及T2和T3同時導通，所以器件導通順序是T1，T2→T1，T4→T4，T3→T3，T2→T1，T2。

圖2 熄滅角控制時的波形

根據(jù)波形可求出輸出電壓的平均值和有效值分別為：

可以看出，網(wǎng)側電流中的基波電流分量領先電源電壓一個相角，即表現(xiàn)為一種容性的特性，從而補償了以感性負載為主要特征的電網(wǎng)中的滯后無功，達到提高功率因數(shù)的目的。

2.2 利用對稱角的控制提高功率因數(shù)

利用圖3可以實現(xiàn)對稱角的控制。對圖3中T1、T2的控制為：T1在ωt=(π-β)/2時導通，在ωt=(π+β)/2時關斷；T2在ωt=(3π-β)/2時導通，在ωt=(3π+β)/2時關斷。通過改變β角來改變整流輸出電壓。這樣網(wǎng)側電流的基波電流分量總是與電源電壓同相，即位移因數(shù)為1，從而明顯提高功率因數(shù)，但這種方法可能會增大諧波分量[4]。

圖3 對稱角控制時的波形

2.3 PWM和SPWM技術抑制諧波，提高功率因數(shù)

前面介紹的熄滅角控制和對稱角控制這兩種方法，每一個半周只有一個脈沖，利用傳統(tǒng)的濾波方法濾除低次諧波是比較困難的。采用PWM(脈寬調制)技術就可以做到每一個半周有幾個脈沖，甚至幾百個脈沖，這樣一來，可以通過選擇每個半周的脈沖個數(shù)來消除某些低次諧波。雖然增加了每個半周的脈沖數(shù)會增加高次諧波的幅值，但高次諧波較低次諧波易濾波[5]。輸出電壓的改變，可通過提高脈沖寬度來實現(xiàn)，其工作波形如圖4所示。

圖4 PWM控制時的波形

SG3525是美國硅通用半導體公司推出的以用于驅動N溝道功率MOSFET，SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅動為推拉輸出形式，增加了驅動能力；內部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM 鎖存器，有過流保護功能，頻率可調，同時能限制最大占空比[6]。

SG3525是定頻PWM集成電路，采用16引腳標準DIP封裝，引腳圖如5所示：

圖5 SG3525管腳圖

如圖6所示，該電路直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的元器件作為電源。振蕩器腳5須外接電容CT，腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率廠由外接電阻RT和電容CT決定：

圖6 基于SG3525的PWM抑制諧波電路

振蕩器的輸出分為兩路，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出，誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進行比較，輸出一個隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個輸入端?；蚍情T的另兩個輸入端分別雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出互補，交替輸出高低電平，將PWM脈沖送至三極管VT1及VT2的基極，鋸齒波的作用是加入死區(qū)時間，保證VT1及VT2不同時導通。最后，VT1及VT2分別輸出相位相差為180°的PWM波[7]，這種利用PWM技術抑制諧波效果良好且不會增大諧波分量。

若要得到網(wǎng)側諧波更小的電流，還可以采用正弦脈寬調制技術（SPWM），使網(wǎng)側電流波形為一正弦脈寬調制波形，更有效地提高功率因數(shù)，抑制諧波。如圖7所示：

圖7 SPWM控制原理(a)為單極性SPWM調制，(b)為雙極性SPWM調制

3 結語

綜上所述，利用PWM(脈寬調制)技術，既可以提高電網(wǎng)功率因數(shù)，又可以降低或消除電網(wǎng)中電流的低次諧波。改變輸出電壓，可通過提高脈沖寬度來實現(xiàn)；若要得到網(wǎng)側諧波更小的電流，還可以采用正弦脈寬調制技術（SPWM），使網(wǎng)側電流波形為一正弦脈寬調制波形，更有效地提高功率因數(shù)，抑制諧波。因此，PWM（脈寬調制）或SPWM（正弦脈寬調制）技術在改善電力公害、提高電能利用率及節(jié)能減排方面是較好的技術手段。