开关电源的谐波及其抑制

　　随着各种整流、换相设备、电弧炉、各种电力电子设备非线性负荷以及多种家用电器和照明设备等大量使用，谐波问题在某些电力系统中已经相当严重。

　　谐波对电力系统的危害主要有：

　　（1）对旋转电机产生附加功率损耗和发热，并可能引起振动。

　　（2）对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，导致电容器因过负荷或过电压而损坏；对电力电缆也会造成过负荷或过电压击穿。

　　（3）增加电网的损耗。当发生谐振或放大时损耗可达到相当大的程度。

　　（4）对继电保护、自动控制装置、信息机造成误动作和干扰。

　　（5）谐波增加电度表本身的误差，用户既吸收基波无功又吸收谐波功率。

　　近年来，随着电力电子技术的快速发展，开关电源的应用越来越广泛。一方面开关电源正朝着高可靠性和小型化的方向发展;另一方面，电力电子装置本身的功率容量和功率密度也在不断提高，比如智能电焊机、光伏发电、变频器、伺服控制系统等等，而开关电源中的大功率开关管在高频的开、关运行时必然会产生高次谐波和电磁干扰，注入到电网中，危及电网和系统本身的稳定。现在国内外抑制谐波的方法主要有无源滤波和有源滤波两种方式，国内外对谐波的分析和抑制都有相当多的文献报道，特别是对有源滤波器的研究。虽然有源滤波器在理论上滤波效果较好，但由于其技术复杂、成本较高，目前实际应用比较少。在大多数情况下，抑制谐波仍然采用无源滤波的方式，无源滤波一方面可以抑制谐波，另一方面有无功补偿的作用。

　　目前谐波已经成为开关电源与电子系统能否在应用现场正常可靠运行的主要障碍之一。欧美国家在1996年已制定了相关标准并强制严格执行，不符合其标准的电气产品不准进入市场。我国也在2003年制定了相应的标准，并在少数城市实行了对用户谐波含量超标进行一定处罚的制度，因此对开关电源谐波的研究目前显得尤为重要。

　　谐波产生的理论分析

　　电力电子器件的开关特性具有很强的非线性，开关电源在运行时会产生大量的谐波干扰。

　　单相大功率整流器的谐波分析

　　人们偏爱正弦波是因为其不含谐波，从而减少铁损并提高效率。在电机、变压器、电器设备设计时都假定了供电电源是正弦波，然而实际上在供电系统中不可能有标准的正弦波和直流电源，它们都是由不同频率的正弦波叠加而成，如图1为单相整流电路图。

　　

　　要使交流电压整流后负载直流电流的纹波很小，就要加入一个大的电感即L/RT，T的工频时为20ms，这样负载直流近似为直流Id。由于在负载端电感电流不能突变同时开关管在实际应用中开和关的时候有上升和下降时间，因此负载电流如图2所示。

　　上升、下降的时间角度为

　　

　　

　　单相逆变电路的谐波分析

　　图3为典型的单相逆变电路，假设直流电压为E，开关管在理想的情况下工作，即零电压开通和零电流关断，开和关的时间为零，开关管的占空比为50%

　　

　　其中频率与周期信号一致的分量称为1次谐波，又称基波，频率为周期信号3倍者称为3次谐波，3次及以上的谐波称为高次谐波。

　　方波电压V（t）是高次谐波叠加而成，谐波电压在电感、电阻等负载上形成谐波电流，因此负载电流也是由各次谐波电流叠加而成。

　　从以上单相的整流和单相的逆变电路分析，在电流回路中一定有谐波电流，同理可推出三相的整流和逆变也一定有谐波电流存在，因此只要有开关电源电气设备一定会有谐波的产生。

　　谐波的抑制方法

　　开关电源谐波的抑制可分为预防性和补救性两类。预防性是在设计开关电源时根据设计要求用有效的过程和方法来控制开关管，但是无论用何种先进的控制策略，谐波成分是不可避免的;补救性的解决方法是为了克服系统已经存在谐波成分所采用的技术，目前所用办法是用滤波器（无源滤波器、有源滤波器），有源滤波器在国内外有相当多的文献从理想的角度去研究，但是在实际应用中是非常困难的，比如系统谐波含量的检测、抵消谐波含量的多少、实时性并且有源滤波器又有开关器件其自身又产生谐波等等，因此从制作成本和控制方法看无源滤波器是非常适用，在设计时考虑一定的裕量，可以设计为较通用的滤波装置。

　　由于在开关电源和控制系统中从谐波能量分析来看，3、5、7次谐波含量最大，其它高次谐波能量小远远低于国家制定的标准。无源滤波器的设计方法比较多，作者通过仿真分析设计出一个抑制3、5、7次的无源滤波器，如图4、5所示。从仿真图可以看出该设计方法能抑制3次（L1、R1、C1）、5次（L2、R2、C2）、7次（L3、R3、C3）谐波。

　　试验和数据

　　图4设计了一个无源滤波器，无源滤波器并联在电路中，并且要选好连接的谐振点，否则达不到预期抑制效果，如图6。经过仿真与反复试验选取参数如下：

　　

　　

　　该滤波装置对TZ3X100型三相级整流凸焊机测试，图7为没有安装滤波器时开关电源输入端的电压波形图，其谐波含量达到17%;图8为安装滤波器装置后在开关电源输入端测试的电压波形图，其谐波含量仅为2%，显然滤波器达到了非常好的效果。

　　

　　通过以上对单相开关电源整流和逆变的理论分析可知，大功率高频开关电源一定存在谐波含量，通过测试可看出谐波含量较大，因此抑制谐波已是当务之急。作者设计了一套三相无源滤波器装置，通过对焊机的测试可看出接入滤波器装置后三相电源电压的谐波成分减少，低于国家标准，达到了满意的效果;同时接入该滤波器后能提高功率因素，该滤波器对光伏发电系统、伺服控制系统等也同样适用。