开关电源系统中谐波的抑制

张 罡 ，张小平 ，朱建渠 ，3

（1.重庆科技学院 机械与动力工程学院，重庆 401331；2.攀枝花学院 电气信息工程学院，四川 攀枝花 617000；3.西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031）

0 前言

开关电源已广泛应用在各行各业中，而开关电源的核心技术是电力电子技术，开关器件在导通和关断时会产生谐波成分和电磁干扰，影响系统的正常工作，降低电网电源功率因素，因此，电力电子技术的快速发展，谐波的抑制已成为国内外同行专家关注的重点。

传统的供电系统被设计成按基波频率的正弦波运行。在各种电气设备中，理论上其运行的正弦波电压就是基波电压，实际上，在供电系统中存在电机、变压器、电器设备以及强非线性的电力电子器件等各种非线性设备，必将产生非基波的正弦波电压，即谐波成分。在此主要针对开关电源中的整流和逆变两部分进行分析其谐波产生的机理，提出抑制谐波的可行方案，并通过试验验证所设计的新型滤波器的滤波效果。本研究的思想将改变传统单谐振抑制谐波的方法，为开关电源系统可靠而稳定的运行提供参考。

1 谐波的理论分析

1.1 单相大功率整流电路的谐波分析

典型的单相不控整流电路如图1所示，其工作原理不做详细介绍，重点分析整流前端输入电源的电压与电流的相位关系，如果相位相同，其为高功率因素1，同时还关心的是经过4个不控二极管开关后，为了得到纹波较小的直流电压，加入LC滤波后能减小纹波和谐波成分。由图1可知，如果要向负载中提供电流，当电源端输入端峰值电压幅值大于滤波电容两端的电压副值时，iac的值才大于零，也就是电网才能向负载提供电流。输入电源电流与电压的相位关系如图2所示，Uac为输入电压，iac为电源端的输入电流。输入电流iac呈尖脉冲形式，与电压不同相位，对电流进行傅立叶分解后会得到一系列的谐波，导致输入电源为0.6～0.7的低功率因数。

图1 单相大功率整流电路Fig.1 A single-phase large power rectified circuit

图2 图1中的输入电压、电流波形Fig.2 Waveforms of input voltage and current in

电网交流电压的频率为50 Hz，从理论上分析，图1中要为负载提供纹波很小的直流电流，需在整流输出端串一个大电感，这样负载直流近似为直流Id。电感电流不能突变，同时开关管在导通或者关断时都有上升和下降时间，其负载电流如图3所示。

假设开关管上升和下降的时间角度为

对图3进行傅立叶分解，可得

图3 单相整流负载电流Fig.3 Load current of single-phase rectified circuit

从式（2）可看出，单相整流负载电流含有奇次谐波。分析单相整流输入电压与电流的相位关系以及单相整流负载电流的谐波成分，单相整流输入端和负载端都存在高次谐波。同理三相不控整流的输入端和负载端也存在高次谐波。以上分析的是不控整流，而在整流电源中，通常采用可控整流，即通过控制晶闸管的导通角来控制输出电压的大小，无论是单相可控整流还是三相可控整流，其开关管的导通不是过零导通，如果采用闭环控制，其导通角随时在变化，因此，在可控整流中，其输入端和负载端存在的谐波成分比不控整流的谐波成分大。

1.2 单相逆变的谐波分析

典型的单相半桥逆变主电路如图4所示，由两个开关管组成，通过LC滤波后为负载提供交流正弦波电压，设逆变器前端的直流电压为E，假设开关管为零电压开通、零电流关断，开关管的开和关的导通时间为零的理想开关。因此，开关管占空比为50%。

图4 单相逆变电路Fig.4 A single-phase inverter circuit

在图4中可得到以下表达式

将式（3）、式（4）进行傅立叶变换可得

式（6）中，频率与周期信号一致的分量称为1次谐波，又称基波，即sin ωt，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，实际上还有偶次谐波和分数谐波。本研究主要对奇次谐波进行分析和抑制。图5为式（6）所有正弦波的分量的叠加[7]。同理可得，三相逆变器也一定有谐波电流存在。从以上分析可知，开关电源中整流部分和逆变部分都会产生谐波电流。

图5 各分量叠加成矩形波Fig.5 Rectangular wave superposed by its each of components

2 谐波抑制

开关电源谐波抑制可分为预防性和补救性两种方法。预防性是在设计开关管的导通和关断时，用一种可行的控制方法让开关管工作时尽量产生低能量的少数次谐波，这种方法是从源头抑制谐波的产生。采用何种可行的控制方法要根据电路的拓扑结构和负载类型综合分析，并且要通过反复的试验调整控制方法中的控制参数和主电路设计参数。补救性是指系统中已经产生了谐波成分，通过外界因素来抑制谐波，也就是在电路中并联一个滤波器，让谐波流入该滤波器。该滤波器有无源滤波器和有源滤波器两种，通常无源滤波器是对系统中的谐波成分针对性的抑制，当然在对滤波器进行设计时，要对系统的谐波源及谐波含量进行测试分析。有源滤波器的工作原理是当无源滤波器检测到系统有谐波时，有源滤波器实时产生一个相反的谐波与之抵消，有源滤波器存在的问题是谐波检测的实时性，还有就是有源滤波器自身也会产生谐波。因此，现在用得比较多的还是无源滤波器。无源滤波器设计的基本思想是用电抗器和电容器组合一定的电路结构，为谐波提供低阻抗通道，其设计电路拓扑结构多。本研究通过仿真分析设计出一个抑制3次以上谐波的无源滤波器，如图6、图7所示。该电路能抑制3次、5次、7次以上谐波。仿真参数为L1=0.70 mH、C=239 μF、L2=0.60 mH。

图6 无源滤波器接入框图Fig.6 B lock diagram of passive filter attachment

图7 无源滤波器仿真Fig.7 Simulation of passive filter

3 试验

根据分析和仿真参数，对图6进行了试验验证，试验参数为 L1=0.75 mH、C=239 μF、L2=0.65 mH。并按照图8接线方式并联接入在电路中，由于电感、电容的设计参数值会随着其温度的升高变化而变化，因此，该实验参数是经过反复试验确定的。

图8 滤波器设计电路及接线Fig.8 Circuit design and wiring diagram of passive filter

该滤波装置对3 kW的整流逆变电源进行了试验测试，试验装置如图9所示。图10为没有安装滤波器且阻性负载是逆变器输出端的电流波形，其谐波含量达到17%；图11为安装了滤波器装置后的电流波形，其谐波含量约4%，滤波效果非常好。

图9 无源滤波器实验装置Fig.9 Test apparatus of passive filter

图10 没有接入滤波器的电压波形Fig.10 Voltage waveform without filter

图11 接入滤波器电压波形Fig.11 Voltage waveform with filter

4 结论

通过单相整流电路和单相逆变器的理论分析可知，整流和逆变会产生谐波成分，在变频器或风力发电系统中，既有整流部分又有逆变部分，在整流输出端，即逆变前端会使谐波成分叠加，加大谐波成分的能量，因此，在直流电压线路中并联滤波器，将使在直流电压中游动的谐波流入到滤波器中。设计了一个新型的无源滤波器，通过仿真分析可知，可以抑制一定频率带宽的谐波，通过试验验证了在滤波器接入前后，滤波器接入后能达到很好的滤波效果。

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