某型无源谐波抑制装置设计

陈瑜，许荣彧

（1. 海军驻719所军事代表室，武汉 430064；2.武汉第二船舶设计院，武汉430064 ）

0 引言

谐波是影响电能质量的重要因素之一[1]，它通常是由电网中的非线性设备产生的。电力系统存在很多非线性设备，如各种电机、整流逆变装置等，这些设备在工作时将会造成供电电压或电流畸变，从而产生除基波分量外的各种电压或电流谐波分量。近年来，各种电力电子装置的广泛应用使军用装备独立系统电网出现了大量的干扰源。特别是含有整流装置、开关电源及其它以脉冲方式工作元器件的负载很可能给电网带来谐波干扰。滤波，本质上是从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信号的过程[2]。

1 无源谐波滤波器模块化设计

1.1 模块化设计的优点

模块化是指对一定范围内的不同产品进行功能分析和分解的基础上，划分并设计、生产出一系列通用模块或标准模块单元，然后，从这些模块单元中选取并补充新设计的专用模块单元和零件（电路）一起进行相应的组合，以构成满足各种不同需要的产品的一种标准化形式[3]。

采用模块化设计能够带来以下好处：

1）降低设计和生产成本

设计生产过程中模块化工作可以规范生产和检测，减少重复劳动，降低生产成本。

2）降低使用和综合保障成本

在设备的使用过程中， 模块化结构有利于迅速、可靠地在使用环境中进行故障诊断和维修。当设备中有一个模块故障退出后，维修仅只需更换故障模块，可靠性和可维护性高[4]。

基于以上好处，某型无源谐波滤波器设计为模块化结构形式。通过目标电网在线测试和对相关设备谐波干扰特性的预测分析，获得需滤除谐波的次数、幅度等配置需求，对应于每个需要滤除的谐波频点，设计标准化的单次谐波滤波模块单元，包括3次谐波滤波模块、5次谐波滤波模块、7次谐波滤波模块、9次谐波滤波模块、超隔离变压单元等。各模块均具备各自独立功能，具有近于一致的几何连接接口和电气输入输出接口，便于模块的组合和更换，满足无源谐波滤波器构建后针对不同滤波目标的定制需求。

1.2 单次谐波滤波模块设计

无源谐波滤波器的模块化设计充分体现自上而下的模块划分原则[5]。首先确定无源谐波滤波器顶层技术指标[6]。根据滤波电网结构及负载谐波干扰特征，结合该电网谐波电流传导发射的在线测试数据，分析无源谐波滤波器的应用需求，确定技术指标（主要为插入损耗指标），并分解至各主要单次谐波的插入损耗要求，确定各单次谐波滤波模块的技术指标。

单次谐波滤波模块电路参数设计如下：

对于h次谐波频点，电路阻抗为

为实现h次谐波滤除，则需要h次谐波谐振，形成低阻抗回路，即h次谐波滤波电路总电抗为零，变为纯电阻性。

得到L和 C 的对应关系:

在单次谐波滤波电路中起主要作用的是电感和电容，电阻是低值电阻，用于补偿电路中的阻抗。根据所要滤除的谐波次数，可对R取一个较小的值，再利用L和C的对应关系选择合适的参数。

根据测量和分析出的主要单次谐波电流的大小，确定谐波滤波模块中电容器C的容量，计算公式如下：

其中：QC为电容器容量；UP为相电压有效值。

电容C：

其中：ω0为系统的基波角速度；UC为电容器的额定电压。

根据上式（6）中L和C的关系，计算电感L：

无源谐波滤波器的超隔离变压单元是采取了屏蔽设计的通用型变压器，初次级电压比为1:1，可以使电源侧和负载侧之间实现完全的电隔离，起到对瞬变电压、脉冲尖峰等的衰减作用，对10 kHz以上的射频信号也有几十个dB的衰减。

设计完成单次谐波滤波模块、超隔离变压单元等标准化模块后，根据需要选取模块组合成无源谐波滤波器，即插即用，易于优化和扩展。

2 试验方案

对于无源谐波滤波器主要指标插入损耗的试验和测试，按照标准GB/T 15288-94、GB7343-87等标准的要求，选用50 Ω测试系统和实际负载测试系统试验方案。由于无源谐波滤波器谐波阻抗很小，在50 Ω系统中的测试数据与实际应用不能相互吻合，存在很大试验和设计误差，故无源谐波滤波器关于插入损耗的试验方案选用实际负载测试系统。

试验系统按照GJB152A中CE101（25Hz～10kHz电源线传导发射）测试方法搭建。并经充分论证，选取谐波特性为某型开关电源作为试验中的谐波源负载。

插入损耗测量电路测试系统原理图见下图1、图2。

图1 校准配置

图2 测试配置

按图1配置校准电路，在3次～15次各频点测量谐波电流值A1dB；

按图2配置测试电路，在3次～15次各频点测量谐波电流值A2dB。

无源谐波滤波器插入损耗值：

3 仿真和试验

按照图1的测试方法测得 某型开关电源的谐波电流，曲线如下图3所示，得到各频点谐波电流值见表1。

表1 某型开关电源的谐波电流

由上图、表可知，负载的3次、5次、7次、9次、11次、13次谐波电流较大，甚至出现较大的超标。针对超标较大的谐波频率，选取相应谐波滤波模块构建无源谐波滤波器，建立模型仿真分析谐波滤除效果，并用实际电路试验来验证其它谐波频点的插入损耗。

选取3次、5次、7次谐波滤波模块构建无源谐波滤波器

建立模型仿真分析谐波滤除效果，结果如下图4，曲线表明3次、5次、7次频率处的谐波衰减分别达到28 dB、20 dB、21dB。

选取3次、5次、7次谐波滤除模块构建无源谐波滤波器，并按图2试验电路测试，测得谐波电流曲线及数据如图5、表2。

由表1及表2中的数据对比可以看出，大部分谐波电流得到衰减；其中3次、5次谐波的插入损耗已经满足要求，分别为17 dB、22 dB；但7次～11次谐波频点的插入损耗小于15 dB，不能满足技术协议要求。

表2 谐波电流数据

选取3次、5次、7次、9次谐波滤波模块构建无源谐波滤波器

在上次试验基础上，增加9次谐波滤波模块构建无源谐波滤波器，进行调试和试验。电路仿真模型得到的仿真曲线如下图6，曲线表明3次、5次、7次、9次频率处的谐波电流得到很好的衰减，分别达到29 dB、20 dB、22dB、33dB，满足技术协议要求。对于高次谐波，由于电路中已经串入了一定量级的电感，在实际电路中会有一定量的衰减。

选取3次、5次、7次、9次谐波滤除模块构建无源谐波滤波器，并按图2 试验电路测试，测得谐波电流曲线及数据如图7、表3。

表3 谐波电流数据

由表2和表3的测试数据进行比较，得到表4中无源谐波滤波器在各谐波频点的插入损耗。

从表4中的数据可以看出，150 Hz、250 Hz、350 Hz、550 Hz、650 Hz、750 Hz频率处谐波电流插入损耗均满足插入损耗的技术要求。

表4 插入损耗

4 结论

本文分析了3次、5次、7次、9次谐波滤波模块以及超隔离变压单元，并在结构上优化改进，实现模块化无源谐波滤波器的设计方案。通过仿真和试验，验证了该谐波抑制装置能够有效滤除3次—15次的谐波电流，插入损耗测量在15 —20 dB之间，滤波效果良好。

[7] 林福昌, 李化. 电磁兼容原理及应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009,1

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