摘要：家用电器中的直流电源电路在工作过程中会产生比较严重的谐波电流，会影响到后端电路的工作性能及电力系统的稳定性。对此，以电冰箱直流电源电路为示例分析了谐波电流的产生过程，并给出了一种基于并联LC谐振滤波的谐波抑制方法。结果表明，通过所示方法可达到有效减少谐波的目的。
关键词：民用建筑；电气系统；谐波；抑制方法
前言
随着现代化技术的发展，各种家用电器也快速进入人们的日常生活中，比如空调、冰箱、洗衣机等。而这些家用电器中的许多控制部分是利用直流电源电路来进行工作的，通过对这些直流电源电路的结构分析可知，它们主要由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等部分组成。理论分析和实验都表明，这种直流电源电路工作时会产生比较严重的谐波电流。对于这种谐波电流，一方面它可能会导致后端电路工作不正常；另一方面，它还可能通过电源变压器回溯到电力系统中，造成电力系统的不稳定。因此，对于一些家用电器，特别是利用大电流工作的家用电器，设计时需要考虑对谐波进行抑制。目前，对于谐波电流的抑制，根据其实现方式的不同，大致可分为无源滤波法、有源滤波法以及谐波补偿法等。考虑到家用电器直流电路的工作特性及谐波抑制实现的简单性，基于无源LC谐振滤波的谐波抑制方法相对较好。对此，文中以电冰箱直流电源电路为例，分析了谐波产生的过程，并给出了利用并联LC谐振滤波实现的谐波抑制方法。
1家用电器电源电路谐波产生原因分析
对于家用电器，比如电冰箱的直流电源电路总体组成如图1所示。
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图1电冰箱直流电源电路
在图1电路中，假设4个二极管VD1～VD4用于整流的参数相同；C1为滤波电容，它主要将整流电路输出的半波直流电转变为近似稳定的直流电压；稳压器可对滤波后的电压进一步整形为稳定的直流电压，以供后端电路使用。通过对图1的分析可知，如果令v（t）的角频率为ω0，φ为二极管VD1与VD4或VD2与VD3的导通角，α为VD1与VD4或VD2与VD3的截止角，这样在v（t）一个波形周期内，二极管VD1～VD4的导通情况为：①当ω0t=α时，二极管VD1与VD4截止；②当ω0t=π时，二极管VD2与VD3导通；③当ω0t=π+φ时，二极管VD2与VD3截止；④在其余时间内，4个二极管均截止。而对于电容器来说，在二极管VD1与VD4导通或VD2与VD3导通期间，都处于充电状态；而在VD1～VD4均截止期间，则处于放电状态。经进一步地分析可知，如果令稳压器及右端电路在一起的等效电阻为R，则在τ=RC1□T0=2π/ω0时，可得在一个周期T0内变压器副边电压v（t）及电流i波形如图2所示。
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图2直流电源变压器副边电压与电流波形图
从图2中可以明显看出，变压器副边的电流i波形与输入电压v（t）波形是不一致的，即发生了畸变。而根据傅里叶级数展开特性可知，对于图2中的畸变电流i，由于其波形与v（t）具有相同的周期，因而i中必然包含着大量的谐波。
2并联LC谐振谐波抑制方法
通过在变压器副边接入并联LC谐振电路，可有效去除变压器副边回路电流中的谐波。当其谐振在ω0=1 时，电路总电抗则具有最大值，即对ω0的基波电流具有高阻特征，而对nω0（n＞1）的谐波电流则具有低阻特性，因此通过该电路可有效抑制谐波电流产生。另外，在实际应用中为减少副边电流波形的失真，Rp值的选取也要尽量小，取为3Ω。经过仿真，变压器副边中的谐波电流在LC谐振滤波前后的波形及频谱变化可知，在接入LC并联谐振滤波电路后，原先畸变严重的回路电流则基本恢复到与输入电压相同的波形，即大大消除了谐波。同时，可以看出，在经过谐振滤波后，回路电流频谱基本变为与基波频率相同的单频谱线，这也说明谐波得到了较好的抑制。
3谐波治理技术的现状与发展
为了提高电能质量，同时增加用电设备的安全可靠性，主要从三个方面着手以减少电网谐波：（1）从源头入手，综合考虑设备设施减少谐波产生；（2）减少谐波在电网运行中的影响，如在源头安装滤波装置；（3）减少谐波在负载端的影响，例如安装负载端过滤装置。
3.1静止无功补偿器（SVC）
由于感性负载会消耗无功功率，导致线路压降的增加。我国针对不同设备制定了功率因数的要求。无功功率补偿技术应运而生，其发展主要分为三代。第一代主要利用固定式或机械开关投切的电容器或电抗器。目前，第一代使用较少，基本退出应用。第二代的无功补偿装置，一般称为静止无功补偿器，主要使用电力电子开关实现对电抗器的快速控制。第三代无功补偿装置采用电力电子器件IGBT功率管来搭建整流和逆变电路，组成动态无功发生电源。静止无功补偿器装置由电容器、电抗器的快速投切及抗器的快速控制构成，主要原因是晶闸管动作时间快速，一般保持在10ms以内。
3.2无源滤波器（PPF）
无源滤波器由各种电子器件组合而成，并且串联在基波源电路中。滤波器振动次数与谐波次数相同。该次谐波大部分注入滤波设备中，从而提高系统的功率因数。无源滤波器不仅滤去谐波还会滤去部分基波，而且出现过载时容易被烧毁。
3.3有源滤波器（APF）
有源滤波器可以补偿各次谐波，可控性高，响应速度快，并且抑制闪变，补偿无功。有源滤波器分为并联型和串联型两种。其中，谐波电流问题主要由并联型有源滤波器解决，谐波电压问题主要由串联型有源滤波器解决。两种滤波器工作原理基本相同。并联型有源滤波器首先检测负载电流大小，进而计算得到谐波电流，然后发出与负载电流大小相等、方向相反的电流，相互抵消，进而减小电网侧谐波电流。
结束语
综上所述，电力系统谐波问题日趋严重，对安全生产带来严重隐患。为改善供电质量，企业必须加强对谐波的管理，采取切实可行的措施，对谐波进行综合治理，进而降低设备故障率、延长设备使用寿命、提高安全生产水平。
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论文作者:张拗凡
论文发表刊物:《电力设备》2019年第23期
论文发表时间:2020/4/13
标签：谐波论文; 电流论文; 电路论文; 滤波器论文; 抑制论文; 谐振论文; 波形论文; 《电力设备》2019年第23期论文;