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諧波電流測試常見問對及整

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諧波電流測試常見問對及整

對于由交流市電供電的電子、電氣產品，諧波電流是一個很重要的電磁兼容測量

在低壓市電網絡使用的電子電氣設備，其供電電壓是正弦波，但其電流波形未必是正弦波，可能有或多或少的畸變。大量的此類設備應用，會造成電網電壓波形畸變，使電網電能量下。

圖4：高壓整流電路及對應的畸變電流波形
一個周期函數可以分解為傅立葉級數，表示為多級正弦函數的和，即可把周期信號當作是正弦函數的基波與高次諧波的合成。

所以，我們可以將設備的畸變電流波形分解為基波和高次諧波，通過特定的儀器測量高次諧波含量，就可以分析出設備電流波形畸變的程度。這些高次諧波電流分量我們稱為諧波電流。

6：畸變電流波形的傅立葉展開示圖
當電網中存在過量的諧波電流，不僅會使發電機的效率低，嚴重時還會造成發電機和電網設備的損壞，同時還會影響電網用戶設備的正常工作，比如計算機運算出，電機面
正是出于保護共用電網電能量，保障電網和用戶設備的正常IEC 提出了諧波電流限標準。
諧波電流測試不適用于由非市電的低壓交、直流和電池供電的電子、電氣產品。

3.1 測量標準紹

下面以 GB17625.1 標準為例，對諧波電流的測量作一個要
標準名稱： GB17625.1-2003 idt IEC61000-3-2:2001《電磁兼容 限諧波電流發射限（設備每相輸入電流 ≤16A）》
GB17625.1-2003 是眾多電子電器產品認證檢驗的一個重要依據標準。該標準測量和限制的就是由低壓市電供電的電子、電氣產品設備每相輸入電流≤ 16A）在使用時其供電電流波形畸變的程度。
GB17625.1-2003 標準是通過限制設備電流的高次諧波分量的大小來限制設備電流波形的畸變的。
GB17625.1 考慮到40 次諧波電流含量。

3.1.1 標準的適用圍

該標準只對入率為 50Hz/60Hz、相電壓為 220V/230V/240V 的低壓供電系統且每相輸入電流不大于16A 的設備提出諧波電流限要。
該標準是一個通用電磁兼容標準。適合于本標準的產品類別較多，如用電器、電工、電氣照明設備、信息技術設備、影設備

3.1.2 設備的分類

分類是按照諧波電流限值不同而進行的。
A 類：平衡的三相設備 ;
家用電器，不包括列入 D 類的設備；
工具，不包括便攜式工具；
白熾燈調光器；
音頻設備；
以及除以下幾類設備外的所有其他設備。
B 類：便攜式工具；不屬于專用設備的電弧焊設備
C 類：照明設備
D 類：有功功率不大于 600W 下列設備：個人計算機和個人計算機顯示器；電視接收機。
B 類、 C 類和 D 類設備定義比較簡單，A 類的區分比較復雜。


3.1.3 諧波電流限值

下列類型設備的限值在該標準中未作規定：
額定功率 75W 及以下的設備，照明設備除外（將來該值可能從 75W 減小到 50W）；
總額定功率大于 1kW 的專用設備；
額定功率不大于 200W 的對稱控制加熱元件；
額定功率不大于 1kW 的白熾燈獨立調光器。

（通常有生產廠家利用此條的限制項來達到免于進行諧波電流限制的目的）


3.1.3.1 A 類設備的諧波電流限值
A 類設備的諧波電流限值見標準相應表格，限值是有效值，單位為安培。該限值是固定值，與產品的功率和基波電流大小不相關。
3.1.3.2 B 類設備的諧波電流限值
B 類設備的諧波電流限值是 A 類設備的限值的 1.5 倍。
3.1.3.3 C 類設備的諧波電流限值
a）有功輸入功率大于 25W
對于有功輸入功率大于 25W 的照明電器，諧波電流不應超過 C 類設備的相關限值。該限值與產品基波電流大小不相關。

b）有功輸入功率不大于 25W

對于有功功率不大于 25W 的放電燈，標準規定了其特定的合格判定條件。
3.1.3.4 D 類設備的諧波電流限值
a）只限制奇次諧波電流。
b）奇次諧波電流不僅要符合最大允許諧波電流，還要符合“每瓦功率允許的最大諧波電流 ”。
可以說對 D 類設備的要求是比較嚴格的，而實際情況卻是 D 類設備的諧波電流往往比較大。

該規定是考慮到 D 類設備應用非常廣泛，又經常是連續運轉，客觀上又經常同時使用。如此多的 D類設備同時工作， 它們產生的諧波電流在合成（矢量合成） 后對電網電能質量的影響將是不能不考慮的。


3.1.4 諧波電流測量儀器
諧波測量設備一般由兩部分組成：精密電源單元與測量儀表單元。
要求電源部分能向被測設備提供良好波形的電壓源、負載能力和平坦的阻抗特性。
標準規定測量儀表單元必須是離散付氏變換（FFT）的時域測量儀器，能夠連續、準確地同時測量全部各次諧波所涉及的幅值、相位角等需要量。
目前實驗室多采用以 FFT 為頻譜分析原理的諧波測量儀。測量儀的前級為采樣電路、模-數變化器，

后級是 FFT 分析儀（可以利用 PC 機實現）。


3.1.5 試驗條件
標準中規定了部分類型設備諧波電流的試驗條件。
對于沒有提到的設備， 發射測量應在用戶操作控制下或自動程序設定在正常工作狀態下，預計產生最大總諧波電流（THC）的模式進行。

這是規定了發射試驗時設備的配置，而不是要求測量 THC 值或尋找最惡劣狀態下的發射。


3.2 諧波電流發射的基本對策
解決諧波發射超標問題的基本辦法是在原來的電源電路中增加功率因數校正（PFC）電路。或改變已有的 PFC 電路，使其滿足測試標準要求。
功率因數校正一般分為兩種類型，即主動式和被動式。
當然對于中小功率的電子、電器設備，盡可能將其消耗的有功功率降低到 75W 以下，也不失為一種有效的方法。因為標準沒有對 75W 及以下的設備給出限值（照明設備除外） 。

對于一些專用的或特殊用途的設備，使其滿足標準限值中免于限制條款，也是可行的。


3.2.1 主動式功率因數校正
主動式功率因數校正電路可以最大限度的提高功率因數，使其接近于 1，這是目前較為理想的諧波電流解決方案。
這樣的開關電源電路必須使用二級開關電路控制，其中一級開關電路用來控制電流諧波，另外一級開關電路用作電壓調整。
該方案電路比較復雜，對電路元件要求高，增加的改進成本較高，而且對原來電源電路的設計概念必須作徹底的更新。
使用中還應該注意到，設備注入電源的射頻傳導騷擾可能因此而增加，這時必須再根據需要增加抑制電源傳導騷擾的元件。
顯然，因為技術的原因，該方案一般不能應用在采用線形電源變壓器供電的設備上。

由于該方案對電路改動太大，一般少在諧波電流測試不通過時作為整改對策使用。


3.2.2 被動式功率因數校正
目前消費類電子、電氣產品所采用的開關電源電路多是開關頻率比較低、電路結構簡單、 成本較低的那種形式，其諧波電流發射超過限值的問題也較普遍。
在這種情況下，成本控制可能是主要的考慮。
采用低頻濾波電路可以降低諧波成份到標準限值以下，這種措施屬于被動式功率因數校正。這種方案適合于中小功率設備。

因為需要濾除的是工頻諧波，對功率較大的設備，濾波器的重量和成本可能會超過設備電源本身。


3.2.3 其它解決措施
對那些設備整體呈感性或容性的電子、電氣設備（如電動設備等），在正常工作時，其電流波形的峰值出現時間可能會滯后或超前電壓波形的峰值，造成產品的功率因素的下降。
對此類設備較常采用的方式是對應的容性或感性補償，使補償后的電流波形的峰值出現時間與電壓波形的峰值出現時間保持同步。
此類補償需注意，不要出現過補償，否則，效果適得其反。
此類補償方式多用于電力系統的功率因素補償，一般的電子、電氣設備上較少采用。
因為，一般的電子、電氣設備的諧波問題主要表現為波形畸變，而不僅是電流波形相位滯后、超前的問題，這種補償方式效果不明顯。
下面首先介紹兩種被動式功率因數校正電路，然后再介紹主動式功率因數校正電路。
對一般用電設備來說，這兩種被動式功率因數校正電路所增加的元件成本均比較低，體積也不大，一般是可以接受的。

采用主動式功率因數校正電路的比被動式成本略高,但校正效果會比被動式好的多。

對有些采用其它方案不能湊效的產品，主動式功率因數校正電路可能是最后唯一的選擇。

當然，有些產品為提高產品質量和檔次，也會主動采用主動式功率因數校正電路。


3.3 利用電感儲能電流泵式解決方案
該方案適用于直接利用高壓整流方式來供電的產品。電路如圖 7 所示。
這個電路僅僅由一個扼流圈 L1、一個快速開關二極管 D1 和一個耐沖擊電容 C 組成。 用這三只元件構成一個電流泵電路，取代原來開關電源里的由二極管和 RC 網絡組成的限幅緩沖電路。
扼流圈的電感 L1 大概是開關變壓器的主電感 L 的 4 倍。
耦合電容 C 應該能夠耐高壓和沖擊，它的容量是 10 到 30nF。
對應開關電源的功率從 75W 到 300W 的范圍。
C1 電容應該大到足夠滿足最大的諧波電流限值，二極管選用快恢復特性功率二極管。
此電路結合主動功率因數校正的原理，利用電感儲能延長整流導通的時間，從而有效減少了輸入的諧波電流幅度。
應用此電路時，應注意調整開關變壓器和開關晶體管的參數，否則易損壞開關晶體管。
此電路宜應用在電源開關頻率較高，開關晶體管導通電流大，內阻很小的電源電路中。

圖 7：電流泵式被動功率因數校正電路


3.4 低頻諧波電流抑制濾波解決方案
電路如圖 8 所示。該方案適用于直接利用高壓整流方式來供電的產品。
這個電路僅僅由一個低頻扼流圈組成，插入整流橋和濾波電容之間。
其工作原理非常簡單， 低頻扼流圈的電感和整流電容以及低頻扼流圈的分布電容共同組成一個低頻諧波電流濾波器。
圖 8：低頻濾波器被動功率因數校正電路
電路參數要設計成對 50Hz 的基波成份衰減很小，對三次以上諧波成份衰減很大，尤其是第三次諧波（150Hz）的衰減最大。

低頻諧波電流抑制濾波器在電源整流之后或者之前的某些點插入電流回路，就可以起到抑制諧波電流的目的。

可以解決 300W 以下產品的諧波電流問題，并且不需要電路其它參數作任何改變，也不會降低原電源電路的其它性能。

其缺點是體積較大，重量約 100-200 克。


3.5 主動 PFC 解決方案
該方案是在主電源上串聯另一個電源變換器，它強迫電源緊密跟隨正弦型線電壓獲取電流。
圖 9 為其原理示意圖。
該方案適用于直接利用高壓整流方式來供電的產品。
圖 9：主動式 PFC 原理示意圖
工頻交流經過整流器整流后變成波動的直流，該波動直流提供給 PFC 轉換電路進行轉換。
對一般普通的開關電源來說，由于 PFC 控制電路相當于在原開關電源的整流和濾波回路之間增加了一級開關回路。
一方面增加了電路的復雜程度，可能需要對原系統的電源部分重新設計和排版；

另一方面， 由于相當于增加了一級開關轉換電路，電源產生的射頻騷擾必然有所增加甚至超標，這時可能需要采取一些措施使其重新符合相關標準的要求。


3.6 諧波問題的其它對策
以上三種諧波電流問題解決方案主要適用于直接利用高壓整流方式來供電的產品。
因為此類產品諧波電流非常大，若不采取相應對策，則難以滿足諧波標準要求。
對通過工頻變壓器供電的產品和直接使用交流電源而不通過電源變換電路二次供電的家電產品，一般情況下諧波電流不大，且其波電流限值比較寬松，即使不采取諧波電流抑制措施，其諧波電流測試合格率還是非常高的。
但我們依然需要注意以下幾個方面的內容。
對那些非高壓整流方式來供電的家電產品，低次諧波電流限值比較寬松，合格是比較容易的， 此時，應注意的是 20 次以上的高次諧波電流容易出現問題。
對此類的高次諧波超標問題，一般在電源回路中增加適當的高次諧波濾波電感（高頻扼流圈） 即可解決問題。
由于半波整流方式和利用相位截波方式調節（如可控硅非過零控制）對電源進行對稱和非對稱控制都很容易產生非常大的諧波電流。諧波電流標準一般不允許采用半波整流方式和對電源進行對稱和非對稱控制。
若測試時諧波電流超標，建議將電源半波整流方式和對稱/非對稱控制方式改為其他的控制方式。
如將半波整流改為全波整流或橋式整流方式。將利用相位截波方式調節的對稱/非對稱控制方式改成對稱的過零觸發控制方式。可以有效地解決此類諧波問題。

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| 發布時間：2018.05.28    來源：電源適配器廠家
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