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諧波電流測試常見問題對(duì)策及整改措施

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3．諧波電流測試常見問題對(duì)策及整改措施
對(duì)于由交流市電供電的電子、電氣產(chǎn)品，諧波電流是一個(gè)很重要的電磁兼容測量項(xiàng)目。
在低壓市電網(wǎng)絡(luò)使用的電子電氣設(shè)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(shè)備應(yīng)用，會(huì)造成電網(wǎng)電壓波形畸變，使電網(wǎng)電能質(zhì)量下降。


圖4：高壓整流電路及對(duì)應(yīng)的畸變電流波形

一個(gè)周期函數(shù)可以分解為傅立葉級(jí)數(shù)，表示為多級(jí)正弦函數(shù)的和式，即可把周期信號(hào)當(dāng)作是正弦函數(shù)的基波與高次諧波的合成。
所以，我們可以將設(shè)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(shè)備電流波形畸變的程度。這些高次諧波電流分量我們簡稱為諧波電流。


圖6：畸變電流波形的傅立葉展開示意圖

當(dāng)電網(wǎng)中存在過量的諧波電流，不僅會(huì)使發(fā)電機(jī)的效率降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)設(shè)備的損壞，同時(shí)還會(huì)影響電網(wǎng)用戶設(shè)備的正常工作，比如計(jì)算機(jī)運(yùn)算出錯(cuò)，電視機(jī)畫面翻滾。
正是出于保護(hù)共用電網(wǎng)電能質(zhì)量，保障電網(wǎng)和用戶設(shè)備的正常進(jìn)行，IEC提出了諧波電流限值標(biāo)準(zhǔn)。
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(chǎn)品。

3.1測量標(biāo)準(zhǔn)介紹
下面以GB17625.1標(biāo)準(zhǔn)為例，對(duì)諧波電流的測量作一個(gè)簡要介紹。
標(biāo)準(zhǔn)名稱：GB17625.1-2003 idt IEC61000-3-2:2001 《電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值（設(shè)備每相輸入電流≤16A）》
GB17625.1-2003是眾多電子電器產(chǎn)品認(rèn)證檢驗(yàn)的一個(gè)重要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)測量和限制的就是由低壓市電供電的電子、電氣產(chǎn)品（設(shè)備每相輸入電流≤16A）在使用時(shí)其供電電流波形畸變的程度。
GB17625.1-2003標(biāo)準(zhǔn)是通過限制設(shè)備電流的高次諧波分量的大小來限制設(shè)備電流波形的畸變的。GB17625.1考慮到第40次諧波電流含量。
3.1.1標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍
該標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接入頻率為50Hz/60Hz、相電壓為220V/230V/240V的低壓供電系統(tǒng)且每相輸入電流不大于16A的設(shè)備提出諧波電流限值要求。
該標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)通用電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。適合于本標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品類別較多，如家用電器、電動(dòng)工具、電氣照明設(shè)備、信息技術(shù)設(shè)備、影音設(shè)備等等。
3.1.2設(shè)備的分類
分類是按照諧波電流限值不同而進(jìn)行的。
A類：平衡的三相設(shè)備;
家用電器，不包括列入D類的設(shè)備；
工具，不包括便攜式工具；
白熾燈調(diào)光器；
音頻設(shè)備；
以及除以下幾類設(shè)備外的所有其他設(shè)備。
B類：便攜式工具；不屬于設(shè)備的電弧焊設(shè)備
C類：照明設(shè)備
D類：有功功率不大于600W下列設(shè)備：個(gè)人計(jì)算機(jī)和個(gè)人計(jì)算機(jī)顯示器；電視接收機(jī)。
B類、C類和D類設(shè)備定義比較簡單，A類的區(qū)分比較復(fù)雜。
3.1.3諧波電流限值
下列類型設(shè)備的限值在該標(biāo)準(zhǔn)中未作規(guī)定：
額定功率75W及以下的設(shè)備，照明設(shè)備除外（將來該值可能從75W減小到50W）；
總額定功率大于1kW的設(shè)備；
額定功率不大于200W的對(duì)稱控制加熱元件；
額定功率不大于1kW的白熾燈獨(dú)立調(diào)光器。
（通常有生產(chǎn)廠家利用此條的限制項(xiàng)來達(dá)到免于進(jìn)行諧波電流限制的目的）
3.1.3.1 A類設(shè)備的諧波電流限值
A類設(shè)備的諧波電流限值見標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)表格，限值是有效值，單位為安培。該限值是固定值，與產(chǎn)品的功率和基波電流大小不相關(guān)。
3.1.3.2 B類設(shè)備的諧波電流限值
B類設(shè)備的諧波電流限值是A類設(shè)備的限值的1.5倍。
3.1.3.3 C類設(shè)備的諧波電流限值
a）有功輸入功率大于25W
對(duì)于有功輸入功率大于25W的照明電器，諧波電流不應(yīng)超過C類設(shè)備的相關(guān)限值。該限值與產(chǎn)品基波電流大小不相關(guān)。
b）有功輸入功率不大于25W
對(duì)于有功功率不大于25W的放電燈，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其特定的合格判定條件。
3.1.3.4 D類設(shè)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zui大允許諧波電流，還要符合“每瓦功率允許的zui大諧波電流”。
可以說對(duì)D類設(shè)備的要求是比較嚴(yán)格的，而實(shí)際情況卻是D類設(shè)備的諧波電流往往比較大。
該規(guī)定是考慮到D類設(shè)備應(yīng)用非常廣泛，又經(jīng)常是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，客觀上又經(jīng)常同時(shí)使用。如此多的D類設(shè)備同時(shí)工作，它們產(chǎn)生的諧波電流在合成（矢量合成）后對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)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(shè)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(shè)備提供良好波形的電壓源、負(fù)載能力和平坦的阻抗特性。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測量儀表單元必須是離散付氏變換（FFT）的時(shí)域測量儀器，能夠連續(xù)、準(zhǔn)確地同時(shí)測量全部各次諧波所涉及的幅值、相位角等需要量。
目前實(shí)驗(yàn)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(jí)為采樣電路、模-數(shù)變化器，后級(jí)是FFT分析儀（可以利用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)）。
3.1.5試驗(yàn)條件
標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了部分類型設(shè)備諧波電流的試驗(yàn)條件。
對(duì)于沒有提到的設(shè)備，發(fā)射測量應(yīng)在用戶操作控制下或自動(dòng)程序設(shè)定在正常工作狀態(tài)下，預(yù)計(jì)產(chǎn)生zui大總諧波電流（THC）的模式進(jìn)行。
這是規(guī)定了發(fā)射試驗(yàn)時(shí)設(shè)備的配置，而不是要求測量THC值或?qū)ふ襷ui惡劣狀態(tài)下的發(fā)射。
3.2 諧波電流發(fā)射的基本對(duì)策
解決諧波發(fā)射超標(biāo)問題的基本辦法是在原來的電源電路中增加功率因數(shù)校正（PFC）電路。或改變已有的PFC電路，使其滿足測試標(biāo)準(zhǔn)要求。
功率因數(shù)校正一般分為兩種類型，即主動(dòng)式和被動(dòng)式。
當(dāng)然對(duì)于中小功率的電子、電器設(shè)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?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)沒有對(duì)75W及以下的設(shè)備給出限值（照明設(shè)備除外）。
對(duì)于一些的或特殊用途的設(shè)備，使其滿足標(biāo)準(zhǔn)限值中免于限制條款，也是可行的。
3.2.1主動(dòng)式功率因數(shù)校正
主動(dòng)式功率因數(shù)校正電路可以zui大限度的提高功率因數(shù)，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(guān)電源電路必須使用二級(jí)開關(guān)電路控制，其中一級(jí)開關(guān)電路用來控制電流諧波，另外一級(jí)開關(guān)電路用作電壓調(diào)整。
該方案電路比較復(fù)雜，對(duì)電路元件要求高，增加的改進(jìn)成本較高，而且對(duì)原來電源電路的設(shè)計(jì)概念必須作*的更新。
使用中還應(yīng)該注意到，設(shè)備注入電源的射頻傳導(dǎo)騷擾可能因此而增加，這時(shí)必須再根據(jù)需要增加抑制電源傳導(dǎo)騷擾的元件。
顯然，因?yàn)榧夹g(shù)的原因，該方案一般不能應(yīng)用在采用線形電源變壓器供電的設(shè)備上。
由于該方案對(duì)電路改動(dòng)太大，一般少在諧波電流測試不通過時(shí)作為整改對(duì)策使用。
3.2.2被動(dòng)式功率因數(shù)校正
目前消費(fèi)類電子、電氣產(chǎn)品所采用的開關(guān)電源電路多是開關(guān)頻率比較低、電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的那種形式，其諧波電流發(fā)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(biāo)準(zhǔn)限值以下，這種措施屬于被動(dòng)式功率因數(shù)校正。這種方案適合于中小功率設(shè)備。
因?yàn)樾枰獮V除的是工頻諧波，對(duì)功率較大的設(shè)備，濾波器的重量和成本可能會(huì)超過設(shè)備電源本身。
3.2.3其它解決措施
對(duì)那些設(shè)備整體呈感性或容性的電子、電氣設(shè)備（如電動(dòng)設(shè)備等），在正常工作時(shí)，其電流波形的峰值出現(xiàn)時(shí)間可能會(huì)滯后或超前電壓波形的峰值，造成產(chǎn)品的功率因素的下降。
對(duì)此類設(shè)備較常采用的方式是對(duì)應(yīng)的容性或感性補(bǔ)償，使補(bǔ)償后的電流波形的峰值出現(xiàn)時(shí)間與電壓波形的峰值出現(xiàn)時(shí)間保持同步。
此類補(bǔ)償需注意，不要出現(xiàn)過補(bǔ)償，否則，效果適得其反。
此類補(bǔ)償方式多用于電力系統(tǒng)的功率因素補(bǔ)償，一般的電子、電氣設(shè)備上較少采用。
因?yàn)椋话愕碾娮印㈦姎庠O(shè)備的諧波問題主要表現(xiàn)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(bǔ)償方式效果不明顯。

下面首先介紹兩種被動(dòng)式功率因數(shù)校正電路，然后再介紹主動(dòng)式功率因數(shù)校正電路。
對(duì)一般用電設(shè)備來說，這兩種被動(dòng)式功率因數(shù)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(dòng)式功率因數(shù)校正電路的比被動(dòng)式成本略高,但校正效果會(huì)比被動(dòng)式好的多。
對(duì)有些采用其它方案不能湊效的產(chǎn)品，主動(dòng)式功率因數(shù)校正電路可能是zui后*的選擇。
當(dāng)然，有些產(chǎn)品為提高產(chǎn)品質(zhì)量和檔次，也會(huì)主動(dòng)采用主動(dòng)式功率因數(shù)校正電路。
3.3 利用電感儲(chǔ)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(chǎn)品。電路如圖7所示。
這個(gè)電路僅僅由一個(gè)扼流圈L1、一個(gè)快速開關(guān)二極管D1和一個(gè)耐沖擊電容C組成。用這三只元件構(gòu)成一個(gè)電流泵電路，取代原來開關(guān)電源里的由二極管和RC網(wǎng)絡(luò)組成的限幅緩沖電路。
扼流圈的電感L1大概是開關(guān)變壓器的主電感L的4倍。
耦合電容C應(yīng)該能夠耐高壓和沖擊，它的容量是10到30nF。
對(duì)應(yīng)開關(guān)電源的功率從75W到300W的范圍。
C1電容應(yīng)該大到足夠滿足zui大的諧波電流限值，二極管選用快恢復(fù)特性功率二極管。
此電路結(jié)合主動(dòng)功率因數(shù)校正的原理，利用電感儲(chǔ)能延長整流導(dǎo)通的時(shí)間，從而有效減少了輸入的諧波電流幅度。
應(yīng)用此電路時(shí)，應(yīng)注意調(diào)整開關(guān)變壓器和開關(guān)晶體管的參數(shù)，否則易損壞開關(guān)晶體管。
此電路宜應(yīng)用在電源開關(guān)頻率較高，開關(guān)晶體管導(dǎo)通電流大，內(nèi)阻很小的電源電路中。

圖7：電流泵式被動(dòng)功率因數(shù)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(chǎn)品。
這個(gè)電路僅僅由一個(gè)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(gè)低頻諧波電流濾波器。

圖8：低頻濾波器被動(dòng)功率因數(shù)校正電路
電路參數(shù)要設(shè)計(jì)成對(duì)50Hz的基波成份衰減很小，對(duì)三次以上諧波成份衰減很大，尤其是第三次諧波（150Hz）的衰減zui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(diǎn)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(chǎn)品的諧波電流問題，并且不需要電路其它參數(shù)作任何改變，也不會(huì)降低原電源電路的其它性能。
其缺點(diǎn)是體積較大，重量約100-200克。
3.5 主動(dòng)PFC解決方案
該方案是在主電源上串聯(lián)另一個(gè)電源變換器，它強(qiáng)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(chǎn)品。


圖9：主動(dòng)式PFC原理示意圖
工頻交流經(jīng)過整流器整流后變成波動(dòng)的直流，該波動(dòng)直流提供給PFC轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
對(duì)一般普通的開關(guān)電源來說，由于PFC控制電路相當(dāng)于在原開關(guān)電源的整流和濾波回路之間增加了一級(jí)開關(guān)回路。
一方面增加了電路的復(fù)雜程度，可能需要對(duì)原系統(tǒng)的電源部分重新設(shè)計(jì)和排版；
另一方面，由于相當(dāng)于增加了一級(jí)開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，電源產(chǎn)生的射頻騷擾必然有所增加甚至超標(biāo)，這時(shí)可能需要采取一些措施使其重新符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
3.6 諧波問題的其它對(duì)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(chǎn)品。
因?yàn)榇祟惍a(chǎn)品諧波電流非常大，若不采取相應(yīng)對(duì)策，則難以滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)要求。
對(duì)通過工頻變壓器供電的產(chǎn)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(chǎn)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(gè)方面的內(nèi)容。
對(duì)那些非高壓整流方式來供電的家電產(chǎn)品，低次諧波電流限值比較寬松，合格是比較容易的，此時(shí)，應(yīng)注意的是20次以上的高次諧波電流容易出現(xiàn)問題。
對(duì)此類的高次諧波超標(biāo)問題，一般在電源回路中增加適當(dāng)?shù)母叽沃C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(diào)節(jié)（如可控硅非過零控制）對(duì)電源進(jìn)行對(duì)稱和非對(duì)稱控制都很容易產(chǎn)生非常大的諧波電流。諧波電流標(biāo)準(zhǔn)一般不允許采用半波整流方式和對(duì)電源進(jìn)行對(duì)稱和非對(duì)稱控制。
若測試時(shí)諧波電流超標(biāo)，建議將電源半波整流方式和對(duì)稱/非對(duì)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(diào)節(jié)的對(duì)稱/非對(duì)稱控制方式改成對(duì)稱的過零觸發(fā)控制方式。可以有效地解決此類諧波問題。
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