整流濾波型非線性負載的諧波污染及其治理方案(一)

1、第10卷第7期Vol.10No.7整流濾波型非線性負載的諧波污染及其治理方案（一）李成章中國科學院計算所，北京100101）（艾默生網絡能源公司，HarmonicVitiationofRectifier-filterNon-linearLoadandItsProtectionMethodsLICheng-zhang中圖分類號：TN911文獻標識碼：D文章編號：0219-2713（2007）07-0001-080引言在現(xiàn)代低壓供電電網中經常遇到的非線性負故障等，從下降、晶閘管調控設備的“誤觸發(fā)導通”而危及信息網絡中的IT硬件和軟件系統(tǒng)的安全運行等?；谏鲜鲈颍斜匾J真地研究由非線性負載所帶來

2、的諧波污染問題，并力爭尋找出具有最佳性價比的諧波治理方案或最適合于用戶的特定技術需求的綜合型的諧波治理方案。為此，本文將從多方面來探討非線性負載的諧波特性及其相應的諧波治理對策。載有：相移性非線性負載和整流濾波型非線性負載兩大類。在信息網絡機房的供電系統(tǒng)中大量使用的各種IT設備（例：PC機、服務器、磁盤陣列機、-48V通信電源和UPS等）就是典型的整流濾波型非線性負載。整流濾波型非線性負載在運行它們中，可能對低壓供電電網帶來的負面影響是，會向輸入電源反饋大量的電流諧波分量。相關的必然會分析表明，各種高次電流諧波分量的出現(xiàn)，帶來嚴重的無功功率的損耗問題。由此對輸入電源所可能帶來的典型危害有：（1

3、）對供配電系統(tǒng)的安全運行所帶來的危害電力變壓器和柴油發(fā)電機因損耗增大而導致其“溫升”的異常升高，并迫使它們進入降額運行狀態(tài)；電力電纜/斷路器開關因加速“老化”而出現(xiàn)故障率增大和拒動或誤動操作；電容型功率因數補償柜中的電力電容的異常損壞以及用戶在日常運行中所需的電費開支增加等。（2）對信息網絡的安全運行所帶來的危害因向IT設備供電電源的“零線對地線”的電壓過高和電壓諧波干擾偏大而導致它在執(zhí)行數據處理和傳輸操作時的“誤碼率”增高、語音通信質量的收稿日期院2007-01-26整流濾波型非線性負載是導致輸入電源發(fā)生諧波“污染”的主要干擾源在當今的信息化時代，將計算機技術與通信技術有機地融合在一起的信息

4、網絡機房承擔著執(zhí)的互連、互行信息資源（數據、語音和圖像等資料）通的任務。利用這樣的信息網絡不僅能不受時空而且，限制地在各用戶之間實現(xiàn)信息資源的共享，還能大大地提高企業(yè)的增值服務的價值和競爭潛力。為了能確保在信息網絡系統(tǒng)上連續(xù)不斷地執(zhí)行高效、可靠和保密的信息資源的處理/存儲/交換/傳送/查詢等操作，需要為位于信息網絡中的各功能完善類IT設備配置一套具有高可利用率的、的和易于維護的UPS供電系統(tǒng)。為此，需要解決的重要技術問題之一是：盡可能地消除由各種非第10卷第7期Vol.10No.7（d）輸入電壓與輸入電流的矢量圖圖2電阻性的線性負載、電容和電感等“相移型”非線性負載是不會產生諧波電流的而言，由

5、于其輸入的絕大部份電能已被轉換成有功功率。所以，它的cos并不是很低。例如：對于甩干機中的電機而言，它的cos=0.96（滯后）左右，這就意味著：對于這種負載而言，它的輸入電流的波形是一串滯后于正弦形電壓波16°左右的正弦形的電流波。所以，它們也是不會向輸入電源反饋任何電流諧波分量的。此外，對于電容性負載如：電力電容型的功率因數補償柜）而言，當輸入電壓波為正弦波時，其輸入電流也是一串相位超前于電壓波90°的正弦波形的電流波，它的功率因數cos90°=0。它也是不會向輸入電源反饋任何電流諧波分量的。顯然，對于這類電感/電容性負載而言，在它們的輸入電流I與輸入電壓V之

6、間并不存在按正比例變化的線性關系，應該屬于非線性負載。然而，它們的電流波都仍然是保持著“正弦波形”的運行特性。所以，它們都是不會產生諧波電流的。為方便敘述，在下面的討論中，我們將這類非線性負載稱為相移性的非線性負載。綜上所述：對于電阻性的線性負載、電容和電感等“相移型”非線性負載來說，它們都不會對輸入電源帶來任何電流諧波“污染”問題的。1.3整流濾波型（RCD型）的非線性負載常見的整流濾波型負載有：（1）采用單相開關電源的設計方案的典型整流濾波型負載，有PC機、服務器、磁盤陣列、存儲器、小型機、半導體芯片生產廠用晶體爐和測試儀、家用電器、節(jié)能燈、變頻器、電梯、復印機、打印機、LED大型（顯示體

7、育館2）采屏用和三廣播、證券相6設備等交易所和會議廳用的大屏幕脈沖整流器的設；計方案的典型整流濾波型負載，有采用三相全波整流技術設計的-48V通信電源、帶晶閘管整流器的UPS和變頻器等。以上兩類負載都是能導致在輸入電源上產生多種電流諧波分量的非線性負載。其特征是：在正弦波形的輸入電壓的供電的條件下，出現(xiàn)在這些負載輸入端的電流波都是已發(fā)生了明顯波形畸變的非正弦波形，從而導致出現(xiàn)嚴重的輸入電流諧波失真問題。它們的典型的輸入電流諧波特性如圖3所示。從圖3（a）可見：對于6脈沖整流型的三相UPS而言，在輸入電壓波為連續(xù)的正弦波形的條件下，它的典型輸入電流波形為不連續(xù)的“馬鞍形”脈動波形。在這里，所謂的

8、不連續(xù)的脈動波形是指：在輸入電壓波形不等于零的期間，出現(xiàn)了輸入電流為零”的工作區(qū)域。從圖3（b）可見：對于不帶輸入功率因數校正功能（PFC）的PC機、網關、家用電器及各種辦公設備等單相整流濾波型非線性負載而言，在輸入電壓波為連續(xù)的正弦波形的條件下，它的典型輸入電流波形為不連續(xù)的鐘形”脈動波形。從圖3（c）可見：對于帶輸入功率因數校正功能（PFC）的小型機、服務器和磁盤陣列機等單相整流濾波型非線性負載而言，在輸入電壓波為連續(xù)的正弦波形的條件下，它的典型輸入電流波形為連續(xù)的“準三角形”脈動波形。對于所有上述的整流濾波型非線性負載而言，在輸入電源的電壓波為連續(xù)的正弦波形的條件下，它們從輸入電源所吸取

9、的輸入電流波形均變?yōu)榘l(fā)生了嚴重波形畸變的非正弦形的脈動波,從而導致出現(xiàn)向輸入電源大量地反饋諧波電流的“諧波干擾”問“（例第10卷第7期Vol.10No.7行業(yè)綜述（a）微機開關電源中的全波整流濾波器的輸出波形（b）由整流波波型負載所引起的頂部被削平的畸變正弦波電源（c）典型開關電源控制圖圖4PC低檔服務器用的開關電源的控制原理圖及輸入電壓和電流的波形圖（t2-t1）同具間隔內才從輸入電源獲得能量。顯然，有相同的額定功耗的電阻性負載相比，此時出現(xiàn)在這種單相整流濾波器負載中的電流峰值Ip必然（注：峰會增大，從而導致輸入電流的峰值比增大。由此所值比=電流的峰值與電流的有效值之比）可能帶來的問題有：向

10、輸入電源反饋大量的電流諧波分量THDI增大和輸入功率因數偏低（PF=0.70.8左右），從而導致對輸入電源的有效利用“零線對地線增高”。在此率的下降和供電電源的需特別說明的是：對于供電電源而言，過高的電流的峰值比的出現(xiàn)，必然會帶來在非線性負載上供電系統(tǒng)中的電力變壓器和電力電纜上所出現(xiàn)的“瞬態(tài)功率損耗”Ip2急劇增大。所有這一切都極管）因局部過熱而出現(xiàn)加速“老化”和故障率增高等它還會造成輸入電源的電壓失真故障隱患。此外，度增大，其顯著特征是導致輸入電源的電壓波被畸如圖4變成頂部被削的畸變性的正弦波，（b）所示。對于單相整流濾波型的負載而言，從理論上易于導致在IT設備中的功率部件（MOS管/IGB

11、T講，在它所可能向輸入電源反饋的諧波電流中將僅僅包含有2n±1（n為正整數）的各種諧波電流分量，它的最大電流諧波分量是出現(xiàn)在3次諧波電流上。在此需預先說明的是3次諧波電流及其奇數倍的諧波電流的出現(xiàn)所帶來的嚴重后果之一是：導致在采用TN-S、TN-C、TN-C-S和TT低壓供電系統(tǒng)中的零線上所流過的零線電流會急劇增大。盡管這種單相整流濾波型的開關電源有上述缺點，然而，由于開關電源具有允許的輸入電壓范重量輕和價格便宜等優(yōu)點而在各種圍寬、體積小、備中得到極其廣泛的應用。2.2家用電器和檢測儀器/工控設IT設備、通信電源、帶PFC調控功能的單相整流濾波型的非線性負載（PFC）對于帶輸入功率因

12、數校正功能的單相（例如：小型機、帶PFC的中、高檔整流濾波型負載而言，在輸入電壓為正弦波服務器和通信電源等）的條件下，其電流波是一種脈寬為10ms的“準三PDF 文件使用 "pdfFactory" 試用版本創(chuàng)建第10卷第7期Vol.10No.7行業(yè)綜述次數n的增加而下降的。也就是說，n次諧波電流分量的頻率越高，它的幅值就越小。從表1可見：從6脈沖整流型UPS和12脈沖整流型UPS反饋到輸入電源上的最大電流諧波分這是同我們所預期的理論分析11諧波分量上的，值完全一致的。為了確保中、大型UPS在這里需要說明的是：中的逆變器和蓄電池組能獲得具有自動穩(wěn)壓調控特性的直流母線電壓及確保

13、這些UPS具有較寬的在采用6脈沖或12脈沖整流輸入電壓工作范圍，濾波器設計方案的UPS的整流器中采用的是晶閘管“相控自動穩(wěn)壓調控”設計方案。在此條件下，晶“導通角”僅為60°左右，不可能過份地閘管的典型增大或縮小。否則，就會影響UPS的以AC380V負對稱性。對的中心值的輸入電壓變化范圍的正、大型UPS而言，它典型值為：于中、380（1±15%）V或380（1±20%）V。正是基于上述原因，相比之下表1項目（計算值）（計算值）6脈沖UPS（實測值）（實測值）5次7次11次9.1%9.1%8%9%從位于6脈沖整流型UPS和12脈沖整流型UPS中的整流器所分別反饋到輸

14、入電源上的輸入電流諧波分量（實測值）為33.8%和10.4%，均高于從6脈沖全波整流器和12脈沖全波整流器所理論計算的輸入電流諧波分量29.5%和9.4%。（例：各種泵站和自在各種自動轉速調控系統(tǒng)常用到采動生產線等）、空調機和電梯等系統(tǒng)中，用全波整流器輸入的變頻器也具有類似的輸入電從表2和表3可見：變頻器的最大輸流諧波特性。入電流諧波分量出現(xiàn)在5次和7次電流諧波分量上。為降低變頻器對輸入電源所可能造成的諧波“污染”，當今常用的技術手段是配置各種類型的電抗器。在實際工作中，還可將連接在UPS供電系統(tǒng)中的非線性負載所產生的諧波電流是否處于周期性的電流脈沖運行狀態(tài)，而將它們劃分為穩(wěn)態(tài)性的諧波電流負載和瞬變性的諧波電流負載。所謂的穩(wěn)態(tài)性諧波電流負載是指：當非線性負載從開13次7.7%7.7%3%4%17次5.9%5.9%4%1%19次5.3%2%0.5%21次4.8%1%1%23次4.3%4.3%2%1%量的確是分別出現(xiàn)在它們各自的5次諧波分量和6脈沖全波整流器和12脈沖全波整流器的輸入電流諧波分量的理論計算值及典型實測值總諧波分量29.5%9.4%33.8%10.4%表2諧波分量諧波分量諧波分量諧波分量諧波分量諧波分量諧波分量諧波分量20%32%1%14.3%3%1%55kW以下的變頻器的輸入電流諧波分量的典型實測值7次11次諧波13%8%7%9%13次諧波11%6%3.