諧波對高頻開關(guān)電源的影響分析及防范探究

毛凌燕

摘 要：電力系統(tǒng)中的直流電源大多采用高頻開關(guān)電源。隨著近年來這一技術(shù)的應(yīng)用不斷推廣完善，加上其體積小、總量輕，尤其是效率高的特點(diǎn)，在各個領(lǐng)域中得到了較廣泛應(yīng)用。盡管如此，仍有不少因素會對高頻開關(guān)電源產(chǎn)生影響，如諧波。鑒于此，文章先介紹了高頻開關(guān)電源的工作原理，探討了諧波對高頻開關(guān)電源產(chǎn)生的影響，并研究了相應(yīng)的防范對策。

關(guān)鍵詞：諧波；高頻開關(guān)電源；影響；防范

1 基于高頻開關(guān)電源的幾點(diǎn)概述

首先，從高頻開關(guān)電源的工作原理來看，當(dāng)交流電源與整流模塊接通之后，并在三相三波整流器和濾波的作用下，將其轉(zhuǎn)換成直流電流，再將其高頻逆變回路接通之后，就會形成高頻電流，并在高頻變壓器和整流橋以及濾波器的共同作用下輸出平穩(wěn)的直流[1]。

其次，利用高頻開關(guān)電源組合的高頻開關(guān)電路來看，其主要由整流濾波電路、PWM控制電路、限壓電路、保護(hù)電路等組成[2]。當(dāng)三相電網(wǎng)的電壓流經(jīng)電源開關(guān)之后，便能進(jìn)行整流濾波，從而形成平滑直流，平滑直流的電壓就會為整個逆變電路服務(wù)。但是逆變電路應(yīng)選用功率較大的TGB模塊組成，從而形成全橋變換電路，若PWM將控制信號輸出時，就會在隔離驅(qū)動器的作用下驅(qū)動功率模塊，此時兩組對角管就會針對性的交替和導(dǎo)通，當(dāng)高頻變壓器首次出現(xiàn)高頻脈沖時，其次級電壓就會通過高頻電壓器為整個流向負(fù)載提供相應(yīng)的能量，從而確保其安全高效的工作。

2 分析產(chǎn)生諧波的原因

2.1 電力系統(tǒng)中所采用的非線性用電設(shè)備較多，例如各種換流設(shè)備、調(diào)壓裝置以及電弧爐和家用電器等。盡管上述設(shè)備有理想的正弦波電壓，取用的電流仍是非線性的，及存在諧波電流，而設(shè)備的諧波含量則與其本身特性及工作狀況有關(guān)，屬于諧波恒流源。

2.2 供電系統(tǒng)本身存在的非線性元件，比如電抗器組、可控硅控制的電容器、變壓器激磁支路等。

2.3 發(fā)電機(jī)發(fā)出的諧波電勢，也會存在諧波，且屬于一種諧波恒壓源，值較小。電力系統(tǒng)中如果存在諧波，實(shí)質(zhì)是一種“污染”，不但會影響系統(tǒng)電壓正弦波形的質(zhì)量，也會對高頻開關(guān)電源產(chǎn)生較大影響。

3 諧波對高頻開關(guān)電源產(chǎn)生的影響

3.1 許多智能直流系統(tǒng)的安裝場所大多是在變電站高壓設(shè)備附近，而能承受變電站中產(chǎn)生的極強(qiáng)電磁干擾是該設(shè)備能夠正常工作的前提。同時，當(dāng)前的現(xiàn)代高壓開關(guān)常和電子控制及保護(hù)設(shè)備集為一體，這就需要經(jīng)常進(jìn)行各種高壓、大電流試驗(yàn)及通電磁兼容試驗(yàn)。但在操作GIS的隔離開關(guān)時，其所產(chǎn)生的電壓雖然的暫時的，但是其產(chǎn)生的頻率較高，且速度較快。而這就會給變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣性能的發(fā)揮帶來影響，還能利用接地網(wǎng)往外進(jìn)行傳播，從而影響整個變電站的直流系統(tǒng)與設(shè)備的高效運(yùn)行。所以，要求高頻開關(guān)電能應(yīng)具備較大的抗干擾性能，尤其是抗電磁性能，并著力將其與電網(wǎng)中電壓的非正常波動甚至浪涌、雷擊等情況下的適應(yīng)能力，才能確保對直流設(shè)備供電的穩(wěn)定。

3.2 由于高頻開關(guān)電源所處環(huán)境下的電壓和電流較大并處于開關(guān)狀態(tài)之中，因而在電磁兼容性方面的問題相對復(fù)雜，就整機(jī)的電磁整容性而言，其耦合的情況主要有線間、共抗阻、磁場、電場、電磁波等，導(dǎo)致電磁兼容受到影響的因素主要有傳播的途徑、干擾源和受干擾體。但在在現(xiàn)實(shí)中，并不能嚴(yán)格區(qū)分各種耦合方式，其側(cè)重點(diǎn)不同而已。

3.3 如果諧波的電流和電壓較為嚴(yán)重，那么就可能在開關(guān)電源的內(nèi)部產(chǎn)生電磁干擾，從而對開關(guān)電源內(nèi)部工作性能的高低帶來影響，尤其是電源的性能會極大的降低。加上電磁場還能利用機(jī)殼縫隙向四周輻射，并采取直流輸出線以及電源線形成輻射電磁場。此外，在空間傳播過程中，其給高頻設(shè)備及敏感設(shè)備將會帶來更多的電磁干擾，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

3.4 為確保功率因素得到有效地提升，很多在開關(guān)電源中采用功率因素對電路進(jìn)行校正已成為最為常規(guī)和有效的做法。但是隨著運(yùn)行環(huán)境的不斷復(fù)雜，為確保其可靠性得到有效地提升，就會加強(qiáng)軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，而這些技術(shù)的應(yīng)用，雖然能有效降低其給開關(guān)帶來的電磁煩擾，但是不能有效的將軟開關(guān)沒有吸收的能力量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并利用二極管進(jìn)行單向的能量轉(zhuǎn)換，所以也成為電磁干擾的重要干擾源。

3.5 開關(guān)電源內(nèi)的高頻開關(guān)的工作里不管是開關(guān)電壓還是開關(guān)電流，二者均為方波，且所包含的高次諧波頻譜通常是方波平波的千次。加上電壓的變壓器有漏電，那么就會導(dǎo)致其難以有效的工作，一旦開關(guān)高頻開關(guān)時，就會形成高頻高壓，同時其尖峰的諧波還會發(fā)生強(qiáng)烈的震蕩，并最終產(chǎn)生高次諧波，敷設(shè)至周圍空間，也會產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻干擾。

4 防范對策分析

4.1 著力解決電源線諧波電流、電磁場輻射干擾及電源線傳導(dǎo)干擾等問題，這就要求工作人員應(yīng)及時改進(jìn)輸入和輸出的諧波電路。例如，可以調(diào)整諧波電路所處的位置以及連接整流二極管的方式，確保濾波電路和端口之間的距離更近，并對電壓輸入濾波器的絕緣和耐壓等級提升，從而更好地切斷干擾信號傳播的途徑。

4.2 注重降低干擾開關(guān)電源內(nèi)部的力量，以確保電源開關(guān)具有較強(qiáng)的電磁兼容性能，從而為其穩(wěn)定可靠性的提升奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，應(yīng)確保相鄰線和相鄰引腳之間的距離，從而更好地預(yù)防出現(xiàn)串?dāng)_以及串入后互相放電情況的出現(xiàn)。并在此基礎(chǔ)上將高壓電路的電流加大，尤其是電源濾波電容電路、變壓器和開關(guān)管包圍的面積減小，從而減弱甚至消除變壓器的漏電感或者濾波電感電容分布，最大限度地降低其給開關(guān)電源帶來的影響，從而確保開關(guān)電源各項(xiàng)性能得到有效地發(fā)揮。

4.3 在靜電防電過程中，若電路的均流和控制端口的信號較小時，則應(yīng)利用TVS管，并進(jìn)行有效的接地，同時將將其與機(jī)殼之間的點(diǎn)距離擴(kuò)大。而若果信號快速瞬變時，由于其頻譜較寬，所以可以利用供墨方式共摸方式將其傳到需要控制的電路之中，因而一般支取常規(guī)的防靜電技術(shù)，能夠在很大程度上減少共模電感的分布電容，從而有利于系統(tǒng)抗擾性能的提高。浪涌、雷擊也是極易對開關(guān)電源及其系統(tǒng)產(chǎn)生毀滅性傷害的一個重要因素。應(yīng)對交流輸入與直流輸出端口的防雷能力進(jìn)行優(yōu)化。比如，對于1.2/50us開路電壓以及8/20Ns短路電流組成的雷擊波形，可采用氧化鋅壓敏電阻以及相應(yīng)的吸收電路組合法來解決該問題。在系統(tǒng)的直流輸出母線及交流進(jìn)線也配備共摸與差摸組合浪涌抑制器。

5 結(jié)束語

由上述可知，高頻開關(guān)電源在我國電力系統(tǒng)的直流電源設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛。作為自動裝置、繼電保護(hù)以及一二次設(shè)備操作的電源，高頻開關(guān)電源是發(fā)電廠與變電站不可獲取的重要設(shè)備。所以，怎樣才能最大限度地降低諧波對高頻開關(guān)電源的影響，以確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，是擺在運(yùn)行人員與專業(yè)維護(hù)人員面前的一個難題。文章現(xiàn)對高頻電源開關(guān)的工作原理進(jìn)行了簡要闡述，并簡要介紹了常見的幾種諧波源，最后探討了諧波對高頻電源開關(guān)造成的影響及防范對策，旨在不斷提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性及運(yùn)行效率，促進(jìn)電力事業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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