計算機(jī)實驗室輸入電流畸變的原因及抑制方法探究

張?zhí)m

摘 要：本文通過對開關(guān)電源原理的分析，解釋了計算機(jī)實驗室輸入電流產(chǎn)生畸變的主要原因，說明計算機(jī)開關(guān)電源所產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)電源產(chǎn)生的危害，并提出了抑制辦法.另外，除了諧波，EMI電磁干擾也是造成計算機(jī)實驗室電網(wǎng)污染的原因之一.

關(guān)鍵詞：電流畸變;開關(guān)電源;諧波;EMI電磁干擾

中圖分類號：TP334? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2020）03-0016-03

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，先進(jìn)的實驗技術(shù)和實驗器件被廣泛地應(yīng)用到各高校實驗室里，同時用于實驗教學(xué)的計算機(jī)也越來越多.截止目前，我院共組建了各種計算機(jī)實驗室二十五個，近1500臺計算機(jī)用于實驗教學(xué)中.在工作過程中我們發(fā)現(xiàn)，計算機(jī)的大量使用會使實驗室的電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生諧波干擾和EMI電磁干擾，從而使輸入電流發(fā)生畸變，導(dǎo)致電網(wǎng)性能下降，影響計算機(jī)工作的穩(wěn)定性，甚至影響用電安全.為什么會出現(xiàn)這種問題，又如何解決這個問題呢？下面就開關(guān)電源對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響及原因做一下分析，并提出抑制方法.

1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和工作原理

開關(guān)電源又稱為交換式電源，是一種非線性的高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，其功能是將一個標(biāo)準(zhǔn)電壓，通過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換成用戶端所需求的電壓或電流.開關(guān)電源的輸入多半是交流電源，而輸出大多是需要直流電源的設(shè)備，如計算機(jī)，開關(guān)電源進(jìn)行的就是兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換.

開關(guān)電源的主電路完成了交流電網(wǎng)電壓變?yōu)橛脩舳怂枰闹绷麟妷旱墓ぷ?控制電路一般采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式向驅(qū)動電路提供矩形脈沖，通過調(diào)整開關(guān)元件的占空比，來達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的.（如圖1所示）

2 計算機(jī)開關(guān)電源中高次諧波的產(chǎn)生

計算機(jī)的主機(jī)電源為ATX電源，顯示器電源為開關(guān)電源，這兩種電源中都有整流濾波電路（如圖2所示），電路中使用了大容量濾波電容，產(chǎn)生的高次諧波通過實驗室電網(wǎng)再反射回去，與電網(wǎng)電壓合成，使電網(wǎng)電壓波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變.整流濾波電路從結(jié)構(gòu)上看是由一個普通的二極管橋式整流電路和電容濾波電路組成，交流電源輸入的正弦波（圖3波形a）是通過橋式整流器的全波型，經(jīng)過橋式整流后電壓波形將變成波形b中所示，再通過電容器的濾波，變成如波形c所示的波形.當(dāng)整流濾波電路在穩(wěn)態(tài)時，電容器兩端有一定的電壓，整流二極管若要導(dǎo)通，電容器的電壓要低于輸入電壓，此時，波形d中所示波形即為二極管導(dǎo)通電流波形.從圖中波形變化可以看出，輸入電流波形發(fā)生了畸變，產(chǎn)生諧波.

3 諧波對實驗室電網(wǎng)的影響和危害

計算機(jī)主機(jī)和顯示器的開關(guān)電源產(chǎn)生了大量的諧波，諧波加入實驗室電網(wǎng)后，使輸入電流發(fā)生畸變，波形失真，導(dǎo)致功率因數(shù)降低.以下是諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生的危害：

（1）諧波污染電網(wǎng)，以電磁輻射或線路傳導(dǎo)的方式干擾其它設(shè)備的穩(wěn)定性，影響實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

（2）諧波使電網(wǎng)系統(tǒng)中的中性線電流增大，導(dǎo)致中性線過載，影響了安全性能.

（3）功率因數(shù)降低使供電容量增加，浪費了電能，從而增加了投資成本.

（4）電流畸變影響配電設(shè)備效率，可能導(dǎo)致連接到電網(wǎng)的設(shè)備出現(xiàn)故障，在特定情況下甚至?xí)：Φ饺松戆踩?

在研究過程中，我們對計算機(jī)公共基礎(chǔ)實驗室和計算機(jī)組裝與維護(hù)這兩個實驗室進(jìn)行了諧波分量的測試，其中公共基礎(chǔ)實驗室90W計算機(jī)88臺，組裝與維護(hù)實驗室90W計算機(jī)40臺，20W實驗箱40臺，測試時兩個實驗室的設(shè)備均在正常工作.根據(jù)測試結(jié)果可知，這兩個實驗室的電流波形都發(fā)生了嚴(yán)重畸變，產(chǎn)生了大量諧波.從測算值來看，產(chǎn)生的諧波電流主要是3、5、7等奇數(shù)次分量電流，消耗基波的無功功率都比較大，功率因數(shù)分別是0.85和0.89.因此，我們認(rèn)為諧波的產(chǎn)生嚴(yán)重污染了了實驗室的電網(wǎng)，使實驗室電能質(zhì)量下降.另外，為了確定諧波干擾的來源，我們隨機(jī)挑選了公共基礎(chǔ)實驗室的一臺計算機(jī)進(jìn)行了諧波電流的測量，測試電路由數(shù)字示波器、電流互感器和諧波測量儀構(gòu)成.通過測試（實測數(shù)據(jù)如表1所示），確定了實驗室諧波電流的來源正是計算機(jī)，盡管一臺計算機(jī)的諧波功率并不大，但每個實驗室里多到百臺少到二十幾臺計算機(jī)，同時運行時，必然會產(chǎn)生很大的諧波電流，影響計算機(jī)的穩(wěn)定性和實驗室的用電安全.

4 諧波的抑制方法

計算機(jī)開關(guān)電源諧波的抑制方法分為預(yù)防性和補(bǔ)救性兩種.預(yù)防性方法是在設(shè)計開關(guān)時就用有效的過程和方法來控制開關(guān)管，以此來抑制諧波，但是無論用什么先進(jìn)的控制方案，諧波成分都是難以避免的.補(bǔ)救性的抑制方法則是對系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)生的諧波加以補(bǔ)償，也就是在開關(guān)電源或電網(wǎng)電源中增加諧波補(bǔ)償裝置，下面說一下兩種常用的補(bǔ)償裝置.

4.1 功率因數(shù)較正（PFC）器

計算機(jī)開關(guān)電源是一種電容性輸入電路，電流畸變使電流波形和電壓波形之間產(chǎn)生相位差，從而導(dǎo)致交換功率損失，使得功率因數(shù)降低.功率因數(shù)較正（PFC）的上個世紀(jì)末興起的一項專門針對開關(guān)電源的新技術(shù)，是通過功率因數(shù)補(bǔ)償電路來校正計算機(jī)開關(guān)電源的電流波形，使電流波形和電壓波形保持同相位.補(bǔ)償電路由高頻電感、開關(guān)管和電容等元器件構(gòu)成，通過專用的電子元器件來調(diào)整電流的波形，使之校正為正弦波，同時提高了功率因數(shù)，有效地抑制了諧波的產(chǎn)生，提高了實驗室用電的安全性.所以我們盡量選取帶有PFC功能的計算機(jī)開關(guān)電源.

4.2 交流電網(wǎng)濾波器

在電網(wǎng)電源和用電設(shè)備（計算機(jī)）之間可接入交流電網(wǎng)濾波器，它可以吸收諧波電流，抑制諧波對交流電網(wǎng)的干擾.如傳統(tǒng)的LC無源濾波器，一般是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，通常與產(chǎn)生諧波的用電設(shè)備并聯(lián)，既起到濾波作用，還可以補(bǔ)償無功功率（如圖4所示）.這種無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，使用起來很方便，所以應(yīng)用很廣泛.但是這種無源濾波器的補(bǔ)償特性一般會受到電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響，很容易和電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，從而使諧波放大，導(dǎo)致濾波器過載甚至燒毀.另一方面，LC無源濾波器只能被動吸收和補(bǔ)償固定頻率的諧波，所以濾除諧波的效果也不太理想.

比如我們在實驗過程中就設(shè)計了一種由電感、電容和電阻等元件組合而成的無源濾波器，將它并聯(lián)在計算機(jī)實驗室的電路中，選好連接的諧振點后經(jīng)過反復(fù)測試，得到諧波含量數(shù)值均能達(dá)到10%以下，說明這種濾波器確實能抑制計算機(jī)開關(guān)電源產(chǎn)生的諧波電流，只是效果不理想.

另外一種新興的濾波器是有源電力濾波器（APF），它是一種動態(tài)性的濾波器，可以抑制大小和頻率都發(fā)生變化的諧波，還可以補(bǔ)償變化的無功功率.APF是采用了現(xiàn)代電子技術(shù)的諧波治理設(shè)備，它基于DSP（數(shù)字信號處理器）技術(shù)，主要由指令電流運算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩部分組成.有源濾波器的工作原理是：指令電流運算電路采集非線性負(fù)載電流，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后送進(jìn)DSP中進(jìn)行處理，檢測諧波電流，將基波與諧波進(jìn)行分離，得到驅(qū)動電路器件的開關(guān)信號，以脈寬調(diào)制（PWM）信號的形式送進(jìn)補(bǔ)償電流發(fā)生電路中，驅(qū)動IGBT模塊，生成與諧波電流極性相反、幅值相等的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流在電網(wǎng)系統(tǒng)中對諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消.

和無源濾波器不同，有源濾波器可以主動跟蹤并且補(bǔ)償變化的諧波，響應(yīng)速度快、可控性高，而且它的濾波補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗等因素的影響，避免了與電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的可能性，降低了線路的損耗，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性，是很有效的濾波裝置.但是有源濾波器最大的缺點就是生產(chǎn)成本高，運行費用高.但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有源濾波裝置的價格也是逐漸走低，應(yīng)用范圍也隨之?dāng)U大.

5 EMI電磁干擾

在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)，除了諧波，對計算機(jī)實驗室電網(wǎng)產(chǎn)生影響的另一種因素就是EMI電磁干擾.由于計算機(jī)開關(guān)電源的工作頻率通常為幾十KHz，快速通斷后會產(chǎn)生很高的電壓、電流變化率，這些瞬間變化的電壓和電流通過電源線路等藕合途徑傳輸后就產(chǎn)生了很強(qiáng)的電磁干擾.按耦合通道來分的話，開關(guān)電源所產(chǎn)生的電磁干擾可以分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種.因為EMI信號的頻率范圍很寬并且有一定的幅度，所以無論是哪一種電磁干擾，EMI信號都會經(jīng)過電源線路中的傳導(dǎo)，使電網(wǎng)系統(tǒng)造成污染，影響用電質(zhì)量，甚至還會直接影響電網(wǎng)中其他用電設(shè)備的正常工作.開關(guān)電源所產(chǎn)生的EMI電磁干擾的干擾頻率主要集中在下面這四個頻段：（1）0.5MHz以下.（2）0.5～1MHz.（3）1～30 MHz.（4）30MHz以上.不同的頻段抑制方式不同，0.5MHz以下主要以抑制差模干擾為主;0.5～1MHz是兩種干擾模式并存;1～30MHz這個頻段主要以抑制共模干擾為主;如果是30MHz以上，就已經(jīng)達(dá)到輻射干擾頻段，此時的抑制方法以地屏蔽和接地為主.

綜上所述，抑制EMI電磁干擾最主要的方法是加裝EMI濾波器，對兩種干擾一起進(jìn)行有效的抑制，使EMI電磁干擾信號實現(xiàn)最佳衰減.如圖5所示，開關(guān)電源EMI濾波器的電路是由共模電感L、差模電容Cx和共模電容Cy組成.差模電容Cx用來抑制差模干擾，共模電感L和共模電容Cy構(gòu)成共模干擾濾波網(wǎng)絡(luò).其中，共模電感也叫共模扼流圈，是由兩個繞在同一磁芯上的繞組構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)可以使電流流經(jīng)共模電感時產(chǎn)生反向的磁通從而相互抵消.兩個繞組與電容Cy構(gòu)成兩組低通濾波器，可以有效地抑制電源線上存在的共模干擾.

6 總結(jié)

通過上述分析可以看出，諧波和電磁干擾都會對計算機(jī)實驗室的電網(wǎng)產(chǎn)生影響.在實驗過程中，我們用小容量的有源濾波器和固定頻率的無源 LC濾波器共同對諧波和電磁干擾進(jìn)行抑制.小容量有源濾波器可以有效的去除各種頻率的諧波并且價格也相對較低，而無源LC濾波器更適合抑制EMI電磁干擾，因為EMI的干擾源都是以高頻為主，而且每種成分含量較高且頻率相對來說固定.這樣組合式的諧波抑制裝置對于治理實驗室電網(wǎng)污染效果比較理想.

經(jīng)過實測分析，計算機(jī)開關(guān)電源確實會對實驗室供電系統(tǒng)造成污染，并且產(chǎn)生危害，所以我們應(yīng)該加強(qiáng)對計算機(jī)實驗室電源的諧波電流和電磁干擾的監(jiān)控測試，找出更有效的抑制和濾除方法，保證實驗室用電安全.

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