大连理工大学网络教育学院
本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
目 录
1.1 课题的背景及意义
电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。早年的线性稳压电源因其优良的稳压性能、非常小的输出纹波电压等优点而获得了广泛的应用。但是其必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管功率损耗大，致使电源体积和重量大，效率低下。开关电源采用更高开关频率的功率管替代工频变压器，并且采用软开关、功率因数补偿等技术使得其体积小，重量轻，效率更高，在中、小功率的市场已经代替了线性稳压电源的地位。但是，干扰问题却随之而来。
由于开关电源工作在高频开关状态，内部会产生很高的电流、电压变化率（即高dv/dt和di/dt），导致开关电源产生较强的电磁干扰(EMI，Electro Magnetic Interference)。EMI信号既具有很宽的频率范围，又有一定的幅度，它不仅对电网造成污染，直接影响到其他用电设备的正常工作，而且作为辐射干扰闯入空间，对空间也造成电磁污染。因此，抑制开关电源本身的电磁噪声，同时提高其对EMI的抗扰性，以保证电子设备能够长期安全可靠地工作，是开发和设计开关电源的一个重要课题。
1.2 开关电源的基本工作原理
开关电源将市电直接整流滤波成为直流高压，然后通过逆变器转换成低压的高频交流电压，再经过二次整流和滤波变成所需要的直流低电压。
开关稳压电源电路如图1.1所示。市电电网电压交流滤波后经一次整流器( 桥堆 RB1) 桥式整流、C5 滤波后得到300V 脉动直流电压。在控制电路驱动下，开关管 Q1(其工作在高频开关状态) 以一定的时间间隔重复地饱和导通和截止，在 Q1 导通时， 输入电源 ui 通过 Q1、高频开关变压器 T1 和二次整流滤波电路由 D1、C6 组成) 供电给负载RL，当 S 断开时，输入电源 ui 便中断了能量的供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部分能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。图1.1中，高频开关变压器 T1 就是储能元件，它就具有这种功能。开关电源的输出电压 Uo 与开关管控制脉冲的占空比有关，占空比表达式可用下列公式表示。
（1.1）
式中为开关管 Q1的导通时间； T为 Q1 的工作周期。在开关电源中，随着负载及输入电源电压ui的变化，输出电压也在改变，通过调整便能使输出电压 Uo保持基本不变，以实现稳压。
图1.1 开关电源原理图
开关电源主要是通过整流器与电力网相联接的，经典的整流器由二极管或晶闸管组成，是一个非线性电路，在电网中会产生大量的电流谐波和无功功率而污染电网，影响电网和发电系统的工作效率，干扰通信系统，成为电力公害。传统的开关电源存在一个致命的弱点，即功率因数较低，一般为0.45~0.75，而且其无功分量基本上为高次谐波，其中三次谐波的幅度约为基波幅度的95%，五次谐波的幅度约为基波的 70%。开关电源已成为电网最主要的谐波源之一。
1.3 谐波的危害及治理方法
有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。谐波是一个数学或物理学概念，是指周期函数或周期性的波形中能用常数、与原函数的最小正周期相同的正弦函数和余弦函数的线性组合表达的部分。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。
1.3.1 谐波产生的原因
在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(如：电阻)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。 用傅立叶分析原理，能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数。在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器会呈现比较大的背离正弦曲线波形。谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。6脉冲设备仅有5、7、11、13、17、19 …。n倍于电网频率。功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高。其他功率消耗装置，例如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的3 次谐波( 150 赫兹)。在供电网络阻抗( 电阻) 下这样的非正弦曲线电流导致一个非正弦曲线的电压降。在供电网络阻抗下产生谐波电压的振幅等于相应谐波电流和对应于该电流频率的供电网络阻抗Z的乘积。次数越高，谐波分量的振幅越低。只要哪里有谐波源那里就有谐波产生。也有可能，谐波分量通过供电网络到达用户网络。例如，供电网络中一个用户工厂的运转可能被相邻的另一个用户设备产生的谐波所干扰。
1.3.2 谐波对电网产生的危害
1、谐波引起变压器的损耗增加
因为变压器铁心产生的涡流损耗，与谐波电流次数的平方成正比，谐波次数越高，铁损越大。谐波电流使变压器的铜耗增加，引起局部过热，振动，噪声增大，绕组附加发热等。谐波电压引起的附加损耗使变压器的磁滞及涡流损耗增加，当系统运行电压偏高或三相不对称时，励磁电流中的谐波分量增加，绝缘材料承受的电气应力增大，影响绝缘的局部放电和介质增大。对三角形连接的绕组，零序性谐波在绕组内形成换流，使绕组温度升高。变压器励磁电流中含谐波电流，引起合闸涌流中谐波电流过大，这种谐波电流在发生谐振时的条件下对变压器的安全运行将造成威胁。
2、造成电容器的过载故障
电容器的容性阻抗随频率的增加而下降，而其负载阻抗通常是感性的，随频率的增高而增大；当谐波电流的频率升高到使电容器的容性阻抗与负载的感抗相近或相等时，会产生谐振，引起电流增大，造成电容器的过载故障。
3、谐波引起电力系统功率因数降低
由于开关电源的接入，电力系统中除了基波电流外，还产生了各次谐波电流，设 为电源电压基波有效值，则系统功率因数为:
（1.2）
其中为电网中基波电流有效值；为电网总电流有效值，有
（1.3）
其中、、为各次谐波电流的有效值；为电流的波形畸变因数，越小，表示谐波电流分量越大，则电网中的无功功率越大，设备的利用率越低，导线和变压器的损耗越大。
4、对电力避雷器的影响
变电站大容量、高电压的变压器由于合闸涌流的过程时间比较长，能够延续数秒或更长的时间，有时还会引起谐振过电压，并使相关避雷器的放电时间过长而受到损坏。这一问题对选择保护高压滤波器中电感或电容元件用的避雷器参数带来较大的困难。
5、对继电保护及自动装置的影响
对继电保护及自动装置运行环境的影响。在谐波严重超标的电弧炉负荷、电气化铁路等谐波含量大的局部电网中会受到影响。频繁出现变压器严重涌流且涌流衰减缓慢的变电站受到涌流产生谐波的干扰。在系统因短路容量太小而可能出现较大谐波电压影响的场所会受到影响。在易发生谐波谐振的配电系统、输电系统、变电站网架近会受到影响。在谐波受到电容器组或其他原因而被放大严重的网络附近会受到影响。继电保护及自动装置利用的启动量小。利用负序电流或电压、零序电流或电压、差动电流或电压启动会受到谐波的影响。其中利用负序量启动的对谐波的敏感性最大。继电器或启动元件本身对谐波敏感晶体管或集成电路保护装置的动作量非常小和动作时间非常少，因此它的启动判据容易受到谐波影响而出现较大的误差。利用信号过零取样的控制系统及利用数据过零点的数字式继电器或微机保护，都会受到谐波的影响和干扰。
6、对用户电动机的运行影响
谐波电流通过交流电动机，使谐波附加损耗明显增加，引起电动机过热，机械振动和噪声增大。当三相电压不对称时，定子绕组上产生负序电流，并励磁产生负序旋转磁场，该制动磁场降低了电机的最大转矩和过载能力，增加铜损，并且负序过电流可以将电机定子绕组烧毁。负序性的谐波分量(5次、11次等)对电机的影响与负序电压的效果一样。当产生电压波动的主要低频分量与电机机械振动的固有频率一致时，诱发谐振，会使电动机造成损坏。
7、对用户自动控制装置的影响
随着数字控制技术的大规模使用，很多精密负载对受电电能质量指标提出了更高的要求。电能质量污染对这类设备的危害主要有三个方面，即在设备的检测模块中引入畸变量、干扰正常的分析计算、导致错误的输出结果。另外还会对设备的硬件，如精密电机、开关电源等造成不可逆转的损坏。干扰负载的保护回路，造成误动作等。
8、对电力用户的影响
用电设备对系统电源的污染会影响用电设备自身的可靠性。使用电能质量污染的电源，用电设备又可能成为新的污染源，而危害电力系统和其他用户设备。可能产生的影响包括：对用户电动机产生影响;对用户补偿电容器产生影响;对用户自动控制装置产生影响;对居民生活用电产生影响;对用电安全造成威胁。另外，还包括对电信通信造成影响，对广播、电视及精密制造工业造成干扰和影响，这类干扰和影响有些表现在差模干扰和共模干扰，差模干扰是工频及长线传输分布电容的相互干扰，共模干扰是引起回路对地电位发生变化的干扰，是造成微机控制单元工作不正常的主要原因。
1.3.3 谐波对电网产生的危害治理方法
1、无源并联滤波器
现有的谐波滤除装置大都使用无源并联滤波器，对每一种频率的谐波需要使用一组滤波器，通常需要使用多组滤波器用以滤除不同频率的谐波。多组滤波器的使用造成结构复杂，成本增高，并且由于通常的系统中含有无限多种频率的谐波成分，因此无法将谐波全部滤除。不仅如此，由于并联滤波器对谐波的阻抗很低，通常会使谐波源产生更大的谐波电流，谐振在不同频率的滤波器还会互相干扰，例如7次谐波滤波器就可能会放大5次谐波。因此，如果有人将并联滤波器安装前后的谐波情况做过对比，就会发现：虽然滤波器安装以后影响系统的谐波电流减小，但是各滤波器中以及进入系统的谐波电流之和远远超过未安装滤波器之前，谐波源产生的谐波电流也超过未安装滤波器之前。从广义的角度来讲，频率不等于工频频率的成分统统都是谐波。因此，工频是单一频率，而谐波有无限多种频率，可见谐波具有无限的复杂性，使用并联滤波器的方法显然无法对付无限频率成分的谐波。
2、无源串联滤波器
由电感与电容串联构成的LC串联滤波器，具有一个阻抗很低的串联谐振点，如果我们构造一个串联谐振点为工频频率的串联滤波器，并将其串联在线路中，就可以滤掉所有的谐波。这就是本文介绍的串联滤波器，串联滤波器由电感和电容串联而成，并且串联连接在电源与负荷之间，因此串联滤波器的“串联”二字具有双重意思：一个意思表示电感与电容串联，另一个意思表示串联在电路中使用。
在三相电路中均接入串联滤波器，由于串联带通滤波器对基波电流的阻抗很小，而对谐波电流的阻抗很大，于是只用一组滤波器就可以滤除所有频率的谐波。串联滤波器对于谐振点频率的电流具有极低的阻抗，对于偏离谐振点频率的电流，则阻抗增大，偏离的越多，阻抗越大。对于比谐振点频率高的电流成分，电感的阻抗为主，对于比谐振点频率低的电流成分，电容的阻抗为主。由于谐波成分通常比基波频率高，因此滤除谐波的工作主要由电感完成，电容的作用是抵消电感对工频基波的阻抗。由于滤除谐波的作用主要由电感完成，因此电感量越大滤除谐波的效果越好。但是电感量越大则价格越高，损耗越大，因此从成本及损耗上去考虑问题则希望电感量越小越好。当电感的基波感抗小于负荷等效基波阻抗的50%时，不能实现良好的滤波效果（负荷等效基波阻抗就是负荷相电压有效值与相电流有效值的比值）。因此电感的基波感抗必须大于负荷等效基波阻抗的50%。对于电容器的选择与电感的选择情况不同，电感的匝数可以随意设计，而电容器的耐压只有固定的若干等级，不能随意设计。比如在低压配电系统中，就只有耐压230V与400V的电力电容器可供选择。由于电容器串联在电路中，电容器中的电流即为负荷电流，当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器中流过的电流等于电容器的额定电流，电容器得到充分的利用，因此，当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器的成本最低。
实际的串联滤波器成本主要由电感与电容器的成本构成。串联谐振的电感与电容对基波的阻抗相等并且电流相同，因此电感与电容的基波工作电压相同。前面已经说明，当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器的成本最低，因此电感的实际工作电压应该等于电容器的额定电压。电容器的额定电压等级大都与电网电压相当，如果电感的实际工作电压等于电容器的额定电压，相当于电感阻抗与负荷阻抗相当，可以取得最好的性能价格比。在这个基础上，如果提高电感的感抗，虽然滤波效果可以提高但提高不多，电感的成本增加，电容器需要串联，成本急剧增加，性能价格比下降，因此电感的基波感抗大于负荷等效基波阻抗的200%没有实际意义，如果降低电感的感抗，则滤波效果下降，电感的成本降低，电容器的容量增加因此成本增加，性能价格比也下降。为了获得足够的可靠性，电感与电容器的实际工作电压应略低于电容器的额定电压。当谐波电流由外网窜入而影响内网负荷设备的正常运行时，在电源与负荷设备之间接入串联滤波器就可以阻挡谐波保证负荷设备的正常运行。当谐波由内网设备产生而影响系
