整流滤波型非线性负载的谐波污染及其治理方案(一)

1、第10卷第7期Vol.10No.7整流滤波型非线性负载的谐波污染及其治理方案（一）李成章中国科学院计算所，北京100101）（艾默生网络能源公司，HarmonicVitiationofRectifier-filterNon-linearLoadandItsProtectionMethodsLICheng-zhang中图分类号：TN911文献标识码：D文章编号：0219-2713（2007）07-0001-080引言在现代低压供电电网中经常遇到的非线性负故障等，从下降、晶闸管调控设备的“误触发导通”而危及信息网络中的IT硬件和软件系统的安全运行等。基于上述原因，有必要认真地研究由非线性负载所带来

2、的谐波污染问题，并力争寻找出具有最佳性价比的谐波治理方案或最适合于用户的特定技术需求的综合型的谐波治理方案。为此，本文将从多方面来探讨非线性负载的谐波特性及其相应的谐波治理对策。载有：相移性非线性负载和整流滤波型非线性负载两大类。在信息网络机房的供电系统中大量使用的各种IT设备（例：PC机、服务器、磁盘阵列机、-48V通信电源和UPS等）就是典型的整流滤波型非线性负载。整流滤波型非线性负载在运行它们中，可能对低压供电电网带来的负面影响是，会向输入电源反馈大量的电流谐波分量。相关的必然会分析表明，各种高次电流谐波分量的出现，带来严重的无功功率的损耗问题。由此对输入电源所可能带来的典型危害有：（1

3、）对供配电系统的安全运行所带来的危害电力变压器和柴油发电机因损耗增大而导致其“温升”的异常升高，并迫使它们进入降额运行状态；电力电缆/断路器开关因加速“老化”而出现故障率增大和拒动或误动操作；电容型功率因数补偿柜中的电力电容的异常损坏以及用户在日常运行中所需的电费开支增加等。（2）对信息网络的安全运行所带来的危害因向IT设备供电电源的“零线对地线”的电压过高和电压谐波干扰偏大而导致它在执行数据处理和传输操作时的“误码率”增高、语音通信质量的收稿日期院2007-01-26整流滤波型非线性负载是导致输入电源发生谐波“污染”的主要干扰源在当今的信息化时代，将计算机技术与通信技术有机地融合在一起的信息

4、网络机房承担着执的互连、互行信息资源（数据、语音和图像等资料）通的任务。利用这样的信息网络不仅能不受时空而且，限制地在各用户之间实现信息资源的共享，还能大大地提高企业的增值服务的价值和竞争潜力。为了能确保在信息网络系统上连续不断地执行高效、可靠和保密的信息资源的处理/存储/交换/传送/查询等操作，需要为位于信息网络中的各功能完善类IT设备配置一套具有高可利用率的、的和易于维护的UPS供电系统。为此，需要解决的重要技术问题之一是：尽可能地消除由各种非第10卷第7期Vol.10No.7（d）输入电压与输入电流的矢量图图2电阻性的线性负载、电容和电感等“相移型”非线性负载是不会产生谐波电流的而言，由

5、于其输入的绝大部份电能已被转换成有功功率。所以，它的cos并不是很低。例如：对于甩干机中的电机而言，它的cos=0.96（滞后）左右，这就意味着：对于这种负载而言，它的输入电流的波形是一串滞后于正弦形电压波16°左右的正弦形的电流波。所以，它们也是不会向输入电源反馈任何电流谐波分量的。此外，对于电容性负载如：电力电容型的功率因数补偿柜）而言，当输入电压波为正弦波时，其输入电流也是一串相位超前于电压波90°的正弦波形的电流波，它的功率因数cos90°=0。它也是不会向输入电源反馈任何电流谐波分量的。显然，对于这类电感/电容性负载而言，在它们的输入电流I与输入电压V之

6、间并不存在按正比例变化的线性关系，应该属于非线性负载。然而，它们的电流波都仍然是保持着“正弦波形”的运行特性。所以，它们都是不会产生谐波电流的。为方便叙述，在下面的讨论中，我们将这类非线性负载称为相移性的非线性负载。综上所述：对于电阻性的线性负载、电容和电感等“相移型”非线性负载来说，它们都不会对输入电源带来任何电流谐波“污染”问题的。1.3整流滤波型（RCD型）的非线性负载常见的整流滤波型负载有：（1）采用单相开关电源的设计方案的典型整流滤波型负载，有PC机、服务器、磁盘阵列、存储器、小型机、半导体芯片生产厂用晶体炉和测试仪、家用电器、节能灯、变频器、电梯、复印机、打印机、LED大型（显示体

7、育馆2）采屏用和三广播、证券相6设备等交易所和会议厅用的大屏幕脉冲整流器的设；计方案的典型整流滤波型负载，有采用三相全波整流技术设计的-48V通信电源、带晶闸管整流器的UPS和变频器等。以上两类负载都是能导致在输入电源上产生多种电流谐波分量的非线性负载。其特征是：在正弦波形的输入电压的供电的条件下，出现在这些负载输入端的电流波都是已发生了明显波形畸变的非正弦波形，从而导致出现严重的输入电流谐波失真问题。它们的典型的输入电流谐波特性如图3所示。从图3（a）可见：对于6脉冲整流型的三相UPS而言，在输入电压波为连续的正弦波形的条件下，它的典型输入电流波形为不连续的“马鞍形”脉动波形。在这里，所谓的

8、不连续的脉动波形是指：在输入电压波形不等于零的期间，出现了输入电流为零”的工作区域。从图3（b）可见：对于不带输入功率因数校正功能（PFC）的PC机、网关、家用电器及各种办公设备等单相整流滤波型非线性负载而言，在输入电压波为连续的正弦波形的条件下，它的典型输入电流波形为不连续的钟形”脉动波形。从图3（c）可见：对于带输入功率因数校正功能（PFC）的小型机、服务器和磁盘阵列机等单相整流滤波型非线性负载而言，在输入电压波为连续的正弦波形的条件下，它的典型输入电流波形为连续的“准三角形”脉动波形。对于所有上述的整流滤波型非线性负载而言，在输入电源的电压波为连续的正弦波形的条件下，它们从输入电源所吸取

9、的输入电流波形均变为发生了严重波形畸变的非正弦形的脉动波,从而导致出现向输入电源大量地反馈谐波电流的“谐波干扰”问“（例第10卷第7期Vol.10No.7行业综述（a）微机开关电源中的全波整流滤波器的输出波形（b）由整流波波型负载所引起的顶部被削平的畸变正弦波电源（c）典型开关电源控制图图4PC低档服务器用的开关电源的控制原理图及输入电压和电流的波形图（t2-t1）同具间隔内才从输入电源获得能量。显然，有相同的额定功耗的电阻性负载相比，此时出现在这种单相整流滤波器负载中的电流峰值Ip必然（注：峰会增大，从而导致输入电流的峰值比增大。由此所值比=电流的峰值与电流的有效值之比）可能带来的问题有：向

10、输入电源反馈大量的电流谐波分量THDI增大和输入功率因数偏低（PF=0.70.8左右），从而导致对输入电源的有效利用“零线对地线增高”。在此率的下降和供电电源的需特别说明的是：对于供电电源而言，过高的电流的峰值比的出现，必然会带来在非线性负载上供电系统中的电力变压器和电力电缆上所出现的“瞬态功率损耗”Ip2急剧增大。所有这一切都极管）因局部过热而出现加速“老化”和故障率增高等它还会造成输入电源的电压失真故障隐患。此外，度增大，其显著特征是导致输入电源的电压波被畸如图4变成顶部被削的畸变性的正弦波，（b）所示。对于单相整流滤波型的负载而言，从理论上易于导致在IT设备中的功率部件（MOS管/IGB

11、T讲，在它所可能向输入电源反馈的谐波电流中将仅仅包含有2n±1（n为正整数）的各种谐波电流分量，它的最大电流谐波分量是出现在3次谐波电流上。在此需预先说明的是3次谐波电流及其奇数倍的谐波电流的出现所带来的严重后果之一是：导致在采用TN-S、TN-C、TN-C-S和TT低压供电系统中的零线上所流过的零线电流会急剧增大。尽管这种单相整流滤波型的开关电源有上述缺点，然而，由于开关电源具有允许的输入电压范重量轻和价格便宜等优点而在各种围宽、体积小、备中得到极其广泛的应用。2.2家用电器和检测仪器/工控设IT设备、通信电源、带PFC调控功能的单相整流滤波型的非线性负载（PFC）对于带输入功率因

12、数校正功能的单相（例如：小型机、带PFC的中、高档整流滤波型负载而言，在输入电压为正弦波服务器和通信电源等）的条件下，其电流波是一种脉宽为10ms的“准三PDF 文件使用 "pdfFactory" 试用版本创建第10卷第7期Vol.10No.7行业综述次数n的增加而下降的。也就是说，n次谐波电流分量的频率越高，它的幅值就越小。从表1可见：从6脉冲整流型UPS和12脉冲整流型UPS反馈到输入电源上的最大电流谐波分这是同我们所预期的理论分析11谐波分量上的，值完全一致的。为了确保中、大型UPS在这里需要说明的是：中的逆变器和蓄电池组能获得具有自动稳压调控特性的直流母线电压及确保

13、这些UPS具有较宽的在采用6脉冲或12脉冲整流输入电压工作范围，滤波器设计方案的UPS的整流器中采用的是晶闸管“相控自动稳压调控”设计方案。在此条件下，晶“导通角”仅为60°左右，不可能过份地闸管的典型增大或缩小。否则，就会影响UPS的以AC380V负对称性。对的中心值的输入电压变化范围的正、大型UPS而言，它典型值为：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项目（计算值）（计算值）6脉冲UPS（实测值）（实测值）5次7次11次9.1%9.1%8%9%从位于6脉冲整流型UPS和12脉冲整流型UPS中的整流器所分别反馈到输

14、入电源上的输入电流谐波分量（实测值）为33.8%和10.4%，均高于从6脉冲全波整流器和12脉冲全波整流器所理论计算的输入电流谐波分量29.5%和9.4%。（例：各种泵站和自在各种自动转速调控系统常用到采动生产线等）、空调机和电梯等系统中，用全波整流器输入的变频器也具有类似的输入电从表2和表3可见：变频器的最大输流谐波特性。入电流谐波分量出现在5次和7次电流谐波分量上。为降低变频器对输入电源所可能造成的谐波“污染”，当今常用的技术手段是配置各种类型的电抗器。在实际工作中，还可将连接在UPS供电系统中的非线性负载所产生的谐波电流是否处于周期性的电流脉冲运行状态，而将它们划分为稳态性的谐波电流负载和瞬变性的谐波电流负载。所谓的稳态性谐波电流负载是指：当非线性负载从开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%量的确是分别出现在它们各自的5次谐波分量和6脉冲全波整流器和12脉冲全波整流器的输入电流谐波分量的理论计算值及典型实测值总谐波分量29.5%9.4%33.8%10.4%表2谐波分量谐波分量谐波分量谐波分量谐波分量谐波分量谐波分量谐波分量20%32%1%14.3%3%1%55kW以下的变频器的输入电流谐波分量的典型实测值7次11次谐波13%8%7%9%13次谐波11%6%3.