开关电源中的一大危害——谐波

时间:2018-05-07 17:44来源:东芝半导体&存储产品

摘要:发电厂产生的交流电,以数十万伏特的高电压进行传输,以减少电网中的输电损耗。如此高的电压通过一系列变电站逐步降低到家用电压等级。

什么是交流电源

发电厂产生的交流电,以数十万伏特的高电压进行传输,以减少电网中的输电损耗。如此高的电压通过一系列变电站逐步降低到家用电压等级。

 

 

 

理想情况下,向家庭和工厂供电的交流电源具有正弦波形,且电源和电压之间没有相位差。然而,在交流到直流的转换过程中,实际设备所消耗的交流电中将产生电压电流波形之间的相位差以及电压畸变。

 

电流波形畸变

下面这个图形显示了开关直流电源的输入部分,交流电源输入(波形a)是通过桥式整流器二极管整流的全波型。如果不提供平滑电容器(Co1),电压波形将变成波形b中所示。实际上,电压波形将通过平滑电容器的整流,将会变成如波形c中所示。

 

 

 

接下来,让我们考虑以下电流的情况,当平滑电容器两端的电压低于全波整流输入电压时,充电电流流入电容器,波形d中所示的脉冲波形电流将流入电容器,相对应的,输入端会流入如波形e中所示的电流。如前所述,如果电路中没有实施相应的策略,电流波形将会发生畸变。

 

电流波形畸变的弊端

考虑一下,如果在数据中心这样的大型设备中,没有实施应对电流波形畸变的措施,会发生什么情况?

 

 

 

如上图所示,红色部分表示电流畸变。当发电厂通过电网输送的供电中发生电流畸变时对某一设备而言,同一楼层的所有设备都有可能通过交流输入端而受到该电流畸变的影响。电流畸变可能影响配电设备效率,也可能导致连接到电网的设备出现故障,或者在特定情况下危害到人身安全。因此,我们需要讨论一下波形的畸变。

 

 

 

什么是谐波

在直流开关电源中所讨论的电流波形的畸变周期与交流电源输入的周期相同,这样的周期波形包含基波及其谐波频率中的能量分量。

 

 

 

这里,我们以一个矩形波为例进行说明,矩形波有奇次谐波分量,我们可以通过傅里叶分析来理解。当它在频率轴上进行表示时,基波频率的谐波即包含在这里,如图所示。

 

虽然这个图像未显示出第十三次和更高次的谐波分量,但在实际情况中可能有更高的谐波分量。到这里,我们介绍了由于电流波形的畸变所导致的谐波产生,为了消除电流畸变所带来的各种问题,必须尽可能减小谐波。

 

全球谐波规范

针对谐波对电网和所连接设备的影响,各国都在法规中对其强度尽心了限制,下面这张图列举出了欧盟、日本、中国的谐波规范。
 

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