家用電器電源電路諧波產(chǎn)生分析與抑制＊

董曉雅，王亞文，胡 毅，袁雁雁，李 朋

（滁州學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 滁州239000）

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，各種家用電器也快速進(jìn)入人們的日常生活中，比如空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等。而這些家用電器中的許多控制部分是利用直流電源電路來進(jìn)行工作的，通過對這些直流電源電路的結(jié)構(gòu)分析可知，它們主要由變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等部分組成[1]。理論分析和實驗都表明，這種直流電源電路工作時會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的諧波電流[2]。對于這種諧波電流，一方面它可能會導(dǎo)致后端電路工作不正常；另一方面，它還可能通過電源變壓器回溯到電力系統(tǒng)中，造成電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定[3]。因此，對于一些家用電器，特別是利用大電流工作的家用電器，設(shè)計時需要考慮對諧波進(jìn)行抑制。

目前，對于諧波電流的抑制，根據(jù)其實現(xiàn)方式的不同，大致可分為無源濾波法[3-4]、有源濾波法[5]以及諧波補(bǔ)償法[3]等?？紤]到家用電器直流電路的工作特性及諧波抑制實現(xiàn)的簡單性，基于無源LC 諧振濾波的諧波抑制方法相對較好。對此，文中以電冰箱直流電源電路為例，分析了諧波產(chǎn)生的過程，并給出了利用并聯(lián)LC 諧振濾波實現(xiàn)的諧波抑制方法。

1 家用電器電源電路諧波產(chǎn)生原因分析

對于家用電器，比如電冰箱的直流電源電路總體組成如圖1 所示。

圖1 電冰箱直流電源電路

在圖1 電路中，假設(shè)4 個二極管VD1～VD4 用于整流的參數(shù)相同；C1為濾波電容，它主要將整流電路輸出的半波直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻品€(wěn)定的直流電壓；穩(wěn)壓器可對濾波后的電壓進(jìn)一步整形為穩(wěn)定的直流電壓，以供后端電路使用。

通過對圖1 的分析可知，如果令v（t）的角頻率為ω0，φ為二極管VD1 與VD4 或VD2 與VD3 的導(dǎo)通角，α為VD1與VD4 或VD2 與VD3 的截止角，這樣在v（t）一個波形周期內(nèi)，二極管VD1～VD4 的導(dǎo)通情況為：①當(dāng)ω0t=α?xí)r，二極管VD1 與VD4 截止；②當(dāng)ω0t=π時，二極管VD2 與VD3導(dǎo)通；③當(dāng)ω0t=π+φ時，二極管VD2 與VD3 截止；④在其余時間內(nèi)，4 個二極管均截止。

而對于電容器來說，在二極管VD1 與VD4 導(dǎo)通或VD2與VD3 導(dǎo)通期間，都處于充電狀態(tài)；而在VD1～VD4 均截止期間，則處于放電狀態(tài)。經(jīng)進(jìn)一步地分析可知[2-3]，如果令穩(wěn)壓器及右端電路在一起的等效電阻為R，則在τ=RC1?T0=2π/ω0時，可得在一個周期T0內(nèi)變壓器副邊電壓v（t）及電流i 波形如圖2 所示。

圖2 直流電源變壓器副邊電壓與電流波形圖

從圖2 中可以明顯看出，變壓器副邊的電流i 波形與輸入電壓v（t）波形是不一致的，即發(fā)生了畸變。而根據(jù)傅里葉級數(shù)展開特性可知[3]，對于圖2 中的畸變電流i，由于其波形與v（t）具有相同的周期，因而i 中必然包含著大量的諧波。

2 并聯(lián)LC 諧振諧波抑制方法

通過在變壓器副邊接入并聯(lián)LC 諧振電路，可有效去除變壓器副邊回路電流中的諧波。該類型LTspice 軟件仿真電路如圖3 所示，其中變壓器原副邊匝數(shù)比為10∶1，原邊輸入頻率為50 Hz 的市電電壓為：

即有角頻率ω0=100π rad/s，而副邊線圈的電阻值為0.1 Ω。

圖3 直流電源并聯(lián)LC 諧振諧波抑制仿真電路

經(jīng)過仿真，變壓器副邊中的諧波電流在LC 諧振濾波前后的波形及頻譜變化如圖4 和圖5 所示。

圖4 并聯(lián)LC 諧振濾波前后副邊電流波形變化

圖5 并聯(lián)LC 諧振濾波前后副邊電流頻譜變化

由圖4 可知，在接入LC 并聯(lián)諧振濾波電路后，原先畸變嚴(yán)重的回路電流則基本恢復(fù)到與輸入電壓相同的波形，即大大消除了諧波。

同時，從圖5 還可以看出，在經(jīng)過諧振濾波后，回路電流頻譜基本變?yōu)榕c基波頻率相同的單頻譜線，這也說明諧波得到了較好的抑制。

3 結(jié)語

家用電器中的直流電源電路在工作過程中會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的諧波電流，會影響到后端電路的工作性能及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對此，以電冰箱直流電源電路為示例分析了諧波電流的產(chǎn)生過程，并給出了一種基于并聯(lián)LC 諧振濾波的諧波抑制方法。結(jié)果表明，通過所示方法可達(dá)到有效減少諧波的目的。