如何顺利通过电磁兼容试验(二)

3．谐波电流测试常见问题对策及整改措施

对于由交流市电供电的电子、电气产品，谐波电流是一个很重要的电磁兼容测量项目。

在低压市电网络使用的电子电气设备，其供电电压是正弦波，但其电流波形未必是正弦波，可能有或多或少的畸变。大量的此类设备应用，会造成电网电压波形畸变，使电网电能质量下降。

图4：高压整流电路及对应的畸变电流波形

一个周期函数可以分解为傅立叶级数，表示为多级正弦函数的和式，即可把周期信号当作是正弦函数的基波与高次谐波的合成。

所以，我们可以将设备的畸变电流波形分解为基波和高次谐波，通过特定的仪器测量高次谐波含量，就可以分析出设备电流波形畸变的程度。这些高次谐波电流分量我们简称为谐波电流。

图6：畸变电流波形的傅立叶展开示意图

当电网中存在过量的谐波电流，不仅会使发电机的效率降低，严重时还会造成发电机和电网设备的损坏，同时还会影响电网用户设备的正常工作，比如计算机运算出错，电视机画面翻滚。

正是出于保护共用电网电能质量，保障电网和用户设备的正常进行，IEC提出了谐波电流限值标准。 谐波电流测试不适用于由非市电的低压交、直流和电池供电的电子、电气产品。

3.1 测试标准介绍

下面以GB17625.1标准为例，对谐波电流的测试作一个简要介绍。

标准名称：GB17625.1-2003 idt IEC61000-3-2:2001  《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）》
GB17625.1-2003是众多电子电器产品认证检验的一个重要依据标准。该标准测量和限制的就是由低压市电供电的电子、电气产品（设备每相输入电流≤16A）在使用时其供电电流波形畸变的程度。

GB17625.1-2003标准是通过限制设备电流的高次谐波分量的大小来限制设备电流波形的畸变的。GB17625.1考虑到第40次谐波电流含量。

3.1.1 标准的适用范围

该标准只对接入频率为50Hz/60Hz、相电压为220V/230V/240V的低压供电系统且每相输入电流不大于16A的设备提出谐波电流限值要求。

该标准是一个通用电磁兼容标准。适合于本标准的产品类别较多，如家用电器、电动工具、电气照明设备、信息技术设备、影音设备等等。

3.1.2 设备的分类

分类是按照谐波电流限值不同而进行的。

A类：平衡的三相设备；

家用电器，不包括列入D类的设备； 工具，不包括便携式工具； 白炽灯调光器； 音频设备；

以及除以下几类设备外的所有其他设备。

B类：便携式工具；不属于专用设备的电弧焊设备

C类：照明设备

D类：有功功率不大于600W下列设备：个人计算机和个人计算机显示器；电视接收机。 B类、C类和D类设备定义比较简单，A类的区分比较复杂。

3.1.3 谐波电流限值

下列类型设备的限值在该标准中未作规定：

额定功率75W及以下的设备，照明设备除外（将来该值可能从75W减小到50W）； 总额定功率大于1kW的专用设备；

额定功率不大于200W的对称控制加热元件； 额定功率不大于1kW的白炽灯独立调光器。

（通常有生产厂家利用此条的限制项来达到免于进行谐波电流限制的目的）

3.1.3.1  A类设备的谐波电流限值

A类设备的谐波电流限值见标准相应表格，限值是有效值，单位为安培。该限值是固定值，与产品的功率和基波电流大小不相关。

3.1.3.2  B类设备的谐波电流限值

B类设备的谐波电流限值是A类设备的限值的1.5倍。

3.1.3.3  C类设备的谐波电流限值

a）有功输入功率大于25W

对于有功输入功率大于25W的照明电器，谐波电流不应超过C类设备的相关限值。该限值与产品基波电流大小不相关。

b）有功输入功率不大于25W

对于有功功率不大于25W的放电灯，标准规定了其特定的合格判定条件。

3.1.3.4  D类设备的谐波电流限值

a）只限制奇次谐波电流。

b）奇次谐波电流不仅要符合最大允许谐波电流，还要符合“每瓦功率允许的最大谐波电流”。

可以说对D类设备的要求是比较严格的，而实际情况却是D类设备的谐波电流往往比较大。

该规定是考虑到D类设备应用非常广泛，又经常是连续运转，客观上又经常同时使用。如此多的D类设备同时工作，它们产生的谐波电流在合成（矢量合成）后对电网电能质量的影响将是不能不考虑的。

3.1.4 谐波电流测试仪器

谐波测量设备一般由两部分组成：精密电源单元与测量仪表单元。

要求电源部分能向被测设备提供良好波形的电压源、负载能力和平坦的阻抗特性。

标准规定测量仪表单元必须是离散付氏变换（FFT）的时域测量仪器，能够连续、准确地同时测量全部各次谐波所涉及的幅值、相位角等需要量。
目前实验室多采用以FFT为频谱分析原理的谐波测量仪。测量仪的前级为采样电路、模-数变化器，后级是FFT分析仪（可以利用PC机实现）。

3.1.5 试验条件

标准中规定了部分类型设备谐波电流的试验条件。

对于没有提到的设备，发射测量应在用户操作控制下或自动程序设定在正常工作状态下，预计产生最大总谐波电流（THC）的模式进行。

这是规定了发射试验时设备的配置，而不是要求测量THC值或寻找最恶劣状态下的发射。

3.2 谐波电流发射的基本对策

解决谐波发射超标问题的基本办法是在原来的电源电路中增加功率因数校正（PFC）电路。或改变已有的PFC电路，使其满足测试标准要求。
功率因数校正一般分为两种类型，即主动式和被动式。

当然对于中小功率的电子、电器设备，尽可能将其消耗的有功功率降低到75W以下，也不失为一种有效的方法。因为标准没有对75W及以下的设备给出限值（照明设备除外）。

对于一些专用的或特殊用途的设备，使其满足标准限值中免于限制条款，也是可行的。

3.2.1 主动式功率因数校正

主动式功率因数校正电路可以最大限度的提高功率因数，使其接近于1，这是目前较为理想的谐波电流解决方案。

这样的开关电源电路必须使用二级开关电路控制，其中一级开关电路用来控制电流谐波，另外一级开关电路用作电压调整。

该方案电路比较复杂，对电路元件要求高，增加的改进成本较高，而且对原来电源电路的设计概念必须作彻底的更新。

使用中还应该注意到，设备注入电源的射频传导骚扰可能因此而增加，这时必须再根据需要增加抑制电源传导骚扰的元件。

显然，因为技术的原因，该方案一般不能应用在采用线形电源变压器供电的设备上。 由于该方案对电路改动太大，一般少在谐波电流测试不通过时作为整改对策使用。

3.2.2 被动式功率因数校正

目前消费类电子、电气产品所采用的开关电源电路多是开关频率比较低、电路结构简单、成本较低的那种形式，其谐波电流发射超过限值的问题也较普遍。

在这种情况下，成本控制可能是主要的考虑。

采用低频滤波电路可以降低谐波成份到标准限值以下，这种措施属于被动式功率因数校正。这种方案适合于中小功率设备。

因为需要滤除的是工频谐波，对功率较大的设备，滤波器的重量和成本可能会超过设备电源本身。

3.2.3 其它解决措施

对那些设备整体呈感性或容性的电子、电气设备（如电动设备等），在正常工作时，其电流波形的峰值出现时间可能会滞后或超前电压波形的峰值，造成产品的功率因素的下降。

对此类设备较常采用的方式是对应的容性或感性补偿，使补偿后的电流波形的峰值出现时间与电压波形的峰值出现时间保持同步。
此类补偿需注意，不要出现过补偿，否则，效果适得其反。

此类补偿方式多用于电力系统的功率因素补偿，一般的电子、电气设备上较少采用。

因为，一般的电子、电气设备的谐波问题主要表现为波形畸变，而不仅是电流波形相位滞后、超前的问题，这种补偿方式效果不明显。

下面首先介绍两种被动式功率因数校正电路，然后再介绍主动式功率因数校正电路。

对一般用电设备来说，这两种被动式功率因数校正电路所增加的元件成本均比较低，体积也不大，一般是可以接受的。

采用主动式功率因数校正电路的比被动式成本略高,但校正效果会比被动式好的多。

对有些采用其它方案不能凑效的产品，主动式功率因数校正电路可能是最后唯一的选择。 当然，有些产品为提高产品质量和档次，也会主动采用主动式功率因数校正电路。

3.3 利用电感储能电流泵式解决方案

该方案适用于直接利用高压整流方式来供电的产品。电路如图7所示。

这个电路仅仅由一个扼流圈L1、一个快速开关二极管D1和一个耐冲击电容C组成。用这三只元件构成一个电流泵电路，取代原来开关电源里的由二极管和RC网络组成的限幅缓冲电路。

扼流圈的电感L1大概是开关变压器的主电感L的4倍。

耦合电容C应该能够耐高压和冲击，它的容量是10到30nF。 对应开关电源的功率从75W到300W的范围。

C1电容应该大到足够满足最大的谐波电流限值，二极管选用快恢复特性功率二极管。 此电路结合主动功率因数校正的原理，利用电感储能延长整流导通的时间，从而有效减少了输入的谐波电流幅度。

应用此电路时，应注意调整开关变压器和开关晶体管的参数，否则易损坏开关晶体管。 此电路宜应用在电源开关频率较高，开关晶体管导通电流大，内阻很小的电源电路中。

图7：电流泵式被动功率因数校正电路

3.4 低频谐波电流抑制滤波解决方案

电路如图8所示。该方案适用于直接利用高压整流方式来供电的产品。 这个电路仅仅由一个低频扼流圈组成，插入整流桥和滤波电容之间。 其工作原理非常简单，低频扼流圈的电感和整流电容以及低频扼流圈的分布电容共同组成一个低频谐波电流滤波器。

图8：低频滤波器被动功率因数校正电路

电路参数要设计成对50Hz的基波成份衰减很小，对三次以上谐波成份衰减很大，尤其是第三次谐波（150Hz）的衰减最大。

低频谐波电流抑制滤波器在电源整流之后或者之前的某些点插入电流回路，就可以起到抑制谐波电流的目的。

可以解决300W以下产品的谐波电流问题，并且不需要电路其它参数作任何改变，也不会降低原电源电路的其它性能。

其缺点是体积较大，重量约100-200克。

3.5 主动PFC解决方案

该方案是在主电源上串联另一个电源变换器，它强迫电源紧密跟随正弦型线电压获取电流。 图9为其原理示意图。
该方案适用于直接利用高压整流方式来供电的产品。

图9：主动式PFC原理示意图

工频交流经过整流器整流后变成波动的直流，该波动直流提供给PFC转换电路进行转换。

对一般普通的开关电源来说，由于PFC控制电路相当于在原开关电源的整流和滤波回路之间增加了一级开关回路。

一方面增加了电路的复杂程度，可能需要对原系统的电源部分重新设计和排版；

另一方面，由于相当于增加了一级开关转换电路，电源产生的射频骚扰必然有所增加甚至超标，这时可能需要采取一些措施使其重新符合相关标准的要求。

3.6 谐波问题的其它对策

以上三种谐波电流问题解决方案主要适用于直接利用高压整流方式来供电的产品。 因为此类产品谐波电流非常大，若不采取相应对策，则难以满足谐波标准要求。

对通过工频变压器供电的产品和直接使用交流电源而不通过电源变换电路二次供电的家电产品，一般情况下谐波电流不大，且其波电流限值比较宽松，即使不采取谐波电流抑制措施，其谐波电流测试合格率还是非常高的。

但我们依然需要注意以下几个方面的内容。 对那些非高压整流方式来供电的家电产品，低次谐波电流限值比较宽松，合格是比较容易的，此时，应注意的是20次以上的高次谐波电流容易出现问题。

对此类的高次谐波超标问题，一般在电源回路中增加适当的高次谐波滤波电感（高频扼流圈）即可解决问题。
由于半波整流方式和利用相位截波方式调节（如可控硅非过零控制）对电源进行对称和非对称控制都很容易产生非常大的谐波电流。谐波电流标准一般不允许采用半波整流方式和对电源进行对称和非对称控制。

若测试时谐波电流超标，建议将电源半波整流方式和对称/非对称控制方式改为其他的控制方式。 如将半波整流改为全波整流或桥式整流方式。将利用相位截波方式调节的对称/非对称控制方式改成对称的过零触发控制方式。可以有效地解决此类谐波问题。