关键词 办公电子设备，3次谐波，电压型谐波源

　　中图分类号：TM46;TM711 学科代码：470.4031

　　1.前言

　　随着办公电子设备的广泛应用，低压配电系统中的谐波日益严重，影响了配电系统的安全稳定运行，也降低了精密电子设备的运行可靠性。虽然，单个电子设备的谐波电流发生量较小，但当它们在办公建筑中大量集中使用时，其谐波总量不容忽视。要良好抑制此类设备谐波，需要了解此类谐波源的特点。文献[1,2]从理论上论述了此类谐波源的频谱和谐波源的电源特性，文献[3]指出了理想情况下各次谐波电流的相序特性，但缺少实测数据或实验数据的支持。本文通过对实测数据的分析，全面论述了办公电子设备及其配电系统电流的谐波特征。

　　2.办公电子设备电流的谐波频谱

　　办公电子设备通常都是市电交流电压经过整流、稳压、滤波后变换为电子器件所需的直流电压来使用的，所用的整流电路多为直流侧并接大容量滤波电容的整流电路，典型的电路结构如图1a所示。当交流电源电压瞬时值大于直流侧电压时，电源电压通过电源内阻抗对电容器充电并对负荷供电，当电源电压瞬时值小于直流电压时，整流器件关断，无电源电流，此时电容器向负荷放电[2,3,4,5]。因此，办公电子设备的网侧电流为脉冲波形，图1b所示为某台式计算机的网侧电压电流波形。

　　(a)典型电路结构                  (b)网侧电压电流波形

　　图1 典型二极管整流电路和网侧电压电流波形

　　计算机是办公电子设备的典型代表，在办公大楼、商贸建筑及住宅中应用较为广泛，是建筑配电系统中谐波的主要来源。

　　对单台台式计算机(包括主机和显示器)进行了谐波测量分析，计算机网侧电压电流波形如图1b所示，网侧电流的谐波频谱如图2所示。测试结果表明，计算机的电压电流波形发生了严重的非正弦畸变，电流中的谐波成分主要为奇次分量，其中三次谐波电流含有率高达90%，五次谐波电流含有率超过50%，电流总谐波畸变率则高达116%。

　　图2 计算机网侧电流谐波频谱

　　3.办公电子设备的电流谐波的相序特性

　　当三相对称的线性负荷接到三相配电系统中时，供电线路中中性线电流几乎为零，因而在常规配电系统设计中，中性线截面往往比相线小。但是，当三相对称的非线性负荷(譬如平均分配到三相中的计算机群)接到三相系统中时，由于零序谐波电流的存在，中性线电流会显著增大，甚至比相线电流还要大，若中性线截面选择不当会导致火灾等隐患。

　　理论上讲，三相对称正弦系统中，三相对称的非线性负荷电流中各次谐波分量的相序如表1所示[3]，(3n+1)次谐波为正序，(3n+2)次谐波为负序，而3n次谐波(常称为3倍次谐波)为零序。

　　表1 三相对称的非线性负荷电流各次谐波分量的相序

　　谐波次数1234567…

　　谐波相序正序负序零序正序负序零序正序…

　　在建筑配电系统中，用电设备大多为单相设备，譬如计算机、空调、照明、打印机、复印机等。这些单相设备通常平均地分配到三相中去，以避免出现严重的三相不平衡现象。当计算机群中的计算机(如机房)均匀分配到三相配电系统中时，计算机电流的谐波相序特性将严重影响到中性线电流的大小，进而影响到配电系统的结构设计和运行安全问题。

　　图3为某计算机房(18台计算机)配电系统的谐波测试结果。图3a、3b、3c分别为三相电压和电流波形，其形状与单台计算机电压电流波形类似。图3d为A相电压与中性线电流波形，可以看出，中性线电流主要为三次谐波电流，且其幅值比相线电流还大。

　　(a) A相电压与电流 (b) B相电压与电流 (c) C相电压与电流 (d) A相电压与中性线电流

　　图3 计算机房配电系统的电压电流波形

　　表2列出了各相电流的实测结果，可以看出：(1)三相相线的3次谐波电流之和近似等于中性线3次谐波电流，这表明，计算机所产生的3次谐波电流是零序分量;(2)中性线电流高达相线电流的2倍，因此在建筑配电系统尤其是计算机房配电系统设计中，必须考虑谐波的影响，按相线和中性线中最大电流设计，否则可能导致中性线过载现象;(3)中性线3次谐波电流占到总电流的95%，即3次谐波是导致中性线过载的主要因素，因此，建筑配电系统装设3次谐波滤波器是解决中线过载的良好途径。

　　表2 某计算机房各相电流实测结果

　　相别基波(A)3次(A)5次(A)总电流(A)

　　A相3.6412.4560.9154.532

　　B相4.3963.0521.3235.724

　　C相4.2732.8820.9555.300

　　N线0.31310.2050.49410.394

　　图4为某办公楼配电系统的谐波测试结果，图4a为电源进线中三相相线的电流频谱，图4b为A相电压和中性线电流波形。可以看出，该办公系统的主要谐波分量为3次谐波，而且零序性质的3次谐波电流在中性线中叠加，使中性线电流与相线电流大小相当。

　　(a)三相电流频谱 (b) A相电压与中性线电流波形

　　图4 某办公楼配电系统电源进线谐波测试结果

　　4.办公电子设备的谐波源特性

　　实测结果表明，办公电子设备是典型的谐波源负荷。尽管单台设备的容量小，谐波电流不大，但对于设备群体而言，谐波电流及其危害不容忽视，必要时宜装设谐波滤波器。按安装结构来划分，滤波器有并联型和串联型，按滤波原理来划分，则有无源型和有源型。如何选择和配置滤波器，与谐波发生设备的谐波源特性密切相关。

　　按照谐波源负荷产生的谐波电流的大小与电源阻抗的关系，通常将谐波源负荷分为电压型谐波源和电流型谐波源[6,7,8,9]。如果某谐波源负荷的谐波电流大小与电源内阻抗无关，则称该谐波源为电流型谐波源;如果某谐波源负荷的谐波电流大小与电源内阻抗密切相关，则称其为电压型谐波源。电流型谐波源宜采用并联型滤波器，而电压型谐波源宜采用串联型滤波器。

　　从办公电子设备的整流电源电路结构和工作原理来看，显然，办公电子设备应属于电压型谐波源负荷。但是，实验结果表明，办公电子设备不能等效为一个理想的谐波电压源，而应该等效为一个带有串联谐波阻抗(Zh)的谐波电压源(Uh)，如图5所示。其中，Ls为电网的等值电感。

　　图5 办公电子设备的谐波等值电路

　　为了验证台式计算机的谐波电压源类型，通过实验测定了系统等值阻抗变化对计算机电流的影响。在供电电源与计算机电源接口之间串入可变电阻器，测量不同串接电阻情况下计算机电源入口处电压电流波形和3次谐波数值，分别如图6和表3所示。实测供电电源的内阻抗为2.0Ω，即电源等值电感Ls=6.4mH，外部串联电阻分别取值0Ω/6Ω/12Ω。

　　图6表明，电源阻抗对台式计算机的电流畸变有明显影响，但并不是成正比变化。由表3数值可知，尽管电网等值阻抗成倍增大，而3次谐波电流只是小幅度下降。这种测试结果说明，台式计算机等效的3次谐波电压源必然存在一个较大的串联谐波内阻抗，该阻抗包括配电线路阻抗、EMI滤波器阻抗、整流器件通态阻抗、直流限流电阻或电感的阻抗、直流滤波电容的等效串联电阻ESR等。

　　正是由于办公电子设备等效的谐波电压源带有一定的串联内阻抗，在配电母线上也可以采用并联型滤波器来滤除，只是滤波效果要比电流源型谐波源差。

　　(a) RS=0 (b) RS=3Ω (c) RS=6Ω (d) RS=9Ω

　　图6 不同电源阻抗下台式计算机的网侧电压电流波形

　　表3 不同电源阻抗下计算机电流的3次谐波含量

　　RS/ Ω0612

　　ZS/ Ω6.08.513.4

　　I3/A0.3980.3770.354

　　5.结论

　　随着计算机的普及应用和产业结构的调整，办公电子设备成为建筑低压配电系统的主要谐波源。办公电子设备产生的谐波主要为频率较低的奇次谐波，尤以3次谐波为主。3次谐波电流属于零序分量，是低压配电系统中性线电流的主要成分，也是导致中性线过电流的主要因素。办公电子设备属于电压型谐波源，针对配电系统中所有单相办公电子设备在三相所产生的三次谐波电流汇集到中性线中，这类设备的低压配电系统滤波装置应适应这一特性。