家用電器電源電路諧波產生分析與抑制＊

董曉雅，王亞文，胡 毅，袁雁雁，李 朋

（滁州學院 機械與電氣工程學院，安徽 滁州239000）

隨著現代化技術的發展，各種家用電器也快速進入人們的日常生活中，比如空調、冰箱、洗衣機等。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行工作的，通過對這些直流電源電路的結構分析可知，它們主要由變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路等部分組成[1]。理論分析和實驗都表明，這種直流電源電路工作時會產生比較嚴重的諧波電流[2]。對于這種諧波電流，一方面它可能會導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中，造成電力系統的不穩定[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，設計時需要考慮對諧波進行抑制。

目前，對于諧波電流的抑制，根據其實現方式的不同，大致可分為無源濾波法[3-4]、有源濾波法[5]以及諧波補償法[3]等。考慮到家用電器直流電路的工作特性及諧波抑制實現的簡單性，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，分析了諧波產生的過程，并給出了利用并聯LC 諧振濾波實現的諧波抑制方法。

1 家用電器電源電路諧波產生原因分析

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4 個二極管VD1～VD4 用于整流的參數相同；C1為濾波電容，它主要將整流電路輸出的半波直流電轉變為近似穩定的直流電壓；穩壓器可對濾波后的電壓進一步整形為穩定的直流電壓，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，二極管VD1～VD4 的導通情況為：①當ω0t=α時，二極管VD1 與VD4 截止；②當ω0t=π時，二極管VD2 與VD3導通；③當ω0t=π+φ時，二極管VD2 與VD3 截止；④在其余時間內，4 個二極管均截止。

而對于電容器來說，在二極管VD1 與VD4 導通或VD2與VD3 導通期間，都處于充電狀態；而在VD1～VD4 均截止期間，則處于放電狀態。經進一步地分析可知[2-3]，如果令穩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，即發生了畸變。而根據傅里葉級數展開特性可知[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LC 諧振諧波抑制方法

通過在變壓器副邊接入并聯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LC 諧振諧波抑制仿真電路

經過仿真，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LC 諧振濾波前后副邊電流波形變化

圖5 并聯LC 諧振濾波前后副邊電流頻譜變化

由圖4 可知，在接入LC 并聯諧振濾波電路后，原先畸變嚴重的回路電流則基本恢復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，在經過諧振濾波后，回路電流頻譜基本變為與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 結語

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