家用电器电源电路谐波产生分析与抑制＊

董晓雅，王亚文，胡 毅，袁雁雁，李 朋

（滁州学院 机械与电气工程学院，安徽 滁州239000）

随着现代化技术的发展，各种家用电器也快速进入人们的日常生活中，比如空调、冰箱、洗衣机等。而这些家用电器中的许多控制部分是利用直流电源电路来进行工作的，通过对这些直流电源电路的结构分析可知，它们主要由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等部分组成[1]。理论分析和实验都表明，这种直流电源电路工作时会产生比较严重的谐波电流[2]。对于这种谐波电流，一方面它可能会导致后端电路工作不正常；另一方面，它还可能通过电源变压器回溯到电力系统中，造成电力系统的不稳定[3]。因此，对于一些家用电器，特别是利用大电流工作的家用电器，设计时需要考虑对谐波进行抑制。

目前，对于谐波电流的抑制，根据其实现方式的不同，大致可分为无源滤波法[3-4]、有源滤波法[5]以及谐波补偿法[3]等。考虑到家用电器直流电路的工作特性及谐波抑制实现的简单性，基于无源LC 谐振滤波的谐波抑制方法相对较好。对此，文中以电冰箱直流电源电路为例，分析了谐波产生的过程，并给出了利用并联LC 谐振滤波实现的谐波抑制方法。

1 家用电器电源电路谐波产生原因分析

对于家用电器，比如电冰箱的直流电源电路总体组成如图1 所示。

图1 电冰箱直流电源电路

在图1 电路中，假设4 个二极管VD1～VD4 用于整流的参数相同；C1为滤波电容，它主要将整流电路输出的半波直流电转变为近似稳定的直流电压；稳压器可对滤波后的电压进一步整形为稳定的直流电压，以供后端电路使用。

通过对图1 的分析可知，如果令v（t）的角频率为ω0，φ为二极管VD1 与VD4 或VD2 与VD3 的导通角，α为VD1与VD4 或VD2 与VD3 的截止角，这样在v（t）一个波形周期内，二极管VD1～VD4 的导通情况为：①当ω0t=α时，二极管VD1 与VD4 截止；②当ω0t=π时，二极管VD2 与VD3导通；③当ω0t=π+φ时，二极管VD2 与VD3 截止；④在其余时间内，4 个二极管均截止。

而对于电容器来说，在二极管VD1 与VD4 导通或VD2与VD3 导通期间，都处于充电状态；而在VD1～VD4 均截止期间，则处于放电状态。经进一步地分析可知[2-3]，如果令稳压器及右端电路在一起的等效电阻为R，则在τ=RC1≫T0=2π/ω0时，可得在一个周期T0内变压器副边电压v（t）及电流i 波形如图2 所示。

图2 直流电源变压器副边电压与电流波形图

从图2 中可以明显看出，变压器副边的电流i 波形与输入电压v（t）波形是不一致的，即发生了畸变。而根据傅里叶级数展开特性可知[3]，对于图2 中的畸变电流i，由于其波形与v（t）具有相同的周期，因而i 中必然包含着大量的谐波。

2 并联LC 谐振谐波抑制方法

通过在变压器副边接入并联LC 谐振电路，可有效去除变压器副边回路电流中的谐波。该类型LTspice 软件仿真电路如图3 所示，其中变压器原副边匝数比为10∶1，原边输入频率为50 Hz 的市电电压为：

即有角频率ω0=100π rad/s，而副边线圈的电阻值为0.1 Ω。

图3 直流电源并联LC 谐振谐波抑制仿真电路

经过仿真，变压器副边中的谐波电流在LC 谐振滤波前后的波形及频谱变化如图4 和图5 所示。

图4 并联LC 谐振滤波前后副边电流波形变化

图5 并联LC 谐振滤波前后副边电流频谱变化

由图4 可知，在接入LC 并联谐振滤波电路后，原先畸变严重的回路电流则基本恢复到与输入电压相同的波形，即大大消除了谐波。

同时，从图5 还可以看出，在经过谐振滤波后，回路电流频谱基本变为与基波频率相同的单频谱线，这也说明谐波得到了较好的抑制。

3 结语

家用电器中的直流电源电路在工作过程中会产生比较严重的谐波电流，会影响到后端电路的工作性能及电力系统的稳定性。对此，以电冰箱直流电源电路为示例分析了谐波电流的产生过程，并给出了一种基于并联LC 谐振滤波的谐波抑制方法。结果表明，通过所示方法可达到有效减少谐波的目的。