计算机实验室输入电流畸变的原因及抑制方法探究

张兰

摘 要：本文通过对开关电源原理的分析，解释了计算机实验室输入电流产生畸变的主要原因，说明计算机开关电源所产生的谐波对电网电源产生的危害，并提出了抑制办法.另外，除了谐波，EMI电磁干扰也是造成计算机实验室电网污染的原因之一.

关键词：电流畸变;开关电源;谐波;EMI电磁干扰

中图分类号：TP334  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2020）03-0016-03

随着电子技术的迅猛发展，先进的实验技术和实验器件被广泛地应用到各高校实验室里，同时用于实验教学的计算机也越来越多.截止目前，我院共组建了各种计算机实验室二十五个，近1500台计算机用于实验教学中.在工作过程中我们发现，计算机的大量使用会使实验室的电网系统产生谐波干扰和EMI电磁干扰，从而使输入电流发生畸变，导致电网性能下降，影响计算机工作的稳定性，甚至影响用电安全.为什么会出现这种问题，又如何解决这个问题呢？下面就开关电源对电网产生的影响及原因做一下分析，并提出抑制方法.

1 开关电源的结构和工作原理

开关电源又称为交换式电源，是一种非线性的高频化电能转换装置，其功能是将一个标准电压，通过不同形式的架构转换成用户端所需求的电压或电流.开关电源的输入多半是交流电源，而输出大多是需要直流电源的设备，如计算机，开关电源进行的就是两者之间电压及电流的转换.

开关电源的主电路完成了交流电网电压变为用户端所需要的直流电压的工作.控制电路一般采用脉冲宽度调制（PWM）方式向驱动电路提供矩形脉冲，通过调整开关元件的占空比，来达到稳定输出电压的目的.（如图1所示）

2 计算机开关电源中高次谐波的产生

计算机的主机电源为ATX电源，显示器电源为开关电源，这两种电源中都有整流滤波电路（如图2所示），电路中使用了大容量滤波电容，产生的高次谐波通过实验室电网再反射回去，与电网电压合成，使电网电压波形产生严重畸变.整流滤波电路从结构上看是由一个普通的二极管桥式整流电路和电容滤波电路组成，交流电源输入的正弦波（图3波形a）是通过桥式整流器的全波型，经过桥式整流后电压波形将变成波形b中所示，再通过电容器的滤波，变成如波形c所示的波形.当整流滤波电路在稳态时，电容器两端有一定的电压，整流二极管若要导通，电容器的电压要低于输入电压，此时，波形d中所示波形即为二极管导通电流波形.从图中波形变化可以看出，输入电流波形发生了畸变，产生谐波.

3 谐波对实验室电网的影响和危害

计算机主机和显示器的开关电源产生了大量的谐波，谐波加入实验室电网后，使输入电流发生畸变，波形失真，导致功率因数降低.以下是谐波对电网产生的危害：

（1）谐波污染电网，以电磁辐射或线路传导的方式干扰其它设备的稳定性，影响实验数据的准确性.

（2）谐波使电网系统中的中性线电流增大，导致中性线过载，影响了安全性能.

（3）功率因数降低使供电容量增加，浪费了电能，从而增加了投资成本.

（4）电流畸变影响配电设备效率，可能导致连接到电网的设备出现故障，在特定情况下甚至会危害到人身安全.

在研究过程中，我们对计算机公共基础实验室和计算机组装与维护这两个实验室进行了谐波分量的测试，其中公共基础实验室90W计算机88台，组装与维护实验室90W计算机40台，20W实验箱40台，测试时两个实验室的设备均在正常工作.根据测试结果可知，这两个实验室的电流波形都发生了严重畸变，产生了大量谐波.从测算值来看，产生的谐波电流主要是3、5、7等奇数次分量电流，消耗基波的无功功率都比较大，功率因数分别是0.85和0.89.因此，我们认为谐波的产生严重污染了了实验室的电网，使实验室电能质量下降.另外，为了确定谐波干扰的来源，我们随机挑选了公共基础实验室的一台计算机进行了谐波电流的测量，测试电路由数字示波器、电流互感器和谐波测量仪构成.通过测试（实测数据如表1所示），确定了实验室谐波电流的来源正是计算机，尽管一台计算机的谐波功率并不大，但每个实验室里多到百台少到二十几台计算机，同时运行时，必然会产生很大的谐波电流，影响计算机的稳定性和实验室的用电安全.

4 谐波的抑制方法

计算机开关电源谐波的抑制方法分为预防性和补救性两种.预防性方法是在设计开关时就用有效的过程和方法来控制开关管，以此来抑制谐波，但是无论用什么先进的控制方案，谐波成分都是难以避免的.补救性的抑制方法则是对系统已经产生的谐波加以补偿，也就是在开关电源或电网电源中增加谐波补偿装置，下面说一下两种常用的补偿装置.

4.1 功率因數较正（PFC）器

计算机开关电源是一种电容性输入电路，电流畸变使电流波形和电压波形之间产生相位差，从而导致交换功率损失，使得功率因数降低.功率因数较正（PFC）的上个世纪末兴起的一项专门针对开关电源的新技术，是通过功率因数补偿电路来校正计算机开关电源的电流波形，使电流波形和电压波形保持同相位.补偿电路由高频电感、开关管和电容等元器件构成，通过专用的电子元器件来调整电流的波形，使之校正为正弦波，同时提高了功率因数，有效地抑制了谐波的产生，提高了实验室用电的安全性.所以我们尽量选取带有PFC功能的计算机开关电源.

4.2 交流电网滤波器

在电网电源和用电设备（计算机）之间可接入交流电网滤波器，它可以吸收谐波电流，抑制谐波对交流电网的干扰.如传统的LC无源滤波器，一般是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，通常与产生谐波的用电设备并联，既起到滤波作用，还可以补偿无功功率（如图4所示）.这种无源滤波器结构简单，价格低廉，使用起来很方便，所以应用很广泛.但是这种无源滤波器的补偿特性一般会受到电网阻抗和运行状态的影响，很容易和电网系统发生并联谐振，从而使谐波放大，导致滤波器过载甚至烧毁.另一方面，LC无源滤波器只能被动吸收和补偿固定频率的谐波，所以滤除谐波的效果也不太理想.

比如我们在实验过程中就设计了一种由电感、电容和电阻等元件组合而成的无源滤波器，将它并联在计算机实验室的电路中，选好连接的谐振点后经过反复测试，得到谐波含量数值均能达到10%以下，说明这种滤波器确实能抑制计算机开关电源产生的谐波电流，只是效果不理想.

另外一种新兴的滤波器是有源电力滤波器（APF），它是一种动态性的滤波器，可以抑制大小和频率都发生变化的谐波，还可以补偿变化的无功功率.APF是采用了现代电子技术的谐波治理设备，它基于DSP（数字信号处理器）技术，主要由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两部分组成.有源滤波器的工作原理是：指令电流运算电路采集非线性负载电流，并进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号，然后送进DSP中进行处理，检测谐波电流，将基波与谐波进行分离，得到驱动电路器件的开关信号，以脉宽调制（PWM）信号的形式送进补偿电流发生电路中，驱动IGBT模块，生成与谐波电流极性相反、幅值相等的补偿电流，补偿电流在电网系统中对谐波电流进行补偿或抵消.

和无源滤波器不同，有源滤波器可以主动跟踪并且补偿变化的谐波，响应速度快、可控性高，而且它的滤波补偿特性不受电网阻抗等因素的影响，避免了与电网系统阻抗发生谐振的可能性，降低了线路的损耗，提高了电网的稳定性和安全性，是很有效的滤波装置.但是有源滤波器最大的缺点就是生产成本高，运行费用高.但是随着科学技术的发展，有源滤波装置的价格也是逐渐走低，应用范围也随之扩大.

5 EMI电磁干扰

在实验过程中，我们发现，除了谐波，对计算机实验室电网产生影响的另一种因素就是EMI电磁干扰.由于计算机开关电源的工作频率通常为几十KHz，快速通断后会产生很高的电压、电流变化率，这些瞬间变化的电压和电流通过电源线路等藕合途径传输后就产生了很强的电磁干扰.按耦合通道来分的话，开关电源所产生的电磁干扰可以分为传导干扰和辐射干扰两種.因为EMI信号的频率范围很宽并且有一定的幅度，所以无论是哪一种电磁干扰，EMI信号都会经过电源线路中的传导，使电网系统造成污染，影响用电质量，甚至还会直接影响电网中其他用电设备的正常工作.开关电源所产生的EMI电磁干扰的干扰频率主要集中在下面这四个频段：（1）0.5MHz以下.（2）0.5～1MHz.（3）1～30 MHz.（4）30MHz以上.不同的频段抑制方式不同，0.5MHz以下主要以抑制差模干扰为主;0.5～1MHz是两种干扰模式并存;1～30MHz这个频段主要以抑制共模干扰为主;如果是30MHz以上，就已经达到辐射干扰频段，此时的抑制方法以地屏蔽和接地为主.

综上所述，抑制EMI电磁干扰最主要的方法是加装EMI滤波器，对两种干扰一起进行有效的抑制，使EMI电磁干扰信号实现最佳衰减.如图5所示，开关电源EMI滤波器的电路是由共模电感L、差模电容Cx和共模电容Cy组成.差模电容Cx用来抑制差模干扰，共模电感L和共模电容Cy构成共模干扰滤波网络.其中，共模电感也叫共模扼流圈，是由两个绕在同一磁芯上的绕组构成，这种结构可以使电流流经共模电感时产生反向的磁通从而相互抵消.两个绕组与电容Cy构成两组低通滤波器，可以有效地抑制电源线上存在的共模干扰.

6 总结

通过上述分析可以看出，谐波和电磁干扰都会对计算机实验室的电网产生影响.在实验过程中，我们用小容量的有源滤波器和固定频率的无源 LC滤波器共同对谐波和电磁干扰进行抑制.小容量有源滤波器可以有效的去除各种频率的谐波并且价格也相对较低，而无源LC滤波器更适合抑制EMI电磁干扰，因为EMI的干扰源都是以高频为主，而且每种成分含量较高且频率相对来说固定.这样组合式的谐波抑制装置对于治理实验室电网污染效果比较理想.

经过实测分析，计算机开关电源确实会对实验室供电系统造成污染，并且产生危害，所以我们应该加强对计算机实验室电源的谐波电流和电磁干扰的监控测试，找出更有效的抑制和滤除方法，保证实验室用电安全.

参考文献：

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