谐波与间谐波电压成份对电源供应器的影响 国际电子技术委员会(IEC international electrotechnical commission)制定的有关电磁兼容 (EMC electromagnetic compatibility),其中与电源有关的法规 IEC61000-4-13中,有输入 交流电压的谐波(harmonic)与间谐波(interharmonics)的测试项目,是个较陌生的题目.一 般工程师或测试人员都不太了解何谓交流电压的谐波与间谐波成份 ?测试的目的是什 么?它对电源供应器又有什么影响?此文就针对此议题来做探讨. 一、何谓电压的谐波(harmoinc)成份? 一般来说,理想的交流电源应是纯正弦波形,但因现实世界中的输出阻抗及非线性负载 的原因,导致电源波形失真,如(图一).若电压频率是 60Hz,将失真的电压经傅立叶转 换分析后,可将其电压组成分解为除了基频(60Hz)外,倍频(120Hz, 180Hz,…..)成份的组 合.其倍频的成份就称为谐波: harmonic.而近年来整流性负载的大量使用,造成大量的 谐波电流,也间接污染了市电,产生电压的谐波成份.另外一些市售的发电机或 UPS本 身输出电压就非纯正弦波 ,甚至有方波的情形,失真情形更严重,所含谐波成份占了很 大的比重. (图一)含有谐波电压的波形图 二、何谓电压的间谐波(interharmoincs)成份? Inter是指 ”之间”的意思.所以 interharmonics是指在谐波频率间的.也就是不单基频的 倍数频率的成份,也包含了非倍数频率的成份在内 ,范围更大.而当交流电压有间谐波 成份时,最明显特征是每周期的电压波形都不太相同 ,如(图二).其发生原因可能为基 频的变动,或负载变动频率不是交流电源的倍数频 ,例如:马达,...等,也常污染交流电 源. - 1 - (图二)含有间谐波电压的波形图 三、对电源供应器产生的影响 一般电器或电源供应器在设计验证或生产测试时 ,都是用纯正弦波电压来做测试.而事 实上,在日常使用环境下的交流电源却几乎没有不失真的 .当交流电压有失真时,就会 含有谐波或间谐波成份 .而这类情况会对电器用品产生的影响 ,往往被大家所忽略.所 以法规 IEC61000-4-13的目的,就是针对待测物在输入交流电压有失真时,规定须有一 定的免疫能力,来做为测试衡量标准. 含有谐波或间谐波成份的电压,对电器会产生什么影响呢? 1.在法规中有提到使用交流电源网的电器 ,在电的能量交换过程中 (例如:整流,滤波, 电压转换…等),都会应用到电感或电容.这类零件特性(包含因寄生效应产生的)搭配 在一起,容易在某些频率呈现出非常低的阻抗,或称为共振点(resonance point).若输 入的电压含有此共振频率的成份,又有够大的振幅,就会产生能量共振,会使输入电 流异常增加. 2.另外一般电源供应器在对交流输入整流后,会设置输入电容器.失真的电压对电容器 充电时,因电压波形与输入电流相关相位改变,输入电流值也可能会增加. 若在设计时没有考虑到这些效应,所使用的零件或散热条件,对输入电流增加和产生的 额外功率消耗无法忍受 ,就可能会因而烧毁 .例如:输入电感,变压器,整流二极管… 等. - 2 - 四、实验例证:测试谐波电压的影响 为了观察交流电源含其它谐波电压成份时 ,对电源供应器实际会造成何种影响,本次实 验使用 Chroma致茂电子的 AC source 61500系列,做为交流电压源.使用它的 SYN(synthesis)功能,能编辑 50Hz或 60Hz的基本波,并控制其 2~40阶的电压振幅及相 位.还可以在纯正弦波形与失真波形间切换,很容易的就可观察出电源供应器的输入电 流,功率等所受的影响.另外,也使用 Chroma的 Power An