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开关电源谐波失真的经验(3)

来源:admin      发布时间:2019-04-09     
      谐波的危害
  

  谐波的危害 由以上分析计算可知,这类 LED 驱动电源输入电流谐波含量高,对于这类装置如功率 不大和少量的使用,其危害性也许不一定会表现出来,然而若成千上万的大量密集地使用, 它所产生的谐波电流总量会严重污染整个供电系统和其他用电用户,同时也使电网电压波 形发生畸变。理论和实践证明,过大的电流谐波会产生以下危害:



  
  A. 能使配电设施如电力变压器和发电机、感性负载设备如电动机等磁性材料的铁芯损 耗 Pkz 得到额外的增加,即增加了由于谐波电流引起的磁滞损耗 Ph 分量和涡流损耗 Pc 分 量,使其过热而损坏,见式(21) ,其中 fn 是各次谐波电流频率。
  
  B. 谐波电流通过功率补偿设备的电力电容器,图5是电容器的等效图。由图5可见,当由谐波电流引起的容抗与寄生电感引起的感抗相等时形成谐振,产生强大的谐波电流, 从而导致电力电容器过流或过压损坏。
  
  
  
  C. 能对线路上的继电保护、仪器仪表、自动控制、电子通讯、卫星导航以及计算机系统产生强烈的干扰,从而引起误动作、出现噪声等异常现象。
  
  D. 在三相四线制供电系统的中,线路正常时三相交流电基本平衡,各相电流在中线内相互抵消,理论上中线电流接近于零,因此我国电力系统的中线一般比相线细。然而过大 的三相三次及高次谐波电流,会使电网的相电流无法在中线内相互抵消,致使中线内电流 产生叠加而过流损坏,线路示意图如图6此外,中线电流过大引起三相不平衡,即三相电位发生偏移,严重时导致大批 LED 灯具烧毁,甚至引起火灾!
  
  
  
  E. 当大量的大功率的高谐波含量的电源设备使用时,其偶次谐波(a2、a4、a6……) 不容忽视,它使供电回路电流正负半周不对称。尤其是含量较大的二次谐波,它的直流分量使电力变压器铁芯产生局部磁化,损耗增大,严重时会危及变压器及电力运行安全。 因此,无论是从保护电力系统安全还是从保护用电设备和人身安全来看,严格控制并 限定电流谐波含量,以减少谐波污染造成的危害已成为人们的共识。
  
  降低 THD 的措施
  

  随着开关电源类电子产品的应用普及,国际电工委员会制定了 IEC61000-3-2、欧盟制 定了 EN60555-2 和我国制定了 GB17625.1-2003 等法规,对用电设备的电压、电流波形失真 作出了具体限制和规定。目前这些法规也适用于 LED 灯具及 LED 驱动电源。 对于输入有功功率大于 25W 的 LED 照明灯具,谐波电流不应超过表 2 限值。


  
  
  
  对于输入有功功率不大于 25W 的 LED 照明灯具,规定符合如下的其中一项:
  
  a.谐波电流不应超过表 3 的第 2 栏中与功率相关的限值;
  
  
  
  b. 用基波电流百分数表示的 3 次谐波电流不应超过 86%,5 次谐波不超过 61%;而且, 假设基波电压过零点为 0°,输入电流波形应是 60°或之前开始流通,65°或之前有最后 一个峰值(如果在半个周期内有几个峰值) ,在 90°前不应停止流通。
  
  图 1 所示的 LED 驱动电源的输入功率为 8.8W,根据表 3 第 2 栏的限值,THD 显然超标。 一个好的 LED 驱动电源,不仅需要高功率因数 PF,而且还要实现低 THD,使奇次谐波含量 不超过标准规定值。
  
  但有的电源设计者,为了片面强调高 PF 而将滤波电容值减小,其结果是桥式整流器的 导通角增加,PF 增大,但桥式整流器输出的脉动直流电压导致电路的峰值电流极高,使电 源变换器的功率管等损耗剧增,很容易损坏功率管、高频变压器、高频输出整流管元件。
  
  目前,性能比较优良的 LED 驱动电源,均采用了有源功率因数校正(Advantage Power Factor Correetion)APFC 电路,图 7 是一种常用的临界导通模式(TCM)的单级 PFC 反激式电源变换器示意图。
  
 
  
  这种电路能使输入电流即电感电流的波形(见图 8)与整流二极管输出的脉动电压波形保持一致的特点,不存在整流二极管导通角的影响,因此输入电流与输入电压的具有相同 相位,如图 9 所示。
  
  
  
  
  
  这种电路的功率因数 PF 与总谐波失真 THD 的关系如下:
  
  该电路通常可以做到 PF≥0.96、THD≤30%,甚至可以使 PF 值接近于
  
  1,输入电流失真 系数 K=I1 / Irms≤3,THD≤10%. 图 10 的输入电路是一种通用的填谷式的无源功率因数控制(PPFC)电路,对于输入功率 较小的 LED驱动电源采用此电路,有成本低、线路简单等优点。其功率因数可在 0.85-0.9, 但谐波含量往往会超过符合规定。
  
  
  
  它的电压和输入电流的波形如图 11
  
  
  
  图(12)是其测试结果,结果表明谐波含量超标。
  
 
  
  
  

  针对图10电路的这一缺陷,我们可以提出一种改进方案,即在无源 PFC 电路中,增加一个2-5 OHM/2W 的电阻与二极管 D3 串联(见图13),这样可以有效地降低谐波含量,同时还能 进一步提高PF,对于这种结构的 LED驱动电源,是一种很有效的改良方法。



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