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谐波电流的检测和对策


谐波电流的检测和对策
Harmonic Current Test and Countermeasure
中国赛宝(总部)实验室电磁兼容室 毛洪涛 中国《强制性产品认证管理规定》于 2001 年 11 月 21 日经国家质量监督检验检疫总局 局务会审议通过,从 2002 年 5 月 1 日起开始施行。酝酿已久的中国 3C 认证终于在正式加入 WTO 之后启动,认证标志的名称为“中国强制认证” (英文缩写“CCC”) 。从国家质量监督 检验检疫总局公布的产品目录来看 80%的电子、电器产品,所有接入公共电源网络的电子、 电器产品都有限制谐波电流的要求, 可保证在低压电网上的所有设备免受谐波的危害, 及保 护用电人员身体的健康。这引起了广大电子、电器产品生产厂家的重视,本文就大家比较关 注的谐波电流的检测和出现问题的解决方案进行一些探讨。 (一)谐波电流标准概述 电网供电质量是人们关注的热点,开关电源、晶闸管器件等的大量采用,一方面提高了 人们对电能的利用效率, 另一方面在电网里形成了大量谐波电流, 其后果是使同一电网的其 他电子产品受到干扰, 谐波电流还会引起电网中线电流的超载, 影响电网对电力的传输能力。 此外, 对交流电源的相位控制还会在电网上引起电流有效值的变化, 导致电压有效值明显波 动,这种电压波动有可能引起照明装置的闪烁。随着电子技术的高速发展,现代电子设备在 各种应用领域中发挥着越来越重要的作用, 而现代电子设备对其提供能源的供电环境依赖性 极大。 这就要求电子设备的生产厂家自觉控制所生产的电子设备对电网的谐波发射, 功率因 数和整机效率是开关电源都必须考虑的重要参数, 使用功率因数校正技术, 提高开关电源的 输入功率因数,可以减小对电网的谐波污染。质量监督、环境保护部门等必须加强市场监管 力度维持一个平稳纯净的供电环境。 为保证电网供电质量和维护人类健康,国际电工委会员(IEC)TC77 委员会编制了适合 于评价 16A 以下低压设备对电网供电质量影响的标准,IEC61000-3-2(1995) 《电磁兼容, 第 3 部分:限值,第 2 章:每相额定电流小于等于 16A 的低压电器设备所引起的谐波电流发 送限值》 。欧盟已经从 2000 年 1 月 1 日起强制实施了这个标准的认证,我们国家也等同采用 了这个标准,并在 1999 年 12 月 1 日正式实施 GB17625.1-1998《低压电器及电子设备发出的 谐波电流限值(设备每相输入电流≤16A) ,到 2002 年 5 月 1 日这个标准已经成为我们国家 电磁兼容认证的强制标准。 (二)谐波电流检测 按标准要求,对不同的用电设备可用 4 种类别加以分类,主要依据各种设备产生的谐波 对电网危害的程度划分,限制低功率因数,设备不同类别的设备有不同的谐波电流限值。 A 类指三相平衡(各线的额定电流相差不大于 20%)的设备,及不属于以下 3 类设备的 其他设备。 B 类指便携式工具(特别是指手持式短时工作制电气工具),但对于对称控制的、短时 工作制家电设备(如电吹风等)仍按 A 类设备进行试验。 C 类指包括调光设备在内的照明装置。 D 类指输入电流有特殊波形的设备(如在输入电路中有整流器及电容器,使输入电流在 每半周波内,至少有 95%的持续时间是落在以导电角π / 3 为中心的区域内),且输入的有 功功率小于等于 600W(对大于 600W 的设备,仍按 A 类设备的限值考核)。 A 类,C 类和 D 类设备所引起的谐波电流限值分别如表 1、表 2 和表 3 所示。对 B 类设 备,标准规定取 A 类设备的 1.5 倍。 A 类设备输入电流的各次谐波不应超出表 1 给出的绝对值。 B 类设备输入电流的各次谐波不应超出表 1 给出的最大允许值的 1.5 倍。

表 1 A 类设备的谐波电流限值 谐波次数 3 5 7 9 11 13 15≤h≤39 2 4 6 8≤h≤40 照明设备输入电流的各次谐波不应超出表 2 给出的限值。 表 2 C 类设备的谐波电流限值 谐波次数 2 3 5 7 9 11≤h≤39 (h 仅为奇次谐波) 基波频率下输入电流的百分数表示的谐波电 流最大允许值 2% 30×λ% 10% 7% 5% 3% 最大允许的谐波电流值(A) 2.30 1.14 0.77 0.40 0.33 0.21 0.15× 15/h 1.08 0.43 0.30 0.23× 8/h

奇 次

偶 次

注:λ 是电路的功率因数,对有功功率小于等于 25W 的照明设备尚无谐波电流限值的规定, 可暂不进行试验。对白炽灯照明装置,如采用相位控制,触发角不应超出 145° 。 对于 D 类设备,各次谐波的限值是根据额定负荷条件来确定的。输入电流的各次谐波 不应超出由表 3 推算出的限值。 表 3D 类设备的谐波电流限值 谐波次数 3 5 7 9 11 13≤h≤39 (h 仅为奇次谐波) 每瓦允许的最大谐波电流 (mA/W) 3.4 1.9 1.0 0.5 0.35 3.85/h 最大允许的谐波电流(A) 2.30 1.14 0.77 0.40 0.33 0.15× 15h

注:“mA/W”限值适用于有功功率大于 75W 的设备,今后可能会降为 50W。 在测量中,对大于 19 次以上的谐波,如果随着谐波次数的增加,频谱成份呈单调下降 时,则对 19 次以上的谐波部分可以不计。 谐波电流测量分稳态和暂态两种: (1)稳态谐波电流测量 若谐波成分与基波的关系具有周期性变化的特点时,可进行稳态谐波电流的测量, GB17625.1-1998 标准中提到的限值适合于稳态谐波电流的要求。

(2)暂态谐波电流测量 若谐波成分与基波无周期性变化的关系时,要进行暂态谐波电流的测量,有如下规定: ●若这一情况是由于设备投 入或退出过程中引起的,且持 续时间小于 10s,则这种暂态 过程的谐波电流变化可不予 考虑。 ●若各次谐波的最大持续时 间不超过以 2.5min 为限的观察 周期的 10%, 可允许将各次谐 波电流的限值放宽至标准规 定稳态限值的 1.5 倍。 D 类设备所引起的谐波电 流限值相对比 A、B 类和 C 类 设备严格许多,谐波电流检验 的第一步就是准确判定被测 设备属于那一类找出适用的 限值,标准中给出了一个设备 分类的流程图,如图 2 所,大 部分的谐波电流测量仪器都可以依据标准的定义和此流程图自动判定被测设备的类别找出 适用的限值。

(三)谐波电流检测原理
目前谐波测量的仪器和测试方法都是 采用标准试验电压源和可以调谐到被测频 率的频域测量仪器或以时域分析的离散型 傅立叶变换器为主的多功能测试仪器的组 合,多功能分析仪可以对交流有效值电压、 峰值电压、交流有效值电流、峰值电流、有 功功率、功率因数、波形系数、频率还有电 压谐波、电流谐波、电压波动、电压闪烁等 进行测量, 结果可自动记录并对波形有分析 功能。图 1 线路分别适合于单相和三相设备 的试验。 谐波测量的数学原理是离散傅氏变换 (DFT) 按数学分析, 任何非正弦的周期波形都可以 用傅立叶级数表示:

式中 F0 为直流分量。若进一步设

则 f(t)简化成

据此原理,对非正弦周期性波形的测量,也可以转变为对其直流分量、基波和各次谐波幅值 及相角的测量,可使用数字滤波器和离散傅立叶变换器等时域分析仪器。 谐波测量的基础是要有高可靠的纯净的交流电源, 无论是频域和时域的测量方法都是通 过测量参考阻抗或测量设备的输入阻抗上电压的谐波推算出被测设备的电流谐波, 电源的源 阻抗可能显著影响谐波电流的大小。因此本标准对试验电源作了非常严格的要求。 试验电源必须具有的性能是: ●内阻要足够小; ●输出电压应在一定范围内可调,以适应各国、各地区对电源电压额定值的要求; ●电压稳定度为± 2%; ●频率稳定度为额定频率的± 0.5%以内; ●对三相电源,相间基波的相位精度为 120° ± 1.5° ; ● 试品运行时,试验电源的电压谐波含量要小(如 3 次,5 次,7 次,9 次及 11 次以 上谐波含量应分别低于额定输出电压的 0.9%,0.4%,0.3%,0.2%,0.1%;2 次~10 次偶次谐波含量均应低于输出额定电压的 0.2%)。

(四)谐波电流检测中易出现的问题
目前谐波电流检测实践中出现问题最多的是 D 类设备如电视机、显示器、IT 产品开关 电源等,A 类设备的冰箱、空调等,尤其是变频空调产生的谐波较大,输入电流的波形随着 工作状态的不同有很大变化,而且失真很大,1000W 以上的变频空调都不能满足谐波电流限 值的要求,如下图 3 所。

(图 3)变频空调输入电流的波形和谐波检验结果 D 类设备如电视机、显 示器采用开关电源技术的产 品,开关电源一般是有一个 电容器-二极管整流器输入 级,它由交流输入电压形成 高压直流源(参见右图 4) 。 然后,直流电压经调制或斩 波, 以向负荷提供稳定电压。 在第一次加上交流电压时, 电容器被较大的浪涌电流充 电,这一过程一直进行到电 容器充电到整流电压的峰值 为止。一旦浪涌电流(图 4) 开关电源电路和电容器电压、整流电压和电流波形

消失,二极管便控制交流电流导通,且只有在交流电压大于电容器电压时才对电容器充电。 当交流电压低于电容器电压时,交流电流的流动便被二极管阻断。 在交流电压波形最高点上相对于供电电压较小的导电角对电容器充电将引起交流电流 以连续的窄电流脉冲形式流过输入回路。这样就形成谐波含量很大的非线性交流供电电流。 这种电流波形由为基波频率成整数倍的奇次谐波组成(参见图 5) 。

(图 5)奇次谐波电流的迭加 基波电流与奇次谐波的幅度在基波的 90 度和 270 度上相加,形成电流脉冲波形。若基 频是 50Hz,则 3 次谐波频率是 150Hz。5 次谐波频率是 250Hz 并以此类推。这类电流波形具 有 IEC1000-3-2-1995 和 GB17625.1-1998 称作“特殊波形”的 D 类设备的特征。下图 6 是一个典 型的 D 类设备彩色电视机的输入电流的波形和谐波检验结果,工作状态稳定,功率因数仅 有 0.6,电流谐波超出了谐波限值很多。

(图 6)彩色电视机的输入电流的波形和谐波检验结果 (五)谐波电流的对策 解决谐波电流问题的唯一途径就是提高用电设备的功率因数,这也是谐波电流标准实 施的目的。提高功率因数的方式一般有两种类型,暨主动式和被动式功率因数校正。 使电源遵从这一标准的最有效的方法,是在设备的交流输入部分中采用有源功率因数 校正电路(简称主动 PFC) 。这个电路实际上是与主电源串联的另一个电源变换器,以开关 的方式在整个电流周期内快速通断, 保持整流电路导通, 它强迫电源紧密跟随正弦型线电压 获取电流。 这样做的结果是输入功率因数十分接近 1, 好象是一个理想的阻性负载 (如灯泡) , 所以几乎所有的电流都完全从电线的基频取得,并且与线电压完全相同。 主动 PFC 既可通过双级也可通过单级技术来实现。 单级 PFC (见图 7) 现在看来在 150W 以下非常有效,并在 85~265Vac 整个范围内都能工作。遗憾的是,大多数现有的单级 PFC 技术需要高成本、高电压的元件。这些技术大部分都过于昂贵、过于复杂,同时传导电压的

骚扰加剧或影响到整体可靠性,因此没能得到广泛的应用。

(图 7)主动式功率因数校正原理 被动 PFC 使用电感器、电容器和其他无源元件组成低通和带通滤波器(图 8) ,是低功 率、价格敏感电源的理想之选。被动方式可靠、便宜且高效,但与主动 PFC 方式相比则又 重又大, 而后者则由于出色的性能赢得越来越多的青睐, 下图 8 是一种彩色电视机采用被动 式 PFC 解决方案的和实景照片。

(图 8)被动 PFC 电路原理和应用于彩电、空调的实例 通过上述讨论我们了解到谐波电流标准的执行虽然给产生企业带来了一定的困难, 但是 对于整个社会用电质量的提高确有深远的意义。目前执行这个标准最难通过的是 D 类设备, 最典型的设备是彩色电视机, 原因是在电源设计时没有考虑功率因数问题。 彩电行业是价格 较为敏感的领域, 非常遗憾的是现在还没有找到一种不增加成本可以解决此问题的方案, 上 述被动 PFC 方案或许是最简单实用的办法了。我们应该通过自己的努力去研究和解决这个 问题,也希望广大生产厂家与我们合作,本研究中心已经针对此问题开展了一些研究工作, 希望能对广大 D 类设备生产厂家解决电磁兼容问题,顺利通过电磁兼容标准测试起到积极 的推动作用。 参考文献: GB17625.1-1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流≤16A) 》 作者简介:1963年出生,从事广播电视产品电磁兼容工程师多年, 有丰富的电磁兼容设计和整改工作经验,现任中国赛宝(总部)实 验室电磁兼容室--赛宝电磁兼容研究测试中心EMC对策研究工程 师,致力于电磁兼容符合对策的研究工作。 联系电话:020-87237178 2002 年 5 月 16 日


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