彩色电视机的谐波含量对功率因数的影响

彩色电视机的谐波含量对功率因数的影响 王玉琢于晓平 ( ) 济南教育学院物理学系 ,250001 ,济南 ;第一作者 32 岁 ,男 ,讲师 摘要 通过对彩色电视机谐波含量的测试 ,分析了谐波产生的原因. 推导出了谐波含量与功率因数的关系 ,并提 出了降低谐波含量的措施. 关键词 彩色电视机 ; 谐波 ; 功率因数 分类号 O 453 1 彩色电视机谐波含量的测试 彩色电视机的谐波含量包括输入电压总谐波含量和输入电流总谐波含量 . 由于输入电压波形 畸变较小 ,电压总谐波含量也较小 ; 而输入电流波形畸变较大 , 电流总谐波含量较高. 我们采用 ( ) 8793A 型谐波测试仪对几种彩色电视机的输入电压总谐波含量 V - T HD 、输入电流总谐波含量 ( ) ( ) I - T HD 、功率因数 P F以及输入电流各次谐波含量进行了测量. 表 1 给出了对泰山牌 TS47C4 口型 18 寸彩电的测试结果. 表 1 输入电流 1,32 次谐波 1 2 3 4 5 6 7 8 谐波次数 516 13 13 13 12 11 15 894721531100 测量值 谐波次数 10 11 12 13 14 15 16 9 测量值 谐2917 211 1016 313 5171 016 1113 115 波次数 测17 18 19 20 21 22 23 24 量值 谐波1216 114 917 112 617 112 411 112 次数 测量25 26 27 28 29 30 31 32 值 414 015 412 110 313 113 111 013 ( 由表 1 测试结果表明 ,彩色电视机的输入电压总谐波含量较小 ,一般小于基波的 6 % 设基波 ) 为 100 %,因而对电网的影响不大 ; 但输入电流总谐波含量高达基波的 127 % ,且功率因数只有 ( ) 01616 ,各次谐波尤其是 3 、5 、7 等奇次谐波含量较高 . 实践证明 ,较高的谐波 特别是高次谐波会 沿输电线路产生传导干扰和辐射干扰 ,对供电系统产生污染 ,影响其它用电设备安全经济的运行 . 如使发电机和变压器产生附加功率损耗 ,对继电器 、自动保护装置 、电子计算机及通讯设备产生干 扰而造成误动作或计算误差. 因此 ,无论从保护电网的安全经济运行还是从用电设备的正常工作来 看 ,防止和减小电流谐波对电网的污染 ,抑制电磁干扰 ,已成为全球性普遍关注的问题. 国际电工委与之相关的电磁兼容法规对电器设备的各次谐波都做出了限制性的要求 ,世界各国尤其是发达国 家 已开始实施这一标准. 我国商检局会同对外贸易经济合作部近日下发了《关于对 6 种进口商品实 39 第 1 期王玉琢等 : 彩色电视机的谐波含量对功率因数的影响 施电磁兼容强制检测的通知》. 通知要求自 2000 年 1 月 1 日起 ,对个人计算机 、显示器 、打印机 、开关电源 、电视机 、音响设备 6 种进口商品实施电磁兼容强制检 测 ,以更好地保护我国的电磁环境. 2 谐波含量与功率因数的关系 由测试结果看 出 , 彩 色 电 视 机 的 功 率 因 数 只 有 01616 , 显 然 ,这对电网传输功率的充分利用是十分不利的. 图 1 给出了彩 色电视机的输入电压和输入电流波形 , 显然输入电流波形产生 了严重畸变 , 为一非正弦波. 这样的波形可用傅氏级数表示 , 则 ( ) ( ) 输入电压瞬时值 u t 和输入电流瞬时值 i t 用傅氏级数表示 为 ??( ωθ) ( ωφ) ( ) ( ) u t = V + 6 U sin nt +i t = V + 6 I sin nt + ,.o n m n o n m n n = 1 n = 1 式中 V 、I为直流分量 , U 和 I 分别为输入电压和输入电流第 n 次谐波的幅值 . o o n m n m 考虑到输入电压畸变较小 , 为方便起见 , 设输入电压为纯正弦波 , 即只有基波 , 无高次谐波. 于 ) ( ) ( 是输入电压可表示为 u t = u t , 输入电压有效值 U = U . 则有功功率可表示为 1 1 T T ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) P = 1/ Tu t i t d t= 1/ Tu t [ i t + i t +i t ]d t n 1 1 2 ??0 0 T ( ) ( ) ( ) ( ))( ( ) ( )= 1/ T[ ut i t 1 + ut i t + ut i t ]d t , 1 n 1 1 1 2 ?0 根椐正交性原理可简为 T ( ) ( ) P = 1/ Tut i t d t = U Ico sφ . ( )2 1 1 1 11 ?0 ( ) φ2式中 U 、I分别为输入电压 、电流基波有效值 , co s为 u 与 i 的相位差. 根据视在功率的定 1 1 1 1 1 2 2 2 I+ I+ I, ( ) 义 , 视在功率 S 表示为S = U I = U 3 1 2 1n ( ) 3式中 U 表示输入电压有效值 , I 表示输入电流有效值 , I、I I 分别表示各次谐波有效1 2n ( ) ( ) 值 . 根据功率因数的定义 , 并将 2、3代入得 2 2 2 φ( ). I P F = P/ S = U I co s/ U I + I + 4 1 11 1 1 2 n 2 2 2 2 ) ( ) ( T HD = I / I , 5根据电流总谐波含量 T HD 的定义为I + I + 1 2 n 1 2 ( ) ( ) 将 5式代入 4式 , 则功率因数表示为 ( ( )) φ1 + T HD . 6 P F = co s/ 1 ( ) 考虑到输入电压与输入电流基波间相位差较小 , 因此 6式可进一步化简为 2 ( ) )( 1 + T HD , P F = 1/ 7 ( ) 7式给出的推导结果表明 , 功率因数 P F 的值仅取决于输入电流总谐波含量 T HD . 因此 , 要 提高线路功率因数必须减小 T HD . 3 降低谐波含量的措施 彩色电视机谐波含量过高的原因主要来源于两个方面 , 一是开关电源产生的 15 k Hz 高频波及 ( ) 其高次谐波沿输入导线的传导 传导干扰, 这可以通过在电视机的输入端接入图 2 所示的防电磁 40 () 山 东 师 大 学 报 自 然 科 学 版第 15 卷 干扰的复式滤波器解决. 图 2 电路中 , C901 、C901A 是高 频旁路 电 容 , 用 于 滤 除 两 输 入 电 源 线 间 的 差 模 干 扰 ; C905 、C906 、C907 组成共模干扰滤波环节 , 用于滤除电 源线与地之间非对称的共模干扰 ; L 901 、L 902 的初次级 匝数相等 、极性相反 , 交流电流在磁芯中产生的磁通相 反 , 因而可有效地抑制共模干扰. 测试表明 , 只要适当选 择元器件的参数 , 便可较好地抑制开关电源产生的传导 干扰. 二是由于在电视机的输入端采用了桥式整流电溶 滤波电路. 由于这种电路充电时间常数小 , 二极管导通角小 , 造成输入电流波形产生了严重的畸变 .因此 , 改善桥式整流电容滤波电路的输入特性 , 是降低电流谐波含量的关键 , 也是提高线路功率因 ( ) ( ) 数的有效措施 . 目前 , 已问世的无源功率因数校正 P P FC电路和有源功率因数校正电路 A P FC较 好地解决了谐波含量与功率因数的关系. 实践证明 , 采用 P P FC 电路可使输入电流总谐波含量降低 到 30 %以下 , 功率因数可提高到 0195 以上 . 而采用 A P FC 电路可使输入电流总谐波含量降低到 口 10 %以下 , 功率因数提高到 0199 以上 . 我们在泰山牌 TS47C4 型 18 寸彩电中接入 P P FC 电路进行 了实验 , 效果十分理想 . 4 结 论 ) 1 由上述测试结果及分析表明 、彩色电视机的总电流谐波含量较高 . 谐波电流会以传导干扰 和辐射干扰的形式污染电网 , 影响其它电器设备的正常运行. 因此 , 应在上述电器中采取有效的滤 波措施 , 以符合与之相关的电磁兼容法规. ) 2 电流谐波含量过高是制约功率因数提高的关键因素 , 而造成电流谐波含量过高的原因是 由于在上述电器中采用了高频开关电源和桥式整流电溶滤波电路 , 致使输入电流波形产生严重畸变 . 因此改善桥式整流电容滤波电路的输入特性 , 是降低谐波含量的关键 , 也是提高线路功率因数 的有效措施. 5 参考文献 ( ) 1 仝培杰. 电磁兼容刻不容缓. 中国计算机报 ,1999 ,11 14:3 ( ) 2 于晓平. 无源功率因数校正电路实验研究. 照明工程学报 ,1998 ,9 2:36 THE I NFL UENCE OF POWER FACTO R O N THE HA RMO NIC CO NTENT OF THE COLO UR TV SET Wang Yuzhuo Yu Xiao Ping ( )Depart ment of Physics ,J inan Educatio nal College ,250001 ,J inan , PRC Abstract By testing t he har mo nic co ntent of colo ur TV set ,t he paper analyses t he reaso ns fo r t he too high har mo nic co ntent ,verifies t he measures fo r reducing t he har mo nic co ntent . Key words colo ur TV set ; har mo nic co ntent ; power f acto r