LED電源總諧波失真的分析

LED電源總諧波失真的分析、測(cè)量及預(yù)防THDPF的關(guān)系市面上很多的LED1.1該電路只有在輸入溝通電壓的峰值四周，整流二極管才消滅導(dǎo)通，因此其導(dǎo)通角θ比較小，大約為60°左右，致使輸入電流波形為尖狀脈沖，脈寬約為3ms，〔10ms〕1/3.輸入電壓及電流波形如圖2LED電源輸入電流畸變的根本原因是使用了直流濾波電解電容器的容性負(fù)載所致。2對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)電源輸入電流產(chǎn)生畸變的非正弦波，須用傅里葉〔Fourier〕級(jí)數(shù)描述。依據(jù)傅里葉變換原理，瞬時(shí)輸入電流可表為：每一個(gè)電流諧波，通常會(huì)有一個(gè)正弦或余弦周期，n次諧波電流有效值In可用下式計(jì)算：輸入總電流有效值上式根號(hào)中，I1I2，3，2，3，…n次諧波電流有效值。用基波電流百分比表示的電流總諧波含量叫總諧波失〔THD〕，總諧波含量反映了波形的畸變特性，因此也叫總諧波畸變率。定義為依據(jù)功率因數(shù)PFPF是指溝通輸入的有功功率P與輸入視在功率S之比值，即其中，為輸入電源電壓；UcosΦ1叫相移因數(shù)，它反映了基波電流i1與電壓u的相位關(guān)系，Φ1是基波相移角；輸入基波電流有效值I1與輸入總電流有效值Irms的百分比即K=I1/IrmsLED驅(qū)動(dòng)電源等非線性的開(kāi)關(guān)電源電路中，功率因數(shù)PF不僅與基波電流i1電壓u之間的相位有關(guān)，而且還與輸入電流失真系數(shù)K有關(guān)。將式〔6〕代入式〔7〕，則功率因數(shù)PFTHD有如下關(guān)系：上式說(shuō)明，在相移因數(shù)cosΦ1不變時(shí)，降低總諧波失真THD，可以提高功率因數(shù)PF;反之也能說(shuō)明，PF越高則THD越小。例如，通過(guò)計(jì)算，當(dāng)相移角Φ1=0時(shí)，THD=30%@PF=0.9578;THD=10%@PF=0.9950.諧波測(cè)量與分析為了很好地分析如圖1所示的LED10-20W或以上的大功率電阻如R=10OHM，通電后測(cè)量大功率電阻上兩端的電壓波形，由于純功率電阻上兩端i〔t〕與圖2的電流波3.3此電流脈沖波近似于余弦脈沖波，因此可用余弦脈沖函數(shù)表為：為了計(jì)算便利，現(xiàn)取正弦溝通輸入電壓的一個(gè)周期T：-5ms≤t≤15ms，即T=20ms.由此，一個(gè)周期為20ms的輸入脈沖電流的表達(dá)式如下：上式中，余弦脈沖電流幅值Im可由示波器顯示的電壓幅值與電阻值之比而算Im=Um/Um=1.5VIm=1.5/10=0.15Aτ=3ms.于圖2a1、a3、a5……a0和偶次諧波重量a2、a4、a6……均為零。將式〔10〕的輸入電流波形進(jìn)展傅里葉分解得：依據(jù)積分公式：并且有a=π/τ，b=nω，ω=2π/T，因此有：當(dāng)n=1時(shí)將T=20ms、τ=3ms、Im=0.15A代入上式，得計(jì)算得基波電流幅值a1=I1m=0.06×〔0.608+0.327〕=0.056〔A〕。同理，分別計(jì)算a3，a5，a7，a9次諧波幅值，如表1所示。表1.諧波幅值表依據(jù)表1，LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入電流的傅里葉級(jí)數(shù)為：依據(jù)諧波幅值Inm與諧波有效值In的關(guān)系，諧波有效值：由式〔16〕，則分別計(jì)算各次諧波電流有效值如下〔單位A〕：I1=0.040，I3=0.033，I5=0.023，I7=0.012，I9=0.003.依據(jù)式〔5〕，LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入總電流有效值：將表1〔17〕Irms=0.058〔A〕這個(gè)輸入電流值可用測(cè)量真有效值的萬(wàn)用表測(cè)得或由功率計(jì)的輸入電流顯示屏讀取。依據(jù)式〔6〕計(jì)算總諧波失真：依據(jù)表1的諧波幅值數(shù)據(jù)，并以基波〔一次諧波〕重量100%為基準(zhǔn)，制定諧波電流幅值頻譜圖〔無(wú)視高于9次以上的諧波〕見(jiàn)圖4.4現(xiàn)按式〔7〕計(jì)算功率因數(shù)PF，當(dāng)基波相移角Φ1為零，cosΦ1=1則有：實(shí)測(cè)PF=0.65，二者根本全都。實(shí)際LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入功率：諧波的危害諧波的危害由以上分析計(jì)算可知，這類LED驅(qū)動(dòng)電源輸入電流諧波含量高，波會(huì)產(chǎn)生以下危害：鐵芯損耗Pkz得到額外的增加，即增加了由于諧波電流引起的磁滯損耗Ph重量和渦流損耗Pc分量，使其過(guò)熱而損壞，見(jiàn)式〔21〕，其中fn是各次諧波電流頻率。諧波電流通過(guò)功率補(bǔ)償設(shè)備的電力電容器，圖5是電容器的等效圖。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)由諧波電流引起的容抗與寄生電感引起的感抗相等時(shí)形成諧振，產(chǎn)生強(qiáng)大的諧波電流，從而導(dǎo)致電力電容器過(guò)流或過(guò)壓損壞。5能對(duì)線路上的繼電保護(hù)、儀器儀表、自動(dòng)把握、電子通訊、衛(wèi)星導(dǎo)航以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生猛烈的干擾，從而引起誤動(dòng)作、消滅噪聲等特別現(xiàn)象。中線內(nèi)相互抵消，理論上中線電流接近于零，因此我國(guó)電力系統(tǒng)的中線一般比相線6引起三相不平衡，即三相電位發(fā)生偏移，嚴(yán)峻時(shí)導(dǎo)致大批LED火災(zāi)！6當(dāng)大量的大功率的高諧波含量的電源設(shè)備使用時(shí)，其偶次諧波〔a2、a4、a6……〕波，它的直流重量使電力變壓器鐵芯產(chǎn)生局部磁化，損耗增大，嚴(yán)峻時(shí)會(huì)危及變壓器及電力運(yùn)行安全。因此，無(wú)論是從保護(hù)電力系統(tǒng)安全還是從保護(hù)用電設(shè)備和人身的共識(shí)。降低THD的措施隨著開(kāi)關(guān)電源類電子產(chǎn)品的應(yīng)用普及，國(guó)際電工委員會(huì)制定了IEC61000-3-2歐盟制定了EN60555-2和我國(guó)制定了GB17625.1-2023等法規(guī)，對(duì)用電設(shè)備的電LED燈具及LED25W的LED2限值。表2.C類設(shè)備的限值對(duì)于輸入有功功率不大于25W的LED照明燈具，規(guī)定符合如下的其中一項(xiàng)：諧波電流不應(yīng)超過(guò)表3的第2欄中與功率相關(guān)的限值；3D用基波電流百分?jǐn)?shù)表示的3次諧波電流不應(yīng)超過(guò)86%，5次諧波不超過(guò)61%;而且，假設(shè)基波電壓過(guò)零點(diǎn)為0°60°65°或之前有最終一個(gè)峰值〔假設(shè)在半個(gè)周期內(nèi)有幾個(gè)峰值〕，在90°前不應(yīng)停頓流通。圖1所示的LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入功率為8.83第2THD明顯超標(biāo)。一個(gè)好的LEDPF使奇次諧波含量不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。但有的電源設(shè)計(jì)者，為了片面強(qiáng)調(diào)高PF而將濾波電容值減小，其結(jié)果是橋式整流器的導(dǎo)通角增加，PF增大，但橋式整流器輸出的脈動(dòng)直流電壓導(dǎo)致電路的峰高頻輸出整流管元件。LED〔AdvantagePowerFactorCorreetion〕APFC電路，圖7是一種常用的臨界導(dǎo)通模式〔TCM〕的單級(jí)PFC反激式電源變換器示意圖。7這種電路能使輸入電流即電感電流的波形〔見(jiàn)圖8〕與整流二極管輸出的脈動(dòng)電壓波形保持全都的特點(diǎn)，不存在整流二極管導(dǎo)通角的影響，因此輸入電流與輸入9所示。89這種電路的功率因數(shù)PF與總諧波失真THD的關(guān)系如下：該電路通常可以做到PF≥0.96、THD≤30%，甚至可以使PF值接近于1，輸入電流失真系數(shù)K=I1/Irms≤3，THD≤10%.圖10的輸入電路是一種通用的填谷式的無(wú)源功率因數(shù)把握〔PPFC〕電路，對(duì)于輸入功率較小的LED電路，有本錢低、線路簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)。其功