電視機的諧波電流和抑制技術

摘要：本文闡述電視機、顯示器和微機等產品的諧波電流產生原因，介紹抑制諧波電流的方法及設計時應考慮的問題。

關鍵詞：諧波電流、抑制技術

一、 前言：

國家標準GB17625.1《低壓電器及電子設備發出的諧波電流限值（設備每相輸入電流≦16A）》對諧波電流限值作了規定。電視機如要通過CCC認證或CE認證也必須符合該標準的要求。本文通過分析電源電路中產生電流諧波的原因，給出了實用的解決方案。 

二、 諧波電流產生的原因：

對于阻性負載、感性負載或容性負載以及它們的線性組合而成的網絡其電流可用式（1）表示。

這類負載的電流波形仍為正弦波，其諧波電流應為零。現在我們正廣泛使用的一些具有整流電路的電子產品如彩色電視機、顯示器、微機等產品的電流波形卻與之不同。這類用電器具的電壓和電流之間的關系更為復雜，圖（一）所示是這類電路典型的電壓電流波形圖。

電源電路會引起這種電流波形的必要因素有二個：一是要有整流電路，二是整流后有大的濾波電容。整流電路中的二極管起著開關作用，當電源電壓大于濾波電容兩端的電壓時，二極管導通，供電電源對電容充電并提供負載電流，其余時間二極管截止，負載依靠電容的貯能供電，表現在供電電源一側的電流為零。如圖（二）所示為一個簡單的能產生D類波形的電路。峰值電流的大小與濾波電容和負載的大小有關。

實際上，圖（二）所示的整流方法使得用電器具僅在電源瞬時電壓處于峰值附近，電源瞬時電壓超過電容兩端電壓時才從電網汲取電流，這就形成了在電源電壓峰值附近，與電壓周期相同的高峰值充電電流脈沖。這種電源電路在電網中引起了較高的電流諧波，并使得功率因數降低。功率因素通常在0.5左右，這樣視在功率比實際功率大得多。

圖（二）簡單的能產生D類電流波形的電路

三、非正弦波形的功率消耗

對于電壓和電流波形為正弦波，假如功率因素為cos(φ)，則瞬時功率p(t)和平均功率p由下式計算得出：

對于非正弦電壓、電流波形利用傅立葉變換可將瞬時電壓和電流波形表達成各種諧波分量的和：

式中V(t)和I(t)為電壓電流的瞬時值，為電壓和電流的相位。所以實際功率可以表達為基波的實際功率P1和諧波的實際功率Ph之和P=P1+ph。這里

所以非正弦波信號的功率由基波信號的功率和各次諧波信號的功率和組成，由上述公式可以看出只有諧波的電壓、電流均存在的情況下，諧波的功率才不為零。在諧波測試系統中，由于測試功率源為純凈的電壓源，在這種條件下用電能表測得的實際消耗功率僅是基波的功率。

湝波電流的大小可用均方根值來表示：，基波的功率除以均方根電流與電壓的乘積可得到非正弦電流情況下的功率因素PF。所以由諧波電流引起的功率因數降低并不是由電壓、電流相位差引起的而是由于電流波形的畸變引起的。

四、減小諧波電流的措施

目前常用的減小電流諧波的措施主要有兩種：一種是在電源電路中串聯扼流電感器，電感器成本低，生產工藝簡單，可靠性好，因而在電視機中得到廣泛應用；另一種是利用功率因數校正電路來達到改善電流波形的目的，采用該電路的好處是功率因數基本上能達到1，但是其成本較高，生產、調試等工藝過程比前者復雜。該電路的應用電路在其生產公司的技術資料中已有詳細的介紹，因而本文主要介紹抑制電感器的應用方法。

目前常用的諧波抑制電感器外形如同變壓器，鐵蕊呈“目”字形，一般由兩個基本相同的繞組組成。外層鐵蕊組成封閉的磁路，有減小漏磁的作用。諧波抑制電感器有三種應用方法，如圖(三)所示為一種典型的應用電路。

圖（三）諧波抑制電感器的典型應用電路

另外諧波抑制電感器還可以用在EMI濾波器前，此時應注意由于電路振蕩容易引起高次諧波電流不合格，如高次諧波電流過大則可通過調節EMI濾波器的參數或附加吸收電路來消除振蕩；第三種使用方法是將諧波抑制電感器串聯在橋式整流電路與電容器中間。第一種和第三種應用方法均不易產生高次諧波電流不合格現象，使用起來方便可靠，大量生產時產品性能的一致性好。 

       五、諧波抑制電感器的工作原理

當電源電壓超過濾波電容兩端的電壓時，電源通過整流電路向電容充電，這時的充電峰值電流大而且持續的時間短，電流波形如圖（四）所示。當加入一個合適的電感器后，由于電感具有阻止電流突變的作用使得峰值電流減小為原來的一半，持續時間增長，電流波形如圖（五）所示。

圖（四）未加諧波抑制電感時的電壓、電流波形，峰值電流為2.59A，功率因數為0.5，電流脈沖寬度小。

圖（五）加諧波抑制電感時的電流波形，峰值電流為1.12A，功率因數為0.76，電流脈沖寬度增大為原來的一倍。

所以電感器抑制電流諧波的原理在于電感本身的特性，在電路中串聯接入電感器后由于電感中的電流不能突變，使電路中的電流變化變緩，充電時間變長，從而使電源電流中的諧波分量減小。

圖（六）電感的電流、電壓波形 圖（七）整流器前電壓和電源電壓比較

圖（六）所示為諧波抑制電感在圖（三）所示電路中的電流和電壓波形圖。上面的波形為流過電感的電流波形，下面的波形為電感兩端的電壓波形。當電感中的電流增加時，電感產生與電源電壓反向電壓從而使電感中電流增加的幅度減緩，當電源電壓瞬時值下降時，電感中的電流減小，此時電感產生一個較高的反向電壓以阻止電流的減小。圖（七）所示波形為電源電壓和電感產生的反向電壓迭加以后的電壓波形，由圖（七）可以看出裝有電感的電源整流濾波電路兩端的電壓峰值比原來低，持續時間比原來長，使得電流的峰值下降，電流脈沖寬度增長，峰值出現的時間比無電感時滯后。

電流諧波的大小與所用的電感量有關，電感越大，諧波抑制得愈充分，但太大的電感會引起其它如電源適應性變差、電感發熱、成本增加等一系列問題。所以一般選擇在應用電壓和功率范圍內剛好能符合要求的電感量最小的電感器作為諧波抑制器。

六、諧波抑制電感器使用時應注意的問題

使用諧波抑制電感器時應注意以下幾個問題：

1、低電壓適應能力。電感器串聯接入電路以后，電感兩端有一定的電壓降，從而使得加到整流電路的電壓比原來的電壓低。這樣會使電視機的最低可工作電壓有所提高。

2、電感器的功率適應能力。即使電視機的尺寸相同，不同品牌、不同線路的電視機的功率都有可能不同，有時甚至相差很大。低功率時要求的電感量要大一些，功率大時電感量可以小一些。所以選用電感器時應考慮電視機的功率變化范圍，電感器的繞組線徑和溫升等情況。

3、交流哼聲。電感器工作在50Hz交流情況下，生產工藝的缺陷會引起哼聲。磁飽和時哼聲還會更嚴重。

4、電感器的漏磁。電視機對外磁場很敏感，電感器的漏磁會使圖像質量下降，影響使用。所以在設計時應對電感器的漏磁提出要求，特別是對無磁屏蔽層的電感器更應采取措施減少磁場對電視機質量的影響。

5、抗機械振動能力。由于電感器的質量一般都比較重，在安裝時要考慮結構方面的問題，避免機器在受到振動后失效。

6、電感器的磁飽和。電感器磁飽和以后諧波抑制能力下降、溫升提高并可能會伴隨交流哼聲。由于電視機的設置不同，其功率消耗會有所不同，如電感器設計的適用電視機功率范圍不足的話極有可能使扼流電感工作在磁飽和狀態，從而引起上述問題。

電視機電源中的電流波形是與電源電壓周期相同的非正弦波形，具有真有效值測量功能的儀器才能對這種波形的電參數進行準確測量。用電感器或者說扼流圈來抑制諧波電流是一種比較簡便、實用的方法。雖然電感器安裝方式有多種但其實質是一樣的。