LED显示屏安装过程中交流电源谐波问题探讨.doc

LED显示屏安装过程中交流电源谐波问题探讨摘要：小功率（小于350W）开关电源模块本身产生丰富的谐波电流。一台或者几台这样的开关电源模块产生的谐波电流对电网的影响微乎其微，甚至用户根本没有察觉。但当开关电源的数量增大时，谐波电流对供电系统的影响必须考虑和纳入整体设计。作者通过本文提出的讨论议题，希望在中国LED显示屏幕工程业界中的同行中，唤起对谐波危害的重视。本文首先讨论了谐波产生的机理，然后展示了实际观测到的谐波现象，提出了几种可行的解决方案。关键字：开关电源模块，谐波， 总谐波失真， 有源功率滤波。Harmonic Issues on AC Power Supply in LED display Installation ProjectsAbstract: SM power modules with low power consumption (less than 350w) produce rich harmonics. Harmonic current produced by one or several such power modules does not have great impact on AC power system, or even unnoticeable to the users. But when the number of these modules increases, the impact of the harmonics must be taken into consideration of system design. In this article the author brings that issue into discussion and hopes to call out the attentions of craft brothers in LED display industry in China on the harm produced by harmonic. The paper firstly introduces the principle of producing harmonic, and then presents some actual detected harmonic phenomenon, and at last the author proposes several feasible solutions on this issue. Key Words: Switching Mode (SM) Power supply, Harmonics, Total Harmonic Distortion (THD), Active Power Filter (APF).产生谐波的原因LED需要低压直流驱动，因此显示屏工程大量采用开关电源为显示模块提供驱动。为了降低低压直流电流在各种输送环节耗损，显示屏配电一般采用大量小功率开关电源模块，配置成分布式局部低压直流供电模式。这种实现访法在解决了低压传输损耗的同时，却带来了谐波污染和中线电流过大等问题。其原因有：l 开关电源为典型的谐波源，其谐波含量非常高，其波形为断续的尖峰波。由于一般使用的开关电源容量较小（典型的案例为手提电脑的电源），并没有引起足够的重视。但如果大量的开关电源同时工作，其产生的谐波将不可忽视，如果不加以处理，可能对供电网造成污染，对同一网内的其他设备产生不可预知的危害。l 常规三相近似平衡的负荷，其中性线的正常电流一般小于相电流的30。显示屏系统无论怎么配置负荷分布，由于显示画面的变化，终会带来瞬时三相不平衡。加之谐波电流的影响，其中性线的电流可以达到相电流的280。谐波现象实际观察为了分析谐波现象和寻求解决方案，也为了给用户展示谐波问题的存在，我们对此进行了工厂模拟测试和实际工程现场测试。一组测试的资料展示如下。 图2：谐波对三相电压波形造成的 图1：谐波对三相电流波形造成的影响图图3：谐波在配电电缆中N线上产生的电压电流波形 从上面的三个图片中可以观察到，谐波对电网的影响非常严重。通过工程部门对多项实际工程的观测，显示屏系统对供电网络的影响主要有：l 主要谐波电流为3/5/7/9/11次。l 谐波叠加后，造成系统综合功率因素低下，通常会低于0.75。远远低于国家标准的要求。l 电压波形奇变严重，可能对电网上其他敏感设备造成不良影响，甚至使其工作异常，带来关联的法律责任问题，例如同楼中某公司的网络服务器因突然停电，造成损失。谐波的综合危害各种实际存在的危害能包括1. 电网谐振危险：谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大。2. 变压器：电流谐波将增加铜损，电压谐波将增加铁损，综合效果是使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振，及引起铁心磁通饱和或歪斜，而产生噪声。3. 电缆：谐波的集肤效应引起电缆发热，产生额外的损耗，严重时导致电缆起火。4. 电动机：输出谐波对电动机的影响主要有，引起电动机附加发热，导致电动机的额外温升，电动机往往要降额使用，由于输出波形失真，增加电动机的重复峰值电压，影响电动机的绝缘，谐波还会引起电动机转矩脉动，以及噪声增加。5. 电力电容器组：一般电容器的标准规范，规定其最大电流只允许35的超载，但实际运转时，由于谐波的影响，以致常发生严重过载。电容器的电容与电网的电感形成了一个谐振电路，通常这个谐振电路的自谐振频率一般位于250和500Hz之间，即在5次和7次谐波范围内。当电网中存在的谐波频率与自谐振频率相近时，有可能使谐波电流放大到正常的20倍以上。受谐波影响的电网不能采用常规的电容器来做无功补偿。6. 开关设备：由于谐波电流的存在，开关设备在起动瞬间产生很高di/dt的电流变化率，致使增加暂态恢复电压的峰值，以致破坏绝缘。7. 保护电器：电流中含有谐波，必产生额外的转矩，改变电器的动作特性，以致引起误动作。8. 计量仪表：电能表等计量仪表，因谐波而会造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起误差，降低精确度。9. 电力电子设备：在多种场合，电子设备常会产生谐波的电流源，且很容易感受谐波失真而误动作。10. 其它还有如照明设备、通信设备、电视及音响设备、电脑设备、载频遥控设备等都容易受谐波的干扰而影响其正常的工作或减少其使用寿命。谐波治理对策从技术经济性和技术成熟度等几个方面考虑，可以采用的解决对策包括。方案1 增加隔离变压器和相关保护设备隔离变压器可以把现有谐波源和系统隔离开，使3次谐波在隔离变压器内形成环流，不再流入系统电源。该方案的优点是设计较简单，相对成本较低，可以隔离3次谐波90以上，解决中性线电流过大的问题。该方案的优点是只对谐波源的3次谐波进行了处理。其他5次、7次、11次等谐波无法隔离，其余谐波通过隔离变压器流入系统。如果剩余谐波引起其他问题，客户要求处理，需要安装新的治理设备，成本会更高。功率因数比改造前更低，但不能在隔离变压器后进行常规无功补偿，如果进行补偿成本较高。由于没有对容性电流进行补偿，功率因数较低，损耗较高，即运行成本高。方案2 隔离电抗器和LC滤波采用隔离电抗器和LC滤波相结合的方式。即采用电抗器隔离的同时，使用LC回路对谐波源进行滤波该方案的优点设计灵活性高，可以对3、5、7、11等谐波同时进行滤波，也可以只考虑滤除3和5次谐波。进行滤波的同时，将功率因数补偿至0.92以上。功率因数高以后，可减小约30的系统电流，大大降低了电缆的电流和附加损耗。运行成本较低。该方案的缺点方案的设计较复杂；3次谐波没有“方案1”滤除的那么彻底，谐波滤除率一般在6080之间（和原有谐波值比较）。如果要求滤波效果更好，成本较高。 图3：滤波器接入方案 图4：滤波器消波频谱图 方案3 动态滤波方案通常谐波电流大小与谐波源设备的工作电流成正比，动态谐波滤波器,由控制器测量出负荷谐波电流,控制双向可控硅过零触发,在投切过程无冲击,无涌流,无过渡过程。在动态滤波的同时,也动态补偿无功功率。另外也可以组成动态谐波,无功功率综合补偿器,适合于负荷谐波含量大,功率因数低,负荷波动大的场合,可有效的实现动态谐波抑制和无功补偿。 图5：动态滤波系统原理图梁之材 图6：有源滤波系统原理图该方案的优点是滤波效果始终保持在最佳。该方案的缺点除了设计非常复杂和造价高外，还有对于变化过于频繁的负载，动态切换过程中方案4 有源动态补偿方案利用电力电子技术和嵌入式微控制器技术，实时检测电源线路中的各种谐波。能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率。该方案的优点有：补偿特性不受系统影响，无谐波放大危险，相对体积重量较小。响应速度快达20ms，对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。该方案的主要缺点是造价昂贵。而且在恶劣环境条件下，其工作的稳定性和可靠性具有隐患。 图7：有源滤波的工作机理：检测谐波产生反极谐波电流将反极性的谐波注入到污染的电网，抵消谐波的影响电网电流被还原成理想 的正弦波。方案5 直接采用具有APC特性的开关电源模块现在市面上已经有许多具有APC特征的开关电源模块可供选择，因此采用这种方案是一种简单易行的解决办法。这种办法对显示屏配电方式影响非常小，屏幕内部采用的配电方式完全和之前一样。这种方案的缺点是造价增高，而且小功率电源模块的有源补偿不够完善。当数量足够多的这种电源连接在一起的时候，有可能还要进行一次集中滤波和补偿。结论随作显示屏幕规模的变大，显示屏幕工程对电网造成的谐波污染已是一个不可轻视的问题。谐波带来的各种危害已经初步显现，由此引发的电网运行事故和法律关联责任都可能随时发生。希望本文能给LED显示屏幕同行们带来一个讨论的话题，在未来屏幕工程设计和预算中，都将这个问题当成一个必要的因素加以考虑。参考文献:1) Keith H. Billings,“Switchmode Power Supply Handbook”, McGraw-Hill, 19892) Sangsun Kim & Dr P. Enjeti, “Digital Control of Switching Power Supply-Power Factor Correction Stage”, Department of Electrical Engineering, Texas A&M University.3) Neil Sclater & John E. Traister, “Handbook of Electrical Design Details” 2nd edition, McGraw-Hill, 200