电视机的谐波电流和抑制技术
电视机的谐波电流和抑制技术
摘要：本文阐述电视机、显示器和微机等产品的谐波电流产生原因，介绍抑制谐波电流的方法及设计时应考虑的问题。
关键词：谐波电流、抑制技术
一、 前言：
国家标准gb17625.1《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）》对谐波电流限值作了规定。电视机如要通过ccc认证或ce认证也必须符合该标准的要求。本文通过分析电源电路中产生电流谐波的原因，给出了实用的解决方案。
二、 谐波电流产生的原因：
对于阻性负载、感性负载或容性负载以及它们的线性组合而成的网络其电流可用式（1）表示。
这类负载的电流波形仍为正弦波，其谐波电流应为零。现在我们正广泛使用的一些具有整流电路的电子产品如彩色电视机、显示器、微机等产品的电流波形却与之不同。这类用电器具的电压和电流之间的关系更为复杂，图（一）所示是这类电路典型的电压电流波形图。
图（一）：整流电路的电压、电流波形
其电流仅在线电压达到峰值前后的一段时间内不为零，在其它时间则电流为零。这种电流波形往往符合标准gb17625.1中的d类波形，由于其是周期与电源周期相同的电流脉冲，因而具有丰富的谐波分量。
电源电路会引起这种电流波形的必要因素有二个：一是要有整流电路，二是整流后有大的滤波电容。整流电路中的二极管起着开关作用，当电源电压大于滤波电容两端的电压时，二极管导通，供电电源对电容充电并提供负载电流，其余时间二极管截止，负载依靠电容的贮能供电，表现在供电电源一侧的电流为零。如图（二）所示为一个简单的能产生d类波形的电路。峰值电流的大小与滤波电容和负载的大小有关。
实际上，图（二）所示的整流方法使得用电器具仅在电源瞬时电压处于峰值附近，电源瞬时电压超过电容两端电压时才从电网汲取电流，这就形成了在电源电压峰值附近，与电压周期相同的高峰值充电电流脉冲。这种电源电路在电网中引起了较高的电流谐波，并使得功率因数降低。功率因素通常在0.5左右，这样视在功率比实际功率大得多。
图（二）简单的能产生d类电流波形的电路
三、非正弦波形的功率消耗
对于电压和电流波形为正弦波，假如功率因素为cos(φ)，则瞬时功率p(t)和平均功率p由下式计算得出：
对于非正弦电压、电流波形利用傅立叶变换可将瞬时电压和电流波形表达成各种谐波分量的和：
式中v(t)和i(t)为电压电流的瞬时值，为电压和电流的相位。所以实际功率可以表达为基波的实际功率p1和谐波的实际功率ph之和p=p1+ph。这里
所以非正弦波信号的功率由基波信号的功率和各次谐波信号的功率和组成，由上述公式可以看出只有谐波的电压、电流均存在的情况下，谐波的功率才不为零。在谐波测试系统中，由于测试功率源为纯净的电压源，在这种条件下用电能表测得的实际消耗功率仅是基波的功率。
湝波电流的大小可用均方根值来表示：，基波的功率除以均方根电流与电压的乘积可得到非正弦电流情况下的功率因素pf。所以由谐波电流引起的功率因数降低并不是由电压、电流相位差引起的而是由于电流波形的畸变引起的。
四、减小谐波电流的措施
目前常用的减小电流谐波的措施主要有两种：一种是在电源电路中串联扼流电感器，电感器成本低，生产工艺简单，可靠性好，因而在电视机中得到广泛应用；另一种是利用功率因数校正电路来达到改善电流波形的目的，采用该电路的好处是功率因数基本上能达到1，但是其成本较高，生产、调试等工艺过程比前者复杂。该电路的应用电路在其生产公司的技术资料中已有详细的介绍，因而本文主要介绍抑制电感器的应用方法。
目前常用的谐波抑制电感器外形如同变压器，铁蕊呈“目”字形，一般由两个基本相同的绕组组成。外层铁蕊组成封闭的磁路，有减小漏磁的作用。谐波抑制电感器有三种应用方法，如图(三)所示为一种典型的应用电路。
图（三）谐波抑制电感器的典型应用电路
另外谐波抑制电感器还可以用在emi滤波器前，此时应注意由于电路振荡容易引起高次谐波电流不合格，如高次谐波电流过大则可通过调节emi滤波器的参数或附加吸收电路来消除振荡；第三种使用方法是将谐波抑制电感器串联在桥式整流电路与电容器中间。第一种和第三种应用方法均不易产生高次谐波电流不合格现象，使用起来方便可靠，大量生产时产品性能的一致性好。
五、谐波抑制电感器的工作原理
当电源电压超过滤波电容两端的电压时，电源通过整流电路向电容充电，这时的充电峰值电流大而且持续的时间短，电流波形如图（四）所示。当加入一个合适的电感器后，由于电感具有阻止电流突变的作用使得峰值电流减小为原来的一半，持续时间增长，电流波形如图（五）所示。
图（四）未加谐波抑制电感时的电压、电流波形，峰值电流为2.59a，功率因数为0.5，电流脉冲宽度小。
图（五）加谐波抑制电感时的电流波形，峰值电流为1.12a，功率因数为0.76，电流脉冲宽度增大为原来的一倍。
所以电感器抑制电流谐波的原理在于电感本身的特性，在电路中串联接入电感器后由于电感中的电流不能突变，使电路中的电流变化变缓，充电时间变长，从而使电源电流中的谐波分量减小。
图（六）电感的电流、电压波形 图（七）整流器前电压和电源电压比较
图（六）所示为谐波抑制电感在图（三）所示电路中的电流和电压波形图。上面的波形为流过电感的电流波形，下面的波形为电感两端的电压波形。当电感中的电流增加时，电感产生与电源电压反向电压从而使电感中电流增加的幅度减缓，当电源电压瞬时值下降时，电感中的电流减小，此时电感产生一个较高的反向电压以阻止电流的减小。图（七）所示波形为电源电压和电感产生的反向电压迭加以后的电压波形，由图（七）可以看出装有电感的电源整流滤波电路两端的电压峰值比原来低，持续时间比原来长，使得电流的峰值下降，电流脉冲宽度增长，峰值出现的时间比无电感时滞后。
电流谐波的大小与所用的电感量有关，电感越大，谐波抑制得愈充分，但太大的电感会引起其它如电源适应性变差、电感发热、成本增加等一系列问题。所以一般选择在应用电压和功率范围内刚好能符合要求的电感量最小的电感器作为谐波抑制器。
六、谐波抑制电感器使用时应注意的问题
使用谐波抑制电感器时应注意以下几个问题：
1、低电压适应能力。电感器串联接入电路以后，电感两端有一定的电压降，从而使得加到整流电路的电压比原来的电压低。这样会使电视机的最低可工作电压有所提高。
2、电感器的功率适应能力。即使电视机的尺寸相同，不同品牌、不同线路的电视机的功率都有可能不同，有时甚至相差很大。低功率时要求的电感量要大一些，功率大时电感量可以小一些。所以选用电感器时应考虑电视机的功率变化范围，电感器的绕组线径和温升等情况。
3、交流哼声。电感器工作在50hz交流情况下，生产工艺的缺陷会引起哼声。磁饱和时哼声还会更严重。
4、电感器的漏磁。电视机对外磁场很敏感，电感器的漏磁会使图像质量下降，影响使用。所以在设计时应对电感器的漏磁提出要求，特别是对无磁屏蔽层的电感器更应采取措施减少磁场对电视机质量的影响。
5、抗机械振动能力。由于电感器的质量一般都比较重，在安装时要考虑结构方面的问题，避免机器在受到振动后失效。
6、电感器的磁饱和。电感器磁饱和以后谐波抑制能力下降、温升提高并可能会伴随交流哼声。由于电视机的设置不同，其功率消耗会有所不同，如电感器设计的适用电视机功率范围不足的话极有可能使扼流电感工作在磁饱和状态，从而引起上述问题。
电视机电源中的电流波形是与电源电压周期相同的非正弦波形，具有真有效值测量功能的仪器才能对这种波形的电参数进行准确测量。用电感器或者说扼流圈来抑制谐波电流是一种比较简便、实用的方法。虽然电感器安装方式有多种但其实质是一样的。
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一、 前言：
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二、 谐波电流产生的原因：
对于阻性负载、感性负载或容性负载以及它们的线性组合而成的网络其电流可用式（1）表示。
这类负载的电流波形仍为正弦波，其谐波电流应为零。现在我们正广泛使用的一些具有整流电路的电子产品如彩色电视机、显示器、微机等产品的电流波形却与之不同。这类用电器具的电压和电流之间的关系更为复杂，图（一）所示是这类电路典型的电压电流波形图。
图（一）：整流电路的电压、电流波形
其电流仅在线电压达到峰值前后的一段时间内不为零，在其它时间则电流为零。这种电流波形往往符合标准gb17625.1中的d类波形，由于其是周期与电源周期相同的电流脉冲，因而具有丰富的谐波分量。
电源电路会引起这种电流波形的必要因素有二个：一是要有整流电路，二是整流后有大的滤波电容。整流电路中的二极管起着开关作用，当电源电压大于滤波电容两端的电压时，二极管导通，供电电源对电容充电并提供负载电流，其余时间二极管截止，负载依靠电容的贮能供电，表现在供电电源一侧的电流为零。如图（二）所示为一个简单的能产生d类波形的电路。峰值电流的大小与滤波电容和负载的大小有关。
实际上，图（二）所示的整流方法使得用电器具仅在电源瞬时电压处于峰值附近，电源瞬时电压超过电容两端电压时才从电网汲取电流，这就形成了在电源电压峰值附近，与电压周期相同的高峰值充电电流脉冲。这种电源电路在电网中引起了较高的电流谐波，并使得功率因数降低。功率因素通常在0.5左右，这样视在功率比实际功率大得多。
图（二）简单的能产生d类电流波形的电路
三、非正弦波形的功率消耗
对于电压和电流波形为正弦波，假如功率因素为cos(φ)，则瞬时功率p(t)和平均功率p由下式计算得出：
对于非正弦电压、电流波形利用傅立叶变换可将瞬时电压和电流波形表达成各种谐波分量的和：
式中v(t)和i(t)为电压电流的瞬时值，为电压和电流的相位。所以实际功率可以表达为基波的实际功率p1和谐波的实际功率ph之和p=p1+ph。这里
所以非正弦波信号的功率由基波信号的功率和各次谐波信号的功率和组成，由上述公式可以看出只有谐波的电压、电流均存在的情况下，谐波的功率才不为零。在谐波测试系统中，由于测试功率源为纯净的电压源，在这种条件下用电能表测得的实际消耗功率仅是基波的功率。
湝波电流的大小可用均方根值来表示：，基波的功率除以均方根电流与电压的乘积可得到非正弦电流情况下的功率因素pf。所以由谐波电流引起的功率因数降低并不是由电压、电流相位差引起的而是由于电流波形的畸变引起的。
四、减小谐波电流的措施
目前常用的减小电流谐波的措施主要有两种：一种是在电源电路中串联扼流电感器，电感器成本低，生产工艺简单，可靠性好，因而在电视机中得到广泛应用；另一种是利用功率因数校正电路来达到改善电流波形的目的，采用该电路的好处是功率因数基本上能达到1，但是其成本较高，生产、调试等工艺过程比前者复杂。该电路的应用电路在其生产公司的技术资料中已有详细的介绍，因而本文主要介绍抑制电感器的应用方法。
目前常用的谐波抑制电感器外形如同变压器，铁蕊呈“目”字形，一般由两个基本相同的绕组组成。外层铁蕊组成封闭的磁路，有减小漏磁的作用。谐波抑制电感器有三种应用方法，如图(三)所示为一种典型的应用电路。
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另外谐波抑制电感器还可以用在emi滤波器前，此时应注意由于电路振荡容易引起高次谐波电流不合格，如高次谐波电流过大则可通过调节emi滤波器的参数或附加吸收电路来消除振荡；第三种使用方法是将谐波抑制电感器串联在桥式整流电路与电容器中间。第一种和第三种应用方法均不易产生高次谐波电流不合格现象，使用起来方便可靠，大量生产时产品性能的一致性好。
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当电源电压超过滤波电容两端的电压时，电源通过整流电路向电容充电，这时的充电峰值电流大而且持续的时间短，电流波形如图（四）所示。当加入一个合适的电感器后，由于电感具有阻止电流突变的作用使得峰值电流减小为原来的一半，持续时间增长，电流波形如图（五）所示。
图（四）未加谐波抑制电感时的电压、电流波形，峰值电流为2.59a，功率因数为0.5，电流脉冲宽度小。
图（五）加谐波抑制电感时的电流波形，峰值电流为1.12a，功率因数为0.76，电流脉冲宽度增大为原来的一倍。
所以电感器抑制电流谐波的原理在于电感本身的特性，在电路中串联接入电感器后由于电感中的电流不能突变，使电路中的电流变化变缓，充电时间变长，从而使电源电流中的谐波分量减小。
图（六）电感的电流、电压波形 图（七）整流器前电压和电源电压比较
图（六）所示为谐波抑制电感在图（三）所示电路中的电流和电压波形图。上面的波形为流过电感的电流波形，下面的波形为电感两端的电压波形。当电感中的电流增加时，电感产生与电源电压反向电压从而使电感中电流增加的幅度减缓，当电源电压瞬时值下降时，电感中的电流减小，此时电感产生一个较高的反向电压以阻止电流的减小。图（七）所示波形为电源电压和电感产生的反向电压迭加以后的电压波形，由图（七）可以看出装有电感的电源整流滤波电路两端的电压峰值比原来低，持续时间比原来长，使得电流的峰值下降，电流脉冲宽度增长，峰值出现的时间比无电感时滞后。
电流谐波的大小与所用的电感量有关，电感越大，谐波抑制得愈充分，但太大的电感会引起其它如电源适应性变差、电感发热、成本增加等一系列问题。所以一般选择在应用电压和功率范围内刚好能符合要求的电感量最小的电感器作为谐波抑制器。
六、谐波抑制电感器使用时应注意的问题
使用谐波抑制电感器时应注意以下几个问题：
1、低电压适应能力。电感器串联接入电路以后，电感两端有一定的电压降，从而使得加到整流电路的电压比原来的电压低。这样会使电视机的最低可工作电压有所提高。
2、电感器的功率适应能力。即使电视机的尺寸相同，不同品牌、不同线路的电视机的功率都有可能不同，有时甚至相差很大。低功率时要求的电感量要大一些，功率大时电感量可以小一些。所以选用电感器时应考虑电视机的功率变化范围，电感器的绕组线径和温升等情况。
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4、电感器的漏磁。电视机对外磁场很敏感，电感器的漏磁会使图像质量下降，影响使用。所以在设计时应对电感器的漏磁提出要求，特别是对无磁屏蔽层的电感器更应采取措施减少磁场对电视机质量的影响。
5、抗机械振动能力。由于电感器的质量一般都比较重，在安装时要考虑结构方面的问题，避免机器在受到振动后失效。
6、电感器的磁饱和。电感器磁饱和以后谐波抑制能力下降、温升提高并可能会伴随交流哼声。由于电视机的设置不同，其功率消耗会有所不同，如电感器设计的适用电视机功率范围不足的话极有可能使扼流电感工作在磁饱和状态，从而引起上述问题。
电视机电源中的电流波形是与电源电压周期相同的非正弦波形，具有真有效值测量功能的仪器才能对这种波形的电参数进行准确测量。用电感器或者说扼流圈来抑制谐波电流是一种比较简便、实用的方法。虽然电感器安装方式有多种但其实质是一样的。
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