通信机房开关电源谐波测试分析报告

摘要 本文对宁波联通交换局大楼不同型号的开关电源谐波测试数据进行分析，分析整流模块负荷率对开关电源电流畸变、工作效率等的影响，对设备选型、日常维护等方面提出相关建议。 开关电源具有效率高、体积小、重量轻、输出电压可调范围大等优点，目前在通信行业已获得广泛应用，但作为一种电力电子设备，开关电源在向通信设备提供稳定可靠的48V电源的同时，也对交流电源侧产生严重谐波污染，轻者影响局房电气设备使用寿命，减少主变、油机的有效工作容量，重者引起系统谐振，产生严重后果。为此有必要对不同工作条件时局房开关电源进行谐波测试分析。 本次测试通过某公司的不同型号开关电源的交流输入侧的电能质量的测试，分析在不同负荷率时的开关电源的工作效率、电流畸变率变化情况，得出一些对比数据，以对设备选型和设备维护工作有所帮助。 1、测试条件说明 由于目前宁波联通局房开关电源均为某公司产品，为此本次测试选择梅墟5楼旧型产品（简称开关电源1）和综合通信楼3楼同一公司的新型开关电源（简称开关电源2）。两套开关电源系统运行电气参数记录如表1所示。 表1 电气参数记录 上述两套系统模块数量均有较大冗余，直流输出功率在短时间内基本稳定，本次实验采用关闭模块的方式调整整流模块的负荷率，因此两套系统整流模块负荷率不可能达到完全一致，但这并不影响本次测试的结论。 2、负荷率对开关电源效率的影响 2.1 开关电源1的数据记录与分析 图1数据是在35个整流模块工作测量取得的，模块负荷率为48%左右。开关电源总输入有功功率为102.2kW，直流总输出功率为1688×53.8=90.81kW，开关电源工作效率为88.9%。 图1 开关电源1 功率电能测量记录1 图2数据是在24个整流模块工作测量取得的，模块负荷率为70%左右。开关电源总输入有功功率为101.9kW，直流总输出功率仍为1688×53.8=90.81kW，开关电源工作效率为.1%。 图2 开关电源1 功率电能测量记录2 2.2 开关电源2的数据记录与分析 图3数据是在9个整流模块工作时测取的，模块负荷率为37%左右。开关电源的总输入有功功率为20.0kW，直流总输出功率为335.7×.4=18.3kW，开关电源工作效率为91.3%。 图3 开关电源2 功率电能测量记录1 图4数据是在5个整流模块工作测量取得的，模块负荷率为67%左右。开关电源总输入有功功率为19.7kW，直流总输出功率仍为335.7×.4=18.3kW，开关电源工作效率为92.7%。 图4 开关电源2 功率电能测量记录2 2.3 两套系统之间的比较分析 由上述数据对比可知： （1）开关电源负荷率（在30%～70%之间）对开关电源的工作效率影响较小，试图通过关闭模块达到节能目的的直接效果并不明显，由关闭模块从而减少谐波引起的间接节能效果有待进一步测试评价。由图1、图2的电压、电流、功率因数对比可知，关闭部分模块，总输入电流减少的同时，电压变动较小，而功率因数增加，因而总输入功率只是略有减少。图3、图4之间的数据也说明了同样的问题； （2）开关电源1的效率小于开关电源2的工作效率。开关电源1的工作效率约为%左右，而开关电源2的工作效率为91%以上。 3、负荷率对电流谐波的影响 3.1 开关电源1的数据记录与分析 图5数据是在35个整流模块工作测量取得的，模块负荷率为48%左右。交流输入电流谐波总畸变率为38%左右。其中5次、7次谐波含量最高。 图5 开关电源1电流谐波测量记录1 图6数据是在24个整流模块工作测量取得的，模块负荷率为70%左右。交流输入电流谐波总畸变率为33%左右。其中5次、7次谐波含量最高。 图6 开关电源1 电流谐波测量记录2 3.2 开关电源2的数据记录与分析 图7数据是在9个整流模块工作时测取的，模块负荷率为37%左右。交流输入电流谐波总畸变率为55%左右。其中5次、7次谐波含量最高。 图7 开关电源2 电流谐波测量记录1 图8数据是在5个整流模块工作测量取得的，模块负荷率为67%左右。交流输入电流谐波总畸变率为41%左右。其中5次、7次谐波含量最高。 图8 开关电源2 电流谐波测量记录2 3.3 两套系统之间的比较分析 由上述数据对比可知： （1）开关电源负荷率（在30%～70%之间）对开关电源的输入电流畸变率影响较大，在一定范围内，负荷率越高，则交流输入电流畸变率越低； （2）开关电源1的输入电流畸变率小于开关电源2； （3）开关电源谐波电流主要为5次、7次。 4、谐波电流对功率因数的影响 开关电源厂家提供的技术资料中经常提及产品的功率因数可以达到0.99以上。由图1中所记录的数据显示，L1相的COSΦ=1，而功率因数PF=0.92，其实两者的技术含义是有所区别的，COSΦ一般是指电压与电流相位角的余弦值，用于表达位移功率因数，如图9所示，电压电流相位基本一致（基波电压和基波电流）。此时对应的COSΦ=1。 图9 开关电源1 电压波形记录 PF是指有功功率与视在功率二者的比值，当负载为线性时，两者数值上是相等的。当电路中含有大量开关电源、UPS等非线性负载时，回路中含有丰富的高次谐波电流成分，而负载所加电压主要为基波电压，由于高次谐波电流与基波电压产生大量畸变功率，该功率亦为无功功率。该无功功率对应失真功率因数PFD。严格意义上讲，PF=cos Φ×PFD。 通过对比图1、图5与图2、图6的功率因数PF和电流畸变率THD%可知，PFD从某种角度可以反应电流畸变情况，PFD越小，电流畸变情况越严重。 因此在开关电源设备选购时，建议在开关电源产品选型和技术招标时对此予以重视，使得选用的产品具有较高的性价比。 5、结论 （1）该厂家的不同型号开关电源的工作效率基本接近，而电流畸变率有所差别，新型号的谐波输入电流畸变率技术指标差于老型号； （2）在一定负荷率范围内，通过关闭开关电源整流模块达到节能的效果不明显； （3）整流模块不同的负荷率对谐波电流有较大影响，建议在日常的运行维护中在确保系统安全的前提下，适当提高整流模块负荷率； （4）在设备选型和技术招标时，建议对电流谐波的含量或失真功率因数的指标予以重视，保证设备较好的性价比。