綜合電參量測試儀在諧波測試中的應(yīng)用

扈羅全

（1.蘇州出入境檢驗檢疫局，江蘇 蘇州 215104；2.中國檢驗檢疫科學(xué)研究院（蘇州）電氣研究室，江蘇 蘇州 215104）

1 引 言

對接入220~240V電網(wǎng)家用電子電氣類產(chǎn)品進(jìn)行電磁兼容檢測時，需要進(jìn)行諧波電流發(fā)射的測試[1]。諧波實際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”，因此諧波電流有時也被稱作電源污染。產(chǎn)生諧波的主要因素是供電線路中的非線性負(fù)載、串聯(lián)電阻和相位控制。電工技術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制，其頻率范圍一般為100 Hz≤f≤2 000 Hz，即考慮到40次諧波。目前全世界大部分國家都采用國際電工委員會制定的諧波電流測試標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-3-2，當(dāng)前該標(biāo)準(zhǔn)的最新版本為2009版。

根據(jù)諧波電流測試標(biāo)準(zhǔn)的要求，自行設(shè)計了一款綜合電參量測試儀，用于輔助諧波電流測試。通過該儀器在諧波電流測試中的實際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了在標(biāo)準(zhǔn)的若干條款存在一些與實際測試結(jié)果不相符合的情況，這些結(jié)果有助于國內(nèi)電磁兼容檢測實驗室提高家電類產(chǎn)品諧波電流測試水平，并對諧波電流標(biāo)準(zhǔn)的修制定具有很好的參考價值。

2 綜合電參量測試儀設(shè)計原理

在諧波電流發(fā)射的檢測標(biāo)準(zhǔn)中，涉及到有功功率（Active Power）、額定功率（Rated Power）、指定功率（Specified Power）等[1]。指定功率（有時也翻譯成“規(guī)定功率”，但此處使用“指定功率”更為恰當(dāng)）是對有功功率的一階低通濾波值，標(biāo)準(zhǔn)也稱作有功功率的平滑值[2]。在標(biāo)準(zhǔn)中給出了計算指定功率的一階低通濾波器的參數(shù)[2]。在條款“諧波電流限值”中，由于對許多待測物的諧波電流發(fā)射評估，需要使用指定功率（在2008年修正文件之前的標(biāo)準(zhǔn)中均使用額定功率），因此在諧波測量技術(shù)新版修正文件中，對指定功率給出更加明確的闡述[1]。在條款5.5.1的注2中指出，只要功率計的均方根值的計算符合標(biāo)準(zhǔn)的要求[2]，可以使用外置式功率計。但要求此時功率的測量時間窗為200 ms。設(shè)計了一種電磁兼容諧波電流測試綜合電參量儀，樣機見圖1。

圖1 諧波電流測試綜合電參量儀樣機

3 測試儀性能指標(biāo)

在諧波電流測試中，該綜合電參量儀的空載不會產(chǎn)生低頻（2 000 Hz以下）噪聲。因此可以按照圖2所示的方式連接在諧波電流測試系統(tǒng)中。該測試儀完全按照IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求[2]，功率等參數(shù)的采樣率5次/s，一階低通濾波器回路的時延參數(shù)為1.5s，可以根據(jù)需要顯示有功功率、指定功率、rms電壓、rms電流和頻率等參量的數(shù)值，作為待測物工況的電參量，用來對最終檢測結(jié)果進(jìn)行判斷，可以加強在電磁兼容（EMC）測試過程中對EUT工況的記錄、監(jiān)測和有效控制。

圖2 配置綜合電參量測試的諧波電流測試系統(tǒng)

目前所研制的綜合電參量測試儀，主要用于EMC檢測的離線系統(tǒng)（作為輔助檢測裝置），以及放置在EMC測試系統(tǒng)的前端，要求不引起電磁噪聲干擾。如果直接把測試儀放置在后端，即與EUT相連接的端口，由于測試儀的傳導(dǎo)和輻射背景噪聲較高，無法滿足CISPR標(biāo)準(zhǔn)的要求。標(biāo)準(zhǔn)CISPR22和CISPR14-1對于傳導(dǎo)騷擾的測試系統(tǒng)的布置有十分嚴(yán)格的要求[3-4]。在進(jìn)行傳導(dǎo)騷擾等測試時，需要在線性穩(wěn)定阻抗網(wǎng)絡(luò)與供電電源端之間布置綜合電參量測試儀，這樣可以確保綜合電參量測試儀產(chǎn)生的本底電磁噪聲不會污染待測物的測試數(shù)據(jù)。

4 應(yīng) 用

4.1 降低測量不確定

在EMC測試過程中經(jīng)常遇到這樣的問題，由于提供工作電壓的穩(wěn)壓電源離工作臺的輸出端口比較遠(yuǎn)，或者從穩(wěn)壓電源輸出的電壓由于存在線損而產(chǎn)生電壓降，將導(dǎo)致EMC測試結(jié)果產(chǎn)生電壓幅度偏差引起不確定度，該不確定度屬于A類。它的直接影響就是對測量數(shù)據(jù)的均值產(chǎn)生影響。通過對不同樣品多樣本的分析，發(fā)現(xiàn)因負(fù)載和線損產(chǎn)生的壓降，會降低諧波電流測試值的大小。當(dāng)產(chǎn)品的測試結(jié)果處于臨界狀態(tài)而需要考慮不確定度的影響時（有關(guān)分析參見文獻(xiàn)[5]），這一問題需要引起注意。

4.2 改善諧波電流測試儀綜合性能

根據(jù)目前綜合電參量測試儀的功能指標(biāo)，該儀器可以廣泛應(yīng)用在EMC測試系統(tǒng)的前端和離線測試系統(tǒng)。目前該測試儀可以被應(yīng)用在EMC檢測時測試系統(tǒng)工位的電壓特性的檢測，用來衡量測試系統(tǒng)的供電網(wǎng)絡(luò)是否合乎要求。對于其他測試系統(tǒng)，如諧波電流測試、電壓波動測試、抗擾度測試等待測物工況的檢測，這時更為合理的方式是使用有較多監(jiān)測參數(shù)的綜合電參量測試儀。根據(jù)IEC 61000-4-7的要求（5.4條款），測試儀器的電壓長期穩(wěn)定性要不低于±2.0%（文獻(xiàn)[2]，5.4.2.2）。同時在 IEC 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1]中的附錄A.2，要求試驗電壓的變化范圍應(yīng)保持在額定電壓的±2.0%之內(nèi)。這兩個指標(biāo)對諧波電流測試非常重要。在標(biāo)準(zhǔn)[1]中對于諧波電流測量有一個總的要求，即測量的重復(fù)性應(yīng)優(yōu)于±5.0%（文獻(xiàn)[1]，6.2.3.1）。在試驗配置的相關(guān)要求中，測試過程需要在預(yù)計產(chǎn)生最大總諧波電流（THC）的模式下進(jìn)行，但這并不是要求在測量過程中尋找最惡劣的發(fā)射狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)中的這些要求表明，諧波電流測試是一個受到多種因素影響的比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前大量的非線性電子線路接入公共電網(wǎng)，引起的諧波電流污染隨著時間的推移將會越來越嚴(yán)重，今后對提高諧波電流測試項目的可重復(fù)性、檢測結(jié)果具有較小不確定度等要求會越來越高。

4.3 諧波電流測試儀數(shù)據(jù)分析

使用如圖2配置的諧波電流測試儀，綜合電參量測試儀用于輔助諧波電流測試。選擇潔霸吸塵器樣品進(jìn)行諧波電流測試。樣品的電參量數(shù)據(jù)如下：樣品名稱及型號為潔霸吸塵器JBC3801C；額定電壓為220～240V@50Hz/60Hz；額定功率為2kW。諧波電流測試儀選用EMC-PARTNER的HARMONICS-100[6]。

實驗中發(fā)現(xiàn)，對于純阻抗性負(fù)載（如額定功率為2 kW的電熱水壺），綜合電參量測試儀測量待測物工位端的電壓值，與諧波電流測試儀測量的穩(wěn)壓電源輸出端的電壓值偏差很小，小于0.2V。這一偏差可以認(rèn)為是由儀器的檢測精度造成的。對于額定功率為2 kW的吸塵器，工位端和電源輸出端的電壓偏差較大，前者因負(fù)載而導(dǎo)致的壓降在2 V左右。按照標(biāo)準(zhǔn)[1，7]的要求，電壓的變化范圍應(yīng)保持在額定電壓±2.0%之內(nèi)，因此產(chǎn)生2V壓降符合標(biāo)準(zhǔn)要求。但在另一個方面，根據(jù)諧波電流測量對重復(fù)性的要求（偏差小于±5.0%），對于一些低諧波電流的產(chǎn)品（如燈具類），盡管最終諧波電流值的測量結(jié)果判斷為合格，卻與標(biāo)準(zhǔn)中的條款要求不一致。表1給出了一些相關(guān)測試數(shù)據(jù)。

從表1的結(jié)果可以看出，電壓的變化范圍保持在額定電壓的±2.0%之內(nèi)的要求，與諧波電流測量對重復(fù)性的要求（偏差小于±5.0%），在一些情況下不能同時滿足。盡管從檢測結(jié)果的風(fēng)險評估來分析，這種影響較小。但對于檢測結(jié)果的可重復(fù)性等方面的影響卻不容忽視。

表1 諧波電流的測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

在諧波電流測試的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)中，還存在一些標(biāo)準(zhǔn)條款與實際測試結(jié)果不相符合的情況[1]。為提高諧波電流測試的可重復(fù)性，降低檢測結(jié)果的測量不確定度，建議在該標(biāo)準(zhǔn)的條款中可以嘗試進(jìn)行如下的修訂：（1）電壓的變化范圍應(yīng)保持在額定電壓的±2.0%之內(nèi)修改為±1.0%；（2）明確給出測試電壓為與待測物相連接的工位端的電壓。以上兩點供同行商榷。

[1]IEC 61000-3-2：2005+A1：2008+A2：2009，Electromagnetic compatibility（EMC）-Part3-2：Limits-Limits for harmonic current emissions（equipment input current≤16A per phase）[S].Switzerland：IEC Press，2009.

[2]IEC 61000-4-7：2002+A1：2008，Electromagnetic compatibility （EMC）-Part4-7，Testing and measurement techniques-general guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation，for power supply systems and equipment connected thereto[S].Switzerland：IEC Press，2008.

[3]CISPR 14-1：2005+A1：2008，Electromagnetic compatibility requirements for household appliances electric tools and similar apparatus-Part 1：Emission[S].Switzerland：IEC Press，2008.

[4]CISPR 22：2005+A1：2005+A2：2006，Information technology equipment radio disturbance characteristics limits and methods of measurement[S].Switzerland，Geneva：IEC Press，2006.

[5]扈羅全，趙潤生，陸全榮，等.置信度對電磁兼容評估的影響與分析[J].蘇州大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2009，29（4）：5-9.

[6]EMC Partner，Regulatory authority use EMC PARTNER’s HAR1000 to enforce harmonic and flicker CE requirements in germany[DB/OL].[2008-04-15].http:www.emc-partner.com/resource/pdf/a_HAR-RegTP-E01.pdf.

[7]JJF 1205-2008，諧波和閃爍分析儀校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.