諧波、諧間波發(fā)生器校準方法的研究

闞飛，丁翔

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

1 引言

在GB/T 17626.13-2006《電磁兼容試驗和測量技術交流電源端口諧波、諧間波及電網信號的低頻抗擾度試驗》中，諧波、諧間波發(fā)生器是試驗的核心設備。通常，對發(fā)生器的校準都是使用符合GB/T 17626.7 A級精度的諧波分析儀，本文則使用Agilent 3458A數字多用表結合諧波分析軟件來進行校準。

2 試驗發(fā)生器的技術指標

試驗發(fā)生器應具有產生50 Hz基波頻率，以及疊加所需要的頻率（諧波以及諧波之間的頻率）的能力，如表1所示。

表1 試驗發(fā)生器的特性

3 校準系統(tǒng)

3.1 諧間波電壓的校準

采用數據采集+諧間波分析軟件進行校準。首先通過Agilent 3458A數字多用表進行數據采集，然后通過編制的諧間波分析軟件進行分析，對諧間波電壓進行校準。由于本文中涉及的諧間波電壓最高頻率為2 kHz，最小分度為5 Hz(16～100 Hz時)，因此要求諧波分析頻譜最小分辨力應低于5 Hz，采樣率大于20 kHz。

3458A的數字化功能有3種采樣方式：

1） Direct sampled方式：最高50 kHz采樣率、16位，準確度為0.02%；

2） Sub-sampled：周期信號，最高12 MHz采樣率、16位，準確度為0.02%；

3） DCV方式：最高100 kHz采樣率、18位，準確度為0.00005%～0.01%；

采取ASCII碼存儲方式，3458A的一次測量可以完成最大采樣數為10240個。

根據理論估算可知，當采用DCV方式50 kHz采樣率，采樣數為10000個時，頻譜分辨力為5 Hz；采用DCV方式10 kHz采樣率，采樣數為10000個時，頻譜分辨力為1 Hz。

按照南奎斯特采樣理論對采樣率的要求，以及項目對諧間波分析的要求，可以認為3458A滿足項目要求。

3.2 基波和尖頂波的校準

對于基波和諧波組合試驗中的尖頂波（3次諧波與5次諧波的疊加），校準方法采用諧波測量裝置（數據采集+諧間波分析軟件）進行測量，如圖1所示。

圖1 諧波電壓的校準

3.3 平頂波的校準

對于諧波組合試驗中的平頂波，其要求削頂后的電壓（有效值） 與削頂前的電壓（有效值） 相等，因此，實際用示波器觀測到的輸出波形是已經削頂的波形，未削頂的實際波形則無法測到，如何測量平頂波電壓的削頂比例是本課題的難點之一。擬采用示波器+衰減探頭+軟件分析的方法或數據采集+軟件分析的方法進行校準，如圖2所示。

圖2 平頂波的校準

3.4 主要參數及技術指標

1） 基波電壓：100～240 V，±0.05%；

2） 諧間波電壓：1～24 V，15～1000 Hz，±0.1%；1～2 kHz，±0.1%；

3） 尖頂波：1～33.6 V，150 Hz、250 Hz，±0.1%；

4） 平頂波： （95±0.3） %， （90±0.3）%，（80±0.3） %。

4 方案

a） 諧間波電壓的測量

采用數據采集+諧間波分析軟件進行校準。

目前，使用初步建立的諧間波測量裝置測量FLUKE 6100A諧間波輸出的試驗結果如表2所示。

因此，從功能上分析，此技術方案可行。

表2 諧間波電壓的測量結果

b）諧間波電壓的溯源

由于目前具有諧間波測量功能的表或源的技術指標不高，FLKUE 6100A諧間波功能技術指標為：16 Hz～6k Hz，±1%。

本項目采用5520A疊加的方案，分析5520A的交流電壓技術指標（電壓1～24 V，頻率15 HZ～2 kHz時，最大允許誤差：±0.03%），可以滿足項目的要求。

c） 平頂波電壓的測量

平頂波：波形隨時間變化，一個半波由三部分組成。

第1部分：從0開始，以純正統(tǒng)波上升至一定的值；

第2部分：是一個恒定值；

第3部分：以純正弦波波形下降至零點。

對平頂波的時間函數如表3所示。

表3 平頂波的時間函數

在實驗中，基波的有效值保持不變。

與諧波組合試驗中的平頂波，其要求削頂后的電壓（有效值）與削頂前的電壓（有效值） 相等，因此，實際用示波器觀測到的輸出波形是已經削頂的波形，未削頂的實際波形則無法測到。

注：發(fā)生器輸出平頂波的穩(wěn)定性是影響測量的關鍵。需要通過實驗目測來觀察波形的質量。

平頂波電壓的削頂比例轉化為時間軸的比例進行測量。采用示波器+衰減探頭的方法進行校準。

時間軸分析：

Asin(ωt2)/Asin(ωt1)=0.8；

sin(ωt2)=0.8；

ωt80=arcsing(0.8)；

ωt100=arcsing(1.0)；

t80/t1=0.59033，t80/T=0.14758；

t90/t1=0.71287，t90/T=0.17822；

t95/t1=0.79783，t95/T=0.19946；

T=20 ms。

5 校準結果的溯源問題及不確定度分量分析

5.1 諧間波電壓的測量

采取5520A疊加方案，不確定度主要來源是5520A交流電壓技術指標、測量重復性、裝置的穩(wěn)定性。分析5520A的交流電壓電壓1～24 V，頻率15 Hz～2 kHz時，最大允許誤差：±0.03%。

5.2 尖頂波電壓的測量

采用諧波測量裝置（3458A+諧波分析軟件）直接測量，測量結果不確定度的主要來源是諧波測量裝置最大允許誤差。在250 V量程、頻率為150 Hz、250 Hz時，諧波測量最大允許誤差優(yōu)于±0.1%，滿足項目要求。

5.3 平頂波電壓的測量

采用示波器+分析軟件進行校準，不確定度的主要來源是示波器時間測量準確度。選用的示波器TDS680C，時間測量準確度為0.1%。

6 結束語

通過方案驗證和不確定度分析，可以證明本方法完全可以替代諧波分析儀對諧波、諧間波發(fā)生器進行校準。

[1] GB/T 17626.6-2008，電磁兼容試驗和測量技術供電系統(tǒng)及所連設備諧波、諧間波的測量和測量儀器導則 [S].

[2] GB/T 17626.13-2008，電磁兼容試驗和測試技術 交流電源端口諧波、諧間波及電網信號的低頻抗擾度試驗 [S].