敏感設(shè)備電壓暫降免疫度的仿真和分析

陳海濤，鐘 慶，張 堯

（華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

電壓暫降是指供電電壓有效值在短時間內(nèi)突然下降之后又恢復(fù)到正常運行狀態(tài)的現(xiàn)象，其持續(xù)時間大多為0.01～0.6s.對于電壓暫降的指標(biāo)，國際上至今尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)定義，國際電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）將電壓暫降定義為供電電壓有效值快速下降到額定值的90%～10%，持續(xù)時間為0.5周波至1min；而國際電工委員會（IEC）則將其定義為下降到額定值的90%～1%，持續(xù)時間為0.5周波至1min.

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和用戶對敏感設(shè)備使用的增多，在保證供電安全性和可靠性的同時，用戶對供電質(zhì)量的要求越加嚴(yán)格［1］.引起電壓暫降的原因主要有線路短路故障、雷擊，大型感應(yīng)電動機啟動，開關(guān)操作、變壓器或電容器組投切，電弧爐、軋鋼機等沖擊性負(fù)荷的投運等［2－3］.電壓暫降會造成計算機系統(tǒng)癱瘓、冷卻裝置跳閘、變頻調(diào)速器退出運行，引起交流接觸器脫扣、電梯停頓、測試儀器芯片燒毀以及導(dǎo)致交通信號燈、氣體放電燈熄滅，研究結(jié)果表明：在所有的電能質(zhì)量問題中，90%以上是由電壓暫降或短時中斷引起的.

國內(nèi)外對敏感設(shè)備的電壓暫降免疫度評估做了大量的研究，現(xiàn)行評估方法有測量統(tǒng)計法［4］、模糊評估法［5－6］和概率估計法［7］等，模糊評估法和概率評估法屬于不確定性評估方法.用測量統(tǒng)計法可直接確定敏感設(shè)備電壓暫降免疫度，結(jié)果可靠，但缺乏可移植性和預(yù)測性.基于概率模型的隨機建模方法是根據(jù)免疫特性對敏感設(shè)備進(jìn)行分級，并用正態(tài)、均勻、指數(shù)、負(fù)指數(shù)分布來描述不同敏感度等級，但一旦出現(xiàn)分級錯誤，將會對評估結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差.文獻(xiàn)［8］提出建立VTC曲線分布的概率模型，它能客觀地描述敏感設(shè)備免疫度的隨機性.

計算機電源對電壓暫降比較敏感，如果出現(xiàn)電壓暫降并持續(xù)到一定時間，快速旋轉(zhuǎn)的磁盤會立即停止，導(dǎo)致磁頭與盤片之間發(fā)生猛烈的摩擦，從而使硬盤損壞；如果供電電壓過低或者突然中斷，計算機內(nèi)存里的數(shù)據(jù)得不到及時的動態(tài)刷新，就會造成程序破壞或數(shù)據(jù)丟失，嚴(yán)重情況下將導(dǎo)致計算機電源跳閘.

筆者利用Simplis/Simtrix軟件搭建典型的計算機電源模型，利用該軟件對計算機電源電壓暫降的免疫度進(jìn)行仿真和分析，繪制典型計算機電源的電壓暫降免疫度曲線.

1 電壓暫降特征值分析

電壓暫降的特征值可以用暫降幅值、持續(xù)時間以及暫降頻次來描述.

1）暫降幅值.

暫降幅值是指電壓暫降期間電壓的均方根值與額定電壓的均方根值的比值，即暫降之后電壓值.暫降幅值越低對設(shè)備的影響越大，如三相短路故障比單相短路故障引起的電壓暫降程度更大.

2）持續(xù)時間.

持續(xù)時間是指從電力系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降到結(jié)束所經(jīng)歷的時間，具有很大的隨機性.按照持續(xù)時間，IEEE將暫降分為瞬時、暫時和短時3種類型，具體如表1所示.設(shè)備一般都有儲能元件，當(dāng)發(fā)生電壓暫降時，設(shè)備還可以維持一段工作時間，但持續(xù)時間都較短.

表1 電壓暫降和短時中斷分類Table 1 Classification of voltage sag and short supply interruption

3）暫降頻次.

暫降頻次是指電壓暫降所發(fā)生的頻繁程度，暫降頻次越高，對設(shè)備的影響越大，很多暫降是連續(xù)重復(fù)發(fā)生的，敏感設(shè)備可能躲過第1次暫降，但是可能承受不住第2次電壓暫降.

2 免疫度研究

電壓暫降免疫度是指設(shè)備對電壓暫降問題的敏感程度，即提供給設(shè)備的供電電壓發(fā)生電壓暫降問題時，對設(shè)備造成一定程度的干擾仍能正常運行的能力.按免疫程度可以分為普通設(shè)備、敏感設(shè)備和重要設(shè)備，其中，計算機電源屬于敏感設(shè)備，它對電壓暫降的要求比較嚴(yán)格.有研究表明：當(dāng)計算機電壓低于60%且持續(xù)時間超過240ms時，計算機工作將會受到影響.計算機電源的本身特性、電壓暫降發(fā)生特征和計算機電源的運行狀態(tài)等因素都對電壓暫降免疫度有一定的影響.比較典型的計算機電源免疫度曲線有CBEMA和ITIC曲線.

2.1 CBEMA曲線

CBEMA曲線是美國計算機商業(yè)設(shè)備制造者協(xié)會（CBEMA）根據(jù)大型計算機的歷史數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)繪制，其目的是防止電壓擾動造成計算機等裝置誤動作或損壞.CBEMA曲線如圖1所示，該曲線描述了計算機耐受電壓與持續(xù)時間的關(guān)系，曲線的上、下部分分別代表高電壓與低電壓，是不可接受區(qū)間.由圖1可知，允許電壓中斷的時間在8.33ms左右，中間部分為合格電壓，是可接受區(qū)間.

圖1 CBEMA曲線Figure 1 CBEMA curve

2.2 ITIC曲線

ITIC曲線是在CBEMA曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行修訂繪制，使電壓幅值與持續(xù)時間有了明確的對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示，穩(wěn)態(tài)電壓限制從原來上限106%和下限87%改為上限110%和下限90%，允許電壓中斷的時間從8.33ms改為20ms.包絡(luò)線外的部分為不可接受區(qū)，上部分為損壞區(qū)，下部分為無損區(qū)；包絡(luò)線內(nèi)的電壓為合格電壓，是正常工作區(qū).

圖2 ITIC曲線Figure 2 ITIC curve

3 計算機電源模型

3.1 UC3842電流型脈寬調(diào)制器

UC3842是Unitorde公司生產(chǎn)的電流型脈寬調(diào)制器［9－10］，它能直接驅(qū)動雙極型功率管或場效應(yīng)晶體管，其主要優(yōu)點是管腳數(shù)量少、外圍電路簡單；采用單端隔離技術(shù)，可利用高頻變壓器實現(xiàn)與電網(wǎng)隔離；電壓調(diào)整率高，其工作頻率高達(dá)500kHz，啟動電流小于1mA.其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖3所示.

圖3 UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意Figure 3 UC3842internal structure

UC3842有8個引腳：引腳1是誤差放大器輸出端，用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；引腳2反饋電壓輸入端，作用是控制脈沖電壓調(diào)制電路，保持開關(guān)電源的輸出電壓穩(wěn)定；引腳3電流檢測輸入端，其作用是過流保護；引腳4為RC振蕩端，用來確定內(nèi)部振蕩器的工作頻率；引腳5為公共接地端；引腳6為推挽輸出端，也就是開關(guān)脈沖輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式；引腳7是直流電源供電端，具有欠、過壓鎖定功能；引腳8為URef＝5V基準(zhǔn)電壓輸出端.

3.2 仿真模型

計算機電源仿真模型如圖4所示，其工作原理為220V交流電壓通過橋式整流和濾波變成直流電壓，并在濾波電容C1作用下，保持直流電壓為300 V左右，然后通過電阻R1降壓，當(dāng)供電電壓達(dá)到UC3842的啟動電壓16V時，UC3842開始工作并提供脈沖；自饋線圈P2對降壓后的直流輸出電壓采樣，經(jīng)過UC3842的誤差放大器、PWM鎖存器以及反饋信號控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，以決定高頻變壓器的通斷狀態(tài)，再通過降壓變壓器P1－S1變成交流電壓；交流電壓通過低壓濾波電路的整流和濾波，得到穩(wěn)定的5V直流輸出電壓.其中，R2，C2，D5和R11，C13，D9構(gòu)成兩級吸收回路，作用是吸收尖峰電壓.

UC3842由整流和濾波降壓后的直流電壓供電，其中，R6＝2.2kΩ，C9＝10nF，由f＝1.8/（RT·CT）計算頻率為80kHz，其作用是維持負(fù)荷端輸出電壓不變，相當(dāng)于電壓穩(wěn)壓器.當(dāng)直流供電電壓高于16V時，UC3842開始導(dǎo)通，穩(wěn)定工作電壓在15V左右，若啟動后直流供電電壓低于10V、電壓穩(wěn)壓器不能維持輸出電壓恒定值時，將導(dǎo)致數(shù)字電子設(shè)備內(nèi)部發(fā)生錯誤，或?qū)е掠嬎銠C電源跳閘.

圖4 計算機電源仿真模型Figure 4 Simulation model of computer power supply source

4 仿真分析

4.1 電壓暫降免疫度分析

保持負(fù)荷功率和濾波電容容量（2 600μF）等其他變量不變，只改變供電交流電壓，分析輸出電壓的變化情況，筆者對各個階段電壓暫降進(jìn)行具體仿真試驗，具有代表性的仿真實驗如圖5，6所示.正常運行情況下（圖5），計算機電源輸出電壓為5V，當(dāng)發(fā)生30%的電壓暫降（電壓試驗等級為70%）時，計算機電源輸出電壓降至4.4V左右，但不影響計算機電源正常工作.當(dāng)電壓試驗等級下降時，直流輸出電壓降至4.3V以下（圖6），此時電壓控制芯片將停止工作，電源中斷.針對計算機電源對電壓暫降的免疫度不同，其持續(xù)時間也不相同，具體測試結(jié)果如表2所示，免疫度曲線如圖7所示.

圖5 電壓暫降30%計算機電源輸出電壓（2 600μF）Figure 5 Computer power supply source output voltage of voltage sag 30%（2 600μF）

圖6 電壓暫降35%計算機電源輸出電壓（2 600μF）Figure 6 Computer power supply source output voltage of voltage sag 35%（2 600μF）

一般情況下，計算機電源能承受參與電壓為70%左右的電壓暫降，隨著電壓暫降程度的加深，計算機電源維持系統(tǒng)運行時間逐漸減少.當(dāng)電壓試驗等級為65%、持續(xù)時間為350ms時，計算機電源開始逐漸停止工作；當(dāng)電壓試驗等級為50%時，維持系統(tǒng)運行時間為55ms；當(dāng)電壓試驗等級為0%時，也能維持系統(tǒng)運行25ms.

表2 電壓暫降和短時中斷測試結(jié)果（2 600μF）Table 2 Testing result of voltage sag and short supply interruption（2 600μF）

圖7 電壓暫降免疫度曲線（2 600μF）Figure 7 Immune degree curve of voltage sag（2 600μF）

4.2 濾波電容對電壓暫降免疫度的影響

保持負(fù)荷功率等其他變量不變，在不同電壓暫降程度下改變?yōu)V波電容容量，分析計算機電源的整流電壓，仿真結(jié)果如圖8，9所示，為供電電壓220V在40ms時發(fā)生30%的電壓暫降、濾波電容容量分別為2 600和4 700μF的供電電壓整流波形.

通過對比圖8，9，可以看出：濾波電容容量為4 700μF的供電電壓波形比2 600μF的更為平穩(wěn)，圖9比圖8的整流電壓幅值下降的慢，維持時間也比圖8多45ms左右，最低電壓分別為208和203V，這將直接影響計算機電源的輸出端直流電壓.

圖8 供電電壓整流波形（2 600μF）Figure 8 Rectification wave of power supply voltage（2 600μF）

圖9 供電電壓整流波形（4 700μF）Figure 9 Rectification wave of power supply voltage（4 700μF）

濾波電容容量為4 700μF，改變供電電壓，分析輸出電壓的變化情況，如圖10所示，輸出電壓波形與圖6輸出電壓波形進(jìn)行對比，可以看出：電壓波形更加平穩(wěn)、下降速度更為緩慢；當(dāng)電壓暫降35%時，計算機電源還能保持正常工作，其維持系統(tǒng)運行的效果比圖6所示的更好.

圖10 電壓暫降35%計算機電源輸出電壓（4 700μF）Figure 10 Computer power supply source output voltage of voltage sag 35%（4 700μF）

濾波電容容量為4 700μF的電壓暫降測試結(jié)果如表3所示，免疫度曲線如圖11所示.通過表3可以看出：當(dāng)電壓試驗等級為65%時，計算機電源還能正常運行工作；當(dāng)電壓試驗等級為60%、持續(xù)時間為250ms時，計算機電源開始逐漸停止工作；當(dāng)電壓試驗等級為50%時，維持系統(tǒng)運行時間為60ms；當(dāng)電壓試驗等級為0%時，也能維持系統(tǒng)運行32ms.

對比表2，3可以看出：同樣的試驗電壓等級，濾波電容容量為4 700μF比濾波電容容量為2 600μF的計算機電源維持系統(tǒng)運行時間長.從表3中可以看出，電壓試驗等級為65%時計算機電源還能維持正常工作，而從表2可以看出，其在持續(xù)一定時間的電壓暫降之后，計算機電源已不能正常工作，表3計算機電源電壓暫降免疫度曲線的工作區(qū)間也比表2的工作區(qū)間范圍大.

表3 電壓暫降和短時中斷測試結(jié)果（4 700μF）Table 3 Testing results of voltage sag and short supply interruption（4 700μF）

圖11 電壓暫降免疫度曲線（4 700μF）Figure 11 Immune degree curve of voltage sag（4 700μF）

5 結(jié)論

筆者利用Simplis/Simtrix軟件搭建了典型的計算機電源模型，通過對該計算機電源模型進(jìn)行仿真，得出結(jié)論：

1）利用Simplis/Simtrix軟件設(shè)計了比較典型的計算機電源模型，從電壓暫降的仿真結(jié)果來看，該模型也比較符合真實計算機電源.

2）電壓暫降的幅值不同，維持計算機電源持續(xù)運行的時間也不同，針對計算機電源對電壓暫降的免疫度，繪制了典型計算機電源的電壓暫降免疫度曲線.

3）當(dāng)正常運行的計算機電源發(fā)生相同程度的電壓暫降事件時，采用4 700μF的濾波電容比采用2 600μF濾波電容的供電電壓整流波形和輸出電壓波形更為平穩(wěn)，維持計算機電源系統(tǒng)持續(xù)運行時間更長，其電壓暫降免疫度曲線的工作區(qū)間范圍也更大.

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