工況原理對諧波測試系統(tǒng)的影響及其在標(biāo)準(zhǔn)化中的應(yīng)用

扈羅全,劉小林,向 霞

(1.蘇州出入境檢驗(yàn)檢疫局,蘇州 215104；2.蘇州大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,蘇州 215021；3.電子科技大學(xué)應(yīng)用物理系,成都 610054)

工程與應(yīng)用

工況原理對諧波測試系統(tǒng)的影響及其在標(biāo)準(zhǔn)化中的應(yīng)用

扈羅全1,2,劉小林2,向 霞3

(1.蘇州出入境檢驗(yàn)檢疫局,蘇州 215104；2.蘇州大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,蘇州 215021；3.電子科技大學(xué)應(yīng)用物理系,成都 610054)

根據(jù)待測物工況分析的基本原理,引入了以工況參數(shù)與工況監(jiān)測為基礎(chǔ)的工況原理。分析了工況對諧波電流測量的影響。在測試系統(tǒng)中含有外接工況監(jiān)測裝置接入時(shí),分析了對諧波電流測試系統(tǒng)的影響。以實(shí)際檢測樣品為例,通過分析在接入不同測量裝置的測試系統(tǒng)后,對測試結(jié)果產(chǎn)生影響,證實(shí)了在整個(gè)測試過程中需要引入檢測全過程控制的概念。針對包含有工況信息的試驗(yàn)配置條件,分析了對諧波電流測試標(biāo)準(zhǔn)條款的影響。

電磁兼容；諧波電流發(fā)射；測試儀器；工況

0 引 言

隨著各類新型電子設(shè)備中使用數(shù)量眾多的非線性負(fù)荷，產(chǎn)生諧波電流污染的接入設(shè)備的類型及數(shù)量劇增，公共電網(wǎng)中諧波污染問題變得日益嚴(yán)重。諧波電流注入接入電網(wǎng)，能夠造成電網(wǎng)電壓和電流畸變，供電質(zhì)量下降，危害供電設(shè)備及用電設(shè)備的安全。為控制電子電氣設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流對公共電網(wǎng)造成的危害，國際電工委員會(huì)制定了限制產(chǎn)品諧波電流的標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-3-2：2014[1]。該標(biāo)準(zhǔn)適用于準(zhǔn)備接入到公用低壓供電系統(tǒng)的每相輸入電流不大于16A的電氣和電子設(shè)備。以我國為例，GB 17625.1標(biāo)準(zhǔn)等同采用IEC 61000-3-2，也是當(dāng)前我國CCC強(qiáng)制性認(rèn)證領(lǐng)域使用頻次最高的電磁兼容（EMC）檢測標(biāo)準(zhǔn)之一[2]。在2014年的IEC新版標(biāo)準(zhǔn)中，真空吸塵器、非專用電弧焊設(shè)備、高壓清洗機(jī)、冰箱及冷凍機(jī)等的測試配置條件，發(fā)生了明顯改變。

測試標(biāo)準(zhǔn)按照每相工作電流的大小，分成I≤16 A和16 A≤I≤75 A（此處I表示每相工作電流）兩種。在諧波電流測試過程中，測試結(jié)果受到設(shè)定的不同測試條件的影響。在進(jìn)行電磁兼容（EMC）諧波電流發(fā)射測試時(shí)，因?qū)悠返臏y試流程并不一致，造成對測試結(jié)果的一些爭議。文獻(xiàn)[3-4]對其他測試領(lǐng)域內(nèi)，測試條件作為工況信息對測試結(jié)果產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]分析了兩種不同測試流程對同一樣品實(shí)驗(yàn)得到的諧波電流，測試結(jié)果之間存在明顯差異。文獻(xiàn)[6]分析了諧波檢測環(huán)節(jié)的相位誤差，把檢測過程中的采樣時(shí)延作為工況信息進(jìn)行監(jiān)測和補(bǔ)償。文獻(xiàn)[7]分析了幾種高精度、快速度和可靠性高的諧波電流檢測方法，提出需要建立一套能將傳統(tǒng)功率理論包括在內(nèi)的通用功率理論，使諧波測量系統(tǒng)提高實(shí)時(shí)性和精確度。本文系統(tǒng)地分析了工況參數(shù)對測試系統(tǒng)的影響，然后使用兩套不同的諧波電流測試系統(tǒng)進(jìn)行比對分析，證實(shí)在實(shí)際測試過程中需要詳細(xì)記錄測試信息，對測試過程實(shí)行全過程控制，以提高相關(guān)檢測認(rèn)證工作的可靠性和可重復(fù)性。

1 工況參數(shù)與工況監(jiān)測

1.1 待測物工況的基本概念

對產(chǎn)品進(jìn)行測試的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。圖中矩形模塊表示標(biāo)準(zhǔn)中推薦的專用測試儀器，三角形模塊表示可以配合測試儀器使用的輔助儀器，圓形模塊表示待測物（Equipment under Test，EUT）。

狹義的測試系統(tǒng)是指圖1中的矩形模塊。通常這類測試系統(tǒng)可以直接從市場上采購得到。通過圖1中連接線路1進(jìn)行檢測。

廣義的測試系統(tǒng)包括圖1中的三個(gè)模塊，通常三角形模塊需要實(shí)驗(yàn)室自己研制，或者通過其他儀器組合原有測試儀器來搭建測試系統(tǒng)，并且通過圖1中連接線路2和3進(jìn)行檢測。圓形模塊EUT的運(yùn)行工作狀況（簡稱工況）屬于測試系統(tǒng)的一部分。

如何通過輔助測試儀器，合理調(diào)整和控制EUT的工況，保證測試結(jié)果準(zhǔn)確，可重復(fù)性好，便于在不同實(shí)驗(yàn)室見進(jìn)行比對，尤其是在進(jìn)行能力驗(yàn)證（Proficiency Testing，PT）活動(dòng)時(shí)，對于使用實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行的PT，需要正確合理地對EUT的工況進(jìn)行檢測和調(diào)整。

圖1 產(chǎn)品檢測的系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.2 工況監(jiān)測的數(shù)學(xué)模型

工況監(jiān)測的基本思想可以表述如下：假設(shè)待測物正常工作條件下，各種功能及其相互之間的組合所構(gòu)成的全體（通常不包括故障狀態(tài)），組成狀態(tài)空間S，某一特定工況即為S的樣本，記作s。描述S的全體可測量特征的取值范圍組成特征空間Y，描述s的全體可測量特征的取值范圍組成特征空間樣本y。當(dāng)待測物處于某一工況s時(shí)，可以用確定的y進(jìn)行描述，也即存在如下的映射g，使得

同時(shí)，其逆映射也存在，記作f，即有

狀態(tài)空間與特征空間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 工況監(jiān)測的狀態(tài)空間與特征空間的關(guān)系圖

需要指出，如果f和g是雙射函數(shù)，則描述工況的特征參數(shù)與待測物的工況一一對應(yīng)，使用特定的參數(shù)可以唯一確定待監(jiān)測的待測物的工作狀況。但事實(shí)上，描述一個(gè)特定工況需要大量的參數(shù)，在實(shí)踐中需要擇其主要的參數(shù)來確定某一工況。這就帶來一個(gè)一對多的映射關(guān)系。合理的工況監(jiān)測需要使用盡可能少的參數(shù)，記作Y1，來確定一個(gè)在狀態(tài)空間中的一個(gè)很小的子集，記作S1=（s1，…，sn）。在機(jī)電產(chǎn)品工況監(jiān)測及其應(yīng)用研究領(lǐng)域內(nèi)，一個(gè)十分重要的工作就是找到一個(gè)合適的小參數(shù)空間Y1=（y1，…，yn），來確定某一特殊的工況狀態(tài)。這一特殊工況的要求，與相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)中對待測物的運(yùn)行條件或者型式試驗(yàn)條件緊密相關(guān)。

工況監(jiān)測中最簡單的模型，是用Y1=（y1）來描述S1=（s1）。此時(shí)兩個(gè)小空間都是單一樣本空間。

1.3 工況監(jiān)測空間的Markov特性

廣義測試系統(tǒng)，此時(shí)對應(yīng)的工況信息稱作廣義工況參數(shù)，它構(gòu)成樣本空間，記作Y。考慮下述情形：某測試者利用測試系統(tǒng)對某EUT進(jìn)行測試時(shí)，在一定工況條件下得到某個(gè)測試結(jié)果，記作y（t）。對不同時(shí)間條件下得到的測試結(jié)果進(jìn)行記錄，分別記作y（t1），y（t2），……，y（tn）。當(dāng)前檢測標(biāo)準(zhǔn)對何種工況是最合理的受檢工況一般均只有一個(gè)較為寬泛的要求，因此某時(shí)刻y（ti）的測試值只受到其前一刻測試值的影響。例如，電磁兼容檢測中對諧波電流的檢測，要求被測試狀態(tài)能夠產(chǎn)生最為嚴(yán)重的諧波電流。真實(shí)的測試過程要不斷調(diào)整EUT的工況，比較當(dāng)前測試結(jié)果與前次測試結(jié)果之間的差異。若當(dāng)前值小于前次值，調(diào)回前面的工況參數(shù)；若當(dāng)前值大于前次值，繼續(xù)調(diào)整EUT的工況參數(shù)，直到某個(gè)測試值出現(xiàn)最大。

判斷最大值需要在全樣本中進(jìn)行考察，不僅僅依賴于前次的測試值，因此，選擇最佳工況的過程不具有Markov性。但是，如果把測試結(jié)果視作測試工況參數(shù)的函數(shù)，即有y（s；t）。由于測試結(jié)果和時(shí)間無關(guān)，因此可記作y（s）。顯然，當(dāng)工況參數(shù)的維度為n時(shí)，在n維空間中，y（s）具有Markov性，這個(gè)特點(diǎn)需要在實(shí)際待測物的檢測過程中特別引起關(guān)注。

2 工況原理對測試系統(tǒng)的影響

2.1 工況對諧波電流測量影響的理論模型

本文以吸塵器產(chǎn)品為例，對其在進(jìn)行檢測時(shí)的一個(gè)重要的工況參數(shù)——觸發(fā)角的監(jiān)控給出理論分析的結(jié)果。對于其他種類的樣品，本文使用的分析方法同樣有效。

吸塵器產(chǎn)品的控制電路含有感性元件和非線性濾波元件，易產(chǎn)生諧波電流。當(dāng)控制電路中觸發(fā)角發(fā)生變化時(shí)，電路中開關(guān)函數(shù)的波形沿著時(shí)間軸發(fā)生移動(dòng)，改變電流波形。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和儀器手冊中分析諧波電流測量的示意圖[8]如圖3所示。使用文獻(xiàn)[5]的研究結(jié)果，待測諧波電流可以計(jì)算如下[5]：

圖3 諧波電流測量分析圖（圖中EUT表示待測物）

其中，

此處考慮了觸發(fā)電路的頻率等于正弦信號頻率的兩倍。

從式（3）～（4）求得y（t）的Fourier變換。根據(jù)卷積定理，利用f（t）的譜表達(dá)式可得[9]

式（5）表明，由于受到采樣函數(shù)的影響，觸發(fā)電路被觸發(fā)后，諧波幅度隨著諧波次數(shù)的增加而減小。通常在諧波發(fā)射測量過程中，三次諧波值對于評估諧波電流發(fā)射特性具有很好的代表性。由上面頻譜函數(shù)可以看出產(chǎn)生三次諧波的有四項(xiàng)，分別對應(yīng)于n=±1和n=±2。由此可得三次諧波的幅度項(xiàng)為

2.2 外接工況監(jiān)測接入系統(tǒng)對諧波電流測試系統(tǒng)的影響

諧波電流測試系統(tǒng)可以外接其他監(jiān)測儀器，如綜合電參量測試儀，對測試系統(tǒng)的狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)控。對外接工況接入系統(tǒng)應(yīng)用在諧波測試中時(shí)，可以在電磁兼容在線測試系統(tǒng)的前端，以及相應(yīng)的離線測試系統(tǒng)后端。目前工況監(jiān)測接入系統(tǒng)可應(yīng)用于電磁兼容檢測時(shí)測試系統(tǒng)工位的電參數(shù)特性的檢測，以判斷測試系統(tǒng)的供電網(wǎng)絡(luò)是否符合要求[10]。

根據(jù)IEC 61000—4—7標(biāo)準(zhǔn)5.4條款的要求，測試儀器的電壓長期穩(wěn)定性要優(yōu)于±2.0%（標(biāo)準(zhǔn)5.4.2.2）[11]。同時(shí)在IEC諧波檢測標(biāo)準(zhǔn)[1]中的附錄A.2，要求試驗(yàn)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(gè)指標(biāo)是對諧波電流測試外接工況監(jiān)測儀器的參考依據(jù)。在諧波電流國際標(biāo)準(zhǔn)[1]中對于諧波電流測量總的要求，是保證最終測量結(jié)果的重復(fù)性應(yīng)優(yōu)于±5.0%（文獻(xiàn)中6.2.3.1條款[1]）。在實(shí)際的試驗(yàn)配置的相關(guān)要求中，通常需要把測試過程設(shè)置在預(yù)計(jì)產(chǎn)生最大總諧波電流的模式下進(jìn)行。

今后對提高諧波電流測試項(xiàng)目的可重復(fù)性，檢測結(jié)果有較小的不確定度等要求會(huì)越來越高。當(dāng)在測試系統(tǒng)中接入不同測試裝置后，一些輔助性測試裝置會(huì)對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，這就要求在整個(gè)測試過程中需要引入檢測全過程監(jiān)管，確保所有測試信息有良好的溯源性。

2.3 檢測樣品接入不同測試系統(tǒng)后的影響評估

諧波電流測試系統(tǒng)如圖4所示。本文選擇典型的受試樣品吸塵器和節(jié)能燈樣品，進(jìn)行諧波電流對比測試。樣品的電參量數(shù)據(jù)如下。吸塵器額定電壓：220V-240V@50Hz/60Hz；額定功率：2000 W。節(jié)能燈額定電壓：220V-240V@50Hz/60Hz；額定功率：25 W。諧波電流測試儀選用EMC-PARTNER的HARMONICS-100，以及TESEQ的NSG 1007。諧波電流的測試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖4 配置綜合電參量測試的諧波電流測試系統(tǒng)

表1 諧波電流測試系統(tǒng)信息

表2 諧波電流的測試數(shù)據(jù)

大量實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不同測試工況布置得到的測試結(jié)果存在一些差異。根據(jù)諧波電流測量對重復(fù)性的要求（偏差小于±5%），表2中兩種不同工況的結(jié)果偏差＜5%，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。但是對于一些產(chǎn)生較低諧波電流的產(chǎn)品，盡管最終諧波電流值的測量結(jié)果判斷為合格，在給出最終的測試數(shù)據(jù)時(shí)，仍然需要提供詳細(xì)的測試布置條款的技術(shù)信息。不能由于測試結(jié)果合格而忽略具體的技術(shù)要求。

3 工況原理對諧波電流測試標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)條款的影響

在IEC標(biāo)準(zhǔn)文件TC 77A_808e_CDV：“Amendment3 to IEC 61000-3-2（f3）：Electromagnetic compatibility（EMC）-Part 3-2：Limits-Limits for harmonic current emissions（equipment input current≤16 A per phase）”[12]，對待測裝置的試驗(yàn)配置條件（也即工況信息）有進(jìn)一步的描述。但是在該技術(shù)文件中，對冰箱及冷凍柜的試驗(yàn)配置條件只是一些較為寬泛的描述。例如：測量時(shí)內(nèi)部啟動(dòng)溫度已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，溫度進(jìn)入低功率模式判斷為穩(wěn)態(tài)；開始測試后數(shù)秒鐘，所有的門及內(nèi)部部件，應(yīng)全部打開；待測物內(nèi)部的溫度控制應(yīng)調(diào)整到最低溫度狀態(tài)的設(shè)置。這些配置條件在保證檢測結(jié)果的重復(fù)性方面考慮并不周到。

為保證測試過程的復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性，對上述配置要求進(jìn)行如下修改：溫度的穩(wěn)定可通過不同的實(shí)踐方法來獲得，例如在較低功率狀態(tài)下不改變輸入功率，保持較低輸入電流狀態(tài)等；當(dāng)電冰箱或冷凍柜進(jìn)入較低水平模式狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部的溫度已經(jīng)獲得穩(wěn)定，但不均衡；并且，在開始測量的幾秒后，所有的柜門和內(nèi)部的隔間應(yīng)全部打開1分鐘，然后再次關(guān)上；然而，所有的柜門不能同時(shí)打開，應(yīng)提供打開柜門的時(shí)間間隔。目前本文作者提出的這些關(guān)于工況監(jiān)測的技術(shù)條款的修改建議，已經(jīng)被IEC TC77A采納[12]。

4 分 析

在近代物理學(xué)中，“測不準(zhǔn)原理”明確地指出，有些測量參量是無法精確測量得到的。量子力學(xué)中的“薛定諤貓悖論”，反映了觀察者的存在會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。對于一個(gè)測試系統(tǒng)而言，理論上任何被測試物都會(huì)對測試系統(tǒng)產(chǎn)生影響，這種影響是無法消除和避免的。通常也把這種影響稱作“元影響”（in-situ）。這些要求也出現(xiàn)在儀器的校準(zhǔn)規(guī)范中[13]。

電子電器類產(chǎn)品的檢測與認(rèn)證，作為國際通行的管理體系的質(zhì)量保證和管理手段，在提高企業(yè)產(chǎn)品的管理服務(wù)水平、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級、推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展中起到了重要作用。以電磁兼容為例，在樣品檢測測試過程中，如何減小測試誤差和不確定度，已經(jīng)成為一個(gè)十分重要的研究課題。

作為檢測認(rèn)證環(huán)節(jié)的必備過程，檢測全過程監(jiān)管的概念，在今后的認(rèn)證國際化進(jìn)程中，是一個(gè)十分重要的發(fā)展方向，同時(shí)也是標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的一個(gè)重要的隱含規(guī)范。今后需要在圍繞國務(wù)院《深化標(biāo)準(zhǔn)化工作改革方案》提出的標(biāo)準(zhǔn)化管理改革工作要求的基礎(chǔ)上，在制定和參與相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作中，引入工況原理的思想，盡可能縮小標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)術(shù)語的變化范圍，切實(shí)提高檢測結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性。

5 結(jié) 語

待測物體的工作狀況信息，在測試過程中對測試結(jié)果起著重要影響。因此為保證整個(gè)測試結(jié)果具有高的可重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性，記錄諧波電流發(fā)射檢測工況信息的監(jiān)測裝置，對于相關(guān)產(chǎn)品的檢測認(rèn)證工作具有重要的作用。同時(shí)本文的研究結(jié)果還表明，在測試報(bào)告中，需要詳盡地描述整個(gè)測試全過程。工況原理作為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的通用要求，在提高檢測標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性和規(guī)范性方面有重要應(yīng)用價(jià)值。今后在標(biāo)準(zhǔn)修制訂過程中，需要盡可能縮小標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)術(shù)語內(nèi)涵，降低數(shù)據(jù)的允許變化范圍，以提高檢測結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性要求。

致謝：本文作者得到了全國電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)A分會(huì)的幫助，在此表示衷心感謝。

[1] IEC.IEC 61000—3—2：2014.Electromagnetic compatibility（EMC）-Part3-2：Limits-Limits for harmonic current emissions（equipment input current≤16A per phase）[S].Switzerland，Geneva：IEC press，2014.

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[12]IEC.IEC TC 77A_808e_CDV.Amendment 3 to IEC 61000-3-2（f3）：Electromagnetic compatibility（EMC）-Part3-2：Limits-Limits for harmonic current emissions（equipment input current≤16 A per phase）[S].Switzerland，Geneva：IEC press，2014.

[13]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).JJF1205—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.

扈羅全 (1972—)男,江蘇宜興人,博士,高級工程師,主要研究方向?yàn)闊o線通信與電磁兼容,隨機(jī)模型等；

E-mail：hulq@jsciq.gov.cn

劉小林(1988—)男,山西呂梁人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒莸牡皖l騷擾；

向 霞(1974—)女,四川攀枝花人,博士,教授,主要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)材料的強(qiáng)激光輻照效應(yīng)和損傷修復(fù)技術(shù)研究,測量測試技術(shù)。

The Effects of Operating Condition Principle on Harmonic Current M easurement and Its Application to Standardization

HU Luo-quan1，2，LIU Xiao-lin2，XIANG Xia3
（1.Suzhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Suzhou 215104，China；2.School of Urban Rail Transportation，Suzhou University，Suzhou 215021，China；3.Department of Applied Physics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

According to the basic principles of operating condition analysis of equipment under test（EUT），the operating condition principle is introduced based on operating condition parameters and operating condition monitoring.The effects of operating condition principle on the harmonic currentmeasurement systems are analyzed.The same samples in differentmeasurement systems are examined in order to demonstrate themonitoring the over-all process for the testing process.The operating condition with the information of setup is used to analyze the effects of the standard clauses of the harmonic current testing.

electromagnetic compatibility；harmonic current emission；measurement instruments；operating condition

TM930.12

A

1673-5692（2015）04-442-06

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.04.021

2015-05-05

2015-07-11

國家質(zhì)檢總局科研項(xiàng)目（2012IK091）“家電產(chǎn)品重點(diǎn)高關(guān)注電磁危害因子建模及綜合測試識別儀研制”，國家質(zhì)檢總局科研項(xiàng)目（2014IK192）“基于無線能量傳輸技術(shù)的電子產(chǎn)品電磁兼容檢測評估技術(shù)研究”，江蘇出入境檢驗(yàn)檢疫局科研項(xiàng)目（2014KJ13，2015KJ11，2015KJ14）。