電源電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試關(guān)系的研究

1　引言

作為供電電源與用電設(shè)備之間的接口電路，在完成功率傳送和滿足對(duì)各種各樣電能形式變換需要的同時(shí)，電力電子裝置不可避免地易產(chǎn)生非正弦波形，造成電磁干擾(EMI)。電磁干擾向電網(wǎng)注入整倍數(shù)的基波頻率的諧波電流，造成電網(wǎng)電壓畸變；還會(huì)對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生不同程度的EMI干擾信號(hào)，這些EMI干擾信號(hào)可能以電磁幅射形式發(fā)射出去，也可能通過(guò)電纜或電源線進(jìn)行傳導(dǎo)。治理EMI問(wèn)題已成為電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域不可缺少的重要組成部分，電磁兼容（EMC）問(wèn)題已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)課題。

為消除EMI的影響，許多國(guó)家設(shè)立了專門(mén)機(jī)構(gòu)，如美國(guó)的聯(lián)邦政府通信委員會(huì)（FCC，federal communications commission ) ，德國(guó)的（VDE，verbena detacher electrotechniker ) 等。它們都遵循國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì) (CISPR，international special committee on radio interference ) 的規(guī)定，制定自已國(guó)家的有關(guān)放射和測(cè)試過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)，以限制電子設(shè)備的放射和控制設(shè)備的靈敏度。CISPR是國(guó)際電工委員會(huì)( IEC，international electro technical commission ) 的一個(gè)分會(huì)，于1934年成立，其主要職責(zé)是制定EMI標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)于1993年正式發(fā)布并于1994年開(kāi)始實(shí)施《電能質(zhì)量－公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)》。

1979年，F(xiàn)CC采用新規(guī)定，以降低數(shù)字式產(chǎn)品的潛在干擾。數(shù)字式產(chǎn)品包括家庭和工業(yè)用計(jì)算設(shè)備，計(jì)算設(shè)備是指計(jì)算機(jī)和其它電子設(shè)備，它們采用了數(shù)字技術(shù)，產(chǎn)生并使用10kHz以上的時(shí)鐘脈沖和信號(hào)。根據(jù)這些設(shè)備的用途，又進(jìn)一步分類：用于商業(yè)、工業(yè)和企業(yè)的設(shè)備屬于A類；那些輕便的一般為民用設(shè)備屬于B類。FCC的這些新規(guī)定，立即引起生產(chǎn)廠家對(duì)EMI的極大關(guān)注。加入WTO后，要把電子產(chǎn)品銷往國(guó)外，不但要了解有關(guān)EMI標(biāo)準(zhǔn)，還要知道用哪些測(cè)試方法和設(shè)備才能得到產(chǎn)品的EMI認(rèn)可，從而采取相應(yīng)的措施使它們符合EMI標(biāo)準(zhǔn)。本文在討論FCC、VDE、CISPR等EMI標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，研究測(cè)試注意事項(xiàng)和如何選用這些標(biāo)準(zhǔn)。

2　FCC標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試

FCC 標(biāo)準(zhǔn)[1]及單位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。表中AF表示天線系數(shù)，對(duì)于A類設(shè)備，測(cè)試過(guò)程可以獨(dú)立FCC而自行完成，但要提交測(cè)試結(jié)果， FCC保留了隨時(shí)抽樣測(cè)試的權(quán)力。一旦有人報(bào)告設(shè)備對(duì)EMI不合符標(biāo)準(zhǔn)，則必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)廠家提交的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行審查。對(duì)于B類設(shè)備，限制比較嚴(yán)格，必須提交一個(gè)樣品供測(cè)試之用。在對(duì)設(shè)備按FCC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行EMI指標(biāo)測(cè)試時(shí)，需注意下列幾點(diǎn)：

(1)　為便于和FCC的規(guī)定比較，傳導(dǎo)放射測(cè)量使用的分辨帶寬不能小于10kHz；

(2)　在傳導(dǎo)放射測(cè)量時(shí)，F(xiàn)CC只要求測(cè)出設(shè)備6個(gè)最大EMI信號(hào)電平，即使它們未超出規(guī)定的界限；

(3)　對(duì)于傳導(dǎo)放射的測(cè)量，如果信號(hào)是寬帶的，規(guī)定的界限可放寬13dB。為了利用這一有利條件，必須先對(duì)信號(hào)分類，看是窄帶還是寬帶；

(4)　對(duì)待測(cè)設(shè)備做輻射測(cè)量時(shí)，F(xiàn)CC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要使用精心設(shè)計(jì)的測(cè)試環(huán)境，使場(chǎng)地內(nèi)的反射最少，在放射信號(hào)必須通過(guò)的路徑不能有障礙物，而且要考慮到天線會(huì)接收到4.7 dB 的附加信號(hào)，這些附加信號(hào)是由于地面反射造成的（理想的地面反射為6dB）。

(5)　在FCC的規(guī)定中，輻射測(cè)量使用的分辨帶寬不能小于100kHz，和傳導(dǎo)放射的測(cè)量一樣，也要記錄6個(gè)最大的讀數(shù)，設(shè)備的方位也要記下來(lái)，以便在修改設(shè)計(jì)方案、檢查其對(duì)輻射EMI特性的影響時(shí)能準(zhǔn)確地重復(fù)以前的測(cè)試條件。

(6)　一般情況下，用準(zhǔn)峰值檢波器測(cè)出的數(shù)值偏低，因此，用峰值檢波方式測(cè)出的數(shù)值作為EMI測(cè)試是否通過(guò)的依據(jù)，對(duì)相容性的保險(xiǎn)系數(shù)更大[2]。

表1　　FCC 標(biāo)準(zhǔn)及單位轉(zhuǎn)換

3　VDE和CISPR標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試

VDE和CISPR兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試條件基本相同[3]，將它們放在一起討論。VDE傳導(dǎo)放射標(biāo)準(zhǔn)和輻射標(biāo)準(zhǔn)分別見(jiàn)表2和表3。表2中LISN表示線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)路(line impedance stabilization network)，VDE和CISPR測(cè)傳導(dǎo)放射時(shí)，VDE和CISPR采用有別于FCC的LISN電路，其輸入阻抗為150 ；而FCC采用的LISN電路，其輸入阻抗為50 。VDE和CISPR規(guī)定傳導(dǎo)測(cè)試下限頻率為10kHz，而FCC規(guī)定為450kHz，這三種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限頻率都是30MHz。輻射測(cè)試頻率范圍，VDE和CISPR規(guī)定為10kHz~1000 MHz；而FCC規(guī)定為30MHz~1000 MHz。

表2　VDE傳導(dǎo)放射標(biāo)準(zhǔn)

VDE和CISPR不接受廠家提供的測(cè)試數(shù)據(jù)，而美國(guó)的FCC則承認(rèn)廠家提供的測(cè)試數(shù)據(jù)和鑒定結(jié)果，因?yàn)閺S家的測(cè)試保證了測(cè)試站不會(huì)發(fā)現(xiàn)比規(guī)定的界限更高的EMI電平。由測(cè)試站進(jìn)行的正規(guī)測(cè)試事實(shí)上是一種獨(dú)立的產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)定，VDE要對(duì)產(chǎn)品可能對(duì)安全性造成的危害都加以評(píng)估。這是一種比較穩(wěn)妥的辦法，因?yàn)檫@種測(cè)試包括了所有的潛在危害，其中也包括EMI對(duì)通信業(yè)務(wù)的影響。

VDE和CISPR的規(guī)定分許多種，有的適應(yīng)于工業(yè)產(chǎn)品和科學(xué)儀器，有的適應(yīng)于消費(fèi)型設(shè)備(如手持電動(dòng)工具等)。對(duì)于計(jì)算設(shè)備，VDE的規(guī)定又分為A、B、C三類，其中A、C類規(guī)定對(duì)經(jīng)常要搬動(dòng)的設(shè)備進(jìn)行了限制；B類規(guī)定對(duì)民用和通信設(shè)備進(jìn)行了限制，還涉及通信業(yè)務(wù)的安全，因而更為嚴(yán)格。

VDE規(guī)定在某種意義講，適合于測(cè)試過(guò)程和設(shè)備性能易發(fā)生變化的場(chǎng)合。測(cè)試單個(gè)產(chǎn)品時(shí)，測(cè)得的EMI電平必須比規(guī)定指標(biāo)低2dB以上才算合格。其后重新測(cè)試時(shí)，如測(cè)得的EMI電平比規(guī)定指標(biāo)高出2dB以上，則認(rèn)為是超標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)大量的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試時(shí)，則采用統(tǒng)計(jì)技術(shù)，保證在80%的被測(cè)試產(chǎn)品中，有80%以上產(chǎn)品被確認(rèn)是在規(guī)定的指標(biāo)以下。

表3　VDE輻射放射標(biāo)準(zhǔn)

4　諧波電流、電壓限值

表4列出了CISPR標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)電力電子裝置和其它非線性負(fù)載用戶，允許注入電網(wǎng)的諧波電流限值。該表適合于電壓等級(jí)為2.4~69kV，其中ISC / I1　為公共連接點(diǎn)(PCC) 短路電流與基波電流之比，偶次諧波限值為表4中奇次諧波限值的25%[4]，Ih / I1為第h次諧波電流與基波電流之比。表5為供電電網(wǎng)須保證電壓波形質(zhì)量的諧波電壓限值，不僅適用于三相系統(tǒng)，也適用于單相系統(tǒng)，其中Vh / V1為第h次諧波電壓與基波電壓之比?，F(xiàn)將表4、表5中有關(guān)定義說(shuō)明如下：

(1) PCC畸變電壓Vh 取決于交流電源內(nèi)阻抗

和注入的諧波電流值，對(duì)于基波角頻率 下的第h次諧波，其PCC畸變電壓有效值為：

(1)

式中Ih為注入電網(wǎng)的第h次諧波電流有效值。

(2) ISC 是電源提供給故障點(diǎn)的短路電流有效值，當(dāng)PCC三相短路時(shí)：

(2)

式中VS 是電源相電壓有效值。ISC越大說(shuō)明PCC交流系統(tǒng)的容量越大。

(3)　 電流總諧波畸變率為

THDi =

(3)

從表4中可知：THDi允許值隨供電容量(ISC / I1) 的增加而增加。表6列出了我國(guó)有關(guān)公用電網(wǎng)諧波電壓限值的規(guī)定， HRVh表示各次諧波電壓含有率，有下列關(guān)系式：

(4)

在允許諧波電壓含有率情況下，ISC / I1越大，Ih / I1比值也可更大些，因此，由表4和表6可得出這樣的結(jié)論：諧波電壓的限值和諧波電流的限值是隨供電容量(ISC / I1) 的增加而允許增加的，這一點(diǎn)對(duì)于診斷電氣產(chǎn)品EMI是否達(dá)標(biāo)是很有益處的。THDV為電壓總諧波畸變率定義為：

THDV =

(5)

表4　CISPR__519　PCC諧波電流限值 (Ih / I1) %

表5 CISPR__519　PCC諧波電壓限值 (Vh / V1) %

表6　公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值

5　信息設(shè)備GB9254傳導(dǎo)干擾標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)電氣設(shè)備使用場(chǎng)合已確定時(shí)，該設(shè)備的EMI標(biāo)準(zhǔn)就得按使用場(chǎng)合所在行業(yè)的EMI標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量。例如，某開(kāi)關(guān)電源用在信息行業(yè)，則這個(gè)開(kāi)關(guān)電源就作為信息設(shè)備，使用信息行業(yè)EMI標(biāo)準(zhǔn)來(lái)診斷[5]，即引用GB9254(相當(dāng)于EN5502)A或B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于GB9254傳導(dǎo)干擾A和B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別見(jiàn)表7和表8。使用表7、表8時(shí)，在過(guò)渡頻率(0.5MHz) 處應(yīng)采用較低的限值；使用表8時(shí)，在0.15MHz~0.50MHz頻率范圍內(nèi)，限值隨頻率的對(duì)數(shù)呈線性減小。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了FCC、VDE、CISPR等EMI標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)內(nèi)容、并對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，找出它們的異同之處，特別強(qiáng)調(diào)了測(cè)試注意事項(xiàng)和如何選用這些標(biāo)準(zhǔn)。在我國(guó)已加入WTO的今天， 這些問(wèn)題的研究將有助于國(guó)內(nèi)廠家更多了解EMC問(wèn)題，使其生產(chǎn)的產(chǎn)品能順利地通過(guò)EMI指標(biāo)測(cè)試，有利于提高我國(guó)電子產(chǎn)品和電氣設(shè)備在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力。為了保護(hù)電磁設(shè)備和供電電網(wǎng)不被EMI信號(hào)所干擾，CISPR的建議也在不斷完善和修改，以便反映出新的要求和需要，這就要求我們進(jìn)一步熟悉和不斷研究這些標(biāo)準(zhǔn)，以便更好地與國(guó)際接軌。

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