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交流穩壓電源的電磁兼容要求與測試方法

2011年02月10日 05:23    來源:北極星電力網
1基本概念

  電磁兼容(ElectromagneticCompatibility)是電工、電子產品重要的一項質量指標可以認為產品質量主要由質量規范與技術指標兩大內容構成。前者涉及通用規范,即國際上IEC,國內由國家制訂的基礎性標準;后者是產品功能的規定及其技術要求。電磁兼容與安全要求是基礎性標準。現在EMC已從基礎標準、通用標準、族標準、一直到產品標準,形成完備的體系。此外,國際上還有為此專門立法。如歐洲聯盟已制訂法規,規定從1996年1月1日起,電工、電子產品必須取得低壓管理(LVDirective)與電磁兼容管理(EMCDirective)合格認定后,才能在市場上銷售。這些年來不斷有新的EMC標準在國內正式發布。但要指出的是,IEC有關EMC標準將不斷從草案或舊版本上升為正式版本,國家有關EMC標準也將不斷更新、發布,有關EMC測試應以最新版本為準。

  所謂EMC,在GB/T4365-1996《電磁兼容術語》中的定義是:設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。該定義概括了3個方面的內容。其一,電磁騷擾的可限制性。電磁騷擾是普遍存在的,但可以用質量規范約束,以技術手段限制它的危害性。這就是說應當對產品規定其向外發送電磁騷擾強度的限制值,以保證電磁環境合格。其二,電磁騷擾的豁免性。這就是說產品在規定電磁騷擾強度的電磁環境下應能正常工作而不應降低其性能指標。其三,電磁環境的規范性和兼容性。即對電磁騷擾采取任何措施都不能使自身或使處于同一電磁環境的其它產品或系統性能下降,只能友好地"和平"共處。例如,為了降低傳導干擾而在設備電源相線與地線之間并接電容器。對設備來說該電容器的容量必須符合安全標準中對泄漏電流的限制值要求;對系統來說,要防止其成為系統干擾耦合源影響系統工作。因此對產品的EMC測試應當包括兩大方面內容:

  (1)對其向外界發送的電磁騷擾強度進行測試,以便確認是否符合有關標準規定的限制值要求;

  (2)對其在規定電磁騷擾強度的電磁環境條件下進行敏感度測試以便確認是否符合有關標準規定的抗擾度要求。

  這兩方面內容在EMC測試項目中分別為電磁干擾(ElectromagneticInterference)或電磁騷擾(ElectromagneticDisturbance)及抗擾度(ImmunitytoaDisturbance);后者以前常用敏感度(Susceptibili-ty)這個術語。由于電磁干擾的發生決定于干擾源的強度、干擾的耦合方式、儀器設備對干擾的敏感程度這3要素。因此,有關標準對EMC的性能要求與測試方法除了按不同性質、不同種類分為不同項目外,還按電磁騷擾傳播方式不同分為兩類:即傳導干擾與輻射干擾。前者主要檢測被測設備通過電源線或信號線向外導工頻電源諧波、高頻噪聲的強度與頻率范圍,這屬于電磁騷擾的近場與感應場效應。后者則檢測被測設備向外直接輻射射頻噪聲的強度與頻率范圍,這主要針對電磁騷擾的遠場效應。值得注意的是近幾年來國際上對電源諧波干擾與設備的抗擾度要求這兩方面內容特別關注。前者涉及公用電網的環保要求。后者則為了保證設備或系統的工作可靠性。為此,許多標準還特別將電源諧波電流含量要求與抗擾度作為兩大技術要求從EMC項目中分離出來,單獨立項。必須指出,對于信息社會來說,因信息技術設備工作失常而受的損失往往難以用貨幣來衡量。在不可能完全避免電磁騷擾的現實條件下,在規定的電磁環境條件下提高產品抗擾度能力具有特別重要的意義。

  具體地說,生產廠家對產品進行EMC具體項目的例行測試除了確定產品的EMC性能是否符合國家、行業標準規定的要求外(據國內外文獻報道沒有實行認真的EMC設計與摸底測試并采取足夠的技術措施,很難通過EMC測試),還能評價外界電磁騷擾對產品的影響程度及有關抑制措施的有效性,查明產品遭到EMC試驗破壞的具體原因(來源及作用途徑)以便采用相應措施。因此,在產品設計定型初期就進行EMC測試是產品進入商品化的必不可少的一項工作。從另外一個方面來說,了解產品EMC性能,是商檢及用戶認可產品的一個重要因素。所有這些都需要了解有關EMC的性能要求與測試知識。

  電源產品的EMC測試有其特殊性要求,其特殊性是由該類產品功能所決定的。首先電源產品作為供電電源(一般為市電)與為之服務的負載(典型為對電磁騷擾較敏感的信息技術設備)之間的電力接口,其基本功能是保證所接負載不受電源因素的影響而工作失常或損壞。這樣對電源產品的EMC要求較其它產品理所當然要更高。這里最典型的例子就是有關對電源產品EMC標準要求應對電源產品的輸入源端與輸出負載端分別進行傳導干擾測試。此外,若電源產品是系統工作不可缺少的一部分(如UPS),而且該產品又是作為通用產品銷售時,那么該產品可能要進行二次EMC測試。一次是測試產品本身標準規定的EMC性能特性;第二次則根據用戶意見與其所屬的系統共同進行系統的EMC測試。

  大量研究表明,來自市電的電磁騷擾是一類最主要的、最惡劣的電磁騷擾。只要能解決該類干擾,則抗擾度問題也就基本解決了。故有人稱當今信息社會的技術特征為"一機三件",即計算機與硬件、軟件、電力件。這樣,作為市電與電子設備特別是信息技術設備之間電力接口的交流穩壓電源,應當具有有效的電力濾波器功能的作用,至少應當對電磁騷擾有明顯的衰減抑制作用。這點應當作為交流穩壓電源一個必備的功能。自然,對于擁有抗干擾功能的交流穩壓電源,不應僅僅提高自己的抗擾度性能,更應當具備使接在其輸出端,對EMI敏感的電子產品的EMC性能,獲得較大的EMC安全裕度,這才是對干擾噪聲有凈化功能的抗干擾型交流穩壓電源名副其實的一大功能要求。這也就是SJ/T10541-94《抗干擾型交流穩壓電源通用技術條件》的編制依據之一。

  另一方面,有些與EMC類似的要求已體現在電源產品的性能指標上。例如,交流穩壓電源的源電壓效應與輸出電壓總相對諧波含量要求。此外,一些僅對弱電電子設備較敏感的EMC項目,如抗工頻磁場干擾、靜電放電、輻射電磁場干擾等對大功率電工設備可能影響不大,故在SJ/T10541-94中不列為必須測試項目。這樣,對交流穩壓電源的EMC要求就有與其它電工、電子產品不同的特殊地方。

2EMC測試項目與要求

  EMC測試要求根據產品用途分為3大類:即軍用類、工商環境使用類、民用及居住區環境使用類。后兩者的測試項目、要求、方法等均較一致,差異在于對指標要求上。軍用類,因其使用特殊性與后2類有較大差異。此外,航空、船舶設備也因其使用特殊性,除了同軍用設備一樣有較高要求外,還有國際通用的標準規范。基于市場上銷售的交流穩壓電源的使用條件,本文重點說明后2類。

  鑒于社會上對EMC問題日益關注,涉及的專業與產品很多,IEC已將EMC要求作為IEC的基礎標準來對待。這就是著名的IEC61000系列標準。該標準在國際上已視為與安全標準同等重要的通用標準。其中之一的IEC61000-4《測試技術》是指導有關EMC測試的基礎標準。由于EMC技術是一門復雜的、涉及多門學科的、不斷發展的新技術,有關EMC測試項目、要求、方法也在不斷修訂、完善。因此,IEC61000-4中許多項目仍未正式發布,還處于草案之中。為了便于讀者了解這方面知識,我們對涉及交流穩壓電源的項目作一介紹,對于有關國家標準采用的IEC項目則重點介紹。

  IEC6110-4,全名為《ElectromagneticCompa-tibilityforElectricalandElectronicEquipment,Part4:TestingandMeasurementTechniques》,即《電氣和電子設備的電磁兼容性第4部分:測試技術》。其中列舉11個測試項目。與交流穩壓電源標準SJ/T10541-94有關的項目與要求介紹如下:

  IEC61000-4-4:ElectricalFastTransients(Burst)ImmunityTest(電快速瞬變脈沖群),SJ/T10541-94與SJ/T10542-94采用了該標準。該項目的目的在于驗證設備在承受切換瞬變(感性負載中斷、繼電器觸點跳開等)產生的各種瞬時干擾時的抗干擾性能。其試驗嚴酷度等級(在電源輸入端上的干擾發生器(50Ω內阻)開路輸出試驗電壓)分別為1級,0.5kV;2級,1kV;3級,2kV;4級4kV。

  IEC61000-4-5SurgeTransientsImmunityTest(電源或浪涌)。該項內容暫時處于草案之中。與此相關的可參考著名的IEC801-5及美國標準IEEEstd587-1980《IEEEGuideforSurgeVoltagesinLow-VoltageACPowerCircuits》(IEEE導則:低壓交流電力電路內的電涌)。電子行業標準SJ/T10541-94及SJ/T10542-94引用了該方面的部分內容。該項目的目的是驗證設備在承受由電力切換、雷電產生的高能電涌時的抗干擾性能。其嚴酷度等級的劃分同上,但干擾發生器的輸出阻抗為2Ω,而前者為50Ω。干擾發生器輸出分開路電壓波1.2×50μs(對高阻負載)與短路(放電)電流波8×20μs(對低阻負載)兩類。類似測試要求在許多電工電子產品標準中都已列出。

  除此之外,國際上還有采用高頻尖峰噪聲敏感度測試。特別是日本,這項測試很普遍。美國軍用標準MILSTD461、462采用類似項目,但要求使用的噪聲模擬發生器的功率遠大于前者。國內也有類似標準,如GB4859-84中的50kHz~100MHz電源線傳導敏感度測試;GJB151-86,GJB152-86中的CS06項目,噪聲為矩形脈沖波。此外,GB6162-85(參照采用IEC255-4)則采用衰減振蕩波。SJ/T10541-94與SJ/T10542-94建議對這兩種方式任意選擇其中之一。該項目的目的同IEC61000-4-4。矩形脈沖波的特點是快速上升及低重復率,衰減振蕩波的特點是高幅值、低能量。對含有數字電路的產品,用矩形脈沖波較能說明對干擾的敏感程度。

  電磁干擾方面的項目有工頻譜波限制要求、傳導干擾與輻射干擾限制要求。SJ/Z9029.2-87(等效采用IEC555-2-1982)規定了設備在低壓供電系統中產生的諧波電流限制值要求。對于大功率半導體變流器,GB/T3859.2-93則用對不同交流裝置(按脈波數)規定最大功率容量(電源系統短路容量與交流器基波視在功率之比)來限制電流諧波。必須指出,電工、電子產品通過電源線向市電傳導電流諧波問題已被認定是電力污染,而作為市電系統"環保"對象來處理,這方面的要求將日益強化。

EMC測試結果的判定,對抗擾度測試與對電磁干擾測試分別采用完全不同的方式。后者采用定量規定限制值作為合格的門限判定點;前者一般采用定性方法來判定,即按產品在測試中的性能表現分類(以GB/T13926-92為例):


    a類:在產品性能指標規范內(允差度內),性能正常;
    b類:功能或性能暫時降低或喪失,但能自行恢復;
    c類:功能或性能暫時降低或喪失,但需操作者干預或系統復位;
    d類:因損壞而不可恢復的功能降低或喪失。

  在這4類中,a類作為合格,d類作為不合格是毫無疑義的。對于b類與C類,合格的判定由廠家與用戶根據具體情況協商規定。自然,對此兩類所采取的技術措施是不同的。似乎抗擾度測試的判定太松,其實是體現了標準的最大自由度原則。因為被測設備種類繁多,差異大,因此很難為評定合格作出通用定量的規定。當然,對于具體某一類產品應當給出確定的評定標準。SJ/T10541-94就體現了這個要求。GB/T3859.1-93中類似規定了交流器受擾類別,作為合格判定的依據。該標準定義了3級,即:

  F級:性能級,是指該交流器能承受而不降低性能的所有各種電擾動極限值的組合;

  T級:跳閘級,是指交流器能承受而不因保護器件動作而中斷運行的所有各種電擾動極限值的組合;可進一步分為兩種情況:干擾過去后能自動重合閘及不能自動重合閘(要用手動等方式);

    D級:損壞級,是指交流器能承受而不造成永久損壞的所有電擾動極限值的組合。

  顯然,這里的F級相當于a類,D級相當于d類,T級則包括b,c類。

  對于有抗干擾功能要求的交流穩壓電源在SJ/T10541中規定,除了應保證能正常工作外,還應在輸出端給負載合適的敏感度門限;規定疊加在輸出電壓上的干擾殘壓的峰值不應大于輸出電壓標稱值的20。這是該標準遵從標準的目的性原則,充分考慮交流穩壓電源與其它電工、電子產品在使用功能要求上具有本質的區別。即前者要為后者服務,前者也作為后者電源EMI的電力濾波器,目的是為對EMI敏感的設備提供足夠的EMI安全裕度,提高設備的抗擾度等級。根據GB6833.4規定,電子儀器對電源瞬態敏感度的要求是:應能經受標稱源電壓變化量的20的瞬態電壓沖擊干擾而不致工作失常。為此,在SJ/T10541中規定以這個數值作為交流穩壓電源在接受抗擾度試驗時的輸出允許最高瞬態電壓值(敏感度門限)。此外,考慮到交流穩壓電源要為電子儀器設備提供合適的交流電壓條件,SJ/T10541還規定在抗擾度試驗時,交流穩壓電源輸出電壓的相對偏差(即輸出效應)應在其基準條件(公差G)內,以此作為是否性能降級的判定依據。這樣兩者結合,以科學、合理、實用、易操作方式,解決了在對交流穩壓電源抗擾度性能進行具體考核及合格評定時,無定量指標為依據的難題。而一般標準則只籠統地以誤動作、性能下降或降級來作為考核及合格評定依據,顯然,這種定性方法不易操作。

3EMC測試的條件與方法

  測試依賴3個方面因素:方法、技術、設備。方法由測量原理和測試設備的使用方法兩者來確定,技術是為了得到正確的測試結果(較高的準確度)而采取的一切測試手段,設備則是體現上述兩個因素為測試服務的一切技術裝置。這些都必須標準化,以保證測試具有重現性和真實性。

  EMC測試條件由測試方法決定。具體測試方法分為在實驗室條件下進行的試驗臺法和在實際使用條件下進行的現場法。要模擬現場可能碰到的所有干擾現象是不可能的,特別是現場法具有無法克服的局限性。但通過標準化的測試可以較全面地獲取被測設備EMC性能如何的信息。為此,國際上推薦首先采用試驗臺法,除非無法在實驗室進行,一般不用現場法。

  抗擾度測試主要方法是按照設備所處的電磁環境條件,結合用戶對設備采取的措施,選擇合適的嚴酷度等級,依照有關測試方法進行測試,最后根據產品標準提出的合格判決條件評定測試結果是否合格。這是抗擾度測試與其它測試主要差異之處。

  電磁環境中的電磁騷擾源、電磁騷擾源對設備的耦合方式、設備對電磁騷擾的敏感度以及用戶對工作現場的防護措施直接與嚴酷度等級相關。即使用環境決定了干擾的形式,安裝防護條件決定了干擾的嚴酷度等級。GB/T13926.4具體規定了在電磁環境中與嚴酷度等級相對應的設備工作下的電氣環境條件:
  1級,具有良好保護的環境,如計算機房;
  2級,受保護的環境,如工廠和電廠的控制室或終端室;
  3級,典型的工業環境,如工業過程裝置、電廠和露天高壓變電所的繼電器房等場所;
  4級,嚴酷的工業環境,如電站、未采取特殊安裝措施的工業過程設備、室外區域等。
 IEC801-5中針對電涌的源為電力切換瞬變或間接雷擊的閃電瞬變,對設備的安裝條件與防護設施作如下分類(適用電涌):

  0類:保護良好的、有一次和二次過壓保護的電氣環境,通常處于特殊的房間內,電源電壓不會超過25V;
  1類:局部保護的、有一次過壓保護的電氣環境,電涌電壓不超過500V;
  2類:電源線與其它線路分離開,電纜隔離良好的電氣環境,電涌電壓不超過1kV;
  3類:電源電纜與信號電纜并行敷設的電氣環境,電涌電壓不超過2kV;
  4類:互連線象室外一樣沿著電源電纜敷設,且電子線路和電氣線路均使用電纜的電氣環境,電涌電壓不超過4kV;
  5類:非人口稠密區內電子裝置聯接電訊電纜和架空電源線的電氣環境。
 對0類不做電涌測試。一般電源產品處于1類或2類電氣環境,可選擇嚴酷度等級為1級或2級。

  必須指出,把環境作為抗擾度測試的相關條件是抗擾度測試的重要特點。因為如果忽視這些相關,不考慮裝置的應用工作環境條件,而認為裝置應該"獨立",應該適合于插入任何一種組合裝置(或系統)中,就會由此產生所有被測裝置都必須接受全部項目的干擾試驗,并且要達到最高嚴酷度等級的錯誤結論。這不僅對要用的裝置造成過高的不合理的嚴格限制,而且還會因需要進行大量試驗而不得不承擔很大的經濟負擔。

  另外,抗擾度測試涉及到高壓信號,除了應嚴格遵守有關安全規定外,還有必要在抗擾度實驗后再對設備進行安全測試。

  對于交流穩壓電源這類大功率電工產品,選取從市電導入的以高頻、高能為特征的抗擾度項目,并且選擇較其它電工、電子產品要高的嚴酷度等級,是必要的。

  抗擾度測試的另一重要特點是對試驗發生器技術參數作出嚴格而明確的規定。為了對設備的抗擾度性能進行比較,就要有一種能產生比較一致并可重復再現的試驗裝置,這就是干擾模擬發生器。顯然必須規定發生器的輸出內阻、輸出波形要求、開路電壓幅度與誤差;以保證試驗結果的一致,重復性好。否則,因不同被測設備源端阻抗不同,對發生器的阻抗匹配不同而無法使發生器在帶載下輸出波形或幅度相同。實際上,阻抗不匹配就是抑制電磁騷擾的一個有效手段。

  交流穩壓電源對外界(通過市電網絡)的電磁騷擾測試項目有:諧波傳導干擾測試、高頻傳導干擾測試。

  諧波傳導干擾測試是對設備的電源進線入端工頻電流諧波進行測試;測出40次以下各次電流諧波最大值,對三相電源還應測試中線的電流諧波。在交流穩壓電源性能項目中以源電流相對諧波含量來考核此項目。

  交流穩壓電源的傳導干擾試驗同其它電子產品一樣,可采用GB6833-86電子測量儀器電磁兼容性試驗規范(參照采用HP公司標準或GB9254-88信息技術設備的無線電干擾極限值和測量方法(等效采用CISPR-22-1985)。高頻傳導干擾測試中一個重要測試裝置是要用人工電源網絡(ArtificialMainNetwork),在美國標準中則稱為電源阻抗穩定網絡(LineImpedanceStabilizationNetwork,LISN)。這是由于不同電力條件下,市電在不同設備電源輸入端呈現的高頻阻抗也不相同,為使測試結果反映真實情況,必須在受試設備與其電源端子間接入合乎要求的網絡,該網絡既能使設備與電網間實現射頻隔離,又能為設備提供穩定的高頻阻抗。人工電源網絡的支路數與供電系統的線路數相同,網絡與干擾測量儀之間的連接應保證阻抗匹配(50Ω/50μH),對每根電源線分別進行測試,測量的是干擾電壓值。GJB152-86則推薦采用電流探頭法測量傳導干擾電流;其中在電源線與地之間并接10μF穿心電容器,作用與LISN相同。電流探頭法使用簡便,測量迅速,便于現場測試,較接近實際情況,可能今后測量以其為主。此外,軍標采用峰值檢波器,GB9254采用準峰值檢波器。

  射頻輻射干擾測試較復雜,涉及到測試場地、天線、測試線路連接等測試問題。測試場地為野外開闊、背景電磁噪聲電平至少比允許極限值小6dB。這種要求很難實現,標準還推薦可以用電磁屏蔽室(還有如電波暗室等)作為替換。測試輻射場強時被測設備應嚴格按實際工作方式接線,電源線、信號線都不允許特意卷曲、收縮,以反映真實性。

  總之,基于交流穩壓電源使用價值要求,其EMC性能應當是:除了本身能達到較高嚴酷度等級的抗擾度指標、合格的電磁干擾限制以及提供合適的交流電壓條件外,更重要的是要為其負載(對EMI敏感的電子儀器設備特別是信息技術設備),在較嚴酷電磁環境條件下工作,提供充足的EMC安全裕度。這不但是交流穩壓電源的基本功能,而且也是對其的EMC要求及對其進行EMC測試的依據。
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