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針對(duì) EMC 噪聲的早期對(duì)策 — IEC 諧波?電壓波動(dòng) / 閃變?高頻噪聲

前言

諧波和電壓波動(dòng) / 閃變測(cè)試是電氣產(chǎn)品所要求的 IEC 標(biāo)準(zhǔn)中被稱為電能質(zhì)量低頻輻射的 EMC 測(cè)試的一部分。近年來，不僅是功率調(diào)節(jié)器，普通家用變頻產(chǎn)品的高頻噪聲也被認(rèn)為是電能質(zhì)量的問題。

本應(yīng)用案例介紹了如何將功率分析儀 PW8001 活用于噪聲對(duì)策，進(jìn)行符合 IEC 標(biāo)準(zhǔn)的諧波和電壓波動(dòng) / 閃變等低頻輻射的測(cè)量，以及高頻噪聲的測(cè)量方法。

IEC 諧波、電壓波動(dòng) / 閃變測(cè)試是什么

在諧波測(cè)試中會(huì)測(cè)量設(shè)備電流消耗波形的畸變分量。諧波電流會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的誤動(dòng)作或故障，并增加功率系統(tǒng)中的無功功率，因此，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對(duì)于諧波電流的限值。

電壓波動(dòng) / 閃變測(cè)試是針對(duì)電源電壓波動(dòng)和照明閃爍（閃變）的測(cè)試。當(dāng)電源電壓因電氣產(chǎn)品的消耗電流變化而波動(dòng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)照明閃爍。閃變是一種健康危害，會(huì)給人帶來不適，因此測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電壓波動(dòng) / 閃變的限值。

諧波和電壓波動(dòng) / 閃變測(cè)試的 IEC 標(biāo)準(zhǔn)

每個(gè)測(cè)試對(duì)象都有自己的測(cè)試條件和確定限值的標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試必須參照最新的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。此外，用于測(cè)試的測(cè)量設(shè)備也必須符合測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。功率分析儀 PW8001 是一款符合 IEC 諧波和電壓波動(dòng) / 閃爍測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的功率分析儀。

諧波測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

IEC61000-3-2：每相額定電流小于等于 16A 的設(shè)備的測(cè)試 IEC61000-3-12 ：每相額定電流大于 16A 小于等于 75A 的設(shè)備的測(cè)試

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)所要求的、并且 PW8001 符合的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)：IEC 61000-4-7: 2002+A1: 2008

諧波次數(shù) : 0 次～ 200 次

間諧波次數(shù) : 0.5 次～ 200.5 次

電壓波動(dòng) / 閃變測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

IEC61000-3-3：每相額定電流小于等于 16A 的設(shè)備

IEC61000-3-11：每相額定電流大于 16A 小于 75A 的設(shè)備

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)所要求的、并且 PW8001 符合的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)：IEC 61000-4-15: 2010

精度：Pst ±5% （Pst＝ 0.2 ～ 5）, dc,dmax: ±4%(dmax=4% 時(shí) )

進(jìn)行限值判定的評(píng)估系統(tǒng)

圖 1 顯示了諧波、電壓波動(dòng) / 閃變測(cè)試系統(tǒng)的框圖。IEC 諧波及電壓波動(dòng) / 閃變的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)使用帶有交流電源 RIN(ReferenceImpedance Network) 的測(cè)試系統(tǒng)。功率分析儀對(duì)測(cè)量對(duì)象的電源電壓和電流進(jìn)行測(cè)量，并輸出基于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果。電流測(cè)量使用電流傳感器。如此，無需為測(cè)量電流而布設(shè)電源配線，可減輕配線和儀器損耗的影響，在接近實(shí)際工作環(huán)境的配線狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。

電源噪聲帶來的問題

諧波和電壓波動(dòng) / 閃爍測(cè)試是針對(duì)低頻輻射的測(cè)試。但是，在一些使用變頻器的環(huán)境中，在極少數(shù)情況下，變頻器設(shè)備的開關(guān)噪聲會(huì)產(chǎn)生意想不到的高電平，從而導(dǎo)致周圍設(shè)備出現(xiàn)故障（*1）。為了預(yù)防電源噪聲引起的問題，對(duì)諧波和電壓波動(dòng)采取措施，在設(shè)備開發(fā)的初期階段就確認(rèn)噪聲是比較有效的。此外，在早期對(duì)噪聲問題采取行動(dòng)，對(duì)于避免致命的開發(fā)延誤也很重要。

HIOKI 的測(cè)量解決方案

HIOKI 功率分析儀 PW8001 的升級(jí)固件 2.0 版本除了 IEC 諧波和電壓波動(dòng) / 閃變測(cè)量之外，還包括功率譜分析 (PSA) 功能。

進(jìn)行限值判定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的情況下，必須使用專用的測(cè)試系統(tǒng)，即使是在開發(fā)初期的評(píng)估中，也可以通過檢查諧波和電壓波動(dòng)來確定趨勢(shì)，以便盡早采取措施。例如，如果在改變電源電路設(shè)計(jì)后發(fā)現(xiàn)諧波電流增加，那么可以預(yù)見 EMC 測(cè)試中會(huì)有超過限值的可能，因此就可以在早期確定是否需要采取降噪措施。

功率譜分析 (PSA) 功能

功率頻譜分析功能可對(duì)電壓、電流和功率進(jìn)行 FFT 分析，與諧波分析功能相比，該功能可分析更高頻率（最高 6 MHz）的噪聲，從而直觀地確認(rèn) IEC 諧波或電壓波動(dòng) / 閃變中看不到的噪聲。PW8001 可保證最高到 1 MHz 的功率測(cè)量精度，對(duì)評(píng)估由逆變器或開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻傳導(dǎo)噪聲十分有用。

HIOKI 的第三代功率分析引擎實(shí)現(xiàn)了六項(xiàng)“AUTO”測(cè)量

PW8001 可同時(shí)并行處理正確的功率測(cè)量以及諧波和功率譜分析等所有操作。根據(jù)輸入波形的大小和頻率，測(cè)量量程和濾波器特性會(huì)在內(nèi)部自動(dòng)更新至最佳狀態(tài)。如此，一次測(cè)量即可正確測(cè)量所有分析結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)多角度的驗(yàn)證。

產(chǎn)品組合示例

PW8001 功率分析儀可根據(jù)用途選擇兩種類型的輸入單元，并支持額定電流從 2 A 到 2000 A 的各種電流傳感器。根據(jù)所需的測(cè)量精度和測(cè)量頻帶，可混合使用兩種類型的輸入單元最多安裝至 8 通道。

與電流傳感器的組合精度

HIOKI 是業(yè)內(nèi)唯一一家同時(shí)自行開發(fā)高性能電流傳感器和功率分析儀的公司，這種組合帶來一騎絕塵的高精度。如表 1 所示，HIOKI 電流傳感器的不僅規(guī)定了 50 Hz/60 Hz 的精度，也規(guī)定了高頻的精度，因此非常適合用于于諧波和噪聲分析。

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表 1: PW8001 和電流傳感器的組合精度示例之一

電流傳感器組合測(cè)量精度

頻率 : ±% of reading ± % of range

PW8001+U7001

＋ CT6873 電流傳感器

DC: ±0.05% ±0.057%45 Hz ≤ f ≤ 66 Hz: ±0.05% ±0.052%

5 kHz < f ≦ 10 kHz：±U7001 精度 (0.15% + 0.05%) ± 電流傳感器精度 (0.2% + 0.02%)**

PW8001+U7005

＋ CT6873 電流傳感器

DC: ±0.05% ±0.032%45 Hz ≤ f ≤ 66 Hz: ±0.04% ±0.027%

5 kHz < f ≦ 10 kHz U7005 精度 (0.05% + 0.05%) ± 電流傳感器精度 (0.2% + 0.02%)**

** Full scale 誤差也考慮了電流傳感器額定。其他頻率記載于使用說明書。

各測(cè)量模式的概要參數(shù)

表 2 簡要顯示了 PW8001 IEC 諧波模式的測(cè)量參數(shù)。測(cè)量結(jié)果可分別顯示奇數(shù)次和偶數(shù)次，便于查看和直觀地確認(rèn)結(jié)果。

表 3 和表 4 分別顯示了閃變測(cè)量參數(shù)和 FFT 以及功率譜分析功能的簡要參數(shù)。

表 2: IEC 諧波模式的測(cè)量參數(shù)

測(cè)量方式	符合 IEC61000-4-7:2002+A1:2008，無間隙重疊
測(cè)量頻率設(shè)置	50 Hz/60 Hz
同步頻率范圍	為 50 Hz 設(shè)置時(shí)：45 Hz ～ 55 Hz z為 60 Hz 設(shè)置時(shí)：56 Hz ～ 66 Hz
數(shù)據(jù)更新率	約 200 ms 固定 (50 Hz 時(shí)為 10 個(gè)波 , 60 Hz 時(shí)為 12 個(gè)波 )
分析次數(shù)	諧波：0 次～ 200 次次間諧波：0.5 次～ 200.5 次
窗口波數(shù)	為 50 Hz 設(shè)置時(shí)：10 個(gè)波、為 60 Hz 設(shè)置時(shí)：12 個(gè)波
FFT 點(diǎn)數(shù)	8192 點(diǎn)
測(cè)量精度	在各頻率設(shè)置的同步頻率范圍內(nèi)，對(duì)各單元的電壓、電流、功率、相位測(cè)定精度加算 ±0.04% ofrange 。10 kHz 或以上時(shí)，再追加 ±0.04% of range

表 3: 閃變測(cè)量參數(shù)

測(cè)量通道	最多 8 通道
測(cè)量方式	符合 IEC 61000-4-15 Ed2.0:2010 閃變儀等級(jí) F2
測(cè)量項(xiàng)目短期	短期閃變值（Pst）短期閃變最大值（PstMax）長期間閃變值（Plt）瞬態(tài)閃變最大值（PinstMax）瞬態(tài)閃變最小值（PinstMin）相對(duì)穩(wěn)態(tài)電壓變化（dc）最大相對(duì)電壓變化（dmax）相對(duì)電壓變化超過閾值的時(shí)間（Tmax）
測(cè)量頻率	50 Hz / 60 Hz（僅限 IEC 測(cè)量模式時(shí)測(cè)量）
測(cè)量量程	Pst, Plt：0.0001 P.U. ～ 6400 P.U. （對(duì)數(shù)除法 1400 次）
閃變?yōu)V波器	230 V lamp、120 V lamp
測(cè)量精度	dc, dmax：±4%（dmax ＝ 4% 時(shí)） Pst：±5%（Pst ＝ 0.2 ～ 5）

表 4: PW8001 的功率譜分析 (PSA) 功能的概要參數(shù)

測(cè)量通道	?電壓電流波形：選擇通道或接線單位。最多 3 通道 ?馬達(dá)波形：模擬 DC
運(yùn)算類型	?RMS 頻譜 ( 選擇多個(gè)通道時(shí)為各通道的平均值 ) ?功率譜（有功功率（P）, 但僅限選擇電壓電流波形時(shí)。選擇多個(gè)通道時(shí)為各通道的相加值（Psum））
FFT 點(diǎn)數(shù)	1000 點(diǎn) , 5000 點(diǎn) , 10,000 點(diǎn) , 50,000 點(diǎn) , 100,000 點(diǎn) , 500,000 點(diǎn) , 1,000,000 點(diǎn) , 5,000,000 點(diǎn)
抗混疊	自動(dòng)數(shù)字濾波器
窗函數(shù)	矩形窗、漢寧窗、平頂窗
最大分析頻率	?電壓電流波形 : 6 MHz ( 選擇 U7005 時(shí) ), 1 MHz 波形 ( 選擇 U7005 時(shí) ) ?馬達(dá)波形輸入：400kHz ?與波形記錄的壓縮率相關(guān)聯(lián)

結(jié)語

PW8001 可以按照 IEC 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量諧波和電壓波動(dòng) / 閃變。對(duì)于“想擺脫電源噪聲問題被掩蓋，事后才采取對(duì)策的設(shè)計(jì)困境”或“想提前解決開關(guān)噪聲問題”的開發(fā)人員，功率譜分析 (PSA) 功能提供了一種高頻噪聲的評(píng)估方法。如需了解有關(guān)該產(chǎn)品的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問產(chǎn)品頁面?；蛑码娢宜?，預(yù)約產(chǎn)品演示或咨詢相關(guān)應(yīng)用。

*1) 參考文獻(xiàn)

西島健一：“開關(guān)電源中安裝的 EMC 濾波器的傳導(dǎo) EMI 噪聲降低效果的相關(guān)研究”，《日本電力電子學(xué)會(huì)雜志》 Vol.45

https://www.jstage.jst.go.jp/article/jipe/45/0/45_106/_article/-char/ja/

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