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交流电源的谐波与闪烁测试:IEC 61000-3 系列在测什么

一台装了开关电源的设备插到插座上,从电网取走的电流并不是正弦。它只在电压波形靠近峰值的一小段时间里“吸”一口电流,其余时间几乎不取。对设备自己来说这没什么问题;对电网来说,这种脉冲状的电流里含有大量高次谐波,会让变压器额外发热、让中线电流叠加、让无功补偿电容过载。

谐波与闪烁是低压供电系统对设备的两类发射要求,分别由 IEC 61000-3 系列的两个分部规定。本文讲清三件事:谐波电流是怎么产生的,限值表为什么按设备类别分,以及闪烁指标 Pst 与 Plt 到底在量什么。标准的具体限值与试验条件以现行文本为准,本文只讲读法与做法。

图1 实验室里的测试工位:谐波与闪烁测试对供电条件的要求比常规电测更严
图1 实验室里的测试工位:谐波与闪烁测试对供电条件的要求比常规电测更严

一、谐波从哪来:整流桥与大电容

最常见的谐波源是“整流桥加大电容滤波”。交流电压经二极管整流后给电容充电,只有当输入电压高于电容上的电压时,二极管才导通,电流才流过。导通角很小,电流是一串窄而高的脉冲,出现在电压峰值附近。

把这种脉冲电流做傅里叶分解,基波之外全是奇次谐波,次数越低幅度越大,三次、五次、七次是最主要的三根。这也解释了一个常见疑问:为什么小功率电源的功率因数只有零点五到零点六,而输入电流看上去与电压几乎同相?因为差的不是相位,是波形。

图2 整流桥输入的脉冲电流,与它在频域上的奇次谐波分布
图2 整流桥输入的脉冲电流,与它在频域上的奇次谐波分布

另一类谐波源是相位控制:晶闸管调光、调温、软启动,靠延迟触发角切掉一部分波形。这类设备的谐波含量随触发角变化,往往在中间某个角度最严重,满功率时反而好看。只测满载,就会漏掉最坏的那个工作点。

二、IEC 61000-3-2 管的是什么

这个分部管的是每相输入电流不大于十六安的设备向公共低压供电系统注入的谐波电流,考核次数从二次一直到四十次。它不管电压畸变,只管电流发射;电压侧的要求在 61000-2 系列里,两者不要混着引用。

适用范围写得很细:额定电压、相数、是否专业用途设备。判断一台设备要不要做这项测试,先看这三条,而不是先看功率。三相平衡设备、专业用途的大型设备,往往有另外的适用标准,套错标准比不做测试更危险。

三、四类设备:A、B、C、D

标准把设备分成四类,分类决定了用哪一张限值表。A 类是一般设备;B 类是便携式工具与非专业弧焊设备;C 类是照明设备;D 类是有特定电流波形、且功率不超过六百瓦的设备,典型是个人计算机、显示器与电视接收机。

分类不能自己挑。一台设备如果既像 A 又像 D,标准给了判定用的波形系数:先测电流波形,按规定的算法算出形状系数,再决定归入哪一类。这个细节经常被忽略,结果是限值表拿错了,测出来“合格”,结论却站不住。

图3 四类设备的范围与限值形式:绝对值、百分比与每瓦毫安
图3 四类设备的范围与限值形式:绝对值、百分比与每瓦毫安

四、限值为什么有三种表达

A 类与 B 类的限值是绝对电流值,单位安培,按谐波次数逐项给出,B 类取 A 类的一点五倍。这种表达适合功率范围宽、波形差异大的通用设备,判据直观:第几次谐波不许超过多少安。

C 类用基波电流的百分比,部分次数还与功率因数相关。照明设备的功率相对固定,用相对值更能反映“谐波占基波的比例”,也更贴近这类设备对电网的实际影响方式。

D 类用每瓦毫安,限值随设备功率线性变化。这一类的出发点是把单位功率的谐波污染控制住,避免小功率设备因为绝对限值宽松,实际上污染更重。

三种表达对应三种设计约束。绝对限值逼着你把谐波电流的绝对量降下来;百分比限制逼着你提高功率因数、把波形做正弦;每瓦毫安则直接约束单位功率的谐波,被动式功率因数校正往往就卡在这一项上。看到限值表时先想清楚它约束的是哪个量,再谈设计怎么改。

五、三次谐波与中线电流

三相四线制里,三次谐波以及所有三的倍数次谐波在三相中同相位。正常的三相基波电流在中线里互相抵消,中线电流接近零;但三倍次谐波不会抵消,而是叠加。

这意味着在带大量开关电源的场合,中线电流可能超过相电流。如果中线按相线的一半截面配置、又没有独立的过流保护,这就是实打实的过热风险,而且是那种“相线不热、中线发烫”的隐蔽故障。做谐波治理时也要注意,无源滤波器对三倍次谐波的效果有限,零序分量需要有源滤波或专门的零序抑制手段。

六、谐波测量怎么接

测量回路是:试验电源,经过阻抗网络(需要时),到被试设备;测量点取在电源与被试设备之间,电压与电流同时取。电流用带宽满足要求的电流传感器,电压直接从测量点取,两路要同步采样。

三个条件必须满足。第一,电源本身的电压谐波要足够低,标准对各次电压谐波含量分别给了上限,源不干净,测到的电流谐波里就混着源自己的贡献。第二,源的内阻要低,否则被试设备的脉冲电流会在源内阻上产生压降,把电压波形削平,测量条件已经不是标准工况。第三,要有足够的稳定时间,设备进入稳态之后再开始记录,记录时长按标准规定的窗口走。

单相设备接相线与中线,三相设备按规定的方式接参考阻抗。测量点的电压要落在额定值附近,偏差超出允许范围时,结果与其他实验室的数据不可比。

图4 配电柜内的接线端子:谐波测量的电压与电流通常就在这样的端子处取出
图4 配电柜内的接线端子:谐波测量的电压与电流通常就在这样的端子处取出

七、闪烁:Pst 与 Plt 在量什么

闪烁指的是灯光照度的波动引起的人眼不适。电压小幅波动,白炽灯的亮度就跟着波动,波动幅度和重复频率共同决定人是否感觉得到。人眼对八点八赫兹附近的波动最敏感,闪变曲线在这一带也最低。

标准用闪变仪把这个感受量化:先按人眼对灯光变化的响应做加权滤波,再统计一段时间内累积的闪变感知量。短时指标 Pst 的统计窗口是十分钟;长期指标 Plt 由连续十二个 Pst 值按立方平均得到,覆盖两小时。

判据的形式是 Pst 不超过一点零、Plt 不超过零点六五,以二百三十伏五十赫兹的公共低压系统为例。一点零这个数的含义是:在这个水平上,多数人刚好开始能察觉到闪变。它不是安全阈值,而是一条“多数人可接受”的界线。

八、电压波动与闪烁的判据

与闪烁并列的还有电压波动本身。标准关注三个量:单次电压变化的最大值 dmax、稳态电压变化的累积值 dc,以及由波动序列算出的 Pst。

dmax 针对的是“突然的变化”:电机启动、变压器投切、大功率负载通断,都会在几百毫秒内造成几个百分点的电压跌落。dc 针对的是“多次波动之间的稳态偏移”,避免设备反复启停把电压一点点推走。Pst 则把整段记录折算成人的感受。三者各管一段,缺一项都说明不了问题。

测量时要按设备实际的运行周期来编排:待机、启动、满载、停机,每个状态持续多久,标准里有规定的观察序列。只测满载稳态,往往测不出最坏的那个瞬间,而最坏的那个瞬间恰恰是判定的依据。

九、试验电源要满足什么

谐波与闪烁测试对电源的要求,比一般的老化测试高得多。它要求电源输出纯净的正弦波、足够低的输出阻抗,以及足够快的动态响应。三条缺一条,测出来的数就不能用。

低失真解决的是“源不污染结果”。可编程交流源用开关方式放大时,输出本身带开关频率的残余和高次谐波,需要输出滤波把失真压到标准要求的水平,并且要在带载条件下验证,空载好看不算数。

低阻抗解决的是“源不被拉塌”。被试设备取的是脉冲电流,峰值可能是有效值的数倍,源内阻在这些脉冲上产生压降,电压波形出现平顶或凹口,测试条件就偏了。大功率线性源在这一点上有优势,但效率低、体积大;开关式源要靠闭环调节和足够的功率裕量来补。

动态响应解决的是“波动能复现”。要模拟电机启动时的电压跌落,源必须能按设定的曲线快速改变输出幅度,而且改变的过程本身要干净,不能引入额外的畸变。做闪烁测试时,这一点直接决定 Pst 的可信度。

十、常见误判与记录

第一个误判是只看额定功率。不少设备在待机或轻载时谐波更差,因为此时输入功率小、功率因数低,百分比形式的限值反而更难过。测试点要覆盖标准规定的功率范围,而不是只挑最漂亮的那个点。

第二个误判是电压取点不对。电压取在被试设备端子上,还是取在电源输出端,两者在脉冲电流下差得很多,中间那段线缆的压降全都会算进去。标准对取点位置有明确规定,照着做就行。

第三个误判是忽略源电压的谐波本底。测出来的三次谐波电流里,有一部分是源自己“喂”进去的。先做一次空载或纯阻性负载的本底测量,再与被试设备的数据对比,才知道哪些是设备贡献的。

记录要写清:试验电压与频率、源的型号与设置、测量点位置、被试设备的工作状态与输入功率、环境温度、以及所用标准的版本号。这套信息不写全,几个月后没人能复现这次测试,数据也就失去了比较的意义。

谐波与闪烁这两项要求,本质上都在约束“设备从电网取电的方式”。把波形做正弦、把功率因数提上去、把启动过程放缓,都是从设计端解决问题;而测量的意义,是让这些设计上的努力有一个可比较、可复现的数字。

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