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交流穩壓電源的電磁兼容性要求與測試方法介紹!
編輯:凯发K8国际真人版_手机中文版   發布時間:2017-08-28

EMC性能是交流穩壓電源的一項重要指標要求。基于對交流穩壓電源使用价值的要求,其EMC性能应当是除了本身能达到较高严酷度等级的抗扰度指标及合格的电磁干扰限制外,更重要的是要为其负载(对EMI敏感的电子设备)提供充足的EMC 安全裕度。


1 基本概念

电磁兼容(ElectromagneTIcCompaTIbility,简称 EMC)是电工、电子产品重要的一项质量指标。可以认为产品质量主要由质量规范与技术指标两大內容构成。前者涉及通用规范,即国际上IEC,国内由国家制订的基础性标准;后者是产品功能的规定及其技术要求。电磁兼容与安全要求是基础性标准。现在EMC已从基础标准、通用标准、族标准、一直到产品标准,形成完备的体系。此外,国际上还有为此专门立法。如欧洲联盟已制订法规,规定从1996年1月1日起,电工、电子产品必须取得低压管理(LVDirecTIve)与电磁兼容管理(EMCDirecTIve)合格认定后,才能在市场上销售。这些年来不断有新的EMC标准在国内正式发布。但要指出的是,IEC有关EMC标准将不断从草案或旧版本上升为正式版本,国家有关EMC标准也将不断更新、发布,有关EMC测试应以最新版本为准。


所谓EMC,在GB/T4365-1996《电磁兼容术语》中的定义是:设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。该定义概括了3个方面的內容。其一,电磁骚扰的可限制性。电磁骚扰是普遍存在的,但可以用质量规范约束,以技术手段限制它的危害性。这就是说应当对产品规定其向外发送电磁骚扰强度的限制值,以保证电磁环境合格。其二,电磁骚扰的豁免性。这就是说产品在规定电磁骚扰强度的电磁环境下应能正常工作而不应降低其性能指标。其三,电磁环境的规范性和兼容性。即对电磁骚扰采取任何措施都不能使自身或使处于同一电磁环境的其它产品或系统性能下降,只能友好地“和平”共处。例如,为了降低传导干扰而在设备电源相线与地线之间并接电容器。对设备来说该电容器的容量必须符合安全标准中对泄漏电流的限制值要求;对系统来说,要防止其成为系统干扰耦合源影响系统工作。因此对产品的EMC测试应当包括两大方面內容:(1)对其向外界发送的电磁骚扰强度进行测试,以便确认是否符合有关标准规定的限制值要求;


(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准規定的抗擾度要求。

这两方面內容在EMC测试项目中分别为电磁干扰(ElectromagneticInterference)或电磁骚扰

中圖法分類號:TM937文獻標識碼:A文章編號:0219?2713(2000)09?454?05

(ElectromagneticDisturbance)及抗扰度(ImmunitytoaDisturbance);后者以前常用敏感度(Susceptibility)这个术语。由于电磁干扰的发生决定于干扰源的强度、干扰的耦合方式、仪器设备对干扰的敏感程度这3要素。因此,有关标准对EMC的性能要求与测试方法除了按不同性质、不同种类分为不同项目外,还按电磁骚扰传播方式不同分为两类:即传导干扰与辐射干扰。前者主要检测被测设备通过电源线或信号线向外传导工频电源谐波、高频噪声的强度与频率范围,这属于电磁骚扰的近场与感应场效应。后者则检测被测设备向外直接辐射射频噪声的强度与频率范围,这主要针对电磁骚扰的远场效应。值得注意的是近几年来国际上对电源谐波干扰与设备的抗扰度要求这两方面內容特别关注。前者涉及公用电网的环保要求。后者则为了保证设备或系统的工作可靠性。为此,许多标准还特别将电源谐波电流含量要求与抗扰度作为两大技术要求从EMC项目中分离出来,单独立项。必须指出,对于信息社会来说,因信息技术设备工作失常而受的损失往往难以用货币来衡量。在不可能完全避免电磁骚扰的现实条件下,在规定的电磁环境条件下提高产品抗扰度能力具有特别重要的意义。


具體地說,生産廠家對産品進行EMC具體項目的例行測試除了確定産品的EMC性能是否符合國家、行業標准規定的要求外(據國內外文獻報道,沒有實行認真的EMC設計與摸底測試並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産品的影響程度及有關抑制措施的有效性,查明産品遭到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,在産品設計定型初期就進行EMC測試是産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,了解産品EMC性能,是商檢及用戶認可産品的一個重要因素。所有這些都需要了解有關EMC的性能要求與測試知識。


电源产品的EMC测试有其特殊性要求,其特殊性是由该类产品功能所决定的。首先电源产品作为供电电源(一般为市电)与为之服务的负载(典型为对电磁骚扰较敏感的信息技术设备)之间的电力接口,其基本功能是保证所接负载不受电源因素的影响而工作失常或损坏。这样对电源产品的EMC要求较其它产品理所当然要更高。这里最典型的例子就是有关对电源产品EMC标准要求应对电源产品的输入源端与输出负载端分别进行传导干扰测试。此外,若电源产品是系统工作不可缺少的一部分(如UPS),而且该产品又是作为通用产品销售时,那么该产品可能要进行二次 EMC测试。一次是测试产品本身标准规定的EMC性能特性;第二次则根据用户意见与其所属的系统共同进行系统的EMC测试。


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。只要能解決該類幹擾,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爲“一機三件”,即計算機與硬件、軟件、電力件。這樣,作爲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,应当具有有效的电力滤波器功能的作用,至少应当对电磁骚扰有明显的衰减抑制作用。这点应当作为交流穩壓電源一个必备的功能。自然,对于拥有抗干扰功能的交流穩壓電源,不应仅仅提高自己的抗扰度性能,更应当具备使接在其输出端,对EMI敏感的电子产品的EMC性能,获得较大的EMC安全裕度,这才是对干扰噪声有净化功能的抗干扰型交流穩壓電源名副其实的一大功能要求。这也就是SJ/T10541-94《抗干扰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産品的性能指標上。例如,交流穩壓電源的源电压效应与输出电压总相对谐波含量要求。此外,一些仅对弱电电子设备较敏感的EMC项目,如抗工频磁场干扰、静电放电、辐射电磁场干扰等对大功率电工设备可能影响不大,故在SJ/T10541-94中不列为必须测试项目。这样,对交流穩壓電源的EMC要求就有与其它电工、电子产品不同的特殊地方。


2 EMC测试项目与要求

EMC测试要求根据产品用途分为3大类:即军用类、工商环境使用类、民用及居住区环境使用类。后两者的测试项目、要求、方法等均较一致,差异在于对指标要求上。军用类,因其使用特殊性与后2类有较大差异。此外,航空、船舶设备也因其使用特殊性,除了同军用设备一样有较高要求外,还有国际通用的标准规范。基于市场上销售的交流穩壓電源的使用条件,本文重点说明后2类。


鉴于社会上对EMC问题日益关注,涉及的专业与产品很多,IEC已将EMC要求作为 IEC的基础标准来对待。这就是著名的IEC61000系列标准。该标准在国际上已视为与安全标准同等重要的通用标准。其中之一的IEC61000-4 《测试技术》是指导有关EMC测试的基础标准。由于EMC技术是一门复杂的、涉及多门学科的、不断发展的新技术,有关EMC测试项目、要求、方法也在不断修订、完善。因此,IEC61000-4中许多项目仍未正式发布,还处于草案之中。为了便于读者了解这方面知识,凯发K8国际真人版对涉及交流穩壓電源的項目作一介紹,對于有關國家標准采用的IEC項目則重點介紹。


IEC61000-4,全名为《ElectromagneticCompatibilityforElectricalandElectronicEquipment,Part4:TestingandMeasurementTechniques》,即《电气和电子设备的电磁兼容性第4部分:测试技术》。其中列举11个测试项目。与交流穩壓電源标准SJ/T10541-94有关的项目与要求介绍如下:


IEC61000-4-4:ElectricalFastTransients(Burst)ImmunityTest(电快速瞬变脉冲群),SJ/T10541-94与SJ/T10542-94采用了该标准。该项目的目的在于验证设备在承受切换瞬变(感性负载中断、继电器触点跳开等)产生的各种瞬时干扰时的抗干扰性能。其试验严酷度等级(在电源输入端上的干扰发生器(50Ω内阻)开路输出试验电压)分别为1 级,0.5kV;2级,1kV;3级,2kV;4级4kV。


IEC61000-4-5SurgeTransientsImmunityTest(电涌或浪涌)。该项內容暂时处于草案之中。与此相关的可参考著名的IEC801-5及美国标准IEEEstd587?1980 《IEEEGuideforSurgeVoltagesinLow-VoltageACPowerCircuits》(IEEE导则:低压交流电力电路内的电涌)。电子行业标准SJ/T10541-94及SJ/T10542-94引用了该方面的部分內容。该项目的目的是验证设备在承受由电力切换、雷电产生的高能电涌时的抗干扰性能。其严酷度等级的划分同上,但干扰发生器的输出阻抗为2Ω,而前者为50Ω。干扰发生器输出分开路电压波1.2×50μs(对高阻负载)与短路(放电)电流波8×20μs(对低阻负载)两类。类似测试要求在许多电工电子产品标准中都已列出。


除此之外,国际上还有采用高频尖峰噪声敏感度测试。特别是日本,这项测试很普遍。美国军用标准MILSTD461、462采用类似项目,但要求使用的噪声模拟发生器的功率远大于前者。国内也有类似标准,如GB4859-84中的 50kHz~100MHz电源线传导敏感度测试;GJB151-86,GJB152-86中的CS06项目,噪声为矩形脉冲波。此外,GB6162-85(参照采用IEC255-4)则采用衰减振荡波。SJ/T10541-94与SJ/T10542-94建议对这两种方式任意选择其中之一。该项目的目的同IEC61000-4-4。矩形脉冲波的特点是快速上升及低重复率,衰减振荡波的特点是高幅值、低能量。对含有数字电路的产品,用矩形脉冲波较能说明对干扰的敏感程度。


电磁干扰方面的项目有工频谐波限制要求、传导干扰与辐射干扰限制要求。 SJ/Z9029.2-87(等效采用IEC555-2-1982)规定了设备在低压供电系统中产生的谐波电流限制值要求。对于大功率半导体变流器,GB /T3859.2-93则用对不同变流装置(按脉波数)规定最大功率容量(电源系统短路容量与变流器基波视在功率之比)来限制电流谐波。必须指出,电工、电子产品通过电源线向市电传导电流谐波问题已被认定是电力污染,而作为市电系统“环保”对象来处理,这方面的要求将日益强化。


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


a類:在産品性能指標規範內(允差度內),性能正常;

b類:功能或性能暫時降低或喪失,但能自行恢複;

c類:功能或性能暫時降低或喪失,但需操作者幹預或系統複位;

d類:因損壞而不可恢複的功能降低或喪失。


在這4類中,a類作爲合格,d類作爲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,其實是體現了標准的最大自由度原則。因爲被測設備種類繁多,差異大,因此很難爲評定合格作出通用定量的規定。當然,對于具體某一類産品應當給出確定的評定標准。SJ/T10541?94就體現了這個要求。GB/T3859.1-93中類似規定了變流器受擾類別,作爲合格判定的依據。該標准定義了3級,即:


F級:性能級,是指該變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,是指變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;可進一步分爲兩種情況:幹擾過去後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,是指變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,這裏的F級相當于a類,D級相當于d類,T級則包括b,c類。


對于有抗幹擾功能要求的交流穩壓電源在SJ/T10541中规定,除了应保证能正常工作外,还应在输出端给负载合适的敏感度门限;规定叠加在输出电压上的干扰残压的峰值不应大于输出电压标称值的20%。这是该标准遵从标准的目的性原则,充分考虑交流穩壓電源与其它电工、电子产品在使用功能要求上具有本质的区别。即前者要为后者服务,前者也作为后者电源EMI的电力滤波器,目的是为对EMI敏感的设备提供足够的EMI安全裕度,提高设备的抗扰度等级。根据GB6833.4规定,电子仪器对电源瞬态敏感度的要求是:应能经受标称源电压变化量的20%的瞬态电压冲击干扰而不致工作失常。为此,在SJ/T10541中规定以这个数值作为交流穩壓電源在接受抗扰度试验时的输出允许最高瞬态电压值(敏感度门限)。此外,考虑到交流穩壓電源要为电子仪器设备提供合适的交流电压条件,SJ/T10541还规定在抗扰度试验时,交流穩壓電源输出电压的相对偏差(即输出效应)应在其基准条件(公差G)内,以此作为是否性能降级的判定依据。这样两者结合,以科学、合理、实用、易操作方式,解决了在对交流穩壓電源抗扰度性能进行具体考核及合格评定时,无定量指标为依据的难题。而一般标准则只笼统地以误动作、性能下降或降级来作为考核及合格评定依据,显然,这种定性方法不易操作。


3 EMC测试的条件与方法

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,技術是爲了得到正確的測試結果(較高的准確度)而采取的一切測試手段,設備則是體現上述兩個因素爲測試服務的一切技術裝置。這些都必須標准化,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。具體測試方法分爲在實驗室條件下進行的試驗台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幹擾現象是不可能的,特別是現場法具有無法克服的局限性。但通過標准化的測試可以較全面地獲取被測設備EMC性能如何的信息。爲此,國際上推薦首先采用試驗台法,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,最後根據産品標准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。即使用環境決定了幹擾的形式,安裝防護條件決定了幹擾的嚴酷度等級。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中針對電湧的源爲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(適用電湧):

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,電湧電壓不會超過25V;


1類:局部保護的、有一次過壓保護的電氣環境,電湧電壓不超過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,電湧電壓不超過1kV;


3類:電源電纜與信號電纜並行敷設的電氣環境,電湧電壓不超過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,電湧電壓不超過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類不做電湧測試。一般電源産品處于1類或2類電氣環境,可選擇嚴酷度等級爲1級或2級。


必須指出,把環境作爲抗擾度測試的相關條件是抗擾度測試的重要特點。因爲如果忽視這些相關,不考慮裝置的應用工作環境條件,而認爲裝置應該“獨立”,應該適合于插入任何一種組合裝置(或系統)中,就會由此産生所有被測裝置都必須接受全部項目的幹擾試驗,並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後再對設備進行安全測試。

对于交流穩壓電源这类大功率电工产品,选取从市电导入的以高频、高能为特征的抗扰度项目,并且选择较其它电工、电子产品要高的严酷度等级,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。爲了對設備的抗擾度性能進行比較,就要有一種能産生比較一致並可重複再現的試驗裝置,這就是幹擾模擬發生器。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,重複性好。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:諧波傳導幹擾測試、高頻傳導幹擾測試。


谐波传导干扰测试是对设备的电源进线入端工频电流谐波进行测试;测出40次以下各次电流谐波最大值,对三相电源还应测试中线的电流谐波。在交流穩壓電源性能项目中以源电流相对谐波含量来考核此项目。


交流穩壓電源的傳導幹擾試驗同其它電子産品一樣,可采用GB6833-86電子測量儀器電磁兼容性試驗規範(參照采用HP公司標准或GB9254-88信息技術設備的無線電幹擾極限值和測量方法(等效采用CISPR?22?1985)。高頻傳導幹擾測試中一個重要測試裝置是要用人工電源網絡(ArtificialMainNetwork),在美國標准中則稱爲電源阻抗穩定網絡(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,爲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,又能爲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,網絡與幹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,測量的是幹擾電壓值。GJB152-86則推薦采用電流探頭法測量傳導幹擾電流;其中在電源線與地之間並接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,可能今後測量以其爲主。此外,軍標采用峰值檢波器,GB9254采用准峰值檢波器。


射頻輻射幹擾測試較複雜,涉及到測試場地、天線、測試線路連接等測試問題。測試場地爲野外開闊、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,標准還推薦可以用電磁屏蔽室(還有如電波暗室等)作爲替換。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、合格的電磁幹擾限制以及提供合適的交流電壓條件外,更重要的是要爲其負載(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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