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如何进行交流稳压电源的EMC设计

EMC机能是交流稳压电源的一项紧张指标要求。基于对交流稳压电源应用代价的要求,其EMC机能该当是除了本身能达到较高严厉度等级的抗扰度指标及合格的电磁滋扰限定外,更紧张的是要为其负载(对EMI敏感的电子设备)供给充沛的EMC 安然裕度。本文结合对产品的EMC机能要求,对有关要求与测试措施作了较具体的阐明,并提出小我见地。

1 基础观点

电磁兼容(ElectromagneTIcCompaTIbility,简称 EMC)是电工、电子产品紧张的一项质量指标。可以觉得产品德量主要由质量规范与技巧指标两大年夜内容构成。前者涉及通用规范,即国际上IEC,海内由国家制订的根基性标准;后者是产品功能的规定及其技巧要求。电磁兼容与安然要求是根基性标准。现在EMC已从根基标准、通用标准、族标准、不停到产品标准,形成完整的体系。此外,国际上还有为此专门立法。如欧洲同盟已制订律例,规定从1996年1月1日起,电工、电子产品必须取得低压治理(LVDirecTIve)与电磁兼容治理(EMCDirecTIve)合格认定后,才能在市场上贩卖。这些年来赓续有新的EMC标准在海内正式宣布。但要指出的是,IEC有关EMC标准将赓续从草案或旧版本上升为正式版本,国家有关EMC标准也将赓续更新、宣布,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情况中能正常事情且纰谬该情况中任何事物构成不能遭遇的电磁骚扰的能力。该定义概括了3个方面的内容。其一,电磁骚扰的可限定性。电磁骚扰是普遍存在的,但可以用质量规范约束,以技巧手段限定它的迫害性。这便是说该当对产品规定其向外发送电磁骚扰强度的限定值,以包管电磁情况合格。其二,电磁骚扰的宽贷豁免性。这便是说产品在规定电磁骚扰强度的电磁情况下应能正常事情而不应低落其机能指标。其三,电磁情况的规范性和兼容性。即对电磁骚扰采取任何步伐都不能使自身或使处于同一电磁情况的其它产品或系统机能下降,只能友好地“和平”共处。例如,为了低落传导滋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相符安然标准中对透露电流的限定值要求;对系统来说,要防止其成为系统滋扰耦合源影响系统事情。是以对产品的EMC测试该当包括两大年夜方面内容:(1)对其向外界发送的电磁骚扰强度进行测试,以便确认是否相符有关标准规定的限定值要求;

(2)对其在规定电磁骚扰强度的电磁情况前提下进行敏感度测试以便确认是否相符有关标准规定的抗扰度要求。

这两方面内容在EMC测试项目平分手为电磁滋扰(ElectromagneticInterference)或电磁骚扰

中图法分类号:TM937文献标识码:A文章编号:0219?2713(2000)09?454?05

(ElectromagneticDisturbance)及抗扰度(ImmunitytoaDisturbance);后者曩昔常用敏感度(Susceptibility)这个术语。因为电磁滋扰的发生抉择于滋扰源的强度、滋扰的耦合要领、仪器设备对滋扰的敏感程度这3要素。是以,有关标准对EMC的机能要求与测试措施除了按不合性子、不合种类分为不合项目外,还按电磁骚扰传播要领不合分为两类:即传导滋扰与辐射滋扰。前者主要检测被测设备经由过程电源线或旌旗灯号线向别传导工频电源谐波、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。值得留意的是近几年来国际上对电源谐波滋扰与设备的抗扰度要求这两方面内容分外关注。前者涉及公用电网的环保要求。后者则为了包管设备或系统的事情靠得住性。为此,许多标准还分外将电源谐波电流含量要求与抗扰度作为两大年夜技巧要求从EMC项目平分离出来,零丁立项。必须指出,对付信息社会来说,因信息技巧设备事情失常而受的丧掉每每难以用泉币来衡量。在弗成能完全避免电磁骚扰的现实前提下,在规定的电磁情况前提下前进产品抗扰度能力具有分外紧张的意义。

详细地说,临盆厂家对产品进行EMC详细项目的例行测试除了确定产品的EMC机能是否相符国家、行业标准规定的要求外(据国内外文献报道,没有推行卖力的EMC设计与摸底测试并采取足够的技巧步伐,很难经由过程EMC测试),还能评价外界电磁骚扰对产品的影响程度及有关抑制步伐的有效性,查明产品遭到EMC试验破坏的详细缘故原由(滥觞及感化道路)以便采纳响应步伐。是以,在产品设计定型初期就进行EMC测试是产品进入商品化的必弗成少的一项事情。从别的一个方面来说,懂得产品EMC机能,是商检及用户认可产品的一个紧张身分。所有这些都必要懂得有关EMC的机能要求与测试常识。

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抉择的。首先电源产品作为供电电源(一样平常为市电)与为之办事的负载(范例为对电磁骚扰较敏感的信息技巧设备)之间的电力接口,其基础功能是包管所接负载不受电源身分的影响而事情失常或毁坏。这样对电源产品的EMC要求较其它产品天经地义要更高。这里最范例的例子便是有关对电源产品EMC标准要求应对电源产品的输入源端与输出负载端分手进行传导滋扰测试。此外,若电源产品是系统事情弗成缺少的一部分(如UPS),而且该产品又是作为通用产品贩卖时,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机能特点;第二次则根据用户意见与其所属的系统合营进行系统的EMC测试。

大年夜量钻研注解,来自市电的电磁骚扰是一类最主要的、最恶劣的电磁骚扰。只要能办理该类滋扰,则抗扰度问题也就基础办理了。故有人称当今信息社会的技巧特性为“一机三件”,即谋略机与硬件、软件、电力件。这样,作为市电与电子设备分外是信息技巧设备之间电力接口的交流稳压电源,该当具有有效的电力滤波器功能的感化,至少该当对电磁骚扰有显着的衰减抑制感化。这点应算作为交流稳压电源一个必备的功能。自然,对付拥有抗滋扰功能的交流稳压电源,不应仅仅前进自己的抗扰度机能,更该当具备使接在其输出端,对EMI敏感的电子产品的EMC机能,得到较大年夜的EMC安然裕度,这才是对滋扰噪声有净化功能的抗滋扰型交流稳压电源名副着实的一大年夜功能要求。这也便是SJ/T10541-94《抗滋扰型交流稳压电源通用技巧前提》的体例依据之一。

另一方面,有些与EMC类似的要求已体现在电源产品的机能指标上。例如,交流稳压电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,如抗工频磁场滋扰、静电放电、辐射电磁场滋扰等对大年夜功率电工设备可能影响不大年夜,故在SJ/T10541-94中不列为必须测试项目。这样,对交流稳压电源的EMC要求就有与其它电工、电子产品不合的特殊地方。

2 EMC测试项目与要求

EMC测试要求根据产品用途分为3大年夜类:即军用类、工商情况应用类、夷易近用及栖身区情况应用类。后两者的测试项目、要求、措施等均较同等,差异在于对指标要求上。军用类,因其应用特殊性与后2类有较大年夜差异。此外,航空、船舶设备也因其应用特殊性,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。基于市场上贩卖的交流稳压电源的应用前提,本文重点阐明后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的根基标准来对待。这便是闻名的IEC61000系列标准。该标准在国际上已视为与安然标准一致紧张的通用标准。此中之一的IEC61000-4 《测试技巧》是指示有关EMC测试的根基标准。因为EMC技巧是一门繁杂的、涉及多门学科的、赓续成长的新技巧,有关EMC测试项目、要求、措施也在赓续修订、完善。是以,IEC61000-4中许多项目仍未正式宣布,还处于草案之中。为了便于读者懂得这方面常识,我们对涉及交流稳压电源的项目作一先容,对付有关国家标准采纳的IEC项目则重点先容。

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:测试技巧》。此中枚举11个测试项目。与交流稳压电源标准SJ/T10541-94有关的项目与要求先容如下:

IEC61000-4-4:ElectricalFastTransients(Burst)ImmunityTest(电快速瞬变脉冲群),SJ/T10541-94与SJ/T10542-94采纳了该标准。该项目的目的在于验证设备在遭遇切换瞬变(感性负载中断、继电器触点跳开等)孕育发生的各类瞬时滋扰时的抗滋扰机能。着实验严厉度等级(在电源输入端上的滋扰发生器(50Ω内阻)开路输出试验电压)分手为1 级,0.5kV;2级,1kV;3级,2kV;4级4kV。

IEC61000-4-5SurgeTransientsImmunityTest(电涌或浪涌)。该项内容暂时处于草案之中。与此相关的可参考闻名的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内容。该项目的目的是验证设备在遭遇由电力切换、雷电孕育发生的高能电涌时的抗滋扰机能。其严厉度等级的划分同上,但滋扰发生器的输出阻抗为2Ω,而前者为50Ω。滋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,国际上还有采纳高频尖峰噪声敏感度测试。分外这天本,这项测试很普遍。美国军用标准MILSTD461、462采纳类似项目,但要求应用的噪声模拟发生器的功率弘远年夜于前者。海内也有类似标准,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(参照采纳IEC255-4)则采纳衰减振荡波。SJ/T10541-94与SJ/T10542-94建议对这两种要领随意率性选择此中之一。该项目的目的同IEC61000-4-4。矩形脉冲波的特征是快速上升及低重复率,衰减振荡波的特征是高幅值、低能量。对含稀有字电路的产品,用矩形脉冲波较能阐明对滋扰的敏感程度。

电磁滋扰方面的项目有工频谐波限定要求、传导滋扰与辐射滋扰限定要求。 SJ/Z9029.2-87(等效采纳IEC555-2-1982)规定了设备在低压供电系统中孕育发生的谐波电流限定值要求。对付大年夜功率半导体变流器,GB /T3859.2-93则用对不合变流装配(按脉波数)规定最大年夜功率容量(电源系统短路容量与变流器基波视在功率之比)来限定电流谐波。必须指出,电工、电子产品经由过程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”工具来处置惩罚,这方面的要求将日益强化。

EMC测试结果的鉴定,抗衡扰度测试与对电磁滋扰测试分手采纳完全不合的要领。后者采纳定量规定限定值作为合格的门限鉴定点;前者一样平常采纳定性措施来鉴定,即按产品在测试中的机能体现分类(以GB/T13926-92为例):

a类:在产品机能指标规范内(允差度内),机能正常;

b类:功能或机能暂时低落或丢掉,但能自行规复;

c类:功能或机能暂时低落或丢掉,但需操作者干预或系统复位;

d类:因毁坏而弗成规复的功能低落或丢掉。

在这4类中,a类作为合格,d类作为分歧格是毫无疑义的。对付b类与c类,合格的鉴定由厂家与用户根据详细环境协商规定。自然,对此两类所采取的技巧步伐是不合的。彷佛抗扰度测试的鉴定太松,着实是表现了标准的最大年夜自由度原则。由于被测设备种类繁多,差异大年夜,是以很难为评定合格作出通用定量的规定。当然,对付详细某一类产品该当给出确定的评定标准。SJ/T10541?94就表现了这个要求。GB/T3859.1-93中类似规定了变流器受扰种别,作为合格鉴定的依据。该标准定义了3级,即:

F级:机能级,是指该变流器能遭遇而不低落机能的所有各类电扰动极限值的组合;

T级:跳闸级,是指变流器能遭遇而不因保护器件动作而中断运行的所有各类电扰动极限值的组合;可进一步分为两种环境:滋扰以前后能自动重合闸及不能自动重合闸(要用手动等要领);

D级:毁坏级,是指变流器能遭遇而不造成永远毁坏的所有电扰动极限值的组合。

显然,这里的F级相称于a类,D级相称于d类,T级则包括b,c类。

对付有抗滋扰功能要求的交流稳压电源在SJ/T10541中规定,除了应包管能正常事情外,还应在输

出端给负载相宜的敏感度门限;规定叠加在输出电压上的滋扰残压的峰值不应大年夜于输出电压标称值的20%。这是该标准服从标准的目的性原则,充分斟酌交流稳压电源与其它电工、电子产品在应用功能要求上具有本色的差别。即前者要为后者办事,前者也作为后者电源EMI的电力滤波器,目的是为对EMI敏感的设备供给足够的EMI安然裕度,前进设备的抗扰度等级。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更量的20%的瞬态电压冲击滋扰而不致事情失常。为此,在SJ/T10541中规定以这个数值作为交流稳压电源在吸收抗扰度试验时的输出容许最高瞬态电压值(敏感度门限)。此外,斟酌到交流稳压电源要为电子仪器设备供给相宜的交流电压前提,SJ/T10541还规定在抗扰度试验时,交流稳压电源输出电压的相对误差(即输出效应)应在其基准前提(公差G)内,以此作为是否机能降级的鉴定依据。这样两者结合,以科学、合理、实用、易操作要领,办理了在对交流稳压电源抗扰度机能进行详细稽核及合格评准时,无定量指标为依据的难题。而一样平常标准则只笼统地以误动作、机能下降或降级来作为稽核及合格评定依据,显然,这种定性措施不易操作。

3 EMC测试的前提与措施

测试依附3个方面身分:措施、技巧、设备。措施由丈量道理和测试设备的应用措施两者来确定,技巧是为了获得精确的测试结果(较高的准确度)而采取的统统测试手段,设备则是表现上述两个身分为测试办事的统统技巧装配。这些都必须标准化,以包管测试具有重现性和真实性。

EMC测试前提由测试措施抉择。详细测试措施分为在实验室前提下进行的试验台法和在实际应用前提下进行的现场法。要模拟现场可能碰着的所有滋扰征象是弗成能的,分外是现场法具有无法降服的局限性。但经由过程标准化的测试可以较周全地获取被测设备EMC机能若何的信息。为此,国际上保举首先采纳试验台法,除非无法在实验室进行,一样平常不用现场法。

抗扰度测试主要措施是按照设备所处的电磁情况前提,结合用户对设备采取的步伐,选择相宜的严厉度等级,依照有关测试措施进行测试,着末根据产品标准提出的合格讯断前提评定测试结果是否合格。这是抗扰度测试与其它测试主要差异之处。

电磁情况中的电磁骚扰源、电磁骚扰源对设备的耦合要领、设备对电磁骚扰的敏感度以及用户对事情现场的防护步伐直接与严厉度等级相关。即应用情况抉择了滋扰的形式,安装防护前提抉择了滋扰的严厉度等级。GB/T13926.4详细规定了在电磁情况中与严厉度等级相对应的设备事情下的电气情况前提:

1级,具有优越保护的情况,如谋略机房;

2级,受保护的情况,如工厂和电厂的节制室或终端室;

3级,范例的工业情况,如工业历程装配、电厂和露天高压变电所的继电器房等场所;

4级,严厉的工业情况,如电站、未采取特殊安装步伐的工业历程设备、室外区域等。

IEC801-5中针对电涌的源为电力切换瞬变或间接雷击的闪电瞬变,对设备的安装前提与防护举措措施作如下分类(适用电涌):

0类:保护优越的、有一次和二次过压保护的电气情况,平日处于特殊的房间内,电涌电压不会跨越25V;

1类:局部保护的、有一次过压保护的电气情况,电涌电压不跨越500V;

2类:电源线与其它线路分分开,电缆隔离优越的电气情况,电涌电压不跨越1kV;

3类:电源电缆与旌旗灯号电缆并行敷设的电气情况,电涌电压不跨越2kV;

4类:互连线象室外一样沿着电源电缆敷设,且电子线路和电气线路均应用电缆的电气情况,电涌电压不跨越4kV;

5类:非人口稠密区内电子装配联接电讯电缆和架空电源线的电气情况。

对0类不做电涌测试。一样平常电源产品处于1类或2类电气情况,可选择严厉度等级为1级或2级。

必须指出,把情况作为抗扰度测试的相关前提是抗扰度测试的紧张特征。由于假如漠视这些相关,不斟酌装配的利用事情情况前提,而觉得装配应该“自力”,应该得当于插入任何一种组合装配(或系统)中,就会由此孕育发生所有被测装配都必须吸收整个项目的滋扰试验,并且要达到最高严厉度等级的差错结论。这不仅对要用的装配造成过高的分歧理的严格限定,而且还会因必要进行大年夜量试验而不得不承担很大年夜的经济包袱。

别的,抗扰度测试涉及到高压旌旗灯号,除了应严格遵守有关安然规定外,还有需要在抗扰度实验后再对设备进行安然测试。

对付交流稳压电源这类大年夜功率电工产品,拔取从市电导入的以高频、高能为特性的抗扰度项目,并且选择较其它电工、电子产品要高的严厉度等级,是需要的。

抗扰度测试的另一紧张特征是对试验发生器技巧参数作出严格而明确的规定。为了对设备的抗扰度机能进行对照,就要有一种能孕育发生对照同等并可重复再现的试验装配,这便是滋扰模拟发生器。显然必须规定发生器的输出内阻、输出波形要求、开路电压幅度与偏差;以包管试验结果的同等,重复性好。否则,因不合被测设备源端阻抗不合,对发生器的阻抗匹配不合而无法使发生器在带载下输出波形或幅度相同。实际上,阻抗不匹配便是抑制电磁骚扰的一个有效手段。

交流稳压电源对外界(经由过程市电收集)的电磁骚扰测试项目有:谐波传导滋扰测试、高频传导滋扰测试。

谐波传导滋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年夜值,对三相电源还应测试中线的电流谐波。在交流稳压电源机能项目中以源电流相对谐波含量来稽核此项目。

交流稳压电源的传导滋扰试验同其它电子产品一样,可采纳GB6833-86电子丈量仪器电磁兼容性试验规范(参照采纳HP公司标准或GB9254-88信息技巧设备的无线电滋扰极限值和丈量措施(等效采纳CISPR?22?1985)。高频传导滋扰测试中一个紧张测试装配是要用人工电源收集(ArtificialMainNetwork),在美国标准中则称为电源阻抗稳定收集(LineImpedanceStabilizationNetwork,LISN)。这是因为不合电力前提下,市电在不合设备电源输入端出现的高频阻抗也不相同,为使测试结果反应真实环境,必须在受试设备与其电源端子间接入合乎要求的收集,该收集既能使设备与电网间实现射频隔离,又能为设备供给稳定的高频阻抗。人工电源收集的歧路数与供电系统的线路数相同,收集与滋扰丈量仪之间的连接应包管阻抗匹配(50Ω/50μH),对每根电源线分手进行测试,丈量的是滋扰电压值。GJB152-86则保举采纳电流探头法丈量传导滋扰电流;此中在电源线与地之间并接10μF穿心电容器,感化与LISN相同。电流探头法应用简便,丈量迅速,便于现场测试,较靠近实际环境,可能往后丈量以其为主。此外,军标采纳峰值检波器,GB9254采纳准峰值检波器。

射频辐射滋扰测试较繁杂,涉及到测试园地、天线、测试线路连接等测试问题。测试园地为田野坦荡、背景电磁噪声电平至少比容许极限值小6dB。这种要求很难实现,标准还保举可以用电磁樊篱室(还有如电波暗室等)作为调换。测试辐射场强时被测设备应严格按实际事情要领接线,电源线、旌旗灯号线都不容许特意卷曲、紧缩,以反应真实性。

总之,基于交流稳压电源应用代价要求,其EMC机能该当是:除了本身能达到较高严厉度等级的抗扰度指标、合格的电磁滋扰限定以及供给相宜的交流电压前提外,更紧张的是要为其负载(对EMI敏感的电子仪器设备分外是信息技巧设备),在较严厉电磁情况前提下事情,供给充沛的EMC安然裕度。这不只是交流稳压电源的基础功能,而且也是对其的EMC要求及对其进行EMC测试的依据。

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