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交流稳压电源的电磁兼容性要求与测试方法介绍!
编辑:扬州凯弘电源科技有限公司   发布时间:2017-08-28

EMC性能是交流稳压电源的一项重要指标要求。基于对交流稳压电源使用价值的要求,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内容构成。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个方面的内容。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,以便确认是否符合有关标准规定的限制值要求;


(2)对其在规定电磁骚扰强度的电磁环境条件下进行敏感度测试以便确认是否符合有关标准规定的抗扰度要求。

这两方面内容在EMC测试项目中分别为电磁干扰(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内容特别关注。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。


具体地说,生产厂家对产品进行EMC具体项目的例行测试除了确定产品的EMC性能是否符合国家、行业标准规定的要求外(据国内外文献报道,没有实行认真的EMC设计与摸底测试并采取足够的技术措施,很难通过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措施的有效性,查明产品遭到EMC试验破坏的具体原因(来源及作用途径)以便采用相应措施。因此,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不可少的一项工作。从另外一个方面来说,了解产品EMC性能,是商检及用户认可产品的一个重要因素。所有这些都需要了解有关EMC的性能要求与测试知识。


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,来自市电的电磁骚扰是一类最主要的、最恶劣的电磁骚扰。只要能解决该类干扰,则抗扰度问题也就基本解决了。故有人称当今信息社会的技术特征为“一机三件”,即计算机与硬件、软件、电力件。这样,作为市电与电子设备特别是信息技术设备之间电力接口的交流稳压电源,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。这点应当作为交流稳压电源一个必备的功能。自然,对于拥有抗干扰功能的交流稳压电源,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稳压电源名副其实的一大功能要求。这也就是SJ/T10541-94《抗干扰型交流稳压电源通用技术条件》的编制依据之一。


另一方面,有些与EMC类似的要求已体现在电源产品的性能指标上。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,对交流稳压电源的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稳压电源的使用条件,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,我们对涉及交流稳压电源的项目作一介绍,对于有关国家标准采用的IEC项目则重点介绍。


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。与交流稳压电源标准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)。该项内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内容。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测试结果的判定,对抗扰度测试与对电磁干扰测试分别采用完全不同的方式。后者采用定量规定限制值作为合格的门限判定点;前者一般采用定性方法来判定,即按产品在测试中的性能表现分类(以GB/T13926-92为例):


a类:在产品性能指标规范内(允差度内),性能正常;

b类:功能或性能暂时降低或丧失,但能自行恢复;

c类:功能或性能暂时降低或丧失,但需操作者干预或系统复位;

d类:因损坏而不可恢复的功能降低或丧失。


在这4类中,a类作为合格,d类作为不合格是毫无疑义的。对于b类与c类,合格的判定由厂家与用户根据具体情况协商规定。自然,对此两类所采取的技术措施是不同的。似乎抗扰度测试的判定太松,其实是体现了标准的最大自由度原则。因为被测设备种类繁多,差异大,因此很难为评定合格作出通用定量的规定。当然,对于具体某一类产品应当给出确定的评定标准。SJ/T10541?94就体现了这个要求。GB/T3859.1-93中类似规定了变流器受扰类别,作为合格判定的依据。该标准定义了3级,即:


F级:性能级,是指该变流器能承受而不降低性能的所有各种电扰动极限值的组合;


T级:跳闸级,是指变流器能承受而不因保护器件动作而中断运行的所有各种电扰动极限值的组合;可进一步分为两种情况:干扰过去后能自动重合闸及不能自动重合闸(要用手动等方式);


D级:损坏级,是指变流器能承受而不造成永久损坏的所有电扰动极限值的组合。


显然,这里的F级相当于a类,D级相当于d类,T级则包括b,c类。


对于有抗干扰功能要求的交流稳压电源在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,充分考虑交流稳压电源与其它电工、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稳压电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,考虑到交流稳压电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,交流稳压电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,解决了在对交流稳压电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

测试依赖3个方面因素:方法、技术、设备。方法由测量原理和测试设备的使用方法两者来确定,技术是为了得到正确的测试结果(较高的准确度)而采取的一切测试手段,设备则是体现上述两个因素为测试服务的一切技术装置。这些都必须标准化,以保证测试具有重现性和真实性。


EMC测试条件由测试方法决定。具体测试方法分为在实验室条件下进行的试验台法和在实际使用条件下进行的现场法。要模拟现场可能碰到的所有干扰现象是不可能的,特别是现场法具有无法克服的局限性。但通过标准化的测试可以较全面地获取被测设备EMC性能如何的信息。为此,国际上推荐首先采用试验台法,除非无法在实验室进行,一般不用现场法。


抗扰度测试主要方法是按照设备所处的电磁环境条件,结合用户对设备采取的措施,选择合适的严酷度等级,依照有关测试方法进行测试,最后根据产品标准提出的合格判决条件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。


电磁环境中的电磁骚扰源、电磁骚扰源对设备的耦合方式、设备对电磁骚扰的敏感度以及用户对工作现场的防护措施直接与严酷度等级相关。即使用环境决定了干扰的形式,安装防护条件决定了干扰的严酷度等级。GB/T13926.4具体规定了在电磁环境中与严酷度等级相对应的设备工作下的电气环境条件:


1级,具有良好保护的环境,如计算机房;

2级,受保护的环境,如工厂和电厂的控制室或终端室;

3级,典型的工业环境,如工业过程装置、电厂和露天高压变电所的继电器房等场所;

4级,严酷的工业环境,如电站、未采取特殊安装措施的工业过程设备、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,对设备的安装条件与防护设施作如下分类(适用电涌):

0类:保护良好的、有一次和二次过压保护的电气环境,通常处于特殊的房间内,电涌电压不会超过25V;


1类:局部保护的、有一次过压保护的电气环境,电涌电压不超过500V;


2类:电源线与其它线路分离开,电缆隔离良好的电气环境,电涌电压不超过1kV;


3类:电源电缆与信号电缆并行敷设的电气环境,电涌电压不超过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使用电缆的电气环境,电涌电压不超过4kV;


5类:非人口稠密区内电子装置联接电讯电缆和架空电源线的电气环境。


对0类不做电涌测试。一般电源产品处于1类或2类电气环境,可选择严酷度等级为1级或2级。


必须指出,把环境作为抗扰度测试的相关条件是抗扰度测试的重要特点。因为如果忽视这些相关,不考虑装置的应用工作环境条件,而认为装置应该“独立”,应该适合于插入任何一种组合装置(或系统)中,就会由此产生所有被测装置都必须接受全部项目的干扰试验,并且要达到最高严酷度等级的错误结论。这不仅对要用的装置造成过高的不合理的严格限制,而且还会因需要进行大量试验而不得不承担很大的经济负担。


另外,抗扰度测试涉及到高压信号,除了应严格遵守有关安全规定外,还有必要在抗扰度实验后再对设备进行安全测试。

对于交流稳压电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。


抗扰度测试的另一重要特点是对试验发生器技术参数作出严格而明确的规定。为了对设备的抗扰度性能进行比较,就要有一种能产生比较一致并可重复再现的试验装置,这就是干扰模拟发生器。显然必须规定发生器的输出内阻、输出波形要求、开路电压幅度与误差;以保证试验结果的一致,重复性好。否则,因不同被测设备源端阻抗不同,对发生器的阻抗匹配不同而无法使发生器在带载下输出波形或幅度相同。实际上,阻抗不匹配就是抑制电磁骚扰的一个有效手段。


交流稳压电源对外界(通过市电网络)的电磁骚扰测试项目有:谐波传导干扰测试、高频传导干扰测试。


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。在交流稳压电源性能项目中以源电流相对谐波含量来考核此项目。


交流稳压电源的传导干扰试验同其它电子产品一样,可采用GB6833-86电子测量仪器电磁兼容性试验规范(参照采用HP公司标准或GB9254-88信息技术设备的无线电干扰极限值和测量方法(等效采用CISPR?22?1985)。高频传导干扰测试中一个重要测试装置是要用人工电源网络(ArtificialMainNetwork),在美国标准中则称为电源阻抗稳定网络(LineImpedanceStabilizationNetwork,LISN)。这是由于不同电力条件下,市电在不同设备电源输入端呈现的高频阻抗也不相同,为使测试结果反映真实情况,必须在受试设备与其电源端子间接入合乎要求的网络,该网络既能使设备与电网间实现射频隔离,又能为设备提供稳定的高频阻抗。人工电源网络的支路数与供电系统的线路数相同,网络与干扰测量仪之间的连接应保证阻抗匹配(50Ω/50μH),对每根电源线分别进行测试,测量的是干扰电压值。GJB152-86则推荐采用电流探头法测量传导干扰电流;其中在电源线与地之间并接10μF穿心电容器,作用与LISN相同。电流探头法使用简便,测量迅速,便于现场测试,较接近实际情况,可能今后测量以其为主。此外,军标采用峰值检波器,GB9254采用准峰值检波器。


射频辐射干扰测试较复杂,涉及到测试场地、天线、测试线路连接等测试问题。测试场地为野外开阔、背景电磁噪声电平至少比允许极限值小6dB。这种要求很难实现,标准还推荐可以用电磁屏蔽室(还有如电波暗室等)作为替换。测试辐射场强时被测设备应严格按实际工作方式接线,电源线、信号线都不允许特意卷曲、收缩,以反映真实性。


总之,基于交流稳压电源使用价值要求,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、合格的电磁干扰限制以及提供合适的交流电压条件外,更重要的是要为其负载(对EMI敏感的电子仪器设备特别是信息技术设备),在较严酷电磁环境条件下工作,提供充足的EMC安全裕度。这不但是交流稳压电源的基本功能,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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