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針對 EMC 噪聲的早期對策 — IEC 諧波?電壓波動 / 閃變?高頻噪聲

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前言

諧波和電壓波動 / 閃變測試是電氣產品所要求的 IEC 標準中被稱為電能質量低頻輻射的 EMC 測試的一部分。近年來，不僅是功率調節器，普通家用變頻產品的高頻噪聲也被認為是電能質量的問題。

本應用案例介紹了如何將功率分析儀 PW8001 活用于噪聲對策，進行符合 IEC 標準的諧波和電壓波動 / 閃變等低頻輻射的測量，以及高頻噪聲的測量方法。

IEC 諧波、電壓波動 / 閃變測試是什么

在諧波測試中會測量設備電流消耗波形的畸變分量。諧波電流會導致設備的誤動作或故障，并增加功率系統中的無功功率，因此，測試標準規定了對于諧波電流的限值。

電壓波動 / 閃變測試是針對電源電壓波動和照明閃爍（閃變）的測試。當電源電壓因電氣產品的消耗電流變化而波動時，就會出現照明閃爍。閃變是一種健康危害，會給人帶來不適，因此測試標準規定了電壓波動 / 閃變的限值。

諧波和電壓波動 / 閃變測試的 IEC 標準

每個測試對象都有自己的測試條件和確定限值的標準，測試必須參照最新的測試標準。此外，用于測試的測量設備也必須符合測量標準。功率分析儀 PW8001 是一款符合 IEC 諧波和電壓波動 / 閃爍測試標準的功率分析儀。

諧波測試標準

IEC61000-3-2：每相額定電流小于等于 16A 的設備的測試 IEC61000-3-12 ：每相額定電流大于 16A 小于等于 75A 的設備的測試

測試標準所要求的、并且 PW8001 符合的測量標準：IEC 61000-4-7: 2002+A1: 2008

諧波次數 : 0 次～ 200 次

間諧波次數 : 0.5 次～ 200.5 次

電壓波動 / 閃變測試標準

IEC61000-3-3：每相額定電流小于等于 16A 的設備

IEC61000-3-11：每相額定電流大于 16A 小于 75A 的設備

測試標準所要求的、并且 PW8001 符合的測量標準：IEC 61000-4-15: 2010

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

進行限值判定的評估系統

圖 1 顯示了諧波、電壓波動 / 閃變測試系統的框圖。IEC 諧波及電壓波動 / 閃變的測試標準使用帶有交流電源 RIN(ReferenceImpedance Network) 的測試系統。功率分析儀對測量對象的電源電壓和電流進行測量，并輸出基于測量標準的測量結果。電流測量使用電流傳感器。如此，無需為測量電流而布設電源配線，可減輕配線和儀器損耗的影響，在接近實際工作環境的配線狀態下進行測量。

電源噪聲帶來的問題

諧波和電壓波動 / 閃爍測試是針對低頻輻射的測試。但是，在一些使用變頻器的環境中，在極少數情況下，變頻器設備的開關噪聲會產生意想不到的高電平，從而導致周圍設備出現故障（*1）。為了預防電源噪聲引起的問題，對諧波和電壓波動采取措施，在設備開發的初期階段就確認噪聲是比較有效的。此外，在早期對噪聲問題采取行動，對于避免致命的開發延誤也很重要。

HIOKI 的測量解決方案

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

進行限值判定的標準測試的情況下，必須使用專用的測試系統，即使是在開發初期的評估中，也可以通過檢查諧波和電壓波動來確定趨勢，以便盡早采取措施。例如，如果在改變電源電路設計后發現諧波電流增加，那么可以預見 EMC 測試中會有超過限值的可能，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電壓、電流和功率進行 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 IEC 諧波或電壓波動 / 閃變中看不到的噪聲。PW8001 可保證最高到 1 MHz 的功率測量精度，對評估由逆變器或開關電源產生的高頻傳導噪聲十分有用。

HIOKI 的第三代功率分析引擎實現了六項“AUTO”測量

PW8001 可同時并行處理正確的功率測量以及諧波和功率譜分析等所有操作。根據輸入波形的大小和頻率，測量量程和濾波器特性會在內部自動更新至最佳狀態。如此，一次測量即可正確測量所有分析結果，從而實現多角度的驗證。

產品組合示例

PW8001 功率分析儀可根據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。根據所需的測量精度和測量頻帶，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 是業內唯一一家同時自行開發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定了 50 Hz/60 Hz 的精度，也規定了高頻的精度，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。

各測量模式的概要參數

表 2 簡要顯示了 PW8001 IEC 諧波模式的測量參數。測量結果可分別顯示奇數次和偶數次，便于查看和直觀地確認結果。

表 3 和表 4 分別顯示了閃變測量參數和 FFT 以及功率譜分析功能的簡要參數。

表 2: IEC 諧波模式的測量參數

測量方式	符合 IEC61000-4-7:2002+A1:2008，無間隙重疊
測量頻率設置	50 Hz/60 Hz
同步頻率范圍	為 50 Hz 設置時：45 Hz ～ 55 Hz z為 60 Hz 設置時：56 Hz ～ 66 Hz
數據更新率	約 200 ms 固定 (50 Hz 時為 10 個波 , 60 Hz 時為 12 個波 )
分析次數	諧波：0 次～ 200 次次間諧波：0.5 次～ 200.5 次
窗口波數	為 50 Hz 設置時：10 個波、為 60 Hz 設置時：12 個波
FFT 點數	8192 點
測量精度	在各頻率設置的同步頻率范圍內，對各單元的電壓、電流、功率、相位測定精度加算 ±0.04% ofrange 。10 kHz 或以上時，再追加 ±0.04% of range

表 3: 閃變測量參數

測量通道	最多 8 通道
測量方式	符合 IEC 61000-4-15 Ed2.0:2010 閃變儀等級 F2
測量項目短期	短期閃變值（Pst）短期閃變最大值（PstMax）長期間閃變值（Plt）瞬態閃變最大值（PinstMax）瞬態閃變最小值（PinstMin）相對穩態電壓變化（dc）最大相對電壓變化（dmax）相對電壓變化超過閾值的時間（Tmax）
測量頻率	50 Hz / 60 Hz（僅限 IEC 測量模式時測量）
測量量程	Pst, Plt：0.0001 P.U. ～ 6400 P.U. （對數除法 1400 次）
閃變濾波器	230 V lamp、120 V lamp
測量精度	dc, dmax：±4%（dmax ＝ 4% 時） Pst：±5%（Pst ＝ 0.2 ～ 5）

表 4: PW8001 的功率譜分析 (PSA) 功能的概要參數

測量通道	?電壓電流波形：選擇通道或接線單位。最多 3 通道 ?馬達波形：模擬 DC
運算類型	?RMS 頻譜 ( 選擇多個通道時為各通道的平均值 ) ?功率譜（有功功率（P）, 但僅限選擇電壓電流波形時。選擇多個通道時為各通道的相加值（Psum））
FFT 點數	1000 點 , 5000 點 , 10,000 點 , 50,000 點 , 100,000 點 , 500,000 點 , 1,000,000 點 , 5,000,000 點
抗混疊	自動數字濾波器
窗函數	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 ), 1 MHz 波形 ( 選擇 U7005 時 ) ?馬達波形輸入：400kHz ?與波形記錄的壓縮率相關聯

結語

PW8001 可以按照 IEC 標準測量諧波和電壓波動 / 閃變。對于“想擺脫電源噪聲問題被掩蓋，事后才采取對策的設計困境”或“想提前解決開關噪聲問題”的開發人員，功率譜分析 (PSA) 功能提供了一種高頻噪聲的評估方法。如需了解有關該產品的更多信息，請訪問產品頁面。或致電我司，預約產品演示或咨詢相關應用。

*1) 參考文獻

西島健一：“開關電源中安裝的 EMC 濾波器的傳導 EMI 噪聲降低效果的相關研究”，《日本電力電子學會雜志》 Vol.45

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

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