综合电参量测试仪在谐波测试中的应用

扈罗全

（1.苏州出入境检验检疫局，江苏 苏州 215104；2.中国检验检疫科学研究院（苏州）电气研究室，江苏 苏州 215104）

1 引 言

对接入220~240V电网家用电子电气类产品进行电磁兼容检测时，需要进行谐波电流发射的测试[1]。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”，因此谐波电流有时也被称作电源污染。产生谐波的主要因素是供电线路中的非线性负载、串联电阻和相位控制。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般为100 Hz≤f≤2 000 Hz，即考虑到40次谐波。目前全世界大部分国家都采用国际电工委员会制定的谐波电流测试标准IEC 61000-3-2，当前该标准的最新版本为2009版。

根据谐波电流测试标准的要求，自行设计了一款综合电参量测试仪，用于辅助谐波电流测试。通过该仪器在谐波电流测试中的实际应用，发现了在标准的若干条款存在一些与实际测试结果不相符合的情况，这些结果有助于国内电磁兼容检测实验室提高家电类产品谐波电流测试水平，并对谐波电流标准的修制定具有很好的参考价值。

2 综合电参量测试仪设计原理

在谐波电流发射的检测标准中，涉及到有功功率（Active Power）、额定功率（Rated Power）、指定功率（Specified Power）等[1]。指定功率（有时也翻译成“规定功率”，但此处使用“指定功率”更为恰当）是对有功功率的一阶低通滤波值，标准也称作有功功率的平滑值[2]。在标准中给出了计算指定功率的一阶低通滤波器的参数[2]。在条款“谐波电流限值”中，由于对许多待测物的谐波电流发射评估，需要使用指定功率（在2008年修正文件之前的标准中均使用额定功率），因此在谐波测量技术新版修正文件中，对指定功率给出更加明确的阐述[1]。在条款5.5.1的注2中指出，只要功率计的均方根值的计算符合标准的要求[2]，可以使用外置式功率计。但要求此时功率的测量时间窗为200 ms。设计了一种电磁兼容谐波电流测试综合电参量仪，样机见图1。

图1 谐波电流测试综合电参量仪样机

3 测试仪性能指标

在谐波电流测试中，该综合电参量仪的空载不会产生低频（2 000 Hz以下）噪声。因此可以按照图2所示的方式连接在谐波电流测试系统中。该测试仪完全按照IEC标准的要求[2]，功率等参数的采样率5次/s，一阶低通滤波器回路的时延参数为1.5s，可以根据需要显示有功功率、指定功率、rms电压、rms电流和频率等参量的数值，作为待测物工况的电参量，用来对最终检测结果进行判断，可以加强在电磁兼容（EMC）测试过程中对EUT工况的记录、监测和有效控制。

图2 配置综合电参量测试的谐波电流测试系统

目前所研制的综合电参量测试仪，主要用于EMC检测的离线系统（作为辅助检测装置），以及放置在EMC测试系统的前端，要求不引起电磁噪声干扰。如果直接把测试仪放置在后端，即与EUT相连接的端口，由于测试仪的传导和辐射背景噪声较高，无法满足CISPR标准的要求。标准CISPR22和CISPR14-1对于传导骚扰的测试系统的布置有十分严格的要求[3-4]。在进行传导骚扰等测试时，需要在线性稳定阻抗网络与供电电源端之间布置综合电参量测试仪，这样可以确保综合电参量测试仪产生的本底电磁噪声不会污染待测物的测试数据。

4 应 用

4.1 降低测量不确定

在EMC测试过程中经常遇到这样的问题，由于提供工作电压的稳压电源离工作台的输出端口比较远，或者从稳压电源输出的电压由于存在线损而产生电压降，将导致EMC测试结果产生电压幅度偏差引起不确定度，该不确定度属于A类。它的直接影响就是对测量数据的均值产生影响。通过对不同样品多样本的分析，发现因负载和线损产生的压降，会降低谐波电流测试值的大小。当产品的测试结果处于临界状态而需要考虑不确定度的影响时（有关分析参见文献[5]），这一问题需要引起注意。

4.2 改善谐波电流测试仪综合性能

根据目前综合电参量测试仪的功能指标，该仪器可以广泛应用在EMC测试系统的前端和离线测试系统。目前该测试仪可以被应用在EMC检测时测试系统工位的电压特性的检测，用来衡量测试系统的供电网络是否合乎要求。对于其他测试系统，如谐波电流测试、电压波动测试、抗扰度测试等待测物工况的检测，这时更为合理的方式是使用有较多监测参数的综合电参量测试仪。根据IEC 61000-4-7的要求（5.4条款），测试仪器的电压长期稳定性要不低于±2.0%（文献[2]，5.4.2.2）。同时在 IEC 相关标准[1]中的附录A.2，要求试验电压的变化范围应保持在额定电压的±2.0%之内。这两个指标对谐波电流测试非常重要。在标准[1]中对于谐波电流测量有一个总的要求，即测量的重复性应优于±5.0%（文献[1]，6.2.3.1）。在试验配置的相关要求中，测试过程需要在预计产生最大总谐波电流（THC）的模式下进行，但这并不是要求在测量过程中寻找最恶劣的发射状态。标准中的这些要求表明，谐波电流测试是一个受到多种因素影响的比较复杂的系统工程。目前大量的非线性电子线路接入公共电网，引起的谐波电流污染随着时间的推移将会越来越严重，今后对提高谐波电流测试项目的可重复性、检测结果具有较小不确定度等要求会越来越高。

4.3 谐波电流测试仪数据分析

使用如图2配置的谐波电流测试仪，综合电参量测试仪用于辅助谐波电流测试。选择洁霸吸尘器样品进行谐波电流测试。样品的电参量数据如下：样品名称及型号为洁霸吸尘器JBC3801C；额定电压为220～240V@50Hz/60Hz；额定功率为2kW。谐波电流测试仪选用EMC-PARTNER的HARMONICS-100[6]。

实验中发现，对于纯阻抗性负载（如额定功率为2 kW的电热水壶），综合电参量测试仪测量待测物工位端的电压值，与谐波电流测试仪测量的稳压电源输出端的电压值偏差很小，小于0.2V。这一偏差可以认为是由仪器的检测精度造成的。对于额定功率为2 kW的吸尘器，工位端和电源输出端的电压偏差较大，前者因负载而导致的压降在2 V左右。按照标准[1，7]的要求，电压的变化范围应保持在额定电压±2.0%之内，因此产生2V压降符合标准要求。但在另一个方面，根据谐波电流测量对重复性的要求（偏差小于±5.0%），对于一些低谐波电流的产品（如灯具类），尽管最终谐波电流值的测量结果判断为合格，却与标准中的条款要求不一致。表1给出了一些相关测试数据。

从表1的结果可以看出，电压的变化范围保持在额定电压的±2.0%之内的要求，与谐波电流测量对重复性的要求（偏差小于±5.0%），在一些情况下不能同时满足。尽管从检测结果的风险评估来分析，这种影响较小。但对于检测结果的可重复性等方面的影响却不容忽视。

表1 谐波电流的测试数据

5 结束语

在谐波电流测试的基础标准中，还存在一些标准条款与实际测试结果不相符合的情况[1]。为提高谐波电流测试的可重复性，降低检测结果的测量不确定度，建议在该标准的条款中可以尝试进行如下的修订：（1）电压的变化范围应保持在额定电压的±2.0%之内修改为±1.0%；（2）明确给出测试电压为与待测物相连接的工位端的电压。以上两点供同行商榷。

[1]IEC 61000-3-2：2005+A1：2008+A2：2009，Electromagnetic compatibility（EMC）-Part3-2：Limits-Limits for harmonic current emissions（equipment input current≤16A per phase）[S].Switzerland：IEC Press，2009.

[2]IEC 61000-4-7：2002+A1：2008，Electromagnetic compatibility （EMC）-Part4-7，Testing and measurement techniques-general guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation，for power supply systems and equipment connected thereto[S].Switzerland：IEC Press，2008.

[3]CISPR 14-1：2005+A1：2008，Electromagnetic compatibility requirements for household appliances electric tools and similar apparatus-Part 1：Emission[S].Switzerland：IEC Press，2008.

[4]CISPR 22：2005+A1：2005+A2：2006，Information technology equipment radio disturbance characteristics limits and methods of measurement[S].Switzerland，Geneva：IEC Press，2006.

[5]扈罗全，赵润生，陆全荣，等.置信度对电磁兼容评估的影响与分析[J].苏州大学学报：工学版，2009，29（4）：5-9.

[6]EMC Partner，Regulatory authority use EMC PARTNER’s HAR1000 to enforce harmonic and flicker CE requirements in germany[DB/OL].[2008-04-15].http:www.emc-partner.com/resource/pdf/a_HAR-RegTP-E01.pdf.

[7]JJF 1205-2008，谐波和闪烁分析仪校准规范[S].北京：中国标准出版社，2008.