戴武昌， 趙春璋

(1．東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012;2．國網(wǎng)國際發(fā)展有限公司，北京100120)

0 引言

目前，電子產(chǎn)品的電磁兼容性(electromagnetic compatibility，EMC)日益受到重視，抑制電子產(chǎn)品的電磁騷擾，提高它們的產(chǎn)品質(zhì)量，使之符合EMC標準，已成為電子產(chǎn)品設計者越來越關注的問題［1－5］。

不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)，具有功耗小、效率高、體積小、質(zhì)量輕、穩(wěn)壓范圍寬等許多優(yōu)點，己被廣泛應用于計算機及其外圍設備、通信、自動控制、家用電器等領域。但UPS的突出缺點是會產(chǎn)生較強的電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)。EMI信號既具有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導和輻射后會污染電磁環(huán)境，對通信設備和電子產(chǎn)品造成干擾。如果處理不當，電源本身就會變成一個騷擾源［6－9］。

UPS由于開關晶體管、高頻變壓器和輸出回路在工作時會產(chǎn)生變化率和幅值都很大的電壓和電流脈沖，會在電源線和地線之間、電源線和電源線之間產(chǎn)生共模和差模騷擾。這類脈沖有較寬的頻帶和非常豐富的諧波成分，考慮到一般UPS的工作頻率只有幾千赫茲，即使考慮了開關波形中較大的諧波成分，其騷擾的頻率范圍也是比較低的，在UPS中更多的是以傳導形式傳送到輸入和輸出端，從而形成傳導騷擾［10－11］。

本文針對不間斷電源的高頻電磁兼容性問題進行了探討，主要研究了其傳導電磁騷擾的時域和頻域特性，分析了阻抗特性對電磁騷擾的影響。

1 實驗布置

圖1為實驗原理圖，實驗設備主要包括普通的220 V交流供電電源、人工電源網(wǎng)絡、UPS(包括帶載及不帶載)檢測設備等。

圖1 傳導騷擾實驗原理Fig．1 Schematic diagram of conduction disturbance experiment

受試設備為不間斷電源(UPS)，功率為1 kVA，輸入電壓為220 V，輸出電壓220 V，采用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)方式將蓄電池直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，UPS的開關頻率在12 kHz左右。

由于供電網(wǎng)的阻抗是一個頻率的函數(shù)，并且隨著地區(qū)不同、負載不同，電網(wǎng)呈現(xiàn)的射頻阻抗也不同，這就難以對不同的騷擾源和不同的頻率下的騷擾電壓進行比較。為了解決這一問題，使用一種模擬電網(wǎng)射頻阻抗的網(wǎng)絡，即人工電源網(wǎng)絡［2］。人工電源網(wǎng)絡Shaffner LISN－NNB41和測量設備之間用特性阻抗為50 Ω的同軸電纜連接，分別利用頻譜儀Agilent E4407B和示波器為Tek DPO 4054完成時域和頻域測量。

2 傳導騷擾的時域特性測量

當測量信號的時間長度為250 μs時很難獲得頻率相對低一些的頻譜特性(10 kHz以下)，為了獲得低頻處的頻譜特性，改測量時間為250 ms，以下是測量得到的結(jié)果。

在沒有接UPS電源的條件下檢測到的電源端背景信號如圖2所示。由圖可知，其背景噪聲為工頻干擾，幅值在200～400 mV范圍內(nèi)。

圖2 未接AMN情況下的背景Fig．2 Background of no case of AMN

當接入感性負載后檢測到電源端騷擾信號發(fā)生了明顯的變化，如圖3所示。由圖可知，背景電壓明顯低于接入感性負載時的電壓。

圖3 接入帶電感負載的UPS電源后的AMN信號變化Fig．3 Changes of AMN signal after access UPS power with inductance load

圖4為背景噪聲的頻譜，圖5為空載、感性負載、阻性負載的頻譜。

從圖4中可以看出，在50 Hz、4 kHz處存在譜峰，說明背景噪聲的能量主要集中在這兩個頻率附近。在空載、感性負載、阻性負載3種信號的頻譜對比中發(fā)現(xiàn)，這三種頻譜基本一致，如圖5所示，在2.2 kHz處存在一個較大的譜峰，在23.8 kHz處存在譜峰。

這說明，在低頻段內(nèi)UPS電源無論處在哪種負載狀態(tài)均有相同的功率譜譜峰，即UPS電源會穩(wěn)定的在2.0 kHz處，并在2.0 kHz處產(chǎn)生能量較大的諧波分量;并且此分量不隨負載的變化而變化，但其對應波形的幅值會不同。

圖4 背景噪聲的頻譜分析Fig．4 Frequency spectrum analysis of background noise

圖5 空載、感性負載、阻性負載的低頻頻譜分析Fig．5 The low frequency spectrum analysis of no load，inductive load，resistive load

3 傳導騷擾的頻域特性研究

頻域?qū)嶒炦^程中，采用峰值測量法對整個實驗頻段進行掃描。國標GB6113.2－1998中規(guī)定傳導騷擾實驗掃描的頻率范圍為9 kHz～30 MHz，在實驗中發(fā)現(xiàn)，受試設備的傳導騷擾主要集中在低頻范圍(9 kHz～150 kHz)，因此在實驗中也增加了這一頻段范圍的測量。

3.1 電壓傳導騷擾特性分析

由于實驗的工作電壓比較低，測試電路的背景噪聲會對實驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此在實驗正式開始之前，需要先測量實驗平臺的背景噪聲，以便在分析結(jié)果時區(qū)分這部分信號的干擾。圖6和圖7為不同頻帶下電壓背景噪聲的頻譜，圖8和圖9為UPS空載時其對電網(wǎng)側(cè)傳導干擾的頻譜。由圖8和圖9可知，UPS空載時對電網(wǎng)側(cè)的傳導騷擾主要集中在 9 kHz～150 kHz范圍內(nèi)，而且在 12、24、36、48 kHz等12k整數(shù)倍的頻率會出現(xiàn)峰值。

圖6 電壓背景噪聲頻譜(9 kHz～30 MHz)Fig．6 Frequency spectrogram of noise of voltage background(9 kHz～30 MHz)

圖7 電壓背景噪聲頻譜(9 kHz～150 kHz)Fig．7 Frequency spectrogram of noise of voltage background(9 kHz～150 kHz)

圖8 UPS空載對電網(wǎng)側(cè)傳導干擾頻譜(9 kHz～30 MHz)Fig．8 Interference spectrum of conduction disturbance of UPS no-load for grid side(9 kHz～30 MHz)

圖9 UPS空載對電網(wǎng)側(cè)傳導干擾頻譜(9 kHz～150 kHz)Fig．9 Interference spectrum of conduction disturbance of UPS no-load for grid side(9 kHz～150 kHz)

圖10～圖13為阻性負載工況下UPS對電網(wǎng)側(cè)傳導騷擾的頻譜。從圖中可以看出，傳導騷擾仍主要集中在9 kHz～150 kHz范圍內(nèi)，而且改變阻性負載的阻值，頻譜變化不大。從圖11和圖13中可以看出，在24 kHz、48 kHz、72 kHz等頻率上出現(xiàn)了明顯的峰值。

圖10 帶阻性負載99 Ω時對電網(wǎng)側(cè)傳導騷擾頻譜(9 kHz～30 MHz)Fig．10 UPS with resistance load 99 Ω for the grid side conduction disturbance spectrum(9 kHz～30 MHz)

圖11 帶阻性負載99 Ω時對電網(wǎng)側(cè)傳導騷擾頻譜(9 kHz～150 kHz)Fig．11 UPS with resistance load 99 Ω for the grid side conduction disturbance spectrum(9 kHz～150 kHz)

圖12 UPS帶阻性負載122.5 Ω時對電網(wǎng)側(cè)傳導騷擾頻譜(9 kHz～30 MHz)Fig．12 UPS with resistance load 122.5 Ω for the grid side conduction disturbance spectrum(9 kHz～30 MHz)

圖13 UPS帶阻性負載122.5 Ω時對電網(wǎng)側(cè)傳導騷擾頻譜(9 kHz～150 kHz)Fig．13 UPS with resistance load 122.5 Ω for the grid side conduction disturbance spectrum(9 kHz～150 kHz)

圖14和圖15為UPS帶感性負載時對電網(wǎng)側(cè)傳導騷擾的頻譜。在9 kHz～150 kHz區(qū)間內(nèi)，傳導騷擾明顯，而且在24 kHz、48 kHz、72 kHz等頻率上仍存在峰值點。通過與阻性負載對比可知，感性負載工況下的峰值點幅值偏低。

圖14 UPS帶感性負載時對電網(wǎng)側(cè)傳導騷擾頻譜(9 kHz～30 MHz)Fig．14 UPS with inductive load for the grid side conduction disturbance spectrum(9 kHz～30 MHz)

圖15 UPS帶感性負載時對電網(wǎng)側(cè)傳導騷擾頻譜(9 kHz～150 kHz)Fig．15 UPS with inductive load for the grid side conduction disturbance spectrum(9 kHz～150 kHz)

3.2 負載側(cè)電流傳導騷擾特性分析

圖16為電流的背景噪聲頻譜。圖17和圖18為共模電流的頻譜，UPS對負載的傳導騷擾中的共模電流比較小，而且沒有明顯的峰值。圖19和圖20為差模電流的頻譜。從圖20中可以看出，差模電流在在19 kHz和38 kHz處有明顯的峰值。

圖16 電流背景噪聲頻譜(9 kHz～30 MHz)Fig．16 Frequency spectrogram of noise of current background(9 kHz～30 MHz)

圖17 共模電流頻譜(9 kHz～30 MHz)Fig．17 Frequency spectrogram of common-mode current(9 kHz～30 MHz)

圖18 共模電流頻譜(9 kHz～150 kHz)Fig．18 Frequency spectrogram of common-mode current(9 kHz～150 kHz)

圖19 差模電流頻譜(9 kHz～30 MHz)Fig．19 Frequency spectrogram of differential mode current(9 kHz～30 MHz)

圖20 差模電流頻譜(9 kHz～150 kHz)Fig．20 Frequency spectrogram of differential mode current(9 kHz～150 kHz)

圖21和圖22為UPS離線情況下的差模電流頻譜。從圖22中可以看出，離線狀態(tài)的差模電流在19 kHz和38 kHz處同樣有峰值點，而且離線情況下的差模電流比在線情況下要大，即離線狀態(tài)UPS對負載的影響比在線時嚴重。

圖21 UPS離線情況下的差模電流頻譜(9 kHz～30 MHz)Fig．21 Frequency spectrogram of differential mode current in the off-line case UPS(9 kHz～30 MHz)

圖22 UPS離線情況下的差模電流頻譜(9 kHz～150 kHz)Fig．22 Frequency spectrogram of differential mode current in the off-line case UPS(9 kHz～150 kHz)

4 結(jié)論

1)由于電力電子裝置會對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，干擾主要集中在開關頻率的整數(shù)倍處。UPS對電網(wǎng)側(cè)的影響主要集中在9k～150 kHz頻段內(nèi)，在12、24、36、48 kHz等12k整數(shù)倍的頻率有峰值。

2)負載的變化對較低頻率處的諧波分量(2 kHz、24 kHz、48 kHz)的影響不大，但是會在更高的頻段處(50 kHz以上)產(chǎn)生較強的譜峰，此時的信號波形畸變嚴重。

3)UPS電源對電網(wǎng)的傳導騷擾波的幅值(峰值)在3～6 V之間，主要諧波頻率存在于2 kHz～100 kHz范圍內(nèi)。

4)在線狀態(tài)下，UPS利用電網(wǎng)給負載供電，同時通過整流橋給蓄電池充電，整流橋工作會對電網(wǎng)及負載產(chǎn)生傳導干擾。離線狀態(tài)時，UPS通過PWM逆變橋給負載供電，此時對負載產(chǎn)生的干擾會更大。UPS在線和離線狀態(tài)對負載的差模電流影響比較大，而且在19 kHz和38 kHz處有峰值。

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