真空吸塵器工況對(duì)諧波電流測試的影響與分析

扈羅全 ， 向 霞

（1.蘇州出入境檢驗(yàn)檢疫局，江蘇 蘇州 215104；2.中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院電氣研究室，江蘇 蘇州 215104；3.電子科技大學(xué)應(yīng)用物理系，四川 成都 610054）

1 引 言

隨著新產(chǎn)品不斷推陳出新，各項(xiàng)檢測標(biāo)準(zhǔn)更新頻繁。對(duì)于出口的家電類產(chǎn)品，中國現(xiàn)在使用現(xiàn)行有效的出口目的國標(biāo)準(zhǔn)[1]。以家電產(chǎn)品諧波電流發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)為例，基本上5年升級(jí)一個(gè)版本，現(xiàn)行有效的國際IEC 標(biāo)準(zhǔn)是 IEC 61000-3-2∶2005+A1∶2008[2-3]。真空吸塵器作為典型的小家電產(chǎn)品，在對(duì)接入220～240V電網(wǎng)的家用吸塵器產(chǎn)品進(jìn)行電磁兼容檢測時(shí)，必須進(jìn)行諧波電流發(fā)射的測試。在新的標(biāo)準(zhǔn)中，真空吸塵器的測試條件有明顯的變化。為了跟上國際諧波標(biāo)準(zhǔn)的更新步伐，針對(duì)真空吸塵器控制觸發(fā)角的要求和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析和討論，給出使用不同諧波電流發(fā)射測試方式的結(jié)果比較與分析。

2 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測試工況的要求

2.1 諧波電流限值

在諧波電流標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)限值進(jìn)行了詳細(xì)說明，具體要求如下（參見 IEC 61000-3-2∶2005，6.2.3.3條款[2]，以及文獻(xiàn)[4-5]）：

在整個(gè)試驗(yàn)觀察周期內(nèi)得到的單個(gè)諧波電流的平均值應(yīng)不大于所采用的限值。

對(duì)于每一次諧波，如條款6.2.2所定義的，所有的1.5 s的諧波電流平滑均方根值滿足下面的兩個(gè)條件之一：

（a）應(yīng)不大于所應(yīng)用限值的150%。

（b）應(yīng)不大于所應(yīng)用限值的200%，并同時(shí)滿足下面的條件：

（1）EUT屬于A類設(shè)備；

（2）大于所應(yīng)用限值的150%的漂移時(shí)間，小于試驗(yàn)觀察期間或者總共10 min觀察期間的10%（當(dāng)存在兩種不同觀察期間時(shí)，取相對(duì)漂移時(shí)間的較小值）；

（3）諧波電流的平均值在整個(gè)試驗(yàn)觀察期間應(yīng)不大于90%。

在試驗(yàn)條件下測量的，小于輸入電流的0.6%或小于5 mA的諧波電流，無論哪一個(gè)較大都可不予考慮。

上面的條款（b）是最新版本諧波新標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容。與舊版標(biāo)準(zhǔn)相比，新版標(biāo)準(zhǔn)對(duì)A類設(shè)備限值的具體應(yīng)用放寬了評(píng)估條件，從原來限值的150%擴(kuò)大為限值的200%。從數(shù)值上看，這是對(duì)舊標(biāo)準(zhǔn)限值應(yīng)用的放寬。但實(shí)際上，由于計(jì)算諧波分量的大小時(shí)考慮了諧間波的影響，新標(biāo)準(zhǔn)中的評(píng)估條件更加嚴(yán)格和科學(xué)。這從一個(gè)側(cè)面說明了家用電子電氣類產(chǎn)品進(jìn)行諧波電流發(fā)射測試標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)酷性和復(fù)雜性。

2.2 工況信息對(duì)諧波電流測試的影響

以家電產(chǎn)品為例，待測物使用工況（有時(shí)也稱工作條件、測試條件等）涉及的電參數(shù)有電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、總諧波電流、觸發(fā)角等。在IEC的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)體系中，其相關(guān)條款的制定均已經(jīng)考慮到了工況對(duì)測試結(jié)果的影響作用，有很多文獻(xiàn)對(duì)這一問題進(jìn)行了研究[6-9]。以IEC 61000-3-2∶2005為例[2]，在諧波電流發(fā)射測試標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)白熾燈調(diào)光器和真空吸塵器等產(chǎn)品有觸發(fā)角的要求。以吸塵器為例，要求觸發(fā)角設(shè)定到90°±5°；如果是多級(jí)控制，則設(shè)定到最接近90°的那一級(jí)上。標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-3-2中未指明是電壓或電流的觸發(fā)角。在IEC 61000-3-2的2008年公布的增補(bǔ)文件中[3]，給出了使用電流觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)控的示意圖，因此在實(shí)際測試過程中均對(duì)電流波形進(jìn)行控制。現(xiàn)在使用的絕大多數(shù)諧波電流測量儀對(duì)觸發(fā)角有一個(gè)間接的觀察窗口，無法精確地控制。

3 觸發(fā)角工況的特點(diǎn)與影響

在諧波電流發(fā)射測試標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)白熾燈調(diào)光器和真空吸塵器等有觸發(fā)角的要求。電流觸發(fā)角的定義見圖1。使用示波器可以觀察吸塵器的電流觸發(fā)波形。當(dāng)電壓相位90°時(shí)，對(duì)應(yīng)電流相位為0°，此時(shí)觸發(fā)角為90°，如圖2所示。

在觸發(fā)角控制過程中，經(jīng)常被測試工程師忽略了兩個(gè)細(xì)節(jié)。其一，由于待測物中非線性線路的影響，使得電壓和電流之間的相位不同步，電流波形與電壓波形之間有一定的相位延遲，見圖3。實(shí)際測量的電壓和電流異步波形見圖4。這樣當(dāng)電壓波形對(duì)應(yīng)于90°位置，電流波形的相位往往會(huì)飄移到100°附近。其二，實(shí)際測量過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)吸塵器而言，如果第一個(gè)電流半周期在90°附近觸發(fā)，但第二個(gè)半周期不會(huì)剛好在270°附近觸發(fā)。圖5給出了某吸塵器在運(yùn)行過程中不同半周期處電流觸發(fā)的波形示意圖。第一個(gè)半周期在90°附近觸發(fā)，但第二個(gè)半周期在280°附近觸發(fā)（此處假設(shè)電壓與電流同相）。

圖5 吸塵器在運(yùn)行過程中不同半周期處電流觸發(fā)的波形示意圖（測試儀器為EMC Partner HAR1000-P）

IEC標(biāo)準(zhǔn)把觸發(fā)角定為90°附近，是因?yàn)樵诶硐霠顟B(tài)下該工況有可能產(chǎn)生最大的諧波電流。在新標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)諧波電流大小的評(píng)價(jià)是使用三種工況的平均效應(yīng)進(jìn)行分析，因此觸發(fā)角工作狀態(tài)的設(shè)置對(duì)最終測量結(jié)果的影響非常大。這就要求在測試過程中必須正確設(shè)置吸塵器的觸發(fā)角。盡管在標(biāo)準(zhǔn)[2]中沒有明確指出觸發(fā)角的定義，但是目前很多諧波電流測試軟件均以第一個(gè)半周期的觸發(fā)角為準(zhǔn)。很多吸塵器在設(shè)計(jì)觸發(fā)電路時(shí)，由于電路成本等因素，一般只考慮第一個(gè)半周期的觸發(fā)位置。在實(shí)際測試過程中必須綜合考慮這些因素，以使測試工況與標(biāo)準(zhǔn)的精神相一致。

4 不同諧波電流檢測方式所得結(jié)果的比較

在實(shí)際檢測過程中，通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用示波器監(jiān)測到電壓觸發(fā)角在90°附近時(shí)，待測的吸塵器輸出功率在半功率點(diǎn)附近。這在理論上也很好理解，在理想的正弦波電流狀態(tài)下，90°觸發(fā)角表明只有半個(gè)周期的電流起有功作用，這種工況剛好對(duì)應(yīng)于半功率狀態(tài)。文獻(xiàn)[10]給出了一種簡單合理、便于實(shí)際操作的吸塵器諧波電流發(fā)射檢測流程，現(xiàn)引用如下：

（1）電機(jī)設(shè)置在最大轉(zhuǎn)速狀態(tài)，敞開吸口運(yùn)行3 min，測量其輸出功率；然后吸口堵住20 s，隨后測量其輸出功率。對(duì)這兩個(gè)功率值取算術(shù)平均，再調(diào)節(jié)吸塵器的風(fēng)口，使得瞬時(shí)輸出功率為前面計(jì)算的值，記作Pm。

（2）保持吸口不變化，如果最低轉(zhuǎn)速狀態(tài)的功率大于Pm/2，在最低轉(zhuǎn)速狀態(tài)運(yùn)行2min（一般這種情況不會(huì)發(fā)生）；如果最低轉(zhuǎn)速狀態(tài)的功率小于Pm/2，則調(diào)整吸塵器的轉(zhuǎn)速，使其實(shí)際運(yùn)行功率達(dá)到半功率狀態(tài)，運(yùn)行2min。

（3）保持吸口不變化，電機(jī)設(shè)置在最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，運(yùn)行2min。

（4）保持吸口不變化，電機(jī)設(shè)置在最低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，運(yùn)行2min。

圖6 吸塵器在在不同工況下的平均諧波電流

取三個(gè)不同的吸塵器作為分析樣本，同時(shí)設(shè)定三種不同的使用工況：工況A，90°觸發(fā)角并考慮相位延遲；工況B，該文推薦的半功率狀態(tài)；工況C，90°觸發(fā)角，未考慮相位延遲。測試結(jié)果見圖6（為簡單起見只分析了2～10次諧波電流）。在單一工況條件下測試時(shí)間為2min，每個(gè)樣本測試10次，然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見圖6。從圖6中發(fā)現(xiàn)，在三個(gè)樣本中，不同工況下的諧波電流值是有差異的，并且工況2給出的諧波電流值在幾乎所有的諧波中均處于中間。這說明使用工況2進(jìn)行測試時(shí)，測試結(jié)果的穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)束語

對(duì)真空吸塵器諧波電流發(fā)射測試進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在對(duì)真空吸塵器進(jìn)行諧波電流測試時(shí)吸塵器的工況對(duì)測試結(jié)果影響很大，特別是真空吸塵器的觸發(fā)角對(duì)諧波電流發(fā)射檢測流程有著非常大的影響。根據(jù)最新版本的IEC諧波電流發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)中若干條款的技術(shù)細(xì)則要求，結(jié)合實(shí)際的測試情況，分析了三種不同的工況條件下吸塵器的諧波電流測試結(jié)果。建議使用半功率狀態(tài)來確保滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)吸塵器觸發(fā)角的控制要求，可以彌補(bǔ)某些測試分析軟件的不足，同時(shí)測試的結(jié)果相對(duì)比較穩(wěn)定。

[1]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局檢驗(yàn)監(jiān)管司.落實(shí)專項(xiàng)整治加強(qiáng)出口小家電檢驗(yàn)監(jiān)管工作要求[EB/OL].2009.

[2] IEC 61000-3-2 ∶2005， Electromagnetic compatibility（EMC）-Part3-2:Limits-Limitsforharmonic current emissions（equipment input current≤16A per phase）[S].Switzerland，Geneva：IEC Press，2005.

[3] IEC 61000-3-2∶A1∶2008，Electromagnetic compatibility（EMC）-Part3-2：Limits-Limitsforharmonic current emissions（equipment input current≤16A per phase）[S].Switzerland，Geneva：IEC Press，2008.

[4] IEC 61000-4-7 ∶2002， Electromagneticcompatibility（EMC）-Part 4-7：Testing and measurement techniquesgeneral guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation，for power supply systems and equipment connected thereto [S].Switzerland，Geneva：IEC Press，2002.

[5]GB 17625.1-2003，電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值（設(shè)備每相輸入電流≤16A）[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[6] 張文英，柴彥清.測試條件對(duì)電容器電性參數(shù)值的影響[J].中國測試技術(shù)，2008，34（5）：30-33.

[7] 程麗玲，蔡永華.電磁兼容測量結(jié)果可追溯性技術(shù)探討[J].環(huán)境技術(shù)，2007，25（6）：25-27.

[8] 邢 琳，陳 光.騷擾功率兩種測試方法的比較[J].低壓電器，2007（16）：43-47.

[9]扈羅全.電流參量測試儀及其在電磁兼容測試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].安全與電磁兼容，2009（5）：19-21.

[10]扈羅全，薛 峰，吳 剛，等.新版諧波電流標(biāo)準(zhǔn)對(duì)吸塵器測試要求的比較分析[J].安全與電磁兼容，2008（5）：9-11.