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怎样定位电源运行时的谐波干扰?方法都在这里

菜鸟
2017-12-06 11:38:45    评分

仪商导读:谐波干扰是电源运行过程中常见的现象,工程师往往需要不断的升级PFC电路来改进自家的电源产品,那么,怎样定位电源运行时的每一次谐波值和频率呢?下面给出了答案。

对于精密电子设备来说,最怕遇到的就是来自外部干扰的冲击,这往往是致命的。事实上,外部干扰无处不在,比如在工业现场,电网就无时无刻都在被谐波电流冲击,这同样会对用电网络中的精密电子设备形成严重干扰。那么这种干扰是怎样形成的呢?

谐波干扰的形成

在用电网络中,存在许多非线性负载,如:中频炉、变频器、直流电机驱动器、电子镇流器等工作电流剧烈变化的设备,会向电网注入谐波电流。这类谐波电流产生的电压畸变容易导致PLC、数控机床、计算机、精密仪器等设备受到干扰,出现工作异常。


要记住:非线性负载向电网发射的谐波电流本身并不会对其他设备产生影响,我们所看到的谐波对其他设备的影响,是谐波电流通过电网的阻抗产生谐波电压产生的。关于这种现象的解释如下图所示:


这里设备1是产生谐波电流的设备,它工作时向电网注入谐波电流。由于电网有一定的阻抗,电网的阻抗包括,变压器的阻抗Z0,线路的阻抗Z1Z2,总的阻抗就Z=(Z0+Z1+Z2)。当设备1向电网注入谐波电流时(记为In),则在电网的阻抗Z上产生了谐波电压(记为Un),于是设备2的电源输入端就出现了谐波电压Un

如果谐波电压超过了设备2能够承受的程度,设备2就会受到这个谐波电压的干扰。一般电子设备允许的谐波畸变率为UTHD<5%



在现实中,设备1往往是中频炉、变频器、直流电机驱动器等工作电流发生剧烈变化的设备,设备2往往是PLC、数控机床、计算机、精密测量仪器等设备。谐波对其他设备造成的不良影响主要体现在以下几个方面:

数字控制设备,PLC、数控机床等,发生误动作;

信号采集系统、测量仪器等的精度降低;

电动机发生抖动、过热。

从上述原理可知,谐波源负载是否会对同一个电网上的电子设备造成干扰,主要取决于电子设备的电源线输入端电压谐波畸变的大小,以及电子设备供电电源的抗干扰能力。

谐波源负载产生同样的谐波电流的情况下,与变压器之间的距离越远,则对应的电网阻抗越大,引起的电压畸变就越大,越容易对同一个电网上的电子设备形成干扰。而不同的电子设备抗畸变电压的能力也有优劣之分,在同一供电网络,某台电子设备会受干扰,并不意味着所有的电子设备在这个位置都会受干扰。

因此,对于非线性负载,需要使用功率分析仪测试其谐波电流是否超出相关标准规定的限值。致远PA全系列功率分析仪支持全球最通用的IEC61000-4-7谐波测试标准;而对于电能质量要求较高的精密设备,需要对其供电电源的抗谐波干扰能力进行测试。

其中PA8000认证级功率分析仪强大FFT测量功能可以分析每一次频点的能量,最小分辨率为0.1Hz,通过此功能可以查看每次间谐波的数据。



在实际测试中,需要测试电源输入端的间谐波指标,目前业界只有PA8000认证级功率分析仪和PA6000HPA5000H支持此功能。国内某权威检测机构购买的PA5000H正是用于电源抗干扰度测试,是业界最合适的解决方案。

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关键词: 电源 谐波干扰 直流电机 仪器仪表    

菜鸟
2018-01-29 15:40:13    评分
2楼

  在整流回路中,输入电流的波形为不规则的矩形波,波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波,其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中,输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形,对于GTR大功率逆变元件,其PWM的载波频率为2~3KHZ,而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15KHZ。同样,输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波,而高次谐波电流对负载直接干扰。另外,高次谐波电流还通过电缆向空间辐射,干扰邻近电气设备。

  具体常用方法:

  (1) 变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立,或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器,切断谐波电流。

  (2) 在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器,或安装谐波滤波器,滤波器的组成必须是LC型,吸收谐波和增大电源或负载的阻抗,达到抑制谐波的目的。

  (3) 电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆,并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设,避免辐射干扰。

  (4) 信号线采用屏蔽线,且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离(至少20cm以上),切断辐射干扰。

  (5) 变频器使用专用接地线,且用粗短线接地,邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开,使用短线。这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。

  磁场探头发射的电压信号输出(Uprobe),被频谱分析仪分离成频谱。磁场修正系数(KH)定义为:描述电压信号和相关磁场(HRF)的关系。磁场(HRF)与电流(IRF)相关,这样,另一个修正系数基于电流(IRF)来定义。

  1、磁场修正:

  从磁场探头测出的电压信号(Uprobe),通过修正公式,可计算出磁场探头线圈里的磁场强度(HRF)。在每个单独的应用中,磁场探头的修正系数与测量几何参数无关,即探头可以在任意距离和角度来操纵,相对于导体没有任何修正错误(图2),其结果都是围绕探头线圈的是平均磁场强度(图1)。

  在探头线圈里的场强发布(均匀磁场)

  通用测试设置布局

  根据修正系数(KH),按下面公式运算平均磁场强度:

  运算方程式举例见图3:

  图3中,磁场探头位于全频范围内恒定的磁场中。由于耦合的因素,在探头中感应的电压取决于频率。耦合系数来自测得的电压(Uprobe)和平均磁场强度之间。如果修正系数再加上被测电压(Uprobe),就可得到实际存在的磁场强度(HRF对数表达)。

  使用公式可以从测得的曲线(Uprobe)和修正系数(KH)来确定平均磁场强度(HRF)。结果如图3所示。

  图3怎样运算修正系数举例

  2、电流修正:

  在射频磁场(HRF)和射频电流(IRF)之间存在一致的物理相关性,它们的关系程度取决于电流导体布局的几何参数。因此,测试中需要在定义的参考设置下,来标定电流修正系数(K I)。

  在高频电流探头使用时,只有几何参数与参考设置重合,才会准确修正测定的电流值(Icorr)。如果在设置上有偏差,电流值(Icorr)也会偏离,此时,计算出的电流值(Icorr)只能是一种强弱程度参考值,不是一个精确的测量值。测试修正时,根据下面的几何参数进行参考设置(图4和图5) :此时要求导线宽2mm;导线距离接地系统的高度为1mm;磁场探头放在导线上(见图4)。

  根据电流修正系数(KH),按下面公式运算电流值:

  图4 用于RF-R400-1\RF-R50-1\RF-R3-2\RF-R0.3-3近场探头的设置

  图5 用于RF-B3-2\RF-B0.3-3\RF-K7-4\RF-U2.5-2\RF-U 5-2近场探头的设置

  本例中采用的是在全频率范围内恒定的电流(图6)。 通过磁场探头,该电流变成电压,并通过频谱分析仪测出探头输出电压(Uprobe)。从探头输出的电压波形,再加上频率有关的校正系数,这样测量出导体中的电流(对数)。在本参考设置 里,Icorr就为流过的电流(dBuA)。

  电流校正举例(绿色为电流dBμA)

  电流校正举例(绿色为电流dBμA)

  本文由拍明芯城(iczoom.com)撰写编辑,如需了解更多欢迎咨询拍明芯城官网。



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