不間斷電源的傳導電磁騷擾特性實驗研究

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．國網國際發展有限公司，北京100120)

0 引言

目前，電子產品的電磁兼容性(electromagnetic compatibility，EMC)日益受到重視，抑制電子產品的電磁騷擾，提高它們的產品質量，使之符合EMC標準，已成為電子產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、質量輕、穩壓范圍寬等許多優點，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，經傳導和輻射后會污染電磁環境，對通信設備和電子產品造成干擾。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，采用脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)方式將蓄電池直流電能轉換為交流電能，UPS的開關頻率在12 kHz左右。

由于供電網的阻抗是一個頻率的函數，并且隨著地區不同、負載不同，電網呈現的射頻阻抗也不同，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，使用一種模擬電網射頻阻抗的網絡，即人工電源網絡［2］。人工電源網絡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。

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現，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UPS電源無論處在哪種負載狀態均有相同的功率譜譜峰，即UPS電源會穩定的在2.0 kHz處，并在2.0 kHz處產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

頻域實驗過程中，采用峰值測量法對整個實驗頻段進行掃描。國標GB6113.2－1998中規定傳導騷擾實驗掃描的頻率范圍為9 kHz～30 MHz，在實驗中發現，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果產生一定的影響，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，以便在分析結果時區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空載時其對電網側傳導干擾的頻譜。由圖8和圖9可知，UPS空載時對電網側的傳導騷擾主要集中在 9 kHz～150 kHz范圍內，而且在 12、24、36、48 kHz等12k整數倍的頻率會出現峰值。

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空載對電網側傳導干擾頻譜(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空載對電網側傳導干擾頻譜(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對電網側傳導騷擾的頻譜。從圖中可以看出，傳導騷擾仍主要集中在9 kHz～150 kHz范圍內，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等頻率上出現了明顯的峰值。

圖10 帶阻性負載99 Ω時對電網側傳導騷擾頻譜(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時對電網側傳導騷擾頻譜(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時對電網側傳導騷擾頻譜(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時對電網側傳導騷擾頻譜(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側傳導騷擾的頻譜。在9 kHz～150 kHz區間內，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側傳導騷擾頻譜(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側傳導騷擾頻譜(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 結論

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

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)產生較強的譜峰，此時的信號波形畸變嚴重。

3)UPS電源對電網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。

4)在線狀態下，UPS利用電網給負載供電，同時通過整流橋給蓄電池充電，整流橋工作會對電網及負載產生傳導干擾。離線狀態時，UPS通過PWM逆變橋給負載供電，此時對負載產生的干擾會更大。UPS在線和離線狀態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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