無線輸電多功能產(chǎn)品諧波測試及對標準修改建議

扈羅全，劉小林，俞建峰

（1.蘇州出入境檢驗檢疫局，江蘇 蘇州 215104；2.蘇州大學城市軌道交通學院，江蘇 蘇州 215021；3.江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122）

無線輸電多功能產(chǎn)品諧波測試及對標準修改建議

扈羅全1，2，劉小林2，俞建峰3

（1.蘇州出入境檢驗檢疫局，江蘇 蘇州 215104；2.蘇州大學城市軌道交通學院，江蘇 蘇州 215021；3.江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122）

為制定含無線輸電多功能產(chǎn)品的諧波電流發(fā)射測試技術(shù)細則，以進一步完善未來IEC諧波電流發(fā)射測試標準，針對當前IEC 61000-3-2：2014標準技術(shù)條款，結(jié)合當前與無線輸電多功能產(chǎn)品有關(guān)的諧波電流發(fā)射技術(shù)條款，分析含無線輸電功能產(chǎn)品的諧波電流通用測試要求。使用帶有無線輸電功能的多功能樣品，對其進行諧波電流測試數(shù)據(jù)。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)對涉及含無線輸電功能產(chǎn)品標準條款的修訂趨勢作展望和分析，并建議在IEC 61000-3-2：2014中附錄C增加合適的技術(shù)條款。

電磁兼容；諧波；無線輸電；測試流程

0 引 言

隨著各類新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，各種新型多功能產(chǎn)品陸續(xù)研發(fā)上市。作為當前技術(shù)新寵的新型無接觸供電系統(tǒng)，已經(jīng)快速在產(chǎn)品研發(fā)端發(fā)展壯大。基于無線輸電技術(shù)包括無尾家電產(chǎn)品，新型含無線輸電功能模塊的各類產(chǎn)品和設(shè)備，采取集中無線供電模式的無線輸電站系統(tǒng)等，在未來即將大量上市。

當前，以移動通信產(chǎn)品和便攜式消費類電子產(chǎn)品的無線輸電系統(tǒng)最為熱點。大量此類新型產(chǎn)品，集成了具有無線輸電功能的電磁場耦合模塊，可組成呈局域分布的依靠電磁場耦合進行能量轉(zhuǎn)換傳輸?shù)男⌒湍茉椿尽Ｄ壳耙呀?jīng)有大量文獻對這類產(chǎn)品的運行原理[1-2]、工作效率[3-4]、標準化發(fā)展[5-6]等展開了研究。文獻[7]研究了電場耦合式無線供電技術(shù)原理和電路模型，并對其傳輸功率和傳輸效率的影響因素進行分析以提高其傳輸功率和效率的方法。文獻[8]研究了基于互感模型，給出了系統(tǒng)發(fā)射線圈恒流,輸出電壓恒壓的參數(shù)邊界條件，提高系統(tǒng)傳輸功率的穩(wěn)定性。海爾集團控股的青島眾海匯智能源公司在國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)了大功率（100～2 000 W）無線供電的家電產(chǎn)品，未來這類新型產(chǎn)品將不斷接入現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)，對公用供電網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生各種影響，有可能出現(xiàn)一些令人擔憂的諧波騷擾等現(xiàn)象。因此，需研究此類產(chǎn)品的測試技術(shù)要求，分析隨其產(chǎn)生的各種電磁學現(xiàn)象。

本文側(cè)重于研究該類產(chǎn)品在公共電網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流發(fā)射及相關(guān)測試技術(shù)，并對現(xiàn)行有效的IEC 61000-3-2：2014標準的部分技術(shù)條款[9]，提出修改意見和建議，為未來該領(lǐng)域內(nèi)標準化技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 含無線輸電功能產(chǎn)品的諧波電流通用測試要求

從設(shè)備的功能、功率以及其他宏觀特征來看，各種含無線輸電功能的產(chǎn)品，例如，基于無線輸電技術(shù)的無尾家電產(chǎn)品，可以納入A類設(shè)備范圍。這也符合標準[9]對于設(shè)備分類的要求。但是，對于含無線輸電功能的多功能產(chǎn)品，在測試時與通常的樣品檢測流程出現(xiàn)不一樣的結(jié)果。例如，標準[9]中條款6.2.1“試驗配置”中明確指出：對于在標準[9]的附錄C中未列出的設(shè)備，發(fā)射測量應(yīng)在用戶操作控制下，或自動程序設(shè)定在正常工作狀態(tài)下，預(yù)計產(chǎn)生最大總諧波電流（THC）的模式進行。該條款還同時指出，這是規(guī)定了發(fā)射試驗時設(shè)備的配置要求，并不是要求測量THC值或?qū)ふ易類毫訝顟B(tài)下的發(fā)射。但實際上，待測物的工況模式，是與最惡劣狀態(tài)下的發(fā)射狀態(tài)一致。

以諧波電流測試標準[9]中附錄C.5.3條款為例進行分析。若燈具裝有內(nèi)置式調(diào)光器，則應(yīng)按制造商規(guī)定的燈的最大負荷測量諧波電流。同時，為對樣品的諧波電流發(fā)射性能獲得全面的結(jié)論，在最小功率和最大功率之間分為5個等間隔，用以改變調(diào)光裝置的設(shè)定值。當被測樣品被分成5個等間隔功率檔位分別進行測試時，根據(jù)標準[9]中7.3 a條款的要求，測試結(jié)果需要與最大負荷條件下的限值進行比較。因此在任何調(diào)光位置，諧波電流不應(yīng)超過最大負荷條件下允許的電流值。

與燈具產(chǎn)品類似，含無線輸電功能的多功能產(chǎn)品具有不同的功能，也具有不同的運行功率。實驗中根據(jù)實際測試情況發(fā)現(xiàn)，含無線輸電功能的多功能產(chǎn)品在運行過程中，功率會發(fā)生變化。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)其主要原因，是集成了無線輸電功能的電磁場耦合模塊，易遭受周邊電磁場環(huán)境的干擾影響。因此在多數(shù)情況下，用于確定采用限值標準的功率，其數(shù)值變化要小，因而對此類產(chǎn)品的測試過程更為嚴格。故而在選擇限值標準時，需要使用與運行工況下的實際功率檔位相應(yīng)的限值進行比較，同時需要在樣品正常運行過程中，記錄其運行功率，并涵蓋其最大運行負荷條件，以便與限值進行比較。

2 無線輸電功能產(chǎn)品諧波電流測試數(shù)據(jù)與分析

根據(jù)上文對無線輸電功能產(chǎn)品的分類建議，可以把該類產(chǎn)品視作A類設(shè)備。對A類設(shè)備，目前對有功功率在75W以下的設(shè)備諧波電流豁免。但是，對于新近出現(xiàn)的多功能產(chǎn)品，IEC標準化組織正在進行修訂和技術(shù)方案征集過程中[10-12]。在下文的分析過程中，根據(jù)實際情況，把待研究的無線輸電功能產(chǎn)品分為各自相應(yīng)的類型。

選取一個具有無線輸電功能的平板產(chǎn)品，其額定功率為10W，記作樣品1。選取一個配置有無線供電模塊的組合式多功能產(chǎn)品（含有LED照明、無線通信功能的新型組合產(chǎn)品），其額定功率為15W。在試驗中，可把一個LED便攜式燈具和一個無線平板電腦組合，用來模擬未來出現(xiàn)的多功能跨界設(shè)備，記作樣品2。測試工作電壓為230V，50Hz。考慮到因這兩個樣品的特點，以及有功功率較低，在試驗時先采用C類產(chǎn)品的限值并進行評估。

樣品1的其他主要測試數(shù)據(jù)如下所示：

測試過程中的最大值：

其他相關(guān)測試數(shù)據(jù)參見圖1～圖4，表1和表2。

圖1 樣品1諧波電流測試波形圖

圖2 樣品1諧波分量數(shù)據(jù)

圖3 樣品2諧波電流測試波形圖

圖4 樣品2諧波分量數(shù)據(jù)

表1 樣品1的 3次及5次諧波分量（按C類設(shè)備進行評估）

表2 樣品2的 3次及5次諧波分量（按C類設(shè)備進行評估）

表3 樣品1的 3次及5次諧波分量（按D類設(shè)備進行評估）

參考設(shè)備按照D類設(shè)備進行評估，根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)，可以對其按照標準[9]和標準[13]的要求進行相應(yīng)的計算。結(jié)果見表3。

從表1和表3的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對樣品的數(shù)據(jù)進行處理，對測試結(jié)果的判斷，有同樣的結(jié)論，也即該樣品諧波電流測試不符合標準。

在實際測試過程中，最終的測試數(shù)據(jù)分析表明，實驗使用兩個樣品的諧波電流，如果按照C類設(shè)備的限值，或者按照小功率D類設(shè)備的限值進行評估，均不符合現(xiàn)有標準的要求。但由于含無線輸電功能的產(chǎn)品在設(shè)備分類上，根據(jù)其自身產(chǎn)品的特點，既可以從整體結(jié)構(gòu)劃歸為A類設(shè)備，也可以從設(shè)備功能上將其劃歸為其他類別。這就會對這類設(shè)備的測試過程，以及對結(jié)果的判斷引起爭議。今后如何對此類產(chǎn)品應(yīng)用諧波電流標準進行測試，還需經(jīng)過專家的論證和分析。

3 涉及含無線輸電功能產(chǎn)品標準條款的修訂趨勢分析

在未來，將會出現(xiàn)大量使用無線輸電功能的產(chǎn)品，例如新型的帶有無線輸電模式的LED燈具，無線充電裝置等。對于此類產(chǎn)品的諧波電流發(fā)射及相關(guān)限值，需要進行全面評估和分析。據(jù)目前所知，各種類型的無線輸電功能產(chǎn)品在工作時會產(chǎn)生一定程度的諧波電流。當大量無線輸電功能產(chǎn)品同時使用時，對供電網(wǎng)絡(luò)饋入的各次諧波有可能非常嚴重。當前大量民用無線輸電功能產(chǎn)品的有功功率，在10W以下。在制定針對小功率無線輸電功能產(chǎn)品的諧波電流限值時，需要對有功功率、視在功率、功率因子工作環(huán)境溫度、輸入電壓等因素進行綜合評估，以利于無線輸電功能產(chǎn)品的推廣和技術(shù)發(fā)展。根據(jù)IEC/SC77A/WG-1對于IEC 61000-3-2：2014的最新修訂意見[11-12]，考慮到當前消費市場大量出現(xiàn)小于5W功率的產(chǎn)品，提出5 W以下的產(chǎn)品豁免諧波電流測試。但是對于無線輸電功能產(chǎn)品而言，由于其功率因子很低，需要根據(jù)實際情況對無線輸電功能產(chǎn)品設(shè)置的諧波電流豁免的功率，以使得大量使用的此類小功率產(chǎn)品，對供電網(wǎng)絡(luò)的影響在可控范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文通過對無線輸電功能產(chǎn)品測試過程的描述和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)如果按照C類設(shè)備的限值，或者按照小功率D類設(shè)備的限值進行評估，自制的多功能樣品均不符合現(xiàn)有標準的要求。因此在未來確定該類產(chǎn)品的諧波電流限值時，需要更多的測試樣本。同時，可建議對IEC 61000-3-2：2014中附錄C部分的技術(shù)條款進行如下修改：在該標準附錄C中增加“C. 16帶無線充電功能設(shè)備的試驗條件”。根據(jù)待測物實際提供的功能，對該類設(shè)備進行分類。優(yōu)先對設(shè)備劃為非A類。

為利于使用無線輸電技術(shù)新產(chǎn)品的發(fā)展，并有效控制電網(wǎng)中的諧波電流發(fā)射水平，對今后諧波標準修訂工作提供參考，對于帶無線充電功能設(shè)備的設(shè)備，在測試過程中需要調(diào)整其控制裝置，在各項功能達到穩(wěn)定并在最惡劣狀態(tài)下后進行測試。

[1]武瑛.新型無接觸供電系統(tǒng)的研究[D].北京：中國科學院電工研究所，2004.

[2]KURS A，KARALIS A，MOFFATT R.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J]. Science，2007（317）：83-86.

[3]KURS A，KARALIS A，MOFFATT R，et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J]. Science，2007，317（5834）：83-86.

[4]楊慶新，章鵬程，祝麗花，等.無線電能傳輸技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)與技術(shù)瓶頸問題[J].電工技術(shù)學報，2015，30（5）：1-8.

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[8]翟淵，孫躍，蘇玉剛，等.具有恒壓特性的磁共振模式無線供電系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學報，2015（9）：12-16.

[9]Electromagnetic compatibility（EMC）-Part3-2:Limits-Limits for harmonic current emissions（equipment input current≤16A per phase）：IEC.IEC 61000-3-2：2014[S]. Switzerland：IEC Press，2014.

[10]Electromagnetic compatibility（EMC）-Part 1-4：General-Historical rationale for the limitation of power-frequency conducted harmonic current emissions from equipment, in the frequency range up to 2kHz：IEC.IEC/TR 61000-1-4 Ed.1.0[S].Switzerland：IEC Press，2005.

[11]Report on the activities of SC 77A/WG 1 between the 2013 and 2015 plenary meetings：IEC.TC 77A/903/DA[S]. Switzerland：IEC Press，2015.

[12]Maintenance programme-Call for comments regarding maintenance of IEC 61000-3-2：Electromagnetic compatibility（EMC）-Part 3-2：Limits-Limits for harmonic current emissions（equipment input current≤16 A per phase）：IEC.TC 77A/847/DC[S].Switzerland：IEC Press，2014.

[13]Electromagnetic compatibility（EMC）-Part 4-7：Testing and measurement techniques-General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation，for power supply systems and equipment connected thereto：IEC.IEC 61000-4-7：2009[S].Geneva：IEC Press，2009.

（編輯：劉楊）

Analysis on harmonic current testing for multi-functional products equipped with wireless power transmission function and modification advices for the standards

HU Luoquan1，2，LIU Xiaolin2，YU Jianfeng3
（1.Suzhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Suzhou 215104，China；2.School of Urban Rail Transportation，Suzhou University，Suzhou 215021，China；3.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

To prepare technical clauses for harmonic current emission testing of multi-functional products equipped with wireless power transmission function and to further improve the IEC standards for harmonic current emission testing in future，requirements for the harmonic current emission testing of products equipped with wireless power transmission function are analyzed according to the technical clauses of up-dated IEC 61000-3-2：2014 and existing technical clauses about the harmonic current emissions of multi-functional products with wireless power transmission function.Harmonic current emission testing is carried out for the products equipped with wireless power transmission function.The test data are combined to make a forecast and analysis on the modification tendency of clauses of the standards related to products equipped with wireless power transmission function and appropriate technical clauses are recommended to be added to the Appendix C in existing IEC 61000-3-2：2014.

electromagnetic compatibility；harmonic wave；wireless power transmission；testing procedure

A

：1674-5124（2017）01-0033-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.007

2016-07-20；

：2016-08-17

國家質(zhì)檢總局科研項目（2014IK192）；江蘇出入境檢驗檢疫局科研項目（2014KJ13，2015KJ11，2015KJ14）

扈羅全（1972-），男，江蘇宜興市人，高級工程師，博士，研究方向為電磁兼容、安全性能檢測。