1 引言
隨著世界各國經(jīng)濟的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)、交通等行業(yè)使用的各種換流設備的數(shù)量越來越多、容量也越來越大，加上電弧爐、家用電器等非線性用電設備接入電網(wǎng)，將其產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng)，使公用電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變。電能質(zhì)量下降，同時威脅電網(wǎng)和包括電容器在內(nèi)的各種電氣設備的安全經(jīng)濟運行。因此，把公用電網(wǎng)的諧波量控制在允許范圍內(nèi)，以保證電能質(zhì)量，防止諧波對電網(wǎng)和用戶的電氣設備、各種用電器具造成危害，保持其安全經(jīng)濟運行，并獲得良好的社會效益，乃是制訂諧波國標的目的。低壓電網(wǎng)中的電壓總諧波畸變率允許值是確定各級中、高壓電網(wǎng)電壓總諧波畸變率的基礎。同時由于絕大多數(shù)電氣設備都是從低壓電網(wǎng)取得電源，所以確定低壓電網(wǎng)的電壓總諧波畸變率，保證這些電氣設備免受諧波的干擾，具有很重要的意義。根據(jù)交流感應電動機發(fā)熱、電容器過電壓和過電流能力以及電子計算機安全工作，國標確定低壓(0.38kv)的電壓總諧波畸變率為5%，奇次諧波電壓含有率4.0%，偶次諧波電壓含有率2.0%。國標確定中壓(6.0kv/10.0kv)的電壓總諧波畸變率為4%，奇次諧波電壓含有率3.2%，偶次諧波電壓含有率1.6%電壓等級越高，允許的電壓總諧波畸變率、奇次諧波電壓含有率、偶次諧波電壓含有率越小。國標中諧波電壓以相電壓中含量為準。實際測量表明，相電壓諧波含量往往大于線電壓諧波含量。諧波電流的存在還會帶來許多其它危害：干擾通信線路，引起電機、變壓器和電容器等電氣設備附加損耗和發(fā)熱，降低繼電保護、控制以及檢測裝置的工作精度和可靠性，引發(fā)線路并聯(lián)或串聯(lián)諧振等等。要控制電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流的其他危害，就必須限制諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流，也可以直接對諧波電壓進行直接抑制。對于采用整流橋和電解電容的電力電子變換器而言，它具有非線性負載特性，為抑制諧波電流可以采用以下方法：
(1) 多脈沖整流器技術；
(2) 升壓型pwm整流器；
(3) 降壓型矩陣整流器；
(4) 有源電力濾波器；
(5) 無源電力濾波器；
(6) 無源pfc技術；
(7) 有源pfc技術等等。
諧波電流的抑制必須符合標準iec61000-3-2: 2000(設備每相輸入電流小于等于16a)和iec61000-3-12: 2005(設備每相輸入電流大于16a)，除了適用的每相輸入電流最大值不一樣外，這兩個標準在其他多個方面存在著差別，后者還增加了一些新的限制指標和名詞術語，使得在理解和使用上有所不同，為加深對這個標準的理解和應用，有必要在比較的基礎上對后者進行較為深入的分析。另外，變頻家電的應用日益普及，如果不采用諧波電流抑制措施，其危害將日益嚴重。在變頻空調(diào)中有一類輸出功率大于3.5kw的柜機、一拖多空調(diào)和小中央空調(diào)，輸入交流電壓為220v或240v等，此時輸入電流已經(jīng)超過16a，要求適用標準iec61000-3-12: 2005。鑒于此，本文主要介紹了諧波電流發(fā)射的限制標準的制定背景，對iec61000-3-2標準和iec61000-3-12標準進行對比，同時介紹iec61000-3-12在大功率單相pfc上的應用實例。

2 諧波電流標準的比較與分析
2.1 iec61000-3-2標準

iec61000-3-2標準最早由iec技術分委會77a制訂，其第二版于1995年出版，取代第一版，并與1997年和1998年進行兩次修訂，2000年8月第二版，emc part3-2：諧波電流發(fā)射限度(設備輸入電流≤16a)，只適用接受220/380v、230/400v以及240/415v、頻率為50hz或60hz的公共低壓配電網(wǎng)連接電源供電的設備。
2.1.1 iec61000-3-2標準對用電設備分類
為合理地限制電流，有必要對用電設備進行合理分類，以體現(xiàn)標準的針對性。iec61000-3-2把設備分成a、b、c、d四類:
(1) a類：平衡的三相設備，家用電器，不包括列入d類的設備；工具，不包括便攜式工具；白熾燈調(diào)光器；音頻設備。未規(guī)定為b、c、d類的設備均視為a類設備。
(2) b類：便攜式工具，未用作專用設備的電弧焊設備。
(3) c類：照明設備，含調(diào)光設備。
(4) d類：輸入電流具有特殊波形和有功功率小于600w的用電設備，個人計算機及個人計算機顯示器，電視接收機。不論輸入電流波形如何，b類、c類和具有相角控制的電動機傳動設備不包括在d類設備中。
2.1.2 iec61000-3-2標準對用電設備的諧波限度
(1) a類設備的限度：a類設備輸入電流的各次諧波不應超過表1給出的限度；
(2) b類設備的限度：b類設備輸入電流的各次諧波不應超過表1給出值的1.5倍；
(3) c類設備的限度：輸入功率大于25w的照明電器，諧波電流不應超過表2給出的相關限度；輸入功率不大于25w的放電燈，應符合下列兩項要求中的一項：
●諧波電流不超過表3第2欄中與功率相關的限度；
●用基波電流百分數(shù)表示的3次諧波電流不應超過86%，5次諧波不超過61%；而且，假設基波電源電壓過零點為0°，輸入電流波形應是60°?；蛑伴_始流通，65°或之前有最后一個峰值(如果在半個周期內(nèi)有幾個峰值)，在90°前不應停止流通。如放電燈帶有內(nèi)置式調(diào)光器，測量僅在滿負荷條件下進行。
(4) d類設備的限度：d類設備諧波電流和功率應按照規(guī)定進行測量，輸入電流諧波不應超過表3給出的限度。
2.1.3 iec61000-3-2標準對用電設備的控制方式的規(guī)定
標準中對用電設備的控制方式的使用場合也做出了相關規(guī)定，包括對稱控制方式和不對稱控制方式。具有對稱控制的家用電器如果短時使用，例如吹風機，則按照a類測試。
2.1.4 iec61000-3-2標準對諧波電流測試方法的規(guī)定
標準中給出了諧波電流測試方法，高于19次的諧波，考慮總體頻譜分布。如果頻譜呈現(xiàn)隨著諧波次數(shù)增加的單調(diào)遞減趨勢，諧波電流測試可以僅限于19次。諧波電流低于輸入電流0.6%或小于5ma，不論哪次諧波電流含量過高，都認為符合標準。如果諧波電流限度以基波電流或輸入有功功率的函數(shù)形式給出，各電流與輸入功率的測試應該在同一條件下進行。
2.1.5 iec61000-3-2標準對諧波電流測試條件的規(guī)定
(1) 穩(wěn)態(tài)時，限度適用于按照附件a、b和c測量得到的穩(wěn)態(tài)諧波電流；
(2) 暫態(tài)時，按照附件a、b和c測量得到的暫態(tài)諧波電流，適用以下條件；
用電設備認為獲自動投入運行和脫離運行時，持續(xù)時間低于10s的諧波電流，不考慮限度；表1～表3中的限度適用于設備或設備部件測試過程中所有的其它暫態(tài)諧波電流。但是，對于瞬態(tài)偶次諧波電流次數(shù)2～10與暫態(tài)奇數(shù)諧波電流次數(shù)3～19，在任意2.5min觀測周期的最大10%的時間內(nèi)，按照表1～3中限度1.5倍的值考慮每一次的諧波電流；
(3) 對于安裝在支架和箱體中的設備每一個獨立的機內(nèi)部件，應該將其視為獨立接于電源，支架和箱體無需整體測試；
(4) 對于獨立于或內(nèi)置于燈/照明器、泛光燈的調(diào)光設備，以下條件適用：
●對于獨立調(diào)光設備：獨立調(diào)光設備的諧波電流不應超過表1的限度，如果白熾燈采用相位控制，觸發(fā)角不應超過145°，應該按照條款c.6給出的條件進行調(diào)光器的測試；
對于內(nèi)置調(diào)光設備：對于白熾燈光源，內(nèi)置調(diào)光設備的諧波電流不應超過表1的限度，如果采用相位控制，觸發(fā)角不應超過145°，應該按照條款c.6給出的條件進行調(diào)光器的測試；
●對于放電燈具，不應超過根據(jù)表2給出的百分限度推算出的最大負載條件下的諧波電流值。在任何調(diào)光位置，諧波電流不應超過最大負載條件下的電流值，應該按照條款c.5給出的條件進行設備的測試。
(5) 表3 給出的限度適應于所有有功功率大于75w的應用，有功功率小于等于75w的應用沒有限度，該下限75w將在本標準實施4年以后降至50w。
2.1.6 iec61000-3-2標準附件
iec61000-3-2提供了3個附件：
(1) 附件a：規(guī)定了標準化的測量電路和電源；
(2) 附件b：規(guī)定了標準化的測量設備的要求，包括總則、普適全部儀器、頻域儀器、采用dft的時域儀器、采用非dft系統(tǒng)的時域儀器；
(3) 附件c：設備類型測試條件，包括總測試條件、電視接收器、音頻放大器、磁帶錄像機、照明設備、獨立和內(nèi)置白熾燈調(diào)光器、真空吸塵器、洗衣機、微波爐、信息技術設備、空調(diào)、廚房電動機、用于非專業(yè)設備的弧焊設備以及其它設備。
2.2 iec61000-3-12：2005標準
該標準第一版于2004年11月發(fā)布，取代了以前的技術報告iec61000-3-4。該標準用于額定輸入每相電流＞16a和≤75a的電器和電子設備，這些設備是用于與電壓在240v單相和690v三相額定頻率為50hz或60hz的公共低壓配電網(wǎng)連接。該標準適用于安裝在與低壓級公共電源接口的電源上(例如，二級變壓器)。應用iec 61800-3中關于環(huán)境的說明，該標準與第一類環(huán)境安裝非常相似。
2.2.1 iec61000-3-12標準對用電設備分類
iec61000-3-12則把設備分成單相設備，相間設備，三相設備和混合設備。
(1) 單相設備：連接在一線導體和中性線之間的設備。這個設備包括由一線或多線導體和中性線連接的單獨負載；
(2) 相間設備：由兩線導體(兩相)連接的設備。在正常的運行條件下，中性線不作為電流傳輸?shù)膶w；
(3) 三相設備：由三線導體連接的設備。在正常的運行條件下，中性線不作為電流傳輸?shù)膶w。設備連接到三相和中性線，中性線作為傳輸電流的導體，就構成了三個獨立的單相回路。包括三相平衡設備和三相不平衡設備。
●三相平衡設備：連接到三相供電的三線導體，三線或三相的電流設計成相同的幅度和波形，每一相可以由其他兩相通過平移三分之一時間周期得到的三相設備；
●三相不平衡設備：連接到三相供電的三線導體，三線或三相的電流設計成相同的幅度和波形，每一相不能由其他兩相通過平移三分之一時間周期得到的三相設備；
(4) 混合設備：由一個平衡的三相負載和其他一個或多個負載在一相和中性線或是相與相之間連接在一起的設備。
2.2.2 iec61000-3-12標準術語的定義
iec61000-3-12中給出了許多名詞術語的定義和解釋，主要包括以下部分：
(1) 總諧波畸變率thd
諧波電流有效值與基波有效值的比值，即，其中i1指基波電流有效值，in指n次諧波電流有效值；
(2) 局部加權諧波畸變率pwhd
權重為諧波次數(shù)n時14-40次的較高次諧波電流有效值與基波電流有效值的比值，，局部加權諧波畸變率的采用是為了確保較高次諧波電流對結果的影響是否是充分降低，此時不再指定每次諧波電流的限度；
(3) 公共耦合點
公共電力系統(tǒng)中最靠近相關用戶以及其他用戶連接或可連接的節(jié)點；
(4) 短路功率ssc
三相短路功率計算于公共耦合點的標稱線電壓unominal和系統(tǒng)線路阻抗z，，式中z指電網(wǎng)頻率的線路阻抗。
(5) 設備的額定視在功率sequ
額定視在功率計算于設備的額定線電流iequ和額定電壓up(單相電壓)或ui(線電壓)。
●單相設備和混合設備的單相部件：sequ=upiequ；
●相間設備：sequ=uiiequ；
●平衡的三相設備和混合設備的三相部件：；
●不平衡的三相設備：sequ= 3upiequ max，式中iequ max為在三相電流中的最大有效值，根據(jù)iec60038，up與ui指系統(tǒng)的標稱定電壓，例如單相120v或230v、三相線電壓400v。
(6) 短路比rsce
短路比為設備的特征值，定義如下：
●單相設備和混合設備的單相部件：rsce=ssc/(3sequ)
●相間設備：rsce=ssc/(2sequ)
●三相設備和混合設備的三相部件：rsce=ssc/sequ
(7) 參考的基波電流i1
設備額定線路電流iequ的基波成分的有效值。
(8) 總諧波電流thc
2次到40次的諧波電流總的有效值，。
(9) 待機/睡眠模式
待機模式指非周期、低功耗模式，持續(xù)時間不確定。
(10) 專業(yè)設備
用于貿(mào)易、專業(yè)或各業(yè)且非銷售目的，標示由廠商指明。
(11) i5與基波相電壓up1之間的相角
5次諧波電流的相角定義見圖1和圖2。

圖1 5次諧波電流相角的定義(i5超前up1,α5>0)

圖2 5次諧波電流相角的定義(i5滯后 ,up1,α5<0)

2.2.3 iec61000-3-12標準諧波電流限度
(1) 參考基波電流i1測量值
參考基波電流i1測量值，按照額定線電流iequ計算，。其線電流有效值應該等于廠商表明的額定線電流。單次諧波電流低于參考基波電流的1%時不與考慮。
(2) 單次諧波電流的測量值
對于單次諧波電流的測量值，按照在每一個離散傅立葉變換(dft)時間窗口(按照iec61000-4-7中的定義)內(nèi)測量1.5s穩(wěn)定平滑有效值諧波電流。單次諧波電流的計算值，按照在整個觀測時期內(nèi)計算dft時間窗口中測量得到的算術平均值。
(3) 諧波電流限度適用條件
給定限度適應230v/400v、50hz系統(tǒng)，給定的諧波電流限度適用于線路電流而不適應中心線電流。對于多個額定電流的設備，每一電流均需評估。
(4) iec61000-3-12標準諧波電流限度
表4給出了平衡的三相設備除外的設備電流發(fā)射限度，表5和表6給出了平衡的、在指定條件下平衡的三相設備諧波電流的發(fā)射限度。
2.2.4 諧波電流限度適用條件
(1) 滿足諧波電流發(fā)射限度、符合rsce=33的設備適合電源系統(tǒng)的任何節(jié)點的接線；
(2) 不滿足諧波電流發(fā)射限度、符合rsce=33的設備，假定短路比高于33，允許更高的發(fā)射限度。廠商必須指定一個假定的rsce值；
(3) 只要滿足以下情況下之一，也可以適用表6的限度。
●在整個觀察期內(nèi)，5次諧波電流相對基波相電壓的相角在90°到150°之間。具有不控整流橋和容性濾波器(包括3%交流或4%直流電抗器)的設備一般滿足該條件。
●在整個時間中5次諧波電流的相角沒有設定值，可以取整個區(qū)間[0°，360°]的任意值。具有晶閘管全控整流橋的變換器一般滿足該條件。
●在觀察期內(nèi)5次和7次諧波電流每一個都要小于參考基波電流的5%。
注：這個條件在12脈波的設備中通常滿足。具有12脈沖的設備一般滿足該條件。
(4) 表5或表6可以適用以下的環(huán)境中的混合設備：
●混合設備的最大3次諧波電流低于基波電流的5%。
●混合設備分割成平衡的三相設備、單相或相間負載，被測設備部件的電流應該與正常運行條件下電流相同，此時分別適用單相或相間設備以及平衡的三相設備部件的諧波電流限度。表5或6適用于三相平衡設備的諧波電流限度，表4適用于單相或相間設備諧波電流限度。廠商應該指明每一設備部件的額定負載電流，混合設備的短路比決定于最高短路功率ssc和表中最小rsce值，每個負載單獨計算。
2.2.5 諧波電流限度使用流程
圖3給出了表4、5和6的使用流程。

圖3 表4、5和6使用流程

2.2.6 iec61000-3-12標準諧波電流限度依據(jù)
該標準依據(jù)短路電流比(rsce)規(guī)定了不同諧波電流的限度(單次諧波電流為百分比級，總諧波電流畸變率為百分比)。短路電流比是變頻器(和其他非線性負荷)的特性值，是從公共連接點的短路功率(ssc)與變頻器的額定視在功率(sequ)比計算得來的(如：rsce = ssc/sequ)。設備的額定視在功率是用額定均方根輸入電流(如上所說，該均方根輸入電流取決于諧波電流的電平)計算出來的?；旧?，該標準為較小的短路電流比制訂了更加嚴格的諧波電流百分比級和總諧波電流畸變率百分比的限度。例如，如果變頻器占用系統(tǒng)上大部分電流負荷，則諧波電流的限度更低。其原因是限制針對系統(tǒng)上總電流負荷比例的諧波電流，從而能有效將總諧波電壓畸變率限制在保證其他設備不受影響的限度以內(nèi)。沒有加裝基本的諧波濾波器，直流線圈或交流輸入線圈，變頻器是不能符合該標準的。但是，加裝直流線圈或5%交流輸入線圈的變頻器，如果短路電流比≥120，應能符合該標準。

3 iec61000-3-12標準在大功率pfc中的應用
大功率變頻家用柜機空調(diào)的額定功率一般輸出功率大于3.5kw，單相交流電壓供電，額定電流有效值超過了16a，此時應該適用iec61000-3-12標準：平衡的三相設備除外的設備電流發(fā)射限度。為了滿足該標準，無源pfc方案已經(jīng)不再適用，單相有源電力濾波器也不適合使用，部分/局部有源pfc、完全有源pfc、并聯(lián)交錯有源pfc成為首選方案，隨著大功率pfc要求控制具有更高的靈活性和可靠性，數(shù)字控制pfc將逐漸代替模擬控制。采用有源pfc作為變頻家用電器功率前級，能否滿足iec61000-3-12標準，也需要通過實驗驗證。
3.1 單相大功率模擬pfc實驗
采用l4981b設計實現(xiàn)了開關頻率在20.5khz～25.6khz、輸入功率高達6.6kw的升壓有源pfc功率模塊，并進行了實驗測試。采用輸出電壓恒定的傳統(tǒng)乘法器pfc控制方案，但是為了降低系統(tǒng)的各種應力，輸出電壓不能過高，需要時時檢測輸入電壓波形。電解電容容量為6×470uf，igbt型號為stg80n60ufd(40a/600v/100℃)或sgl160n60uf(80a/600v/100℃)，frd型號為isl9r3060g2(30a/600v/120℃/35ns)，輸入濾波電容選擇3.3mf。鋁線磁芯硅鋼pfc電感，在交流頻率1khz時，電感量為1.40mh；交流紋波頻率16khz時；電感量0.50mh；交流紋波頻率20khz時，電感量0.45mh、直流電阻28.3ω，鋁線線徑2.6mm，25khz/150℃時集膚深度大致為0.4mm，最大載流量25a。
測試結果：
(1) 交流穩(wěn)壓源220vac電源供電條件下，空載直流電壓平均值為336.4v，輸入電流30.0a時直流電壓平均值為328.5v，紋波電壓峰峰值為19.5v。輸入電流27.6a時，輸入電壓與輸入電流波形見圖4。在整個輸入功率范圍內(nèi)，輸入電流小于16a時滿足iec61000-3-2標準中的a類設備的諧波電流限度。

圖4 輸入功率6.0kw時輸入電流波形(模擬pfc)

(2) 輸入電流大于16a時，滿足iec61000-3-12標準，最大thd為23%，最大pwhd為23%。其中輸入電流為28.1a時電流成份測試見表7，由功率分析儀fluke43b測量的thd為5.2%，計算最大thd為5.2%，最大pwhd為9.01%。

3.2 單相大功率數(shù)字pfc實驗
采用dsp tms320f2801設計實現(xiàn)了開關頻率為16.0khz、輸入功率高達6.6kw的升壓有源pfc功率模塊，并進行了實驗測試。采用輸出電壓始終高于輸入電壓峰值20vdc的電壓跟隨單周期控制方案，無需檢測輸入電壓波形惡化過零。電解電容容量為5×680μf，igbt型號為stg80n60ufd(40a/600v/100℃)或sgl160n60uf(80a/600v/100℃)，frd型號為isl9r3060g2(30a/600v/120℃/35ns)，輸入濾波電容選擇3.3μf。鋁線磁芯硅鋼pfc電感，在交流頻率1khz時電感量5.5mh，交流紋波頻率10khz時電感量1.988mh，交流紋波頻率40khz時電感量0.9887mh，直流電阻28.3ω，鋁線線徑2.6mm，25khz/150℃時集膚深度大致為0.4mm，最大載流量25a。
測試結果：
交流穩(wěn)壓源220vac電源供電條件下，空載直流電壓平均值為336.0v，輸入電流30.0a時直流電壓平均值為328.5v，紋波電壓峰峰值為19.5v。輸入電流27.6a時，輸入電壓與輸入電流波形見圖5。在整個輸入功率范圍內(nèi)，輸入電流小于16a時滿足iec61000-3-2標準中的a類設備的諧波電流限度。

圖5 輸入功率3.9kw時輸入電壓波形(數(shù)字pfc)

輸入電流大于16a時滿足iec61000-3-12標準，最大thd為23%，最大pwhd為23%。其中輸入電流為20.12a時電流成份測試見表8，由功率分析儀fluke43b測量的thd為10.1%，計算最大thd為9.93%，最大pwhd為2.56%。

4 結束語
諧波電流標準iec61000-3-2:2000與iec61000-3-12: 2005是目前僅有的兩個現(xiàn)行國際“產(chǎn)品”諧波標準。iec61000-3-2:2000標準是對于不同類別的設備提出了不同的諧波電流限度值，只要各次諧波電流全部低于相應的電流限度，就表明滿足標準。而iec61000-3-12: 2005標準則是依據(jù)短路電流比(rsce)規(guī)定了不同諧波電流的限度。前者使用比較簡單，后者的使用較為復雜，首先必須確定設備的短路比。對于功率大于3.5kw的單相交流電源供電的變頻柜機空調(diào)等負載，采用完全有源pfc作為功率前級ac/dc變換器時，能夠滿足iec61000-3-12標準。

作者簡介
張哲民 男 上海交通大學電氣工程系電力電子與電力傳動專業(yè)碩士研究生, 主要研究方向：電力電子技術及電力傳動。

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