不间断电源的传导电磁骚扰特性实验研究

戴武昌， 赵春璋

(1．东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012;2．国网国际发展有限公司，北京100120)

0 引言

目前，电子产品的电磁兼容性(electromagnetic compatibility，EMC)日益受到重视，抑制电子产品的电磁骚扰，提高它们的产品质量，使之符合EMC标准，已成为电子产品设计者越来越关注的问题［1－5］。

不间断电源(uninterruptible power supply，UPS)，具有功耗小、效率高、体积小、质量轻、稳压范围宽等许多优点，己被广泛应用于计算机及其外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。但UPS的突出缺点是会产生较强的电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)。EMI信号既具有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射后会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理不当，电源本身就会变成一个骚扰源［6－9］。

UPS由于开关晶体管、高频变压器和输出回路在工作时会产生变化率和幅值都很大的电压和电流脉冲，会在电源线和地线之间、电源线和电源线之间产生共模和差模骚扰。这类脉冲有较宽的频带和非常丰富的谐波成分，考虑到一般UPS的工作频率只有几千赫兹，即使考虑了开关波形中较大的谐波成分，其骚扰的频率范围也是比较低的，在UPS中更多的是以传导形式传送到输入和输出端，从而形成传导骚扰［10－11］。

本文针对不间断电源的高频电磁兼容性问题进行了探讨，主要研究了其传导电磁骚扰的时域和频域特性，分析了阻抗特性对电磁骚扰的影响。

1 实验布置

图1为实验原理图，实验设备主要包括普通的220 V交流供电电源、人工电源网络、UPS(包括带载及不带载)检测设备等。

图1 传导骚扰实验原理Fig．1 Schematic diagram of conduction disturbance experiment

受试设备为不间断电源(UPS)，功率为1 kVA，输入电压为220 V，输出电压220 V，采用脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)方式将蓄电池直流电能转换为交流电能，UPS的开关频率在12 kHz左右。

由于供电网的阻抗是一个频率的函数，并且随着地区不同、负载不同，电网呈现的射频阻抗也不同，这就难以对不同的骚扰源和不同的频率下的骚扰电压进行比较。为了解决这一问题，使用一种模拟电网射频阻抗的网络，即人工电源网络［2］。人工电源网络Shaffner LISN－NNB41和测量设备之间用特性阻抗为50 Ω的同轴电缆连接，分别利用频谱仪Agilent E4407B和示波器为Tek DPO 4054完成时域和频域测量。

2 传导骚扰的时域特性测量

当测量信号的时间长度为250 μs时很难获得频率相对低一些的频谱特性(10 kHz以下)，为了获得低频处的频谱特性，改测量时间为250 ms，以下是测量得到的结果。

在没有接UPS电源的条件下检测到的电源端背景信号如图2所示。由图可知，其背景噪声为工频干扰，幅值在200～400 mV范围内。

图2 未接AMN情况下的背景Fig．2 Background of no case of AMN

当接入感性负载后检测到电源端骚扰信号发生了明显的变化，如图3所示。由图可知，背景电压明显低于接入感性负载时的电压。

图3 接入带电感负载的UPS电源后的AMN信号变化Fig．3 Changes of AMN signal after access UPS power with inductance load

图4为背景噪声的频谱，图5为空载、感性负载、阻性负载的频谱。

从图4中可以看出，在50 Hz、4 kHz处存在谱峰，说明背景噪声的能量主要集中在这两个频率附近。在空载、感性负载、阻性负载3种信号的频谱对比中发现，这三种频谱基本一致，如图5所示，在2.2 kHz处存在一个较大的谱峰，在23.8 kHz处存在谱峰。

这说明，在低频段内UPS电源无论处在哪种负载状态均有相同的功率谱谱峰，即UPS电源会稳定的在2.0 kHz处，并在2.0 kHz处产生能量较大的谐波分量;并且此分量不随负载的变化而变化，但其对应波形的幅值会不同。

图4 背景噪声的频谱分析Fig．4 Frequency spectrum analysis of background noise

图5 空载、感性负载、阻性负载的低频频谱分析Fig．5 The low frequency spectrum analysis of no load，inductive load，resistive load

3 传导骚扰的频域特性研究

频域实验过程中，采用峰值测量法对整个实验频段进行扫描。国标GB6113.2－1998中规定传导骚扰实验扫描的频率范围为9 kHz～30 MHz，在实验中发现，受试设备的传导骚扰主要集中在低频范围(9 kHz～150 kHz)，因此在实验中也增加了这一频段范围的测量。

3.1 电压传导骚扰特性分析

由于实验的工作电压比较低，测试电路的背景噪声会对实验结果产生一定的影响，因此在实验正式开始之前，需要先测量实验平台的背景噪声，以便在分析结果时区分这部分信号的干扰。图6和图7为不同频带下电压背景噪声的频谱，图8和图9为UPS空载时其对电网侧传导干扰的频谱。由图8和图9可知，UPS空载时对电网侧的传导骚扰主要集中在 9 kHz～150 kHz范围内，而且在 12、24、36、48 kHz等12k整数倍的频率会出现峰值。

图6 电压背景噪声频谱(9 kHz～30 MHz)Fig．6 Frequency spectrogram of noise of voltage background(9 kHz～30 MHz)

图7 电压背景噪声频谱(9 kHz～150 kHz)Fig．7 Frequency spectrogram of noise of voltage background(9 kHz～150 kHz)

图8 UPS空载对电网侧传导干扰频谱(9 kHz～30 MHz)Fig．8 Interference spectrum of conduction disturbance of UPS no-load for grid side(9 kHz～30 MHz)

图9 UPS空载对电网侧传导干扰频谱(9 kHz～150 kHz)Fig．9 Interference spectrum of conduction disturbance of UPS no-load for grid side(9 kHz～150 kHz)

图10～图13为阻性负载工况下UPS对电网侧传导骚扰的频谱。从图中可以看出，传导骚扰仍主要集中在9 kHz～150 kHz范围内，而且改变阻性负载的阻值，频谱变化不大。从图11和图13中可以看出，在24 kHz、48 kHz、72 kHz等频率上出现了明显的峰值。

图10 带阻性负载99 Ω时对电网侧传导骚扰频谱(9 kHz～30 MHz)Fig．10 UPS with resistance load 99 Ω for the grid side conduction disturbance spectrum(9 kHz～30 MHz)

图11 带阻性负载99 Ω时对电网侧传导骚扰频谱(9 kHz～150 kHz)Fig．11 UPS with resistance load 99 Ω for the grid side conduction disturbance spectrum(9 kHz～150 kHz)

图12 UPS带阻性负载122.5 Ω时对电网侧传导骚扰频谱(9 kHz～30 MHz)Fig．12 UPS with resistance load 122.5 Ω for the grid side conduction disturbance spectrum(9 kHz～30 MHz)

图13 UPS带阻性负载122.5 Ω时对电网侧传导骚扰频谱(9 kHz～150 kHz)Fig．13 UPS with resistance load 122.5 Ω for the grid side conduction disturbance spectrum(9 kHz～150 kHz)

图14和图15为UPS带感性负载时对电网侧传导骚扰的频谱。在9 kHz～150 kHz区间内，传导骚扰明显，而且在24 kHz、48 kHz、72 kHz等频率上仍存在峰值点。通过与阻性负载对比可知，感性负载工况下的峰值点幅值偏低。

图14 UPS带感性负载时对电网侧传导骚扰频谱(9 kHz～30 MHz)Fig．14 UPS with inductive load for the grid side conduction disturbance spectrum(9 kHz～30 MHz)

图15 UPS带感性负载时对电网侧传导骚扰频谱(9 kHz～150 kHz)Fig．15 UPS with inductive load for the grid side conduction disturbance spectrum(9 kHz～150 kHz)

3.2 负载侧电流传导骚扰特性分析

图16为电流的背景噪声频谱。图17和图18为共模电流的频谱，UPS对负载的传导骚扰中的共模电流比较小，而且没有明显的峰值。图19和图20为差模电流的频谱。从图20中可以看出，差模电流在在19 kHz和38 kHz处有明显的峰值。

图16 电流背景噪声频谱(9 kHz～30 MHz)Fig．16 Frequency spectrogram of noise of current background(9 kHz～30 MHz)

图17 共模电流频谱(9 kHz～30 MHz)Fig．17 Frequency spectrogram of common-mode current(9 kHz～30 MHz)

图18 共模电流频谱(9 kHz～150 kHz)Fig．18 Frequency spectrogram of common-mode current(9 kHz～150 kHz)

图19 差模电流频谱(9 kHz～30 MHz)Fig．19 Frequency spectrogram of differential mode current(9 kHz～30 MHz)

图20 差模电流频谱(9 kHz～150 kHz)Fig．20 Frequency spectrogram of differential mode current(9 kHz～150 kHz)

图21和图22为UPS离线情况下的差模电流频谱。从图22中可以看出，离线状态的差模电流在19 kHz和38 kHz处同样有峰值点，而且离线情况下的差模电流比在线情况下要大，即离线状态UPS对负载的影响比在线时严重。

图21 UPS离线情况下的差模电流频谱(9 kHz～30 MHz)Fig．21 Frequency spectrogram of differential mode current in the off-line case UPS(9 kHz～30 MHz)

图22 UPS离线情况下的差模电流频谱(9 kHz～150 kHz)Fig．22 Frequency spectrogram of differential mode current in the off-line case UPS(9 kHz～150 kHz)

4 结论

1)由于电力电子装置会对电网产生干扰，干扰主要集中在开关频率的整数倍处。UPS对电网侧的影响主要集中在9k～150 kHz频段内，在12、24、36、48 kHz等12k整数倍的频率有峰值。

2)负载的变化对较低频率处的谐波分量(2 kHz、24 kHz、48 kHz)的影响不大，但是会在更高的频段处(50 kHz以上)产生较强的谱峰，此时的信号波形畸变严重。

3)UPS电源对电网的传导骚扰波的幅值(峰值)在3～6 V之间，主要谐波频率存在于2 kHz～100 kHz范围内。

4)在线状态下，UPS利用电网给负载供电，同时通过整流桥给蓄电池充电，整流桥工作会对电网及负载产生传导干扰。离线状态时，UPS通过PWM逆变桥给负载供电，此时对负载产生的干扰会更大。UPS在线和离线状态对负载的差模电流影响比较大，而且在19 kHz和38 kHz处有峰值。

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