IEC61000-3-12标准的分析与应用

IEC61000-3-12标准的分析与应用张哲民，姚苏毅，杨喜军，王晗上海交通大学电气工程系，上海，200240摘要：截止目前，为限制非线性负荷向电网发射的谐波电流，共计颁布了两个关于谐波电流限制的国际标准，即IEC61000-3-2:2000和IEC61000-3-12:2005。为了更好地理解这两个标准，本文对这两个标准进行了详细比较，包括基本概念、适用范围等方面，重点描述和分析了后者中新增的一些概念和物理意义，为了标准的理解与具体应用打下基础。针对单相低压交流电源供电的家用柜机变频空调的谐波电流抑制问题，为了适合IEC61000-3-12:2005，给出了两种输入功率6.6kW的单相完全有源模拟和数字PFC的具体设计和谐波电流测试结果。关键字：谐波电流限度，IEC61000-3-2:2000，IEC61000-3-12:2005，模拟PFC，数字PFCAnalysisanditsApplicationsofStandardIEC61000-3-12ZHANGZhe-min，YAOSu-yi,YANGXi-jun,WANGHanDept.ofElectricalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240Abstract:Uptonow,tolimitthelaunchoftheharmoniccurrentfromnon-linearloadtopowergrid,itissuestwoharmoniccurrentrestrictionsoninternationalstandards,thatis,IEC61000-3-2:2000andIEC61000-3-12:2005.Inordertobetterunderstandthesetwostandards,thepapercomparesthesetwostandardsindetail,includingbasicconceptsandtheapplicationscope.Italsofocusesondescriptionandanalysisofanumberofnewconceptsandphysicalmeaninginthelatterstandardtolaythefoundationforspecificapplications.Inordertosolvetheproblemofharmoniccurrentonlow-voltagesingle-phaseACpowersupplyofhouseholdfrequencyair-conditionedandfitIEC61000-3-12:2005,itgivestwospecificdesignandharmoniccurrenttestresultsofinputpower6.6kWofsingle-phasefullyactiveanaloganddigitalPFC.KeyWords:Harmoniccurrentlimit,IEC61000-3-2:2000,IEC61000-3-12:2005,AnalogPFC,DigitalPFC1．引言随着世界各国经济的发展，现代工业、交通等行业使用的各种换流设备的数量越来越多、容量也越来越大，加上电弧炉、家用电器等非线性用电设备接入电网，将其产生的谐波电流注入电网，使公用电网的电压波形发生畸变。电能质量下降，同时威胁电网和包括电容器在内的各种电气设备的安全经济运行。因此，必须把公用电网的谐波量控制在允许范围内，以保证电能质量，防止谐波对电网和用户的电气设备、各种用电器具造成危害，保持其安全经济运行，并获得良好的社会效益。绝大多数电气设备都是从低压电网取得电源，所以确定低压电网的电压总谐波畸变率，保证这些电气设备免受谐波的干扰，具有很重要的意义。要控制电网中的谐波电压和谐波电流的其他危害，就必须限制谐波源注入电网的谐波电流，也可以直接对谐波电压进行直接抑制。对于采用整流桥和电解电容的电力电子变换器而言，具有非线性负载特性，为抑制谐波电流可以采用无源PFC技术和有源PFC技术等等。谐波电流的抑制必须符合标准IEC61000-3-2:2000（设备每相输入电流小于等于16A）和IEC61000-3-12:2005（设备每相输入电流大于16A），除了适用的最大每相输入电流水平不一样外，这两个标准在其他多个方面存在着差别，后者还增加了一些新的限制指标和名次术语，使得在理解和使用上有所不同，为加深对这个标准的理解和应用，有必要在比较的基础上对后者进行较为深入的分析。另外，变频家电的应用日益普及，如果不采用谐波电流抑制措施，其危害将日益严重。在变频空调中有一类输出功率大于3.5kW的柜机、一拖多空调和小中央空调，输入交流电压为220V或240V等，此时输入电流已经超过16A，要求适用标准IEC61000-3-12:2005。鉴于此，本文主要介绍了谐波电流发射的限制标准的制定背景，对IEC61000-3-2标准和IEC61000-3-12标准进行对比，同时介绍IEC61000-3-12在大功率单相PFC上的应用实例。2．谐波电流标准的比较与分析2.1IEC61000-3-2：2000中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会IEC61000-3-2最早由IEC61000-3-2最早由IEC技术分委会77A制订：低频现象：电磁兼容，其第二版于1995年出版，取代第一版，并与1997年和1998年进行两次修订，2000年8月第二版，EMCPart3-2：谐波电流发射限度（设备输入电流≤16A），只适用接受220/380V、230/400V以及240/415V、频率为50Hz或60Hz的公共低压配电网连接电源供电的设备，为合理地限制电流，有必要对用电设备进行合理分类，以体现标准的针对性。IEC61000-3-2把设备分成A、B、C、D四类。A类：平衡的三相设备；家用电器，不包括列人D类的设备；工具，不包括便携式工具；白炽灯调光器；音频设备。未规定为B、C、D类的设备均视为A类设备。B类：便携式工具；未用作专用设备的电弧焊设备C类：照明设备，含调光设备D类：输入电流具有特殊波形和有功功率小于600W的用电设备。个人计算机和个人计算机显示器；电视接收机。不论输入电流波形如何，B类、C类和具有相角控制的电动机传动设备不包括D类设备中。IEC61000-3-2对于A、B、C、D四类设备分别进行限制。A类设备的限度：A类设备输入电流的各次谐波不应超过表1给出的限度。B类设备的限度：B类设备输入电流的各次谐波不应超过表1给出值的1.5倍。C类设备的限度：（1）有功输入功率大于25W对于有功输入功率大于25W的照明电器，谐波电流不应超过表2给出的相关限度。（2）有功输入功率不大于25W对于有功功率不大于25W的放电灯，应符合下列两项要求中的一项：—谐波电流不超过表3第2栏中与功率相关的限度；—用基波电流百分数表示的3次谐波电流不应超过86％,5次谐波不超过61%；而且，假设基波电源电压过零点为0°，输入电流波形应是60°。或之前开始流通，65°或之前有最后一个峰值（如果在半个周期内有几个峰值），在90°前不应停止流通。如放电灯带有内置式调光器，测量仅在满负荷条件下进行。D类设备的限度：对于D类设备，谐波电流和功率应按照规定进行测量，输入电流谐波不应超过表3给出的限度。表1A类设备的谐波电流限度表2C类设备的谐波电流限度表3D类设备的谐波电流限度标准中对用电设备的控制方式的使用场合也做出了相关规定，包括对称控制方式和不对称控制方式。具有对称控制的家用电器如果短时使用，例如吹风机，按照A类测试，谐波次数n最大允许谐波电流A谐波次数n最大允许谐波电流A奇次谐波偶次谐波32.3021.0851.1440.4370.7760.3090.408n4≤≤00.238/n×110.33130.2115n39≤≤0.1515/n×谐波次数n基波频率下输入电流百分数表示的最大允许谐波电流/%2357911n39≤≤(仅有奇次谐波)230λ×10753λ为电路功率因数谐波次数n每瓦允许的最大谐波电流(mA/W)最大允许谐波电流(A)35791113n39≤≤(仅对奇次谐波)3.41.91.00.50.353.85/n2.301.140.770.400.33(见表1)中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会表3给出的限度适应于所有有功功率大于75W的应用，有功功率小于等于75W的应用没有限度，该下限75W将在本标准实施4年以后降至50W。2.2IEC61000-3-12：20052.2.1标准的出台该标准第一版于2004年11月发布，取代了以前的技术报告IEC61000-3-4。该标准用于额定输入每相电流16A和≤75A的电器和电子设备，这些设备是用于与电压在240V单相和690V三相额定频率为50Hz或60Hz的公共低压配电网连接。该标准适用于安装在与低压级公共电源接口的电源上（例如，二级变压器）。应用IEC61800-3中关于环境的说明，该标准与第一类环境安装非常相似。IEC61000-3-12则把设备分成单相设备，相间设备，三相设备和混合设备。单相设备：连接在一线导体和中性线之间的设备。这个设备包括由一线或多线导体和中性线连接的单独负载。相间设备：由两线导体（两相）连接的设备。在正常的运行条件下，中性线不作为电流传输的导体。三相设备：由三线导体连接的设备。在正常的运行条件下，中性线不作为电流传输的导体。设备连接到三相和中性线，中性线作为传输电流的导体，就构成了三个独立的单相回路。包括三相平衡设备和三相不平衡设备：三相平衡设备：连接到三相供电的三线导体，三线或三相的电流设计成相同的幅度和波形，每一相可以由其他两相通过平移三分之一时间周期得到的三相设备。三相不平衡设备：连接到三相供电的三线导体，三线或三相的电流设计成相同的幅度和波形，每一相不能由其他两相通过平移三分之一时间周期得到的三相设备。混合设备：由一个平衡的三相负载和其他一个或多个负载在一相和中性线或是相与相之间连接在一起的设备。2.2.2术语的定义IEC61000-3-12中给出了许多名词术语的定义和解释，主要包括以下部分：（1）总谐波畸变率THD谐波电流有效值与基波有效值的比值，即，其中指基波电流有效24021nnITHDI=⎛⎞=⎜⎟⎝⎠∑1I值，指n次谐波电流有效值。nI（2）局部加权谐波畸变率PWHD权重为谐波次数n时14-40次的较高次谐波电流有效值与基波电流有效值的比值，。局部加权谐波畸变240141nnIPWHDnI=⎛⎞=⎜⎟⎝⎠∑率的采用是为了确保较高次谐波电流对结果的影响是否是充分降低，此时不再指定每次谐波电流的限度。（3）公共耦合点：公共电力系统中最靠近相关用户以及其他用户连接或可连接的节点。（4）短路功率scS三相短路功率计算于公共耦合点的标称线电压和系统线路阻抗Z，nominalU，式中Z指电网频率的线路阻2scnominal/SUZ=抗。（5）设备的额定视在功率equS额定视在功率计算于设备的额定线电流和额定电压（单相电压）或（线电压）。equIpUiU①单相设备和混合设备的单相部件：；equpequSUI=②相间设备：；equiequSUI=③平衡的三相设备和混合设备的三相部件：；3equiequSUI=④不平衡的三相设备：，max3equpequSUI=式中为在三相电流中的最大有效值，根maxequI据IEC60038，与指系统的标称定电压，pUiU例如单相120V或230V、三相线电压400V。（6）短路比sceR短路比为设备的特征值，定义如下：①单相设备和混合设备的单相部件：/(3)scescequRSS=②相间设备：/(2)scescequRSS=③三相设备和混合设备的三相部件：/scescequRSS=（7）参考的基波电流1I中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会设备额定线路电流的基波成分的有效值。equI