IEC 61000-4-12更新了哪些内容

IEC 61000-4-12更新了哪些内容

1 引言
随着**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，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，乃是制订谐波国标的目的。低压电网中的电压总谐波畸变率允许值是确定各级中、高压电网电压总谐波畸变率的基础。同时由于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。根据交流感应电动机发热、电容器过电压和过电流能力以及电子计算机安全工作，国标确定低压(0.38kv)的电压总谐波畸变率为5%，奇次谐波电压含有率4.0%，偶次谐波电压含有率2.0%。国标确定中压(6.0kv/10.0kv)的电压总谐波畸变率为4%，奇次谐波电压含有率3.2%，偶次谐波电压含有率1.6%电压等级越高，允许的电压总谐波畸变率、奇次谐波电压含有率、偶次谐波电压含有率越小。国标中谐波电压以相电压中含量为准。实际测量表明，相电压谐波含量往往大于线电压谐波含量。谐波电流的存在还会带来许多其它危害：干扰通信线路，引起电机、变压器和电容器等电气设备附加损耗和发热，降低继电保护、控制以及检测装置的工作精度和可靠性，引发线路并联或串联谐振等等。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，它具有非线性负载特性，为抑制谐波电流可以采用以下方法：
(1) 多脉冲整流器技术；
(2) 升压型pwm整流器；
(3) 降压型矩阵整流器；
(4) 有源电力滤波器；
(5) 无源电力滤波器；
(6) 无源pfc技术；
(7) 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)，除了适用的每相输入电流较大值不一样外，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词术语，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**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
2.1 iec61000-3-2标准

iec61000-3-2标准较早由iec技术分委会77a制订，其*二版于1995年出版，取代**版，并与1997年和1998年进行两次修订，2000年8月*二版，emc part3-2：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。
2.1.1 iec61000-3-2标准对用电设备分类
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:
(1) a类：平衡的三相设备，家用电器，不包括列入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。
(2) b类：便携式工具，未用作**设备的电弧焊设备。
(3) c类：照明设备，含调光设备。
(4) 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，个人计算机及个人计算机显示器，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在d类设备中。
2.1.2 iec61000-3-2标准对用电设备的谐波限度
(1) a类设备的限度：a类设备输入电流的各次谐波不应**过表1给出的限度；
(2) b类设备的限度：b类设备输入电流的各次谐波不应**过表1给出值的1.5倍；
(3) c类设备的限度：输入功率大于25w的照明电器，谐波电流不应**过表2给出的相关限度；输入功率不大于25w的放电灯，应符合下列两项要求中的一项：
●谐波电流不**过表3*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**过86%，5次谐波不**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。
(4) d类设备的限度：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**过表3给出的限度。
2.1.3 iec61000-3-2标准对用电设备的控制方式的规定
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，则按照a类测试。
2.1.4 iec61000-3-2标准对谐波电流测试方法的规定
标准中给出了谐波电流测试方法，**19次的谐波，考虑总体频谱分布。如果频谱呈现随着谐波次数增加的单调递减趋势，谐波电流测试可以**于19次。谐波电流低于输入电流0.6%或小于5ma，不论哪次谐波电流含量过高，都认为符合标准。如果谐波电流限度以基波电流或输入有功功率的函数形式给出，各电流与输入功率的测试应该在同一条件下进行。
2.1.5 iec61000-3-2标准对谐波电流测试条件的规定
(1) 稳态时，限度适用于按照附件a、b和c测量得到的稳态谐波电流；
(2) 暂态时，按照附件a、b和c测量得到的暂态谐波电流，适用以下条件；
用电设备认为获自动投入运行和脱离运行时，持续时间低于10s的谐波电流，不考虑限度；表1～表3中的限度适用于设备或设备部件测试过程中所有的其它暂态谐波电流。但是，对于瞬态偶次谐波电流次数2～10与暂态奇数谐波电流次数3～19，在任意2.5min观测周期的较大10%的时间内，按照表1～3中限度1.5倍的值考虑每一次的谐波电流；
(3) 对于安装在支架和箱体中的设备每一个独立的机内部件，应该将其视为独立接于电源，支架和箱体*整体测试；
(4) 对于独立于或内置于灯/照明器、泛光灯的调光设备，以下条件适用：
●对于独立调光设备：独立调光设备的谐波电流不应**过表1的限度，如果白炽灯采用相位控制，触发角不应**过145°，应该按照条款c.6给出的条件进行调光器的测试；
对于内置调光设备：对于白炽灯光源，内置调光设备的谐波电流不应**过表1的限度，如果采用相位控制，触发角不应**过145°，应该按照条款c.6给出的条件进行调光器的测试；
●对于放电灯具，不应**过根据表2给出的百分限度推算出的较大负载条件下的谐波电流值。在任何调光位置，谐波电流不应**过较大负载条件下的电流值，应该按照条款c.5给出的条件进行设备的测试。
(5) 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。
2.1.6 iec61000-3-2标准附件
iec61000-3-2提供了3个附件：
(1) 附件a：规定了标准化的测量电路和电源；
(2) 附件b：规定了标准化的测量设备的要求，包括总则、普适全部仪器、频域仪器、采用dft的时域仪器、采用非dft系统的时域仪器；
(3) 附件c：设备类型测试条件，包括总测试条件、电视接收器、音频放大器、磁带录像机、照明设备、独立和内置白炽灯调光器、真空吸尘器、洗衣机、微波炉、信息技术设备、空调、厨房电动机、用于非专业设备的弧焊设备以及其它设备。
2.2 iec61000-3-12：2005标准
该标准**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iec 61800-3中关于环境的说明，该标准与第一类环境安装非常相似。
2.2.1 iec61000-3-12标准对用电设备分类
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。
(1) 单相设备：连接在*导体和中性线之间的设备。这个设备包括由*或多线导体和中性线连接的单独负载；
(2) 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；
(3) 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；
(4) 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 iec61000-3-12标准术语的定义
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i1指基波电流有效值，in指n次谐波电流有效值；
(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*每次谐波电流的限度；
(3) 公共耦合点
公共电力系统中较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ssc
三相短路功率计算于公共耦合点的标称线电压unominal和系统线路阻抗z，，式中z指电网频率的线路阻抗。
(5) 设备的额定视在功率sequ
额定视在功率计算于设备的额定线电流iequ和额定电压up(单相电压)或ui(线电压)。
●单相设备和混合设备的单相部件：sequ=upiequ；
●相间设备：sequ=uiiequ；
●平衡的三相设备和混合设备的三相部件：；
●不平衡的三相设备：sequ= 3upiequ max，式中iequ max为在三相电流中的较大有效值，根据iec60038，up与ui指系统的标称定电压，例如单相120v或230v、三相线电压400v。
(6) 短路比rsce
短路比为设备的特征值，定义如下：
●单相设备和混合设备的单相部件：rsce=ssc/(3sequ)
●相间设备：rsce=ssc/(2sequ)
●三相设备和混合设备的三相部件：rsce=ssc/sequ
(7) 参考的基波电流i1
设备额定线路电流iequ的基波成分的有效值。
(8) 总谐波电流thc
2次到40次的谐波电流总的有效值，。
(9) 待机/睡眠模式
待机模式指非周期、低功耗模式，持续时间不确定。
(10) 专业设备
用于贸易、专业或各业且非销售目的，标示由厂商指明。
(11) i5与基波相电压up1之间的相角
5次谐波电流的相角定义见图1和图2。

图1 5次谐波电流相角的定义(i5**前up1,α5>0)

图2 5次谐波电流相角的定义(i5滞后 ,up1,α5<0)

2.2.3 iec61000-3-12标准谐波电流限度
(1) 参考基波电流i1测量值
参考基波电流i1测量值，按照额定线电流iequ计算，。其线电流有效值应该等于厂商表明的额定线电流。单次谐波电流低于参考基波电流的1%时不与考虑。
(2) 单次谐波电流的测量值
对于单次谐波电流的测量值，按照在每一个离散傅立叶变换(dft)时间窗口(按照iec61000-4-7中的定义)内测量1.5s稳定平滑有效值谐波电流。单次谐波电流的计算值，按照在整个观测时期内计算dft时间窗口中测量得到的算术平均值。
(3) 谐波电流限度适用条件
给定限度适应230v/400v、50hz系统，给定的谐波电流限度适用于线路电流而不适应中心线电流。对于多个额定电流的设备，每一电流均需评估。
(4) iec61000-3-12标准谐波电流限度
表4给出了平衡的三相设备除外的设备电流发射限度，表5和表6给出了平衡的、在*条件下平衡的三相设备谐波电流的发射限度。
2.2.4 谐波电流限度适用条件
(1) 满足谐波电流发射限度、符合rsce=33的设备适合电源系统的任何节点的接线；
(2) 不满足谐波电流发射限度、符合rsce=33的设备，假定短路比**33，允许更高的发射限度。厂商必须*一个假定的rsce值；
(3) 只要满足以下情况下之一，也可以适用表6的限度。
●在整个观察期内，5次谐波电流相对基波相电压的相角在90°到150°之间。具有不控整流桥和容性滤波器(包括3%交流或4%直流电抗器)的设备一般满足该条件。
●在整个时间中5次谐波电流的相角没有设定值，可以取整个区间[0°，360°]的任意值。具有晶闸管全控整流桥的变换器一般满足该条件。
●在观察期内5次和7次谐波电流每一个都要小于参考基波电流的5%。
注：这个条件在12脉波的设备中通常满足。具有12脉冲的设备一般满足该条件。
(4) 表5或表6可以适用以下的环境中的混合设备：
●混合设备的较大3次谐波电流低于基波电流的5%。
●混合设备分割成平衡的三相设备、单相或相间负载，被测设备部件的电流应该与正常运行条件下电流相同，此时分别适用单相或相间设备以及平衡的三相设备部件的谐波电流限度。表5或6适用于三相平衡设备的谐波电流限度，表4适用于单相或相间设备谐波电流限度。厂商应该指明每一设备部件的额定负载电流，混合设备的短路比决定于较高短路功率ssc和表中较小rsce值，每个负载单独计算。
2.2.5 谐波电流限度使用流程
图3给出了表4、5和6的使用流程。

图3 表4、5和6使用流程

2.2.6 iec61000-3-12标准谐波电流限度依据
该标准依据短路电流比(rsce)规定了不同谐波电流的限度(单次谐波电流为百分比级，总谐波电流畸变率为百分比)。短路电流比是变频器(和其他非线性负荷)的特性值，是从公共连接点的短路功率(ssc)与变频器的额定视在功率(sequ)比计算得来的(如：rsce = ssc/sequ)。设备的额定视在功率是用额定均方根输入电流(如上所说，该均方根输入电流取决于谐波电流的电平)计算出来的。基本上，该标准为较小的短路电流比制订了更加严格的谐波电流百分比级和总谐波电流畸变率百分比的限度。例如，如果变频器占用系统上大部分电流负荷，则谐波电流的限度更低。其原因是限制针对系统上总电流负荷比例的谐波电流，从而能有效将总谐波电压畸变率限制在保证其他设备不受影响的限度以内。没有加装基本的谐波滤波器，直流线圈或交流输入线圈，变频器是不能符合该标准的。但是，加装直流线圈或5%交流输入线圈的变频器，如果短路电流比≥120，应能符合该标准。

3 iec61000-3-12标准在大功率pfc中的应用
大功率变频家用柜机空调的额定功率一般输出功率大于3.5kw，单相交流电压供电，额定电流有效值**过了16a，此时应该适用iec61000-3-12标准：平衡的三相设备除外的设备电流发射限度。为了满足该标准，无源pfc方案已经不再适用，单相有源电力滤波器也不适合使用，部分/局部有源pfc、完全有源pfc、并联交错有源pfc成为可以选择方案，随着大功率pfc要求控制具有更高的灵活性和可靠性，数字控制pfc将逐渐代替模拟控制。采用有源pfc作为变频家用电器功率前级，能否满足iec61000-3-12标准，也需要通过实验验证。
3.1 单相大功率模拟pfc实验
采用l4981b设计实现了开关频率在20.5khz～25.6khz、输入功率高达6.6kw的升压有源pfc功率模块，并进行了实验测试。采用输出电压恒定的传统乘法器pfc控制方案，但是为了降低系统的各种应力，输出电压不能过高，需要时时检测输入电压波形。电解电容容量为6×470uf，igbt型号为stg80n60ufd(40a/600v/100℃)或sgl160n60uf(80a/600v/100℃)，frd型号为isl9r3060g2(30a/600v/120℃/35ns)，输入滤波电容选择3.3mf。铝线磁芯硅钢pfc电感，在交流频率1khz时，电感量为1.40mh；交流纹波频率16khz时；电感量0.50mh；交流纹波频率20khz时，电感量0.45mh、直流电阻28.3ω，铝线线径2.6mm，25khz/150℃时集肤深度大致为0.4mm，较大载流量25a。
测试结果：
(1) 交流稳压源220vac电源供电条件下，空载直流电压平均值为336.4v，输入电流30.0a时直流电压平均值为328.5v，纹波电压峰峰值为19.5v。输入电流27.6a时，输入电压与输入电流波形见图4。在整个输入功率范围内，输入电流小于16a时满足iec61000-3-2标准中的a类设备的谐波电流限度。

图4 输入功率6.0kw时输入电流波形(模拟pfc)

(2) 输入电流大于16a时，满足iec61000-3-12标准，较大thd为23%，较大pwhd为23%。其中输入电流为28.1a时电流成份测试见表7，由功率分析仪fluke43b测量的thd为5.2%，计算较大thd为5.2%，较大pwhd为9.01%。

3.2 单相大功率数字pfc实验
采用dsp tms320f2801设计实现了开关频率为16.0khz、输入功率高达6.6kw的升压有源pfc功率模块，并进行了实验测试。采用输出电压始终**输入电压峰值20vdc的电压跟随单周期控制方案，**输入电压波形恶化过零。电解电容容量为5×680μf，igbt型号为stg80n60ufd(40a/600v/100℃)或sgl160n60uf(80a/600v/100℃)，frd型号为isl9r3060g2(30a/600v/120℃/35ns)，输入滤波电容选择3.3μf。铝线磁芯硅钢pfc电感，在交流频率1khz时电感量5.5mh，交流纹波频率10khz时电感量1.988mh，交流纹波频率40khz时电感量0.9887mh，直流电阻28.3ω，铝线线径2.6mm，25khz/150℃时集肤深度大致为0.4mm，较大载流量25a。
测试结果：
交流稳压源220vac电源供电条件下，空载直流电压平均值为336.0v，输入电流30.0a时直流电压平均值为328.5v，纹波电压峰峰值为19.5v。输入电流27.6a时，输入电压与输入电流波形见图5。在整个输入功率范围内，输入电流小于16a时满足iec61000-3-2标准中的a类设备的谐波电流限度。

图5 输入功率3.9kw时输入电压波形(数字pfc)

输入电流大于16a时满足iec61000-3-12标准，较大thd为23%，较大pwhd为23%。其中输入电流为20.12a时电流成份测试见表8，由功率分析仪fluke43b测量的thd为10.1%，计算较大thd为9.93%，较大pwhd为2.56%。

4 结束语
谐波电流标准iec61000-3-2:2000与iec61000-3-12: 2005是目前仅有的两个现行国际“产品”谐波标准。iec61000-3-2:2000标准是对于不同类别的设备提出了不同的谐波电流限度值，只要各次谐波电流全部低于相应的电流限度，就表明满足标准。而iec61000-3-12: 2005标准则是依据短路电流比(rsce)规定了不同谐波电流的限度。前者使用比较简单，后者的使用较为复杂，首先必须确定设备的短路比。对于功率大于3.5kw的单相交流电源供电的变频柜机空调等负载，采用完全有源pfc作为功率前级ac/dc变换器时，能够满足iec61000-3-12标准。

作者简介
张哲民 男 上海交通大学电气工程系电力电子与电力传动专业硕士研究生, 主要研究方向：电力电子技术及电力传动。

参考文献
[1] iec 61000-3-2: 1995, electromagnetic compatibility part3: limits-set.2: limits for harmonic current emission (equipment bbbbb current≤16a per phase).
[2] iec 61000-3-12: 2005 “electromagnetic compatibility (emc) part3-2: limits-limits for harmonic currents produced by equipment connected to public low-voltage systems with bbbbb current > 16 a and ≤75 a per phase”.
[3] 电能质量公用电网谐波. *人民共和国国家标准,gb/t14549－93:北京:中国标准出版社,1994
[4] 低压电气及电子设备发出的谐波电流限度(设备每相输入电流≤16a). *人民共和国国家标准,gb 17625.1—1998,eqv iec 61000-2-3:1995,国家质量技术监督局,1998年12月14日发布,1998年12月01日发布
[5] 家用和类似用途电动、电热器具、电动根据以及类似电气无线电干扰特性测量方法和允许值. *人民共和国国家标准,gb4343-1995
[6] 杨兴华. 新型部分有源功率因数校正电路的分析与实现. 电气应用,2007
[7] bhim singh, brij n. singh，ambrish chandra，kamal al-haddad，ashish pandey，dwarka p. kothari. a review of single-phase improved power quality ac dc converters. ieee trans. on industrial electronics, vol. 50, no. 5: 962-980, october 2003.
[8] oscar garcía, josé a. cobos, roberto prieto, pedro alou, javier uceda. single phase power factor correction: a survey. ieee trans. on power electronics, vol. 18, no. 3: 749-755, may 2003.
[9] mohamed orabi, tamotsu ninomiya, yoji imai and hidefumi nakagorne. review of preregulator ccm boost pfc converter dynamics limits. 2004 35rh annul ieee power electronics specialists conference. pp: 2314-2319, aochen. germany, 2004.
[10] garcia, la. cobos, r. prieto, j. uceda. power factor correction: a survey.:8-13, 2001.
[11] praveen jain, jim valerio and pankaj jain. a review of single phase power factor correction circuits for telecommunication applications.: 334-338, 1994.
[12] chongming qiao, keyue ma smedley. a topology survey of single-stage power factor corrector with a boost type bbbbb-current-shaper. ieee trans. on power electronics, vol.16,no. 3,may 2001. pp:360-368.
[13] j. sebastian m, .jaureguizar and j. uceda. an overview of power factor correction in single-phase off-line power supply systems. 1994 ieee, pp: 1688-1693.
[14] javier sebastian y miguel jaureguizar. tendencias futuras en la correccldn del factor de potencia en sistemas de alimentacion. 1993 ieee, 136-153.
[15] milan m.jovanovic′,yungtaek jang.state-of-the-art,single-phase,active power-factor-correction techniques for high-power applications-an overview. ieee trans. on industrial electronics, vol. 52, no. 3, june 2005. pp: 701-708.
[16] st. a 500w high power factor with the l4981a continuous mode ic. application note，an827/1297,1997.
[17] g. comandatore and u. moriconi. designing a high power factor switching preregulator with the l4981 continuous mode. ***-thomson microelectronics inc. application note 628.
[18] 安德鲁·库帕. 变频式驱动器与暖通空调一体化解决方案的谐波和射频干扰设计要点. 控制与传动,2007(1)