電路板測試基礎(chǔ)

一、為什么要關(guān)心供電質(zhì)量?

在辦公室和家里的“單相”供電環(huán)境里，總希望有持續(xù)不斷的220V電源為電路中的設(shè)備供電。事實(shí)上，電壓是持續(xù)變化的。為更好地理解電能質(zhì)量，可以用路上行駛的汽車做比喻：道路質(zhì)量影響著汽車的壽命，有些影響會(huì)立即被看到(如輪胎磨損)，但有些影響需要一定時(shí)間后才會(huì)顯露。同理，電源質(zhì)量不好會(huì)增加設(shè)備的耗電;增加質(zhì)保成本、增加停機(jī)時(shí)間、減少設(shè)備壽命。當(dāng)電源指標(biāo)超限時(shí)，電壓/諧波監(jiān)測儀(例如美國理想工業(yè)公司的電壓/諧波監(jiān)測儀61-830簡稱VPM)將及時(shí)告知給您具體信息。

二、為何電壓會(huì)出現(xiàn)異常?

在很多情況下，接入建筑內(nèi)的“電路”是相對(duì)平坦的，由于設(shè)備之間相互影響，“路面”會(huì)變得崎嶇不平。下圖中能看到電壓(所謂“電路”)的變化情況。

例如，當(dāng)您開啟家用空調(diào)時(shí)，燈會(huì)變暗，就是由于電路中負(fù)荷短暫增加，影響了維持電燈亮度的電壓。如上圖所示，電路中電壓與電流的關(guān)系，負(fù)載電流增加，使電壓在相應(yīng)時(shí)段內(nèi)降低。類似這類事件可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)死機(jī)、敏感加工程序中斷、數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤以及其他很多問題。

電能質(zhì)量不好可能造成很多不易診斷的、時(shí)有時(shí)無的問題。電能質(zhì)量的影響因設(shè)備敏感度及其對(duì)電壓的適應(yīng)能力而異。通常設(shè)備都被設(shè)計(jì)為對(duì)供電有一定的適應(yīng)范圍。只有當(dāng)電壓超出設(shè)備設(shè)計(jì)范圍時(shí)，問題才會(huì)被注意到，就如同某些汽車只適于在平坦路面行駛，而某些車能越野一樣。電壓/諧波監(jiān)測儀能捕捉導(dǎo)致出現(xiàn)問題的事件，利用它您就能確定設(shè)備問題是否與電源性能相關(guān)，并可驗(yàn)證現(xiàn)有電路能否支持添加敏感設(shè)備。

目前電能故障定位工具不是太簡單就是太復(fù)雜。簡單的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備通常是對(duì)電壓進(jìn)行周期性采樣，只能提供有限信息。事件捕獲有可能影響您的設(shè)備，而重要的事件可能被錯(cuò)過。復(fù)雜的電能分析儀需要進(jìn)行設(shè)置并對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，而且不是為墻壁插座而設(shè)計(jì)的。由于電器直接接入墻壁插座，所以這里是測量電壓最重要的地方。

三、何謂電能質(zhì)量

除非離變電站距離太遠(yuǎn)而受到過多因素的影響，電源接入建筑物時(shí)通常是潔凈的。影響電源質(zhì)量的情況往往發(fā)生在插座處。如果用示波器給交流電拍照的話，您就會(huì)發(fā)現(xiàn)，其波形是正弦波，這與交流電的發(fā)電原理有關(guān)。平滑或完好的正弦波形代表著您所用交流電源的質(zhì)量好。負(fù)載、導(dǎo)線及外在因素可能干擾平滑的正弦波形，使電源入口附近和下游設(shè)備的供電質(zhì)量下降。電壓事件和諧波都會(huì)造成電能質(zhì)量下降。

還用行駛中的汽車比喻，對(duì)運(yùn)行在有電壓事件的電路中設(shè)備而言，就如同在“顛簸的道路”上行駛的汽車。為了更好地理解電壓事件的不同形式，首先要對(duì)它們有個(gè)明確的定義。電壓事件是根據(jù)其規(guī)模和持續(xù)時(shí)間來描述的。所謂規(guī)模，即：事件有多么嚴(yán)重;持續(xù)時(shí)間，即：事件存在了多久。

電壓驟降 (SAGS)

電壓瞬間降低稱為驟降。其降低值可能很小(比如，降10%)或持續(xù)很短的時(shí)間。電壓下降持續(xù)超過1分鐘，則稱為“欠壓”;完全停電，則稱為“中斷”。電壓驟降可能因重負(fù)載啟動(dòng)造成，例如：電機(jī)、重型機(jī)械甚至吸塵器啟動(dòng)。電力系統(tǒng)的容量以及電路阻抗都會(huì)影響電壓驟降的規(guī)模。

電壓驟升 (SWELLS)

電壓驟升與電壓驟降正好相反。電壓短暫升高，并持續(xù)0.5秒至1分鐘。這種能量的釋放是由于電機(jī)或重型機(jī)械突然關(guān)斷引起的。電壓驟升較電壓驟降不常見但危害更大。持續(xù)超過1分鐘的電壓驟升，被稱為“過壓”。有時(shí)，在負(fù)載開啟時(shí)會(huì)出現(xiàn)電壓驟降，由于系統(tǒng)過補(bǔ)償作用，緊跟著會(huì)出現(xiàn)電壓驟升。

脈沖(IMPULSES)

短時(shí)的非常高的電壓驟升或尖峰被稱為脈沖，其規(guī)?？赡軓恼ｋ妷旱?倍到幾千伏，持續(xù)時(shí)間從不足微秒到幾百微秒甚至幾秒。脈沖的特征是在正常電壓波形上疊加了極高的電壓尖峰。脈沖是由于在電力系統(tǒng)中，蓄積在電感或電容里的能量短時(shí)間釋放造成的。

諧波(HARMONICS)

與道路的顛簸起伏不同，諧波產(chǎn)生的影響是一系列重復(fù)出現(xiàn)的小波動(dòng)，就像在路肩上駕駛。電路中存在的諧波會(huì)造成額外的發(fā)熱、干擾通信線路、造成電子設(shè)備誤動(dòng)作、降低功率因數(shù)。

非線性負(fù)載，如：計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)、調(diào)速設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生諧波。這些設(shè)備在電路中產(chǎn)生高于50Hz的頻率。電壓波形出現(xiàn)連續(xù)的“平頂”，意味著電源不能為負(fù)載提供其運(yùn)行所需要的電壓峰值。

使用電子設(shè)備越多，電壓受干擾的可能性越大。諧波影響傳統(tǒng)負(fù)載和導(dǎo)線，使其發(fā)熱量增加、誤觸發(fā)、通信設(shè)備產(chǎn)生噪聲。

諧波存在的數(shù)量以總諧波含量(Total Harmonic Distortion (THD))的百分?jǐn)?shù)表示。THD 超過 5% 就應(yīng)調(diào)查其原因。

電壓性能和電能質(zhì)量是等價(jià)的。了解電壓驟降、驟升、脈沖及總諧波含量(%THD)，可以為您節(jié)約時(shí)間和金錢。

三、電壓超限會(huì)造成何種影響?

電壓驟降Voltage Sags

上圖所示：某電壓在連續(xù)7天內(nèi)的變化，在第1天出現(xiàn)了1次電壓短暫跌落。您可能會(huì)問，如果電壓隨時(shí)都在變化，為何用電設(shè)備沒有隨即出現(xiàn)故障?其原因是，電子設(shè)備的電壓適應(yīng)范圍是正常電壓的±10%。而且，設(shè)備類型不同其承受電壓變化的持續(xù)時(shí)間也不同。電壓的首次變化不一定使設(shè)備損壞，但如果電壓波動(dòng)持續(xù)時(shí)間過長或電壓事件頻繁出現(xiàn)，超出了設(shè)備的耐受能力，設(shè)備就會(huì)損壞。

當(dāng)電壓不滿足設(shè)備供電指標(biāo)要求時(shí)，設(shè)備運(yùn)行就會(huì)變得困難、過熱或?qū)е陆^緣性能不能滿足實(shí)際電壓的變化。

例如某冰箱的電壓適應(yīng)范圍是正常電壓的±10%，如果出現(xiàn)上圖所示的電壓驟降，冰箱的輸入電壓降為108V (以北美120V電壓制式為例)，則電機(jī)就會(huì)發(fā)熱、效率降低。長期的或反復(fù)的電壓驟降會(huì)降低冰箱電機(jī)的使用壽命，導(dǎo)致電壓下降的原因有多種，包括線徑過細(xì)，線路過長、用電設(shè)備過多等。