電路板測試基礎：您真的了解設備供電的質(zhì)量嗎？

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，總希望有持續不斷的220V電源為電路中的設備供電。事實(shí)上，電壓是持續變化的。為更好地理解電能質(zhì)量，可以用路上行駛的汽車(chē)做比喻：道路質(zhì)量影響著(zhù)汽車(chē)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 )增加設備的耗電；增加質(zhì)保成本、增加停機時(shí)間、減少設備壽命。當電源指標超限時(shí)，電壓/諧波監測儀（例如美國理想工業(yè)公司的電壓/諧波監測儀61-830簡(jiǎn)稱(chēng)VPM）將及時(shí)告知給您具體信息。

　　二、為何電壓會(huì )出現異常？

　　在很多情況下，接入建筑內的“電路”是相對平坦的，由于設備之間相互影響，“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，當您開(kāi)啟家用空調時(shí)，燈會(huì )變暗，就是由于電路中負荷短暫增加，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，負載電流增加，使電壓在相應時(shí)段內降低。類(lèi)似這類(lèi)事件可能導致計算機死機、敏感加工程序中斷、數據傳輸錯誤以及其他很多問(wèn)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(wú)的問(wèn)題。電能質(zhì)量的影響因設備敏感度及其對電壓的適應能力而異。通常設備都被設計為對供電有一定的適應范圍。只有當電壓超出設備設計范圍時(shí)，問(wèn)題才會(huì )被注意到，就如同某些汽車(chē)只適于在平坦路面行駛，而某些車(chē)能越野一樣。電壓/諧波監測儀能捕捉導致出現問(wèn)題的事件，利用它您就能確定設備問(wèn)題是否與電源性能相關(guān)，并可驗證現有電路能否支持添加敏感設備。

　　目前電能故障定位工具不是太簡(jiǎn)單就是太復雜。簡(jiǎn)單的數據記錄設備通常是對電壓進(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備，而重要的事件可能被錯過(guò)。復雜的電能分析儀需要進(jìn)行設置并對記錄數據進(jìn)行解讀，而且不是為墻壁插座而設計的。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而受到過(guò)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(huà)，您就會(huì )發(fā)現，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(zhù)您所用交流電源的質(zhì)量好。負載、導線(xiàn)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(chē)比喻，對運行在有電壓事件的電路中設備而言，就如同在“顛簸的道路”上行駛的汽車(chē)。為了更好地理解電壓事件的不同形式，首先要對它們有個(gè)明確的定義。電壓事件是根據其規模和持續時(shí)間來(lái)描述的。所謂規模，即：事件有多么嚴重；持續時(shí)間，即：事件存在了多久。

　　電壓驟降 （SAGS）

　　電壓瞬間降低稱(chēng)為驟降。其降低值可能很?。ū热?，降10％）或持續很短的時(shí)間。電壓下降持續超過(guò)1分鐘，則稱(chēng)為“欠壓”；完全停電，則稱(chēng)為“中斷”。電壓驟降可能因重負載啟動(dòng)造成，例如：電機、重型機械甚至吸塵器啟動(dòng)。電力系統的容量以及電路阻抗都會(huì )影響電壓驟降的規模。

　　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0.5秒至1分鐘。這種能量的釋放是由于電機或重型機械突然關(guān)斷引起的。電壓驟升較電壓驟降不常見(jiàn)但危害更大。持續超過(guò)1分鐘的電壓驟升，被稱(chēng)為“過(guò)壓”。有時(shí)，在負載開(kāi)啟時(shí)會(huì )出現電壓驟降，由于系統過(guò)補償作用，緊跟著(zhù)會(huì )出現電壓驟升。

　　脈沖（IMPULSES）

　　短時(shí)的非常高的電壓驟升或尖峰被稱(chēng)為脈沖，其規?？赡軓恼ｋ妷旱?倍到幾千伏，持續時(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出現的小波動(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(xiàn)路、造成電子設備誤動(dòng)作、降低功率因數。

　　非線(xiàn)性負載，如：計算機、復印機、調速設備，會(huì )產(chǎn)生諧波。這些設備在電路中產(chǎn)生高于50Hz的頻率。電壓波形出現連續的“平頂”，意味著(zhù)電源不能為負載提供其運行所需要的電壓峰值。

　　使用電子設備越多，電壓受干擾的可能性越大。諧波影響傳統負載和導線(xiàn)，使其發(fā)熱量增加、誤觸發(fā)、通信設備產(chǎn)生噪聲。

　　諧波存在的數量以總諧波含量（Total Harmonic Distortion （THD））的百分數表示。THD 超過(guò) 5% 就應調查其原因。

　　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），可以為您節約時(shí)間和金錢(qián)。

　　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7天內的變化，在第1天出現了1次電壓短暫跌落。您可能會(huì )問(wèn)，如果電壓隨時(shí)都在變化，為何用電設備沒(méi)有隨即出現故障？其原因是，電子設備的電壓適應范圍是正常電壓的±10％。而且，設備類(lèi)型不同其承受電壓變化的持續時(shí)間也不同。電壓的首次變化不一定使設備損壞，但如果電壓波動(dòng)持續時(shí)間過(guò)長(cháng)或電壓事件頻繁出現，超出了設備的耐受能力，設備就會(huì )損壞。

　　當電壓不滿(mǎn)足設備供電指標要求時(shí)，設備運行就會(huì )變得困難、過(guò)熱或導致絕緣性能不能滿(mǎn)足實(shí)際電壓的變化。

　　例如某冰箱的電壓適應范圍是正常電壓的±10%，如果出現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），則電機就會(huì )發(fā)熱、效率降低。長(cháng)期的或反復的電壓驟降會(huì )降低冰箱電機的使用壽命，導致電壓下降的原因有多種，包括線(xiàn)徑過(guò)細，線(xiàn)路過(guò)長(cháng)、用電設備過(guò)多等。

　　電壓驟升（Voltage Swells）

　　電壓驟升對電力系統的影響與電壓驟降不同，但結果是類(lèi)似的。上圖所示：帶有若干臺計算機的線(xiàn)路，反復出現電壓驟升的情形。這些反復出現的電壓驟升可能導致硬件損壞、死機、異常，而一旦得知是由于電源問(wèn)題導致的，這些故障都可以迅速排除。

　　諧波（Harmonics）

　　上圖所示：開(kāi)關(guān)電源干擾了交流電波形。電流的正弦波波峰處產(chǎn)生了下陷。根據歐姆定律，電壓與電流成反比，一旦電流波形變成這樣的非正弦波，電壓波形也會(huì )收到影響。產(chǎn)生諧波的設備也會(huì )受到諧波的影響。如上所述，如果多臺設備都在用電，電壓波形的波峰處就會(huì )出現平頂，整流穩壓電源就無(wú)法輸出穩定的直流電。換言之，諧波會(huì )影響線(xiàn)路中的其他負載。

四、什么人需要使用電壓/諧波監測儀

　　設備安裝與維護人員

　　通過(guò)此儀器觀(guān)察電壓參數

　　設備制造商

　　用于成本管理

　　檢查所安裝設備的供電是否滿(mǎn)足運行要求

　　物業(yè)管理

　　對耗電費用與停電故障進(jìn)行管理與維護；

　　鑒別是否由于電能質(zhì)量差造成設備故障；

　　驗證昂貴設備的供電環(huán)境是否存在隱患；

　　驗證UPS供電系統性能

　　電工

　　提高工作效率

　　快速定位停電故障原因

　　醫療衛生設備維護人員

　　確認設備性能

　　檢查敏感設供電質(zhì)量

　　實(shí)驗室設備/IT設備管理人員

　　查看敏感設備供電質(zhì)量

　　普通用電戶(hù)

　　查看電能表之后設備的用電情況

　　UPS維護人員

　　協(xié)助用戶(hù)獲得用電需求情況

　　美國理想工業(yè)公司新近推出的電壓/諧波監測儀61-830是一款功能強大的故障定位工具，它能探測到電壓驟降、驟升、漂移、脈沖和諧波，無(wú)論是內在的還是外在的，它能有效地衡量導致設備故障的電能質(zhì)量問(wèn)題，并能驗證電源是否符合設備運行要求。無(wú)需設置，也不需要計算機或特殊軟件輔助，電壓/諧波監測儀61-830即可及時(shí)報告電壓事件出現的時(shí)間、持續的時(shí)間、嚴重程度。所有這些信息都可通過(guò)瀏覽菜單的方式讀取。電壓/諧波監測儀61-830是您開(kāi)始電能質(zhì)量分析的起點(diǎn)。