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为什么要关心供电质量
在办公室和家里的“单相”供电环境里,总希望有持续不断的220V电源为电路中的设备供电.事实上,供电电压是持续变化的.为更好地理解电能质量,可以用路上行驶的汽车做比喻.道路质量影响着汽车的寿命,有些影响会立即被看到(如轮胎磨损),但有些影响需要一定时间后才会显露.同理,电源质量不好会增加设备的耗电、增加质保成本、增加停机时间、减少设备寿命.当电源指标超限时,电压／谐波监测仪(例如美国理想工业公司的电压／谐波监测仪61－830,简称VPM)将及时告知给您具体信息.
为何电压会出现异常
在很多情况下,接入建筑内的“电路”是相对平坦的,由于设备之间相互影响,“路面”会变得崎岖不平.图1是电压(所谓“电路”)的变化情况.
例如,当您开启家用空调时,灯会变暗,就是由于电路中负荷短暂增加,影响了维持电灯亮度的电压.如图1所示,电路中电压与电流的关系是,负载电流增加,使电压在相应时段内降低.类似这类事件可能导致计算机死机、敏感加工程序中断、数据传输错误以及其他很多问题.
电能质量不好可能造成很多不易诊断的、时有时无的问题.电能质量的影响因设备敏感度及其对电压的适应能力而异.通常设备都被设计为对供电有一定的适应范围.只有当电压超出设备设计范围时,问题才会被注意到,就如同某些汽车只适于在平坦路面行驶,而某些车能越野一样.电压／谐波监测仪能捕捉导致出现问题的事件,利用它就能确定设备问题是否与电源性能相关,并可验证现有电路能否支持添加敏感设备.
目前电能故障定位工具不是太简单就是太复杂.简单的数据记录设备通常是对电压进行周期性采样,只能提供有限信息.事件捕获有可能影响您的设备,而重要的事件可能被错过.复杂的电能分析仪需要进行设置并对记录数据进行解读,而且不是为墙壁插座而设计的.由于电器直接接入墙壁插座,所以这里是测量电压最重要的地方.
何谓电能质量
除非离变电站距离太远而受到过多因素的影响,电源接入建筑物时通常是干净的.影响电源质量的情况往往发生在插座处.如果用示波器给交流电拍照的话,您就会发现,其波形是正弦波,这与交流电的发电原理有关.平滑或完好的正弦波形说明交流电源的质量很好.负载、导线及外在因素可能干扰平滑的正弦波形,使电源入口附近和下游设备的供电质量下降.电压事件和谐波都会造成电能质量下降.
还用行驶中的汽车比喻,对运行在有电压事件的电路中设备而言,就如同在“颠簸的道路”上行驶的汽车.为了更好地理解电压事件的不同形式,首先要对它们有个明确的定义.电压事件是根据其规模和持续时间来描述的.所谓规模,即事件有多么严重；持续时间,即事件存在了多久.
●电压骤降(VoltageSags)
电压瞬间降低称为骤降.其降低值可能很小(比如,降10％)或持续很短的时间.电压下降持续超过1分钟,则称为“欠压”；完全停电,则称为“中断”.电压骤降可能因重负载启动造成,例如：电机、重型机械甚至吸尘器启动.电力系统的容量以及电路阻抗都会影响电压骤降的规模.
●电压骤升(VoltageSwells)
电压骤升与电压骤降正好相反.电压短暂升高,并持续0．5秒至1分钟.这种能量的释放是由于电机或重型机械突然关断引起的.电压骤升较电压骤降不常见但危害更大.持续超过1分钟的电压骤升,被称为“过压”.有时,在负载开启时会出现电压骤降,由于系统过补偿作用,紧跟着会出现电压骤升.
●脉冲(Impulses)
短时的非常高的电压骤升或尖峰被称为脉冲,其规模可能从正常电压的2倍到几千伏,持续时间从不足微秒到几百微秒甚至几秒.脉冲的特征是在正常电压波形上叠加了极高的电压尖峰,脉冲是由于在电力系统中,蓄积在电感或电容里的能量短时间释放造成的.
●谐波(Harmonics)
与道路的颠簸起伏不同,谐波产生的影响是一系列重复出现的小波动,就像在路肩上驾驶.电路中存在的谐波会造成额外的发热、干扰通信线路、造成电子设备误动作、降低功率因数.
非线性负载,如：计算机、复印机、调速设备,会产生谐波,这些设备在电路中产生高于50Hz的频率.电压波形出现连续的“平顶”,意味着电源不能为负载提供其运行所需要的电压峰值.
使用电子设备越多,电压受干扰的可能性越大.谐波影响传统负载和导线,使其发热量增加、误触发、通信设备产生噪声.谐波存在的数量以总谐波含量(TotalHarmonicDistortion(THD))的百分数表示.THD超过5％就应调查其原因.
电压性能和电能质量是等价的.了解电压骤降、骤升、脉冲及总谐波含量(％THD),可以节约时间和金钱.
电压超限的影响
●电压骤降
如图2所示：某电压在连续7天内的变化,在第1天出现了1次电压短暂跌落.有人会问,如果电压随时都在变化,为何用电设备没有随即出现故障其原因是,电子设备的电压适应范围是正常电压的±10％.而且,设备类型不同其承受电压变化的持续时间也不同.电压的首次变化不一定使设备损坏,但如果电压波动持续时间过长或电压事件频繁出现,超出了设备的耐受能力,设备就会损坏.
当电压不满足设备供电指标要求时,设备运行就会变得困难、过热或导致绝缘性能不能满足实际电压的变化.例如某冰箱的电压适应范围是正常电压的±10％,如果出现上图所示的电压骤降,冰箱的输入电压降为108V(以北美120V电压制式为例),则电机就会发热、效率降低.长期的或反复的电压骤降会降低冰箱电机的使用寿命,导致电压下降的原因有多种,包括线径过细、线路过长、用电设备过多等.
●电压骤升
电压骤升对电力系统的影响与电压骤降不同,但结果是类似的.如图3所示,带有若干台计算机的线路,反复出现电压骤升的情形.这些反复出现的电压骤升可能导致硬件损坏、死机、异常,而一旦得知是由于电源问题导致的,这些故障都可以迅速排除.
●谐波
如图4所示,开关电源干扰了交流电波形.电流的正弦峰处产生了下陷.根据欧姆定律,电压与电流成反比,一旦电流波形变成这样的非正弦波,电压波形也会收到影响.产生谐波的设备也会受到谐波的影响.如上所述,如果多台设备都在用电,电压波形的波峰处就会出现平顶,整流稳压电源就无法输出稳定的直流电.换言之,谐波会影响线路中的其他负载.
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用电设备越来越多,对电压、谐波、供电质量的要求也各不相同,因此电压／谐波监测仪是用户的必备工具之一.下面是一些典型用户的使用需求.
●设备安装与维护人员需要观察电压参数；
●设备制造商要进行成本管理,检查所安装设备的供电是否满足运行要求；
●物业管理要对耗电费用与停电故障进行管理与维护,鉴别是否由于电能质量差造成设备故障,验证昂贵设备的供电环境是否存在隐患,验证UPS供电系统性能；
●电工需要提高工作效率,快速定位停电故障原因；
●医疗卫生设备维护人员需要确认设备性能,检查敏感设供电质量；
●实验室设备／IT设备管理人员要查看敏感设备的供电质量；
●普通用电户要查看电能表之后设备的用电情况；
●UPS维护人员需要协助用户获得-用电需求情况.
美国理想工业公司新近推出的电压／谐波监测仪61－830是一款功能强大的故障定位工具,它能探测到电压骤降、骤升、漂移、脉冲和谐波,无论是内在的还是外在的,它能有效地衡量导致设备故障的电能质量问题,并能验证电源是否符合设备运行要求.无须用户进行设置,也不需要计算机或特殊软件辅助,电压／谐波监测仪61-830即可及时报告电压事件出现的时间、持续的时间、严重程度.所有这些信息都可通过浏览菜单的方式读取.
中美联合IC设计研究生项目结出硕果
2007年3月17日,北京航空航天大学与美国FloridaInternationalUniversity(FIU)合作的集成电路设计双硕士项目毕业典礼在北航新主楼举行.双方教授为该项目的04、05两届共120名毕业生授予了硕士学位.
随着我国集成电路产业的超高速发展,集成电路专业技术和管理人才的严重不足现象日益凸现.而集成电路人才是高层次人才,一般要达到硕士层次才能符合企业对人才的要求.北航与FIU的联合IC设计项目就是为了快速培养合格的Ic设计优秀人才.加入该项目的学生两年内可获得北航软件工程硕士和美国FIU电子工程硕士两个学位.自2007年起,学生也可单独申请美国FIU电子工程硕士学位.另外,学生还将有机会获得全额奖学金,直接赴美攻读硕士学位.
该项目的毕业生就业情况良好.他们受雇的公司有英特尔、威盛电子、中星微、英飞凌等知名芯片企业.另有些赴美攻读博士学位.2006年毕业生全部就业,平均月薪7000元左右.
北航软件学院院长、集成电路设计方向专业主任孙伟博士毕业于美国伊利诺伊大学,曾任FIU多媒体和数据库实验室主任.FIU位于美国佛罗里达州迈阿密市,有38000多名学生,1000多名全职教员.北航与FIU的联合IC设计项目包括美方6名和中方4名教员.2007年的第一批申请材料截止日期是6月20日,最终申请截止日期是8月20日.咨询是010-82338137.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文.
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