低壓有源電力濾波裝置噪聲測試準確度研究

周 大 俊

[上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司,上海 200063]

0 引 言

低壓有源電力濾波裝置是指應(yīng)用在低壓電力領(lǐng)域內(nèi)通過產(chǎn)生諧波電流與電網(wǎng)諧波電流實時抵消,從而實現(xiàn)濾波功能的電流裝置[1-4]。低壓有源電力濾波裝置一般采用并聯(lián)型電源逆變的結(jié)構(gòu)型式,使用IGBT作為開關(guān)器件,通過產(chǎn)生與負載諧波電流次數(shù)相等、幅值相等但相位相反的補償電流注入電網(wǎng),降低電網(wǎng)側(cè)的諧波含量,并減少諧波源負載對相鄰設(shè)備的高頻電磁干擾,同時補償一定的無功功率[5-7]。

依據(jù)JB/T 11067—2011《低壓有源電力濾波裝置》[8]的規(guī)定,低壓有源電力濾波裝置的噪聲限值≤65 dB(A),同時還規(guī)定了噪聲測試依據(jù)的方法為GB/T 3768—1996 《聲學(xué) 聲壓法測定噪聲源聲功率級 反射面上方采用包絡(luò)測量表面的簡易法》[9]。由于噪聲測試準確度與測試的環(huán)境、測試設(shè)備、測試方法和噪聲數(shù)據(jù)處理存在較強的關(guān)聯(lián)性,因此選擇合適的測試環(huán)境和測試設(shè)備、采用符合標準要求的測試和數(shù)據(jù)處理方法對于提高噪聲測試的準確度具有現(xiàn)實的意義。

本文就低壓有源濾波裝置噪聲測試方法、測試原理模型、測試準確度影響因素進行分析,通過對噪聲測試準確度理論與驗證結(jié)果的對比,得出適用于在反射面上方采用包絡(luò)表面的簡易法測試測量低壓有源濾波裝置噪聲的具體措施和關(guān)鍵控制因素。

1 噪聲測試方法概述

依據(jù)JB/T 11067—2011《低壓有源電力濾波裝置》標準要求,噪聲測量的主要規(guī)定如下:

(1) 低壓有源電力濾波裝置處于額定工作狀態(tài)。

(2) 濾波裝置的前、后、左、右4個方向,在距離濾波裝置各表面的距離1 m、高度1 m處,選取4個測點。噪聲測試測點布局圖(正視圖)如圖1所示,其中左右測點用a、b表示。

(3) 采用A聲級分貝聲級計測量,測量時應(yīng)正對設(shè)備操作面。

(4) 在周圍2 m內(nèi)沒有聲音反射面的場所進行。

依據(jù)GB/T 3768—1996規(guī)定,測量低壓有源電力濾波裝置噪聲應(yīng)采用3級(即簡易法)測試。反射面上的包絡(luò)表面簡易法的參數(shù)說明如表1所示。

注:①偏差:K2<5 dB時,δR≤3 dB;5 dB≤K2≤7 dB時,δR≤4 dB;離散純音占主要成分時,δR增加1 dB;②K1為由背景噪聲對表面聲壓級的影響而引入的一個修正值;③K2為由聲反射或聲吸收對表面聲壓級的影響而引入的一個修正值;④ΔL為被測聲源噪聲與測試環(huán)境背景噪聲的差值。

由表1可知,低壓有源電力濾波裝置噪聲測試環(huán)境的主要要求為:被測聲源噪聲與測試環(huán)境背景噪聲的差值ΔL≥3 dB、背景噪聲修正值K1≤3 dB、發(fā)射噪聲修正值K2≤7 dB。

在采用反射面上的包絡(luò)表面簡易法對低壓有源電力濾波裝置進行噪聲測試后,按照式(1)對4個測點的聲壓級Lp進行修正,選擇4個測點修正后的最大值即為被測濾波裝置的聲壓級[10-11]。

Lp修正=Lp-K1-K2

(1)

式中:Lp——測點測量的聲壓級;

K1——背景噪聲修正值;

K2——反射噪聲修正值。

2 噪聲測試原理模型分析

假設(shè)低壓有源電力濾波裝置為點聲源,在背景噪聲和反射噪聲符合測試環(huán)境的條件下,根據(jù)聲源傳播的理論,被測聲源將會在測試環(huán)境中傳播。聲波傳播的區(qū)域分為自由聲場區(qū)域和混響聲場區(qū)域,聲波傳播路徑(俯視圖)如圖2所示。

如果聲源對各方向的輻射強度相等,則室內(nèi)離聲源r處的聲壓級Lp按式(2)計算:

(2)

式中:r——噪聲測試環(huán)境自由場半徑;

Ws——聲源的聲功率;

R——房間常數(shù),R=Sα/(1-α);

α——室內(nèi)表面的平均吸聲系數(shù);

S——室內(nèi)總表面積。

3 噪聲測試準確度影響因素

從上述分析來看,低壓有源電力濾波裝置噪聲測試的影響因素主要來自兩個方面,一個方面為噪聲測試場地的影響,具體表現(xiàn)為圖2中混響聲場對測點聲壓級的影響,理論上,測點位置要求放置在自由聲場中。另一個方面為噪聲測試和數(shù)據(jù)處理中背景噪聲修正值K1和反射噪聲修正值K2對最終測試噪聲聲壓級的影響。

低壓有源電力濾波裝置的結(jié)構(gòu)形式和外形尺寸存在較大的差異,所以其等效聲源可能為點聲源、線聲源或面聲源。假如濾波裝置為線聲源或面聲源,則噪聲測試的準確度就變得非常差。另外,假如被測濾波裝置的尺寸較大,噪聲測試空間雖然滿足“在周圍2 m內(nèi)沒有聲音反射面的場所進行”的規(guī)定,但測試環(huán)境的自由場半徑r超過測試環(huán)境的邊界,則噪聲測試的準確度也會成為一個比較大的問題。

4 噪聲測試準確度理論與實證

忽略氣候環(huán)境的影響,為了說明測試場地和背景噪聲修正值K1與反射噪聲修正值K2對最終測試噪聲聲壓級的影響,本文采用理論計算和實測驗證的方法對噪聲測試準確度的影響因素進行進一步的說明。

選取的低壓有源電力濾波裝置聲功率級為68.6 dB(A),聲源性質(zhì)等效為點聲源。進行噪聲測試時,低壓有源電力濾波裝置放置在4.2 m(長)×3.8 m(寬)×4.0 m(高)的試驗大廳進行。聲級計為2型。噪聲測試時濾波裝置處于額定工況點運行。測試的布局圖如圖3所示。

4.1 實證1:背景噪聲對測試的影響

試驗狀態(tài):濾波裝置在試驗大廳(測試時間在白天,參見圖4)內(nèi)進行噪聲測量。試驗大廳的背景噪聲測試采用慢速時間計權(quán)模式,計權(quán)時間為1 s,測試周期為1 min,測量值為58.2 dB(A),被測濾波裝置在穩(wěn)定工況運行時測量,按標準規(guī)定要求

測量并選取其中的最大噪聲值為60.3 dB(A)。

分析過程:被測濾波裝置在穩(wěn)定工況運行時,測量的噪聲值實際為濾波裝置本身的噪聲和背景噪聲的疊加值;由于白天試驗大廳內(nèi)也可能混有外界其他聲源的噪聲,故背景噪聲值會偏大。

合成噪聲的測量值為Lp1+2=60.3 dB(A),背景噪聲為Lp2=58.2 dB(A),則被測濾波裝置的噪聲測量值Lp2按式(4-1)計算。計算得到的被測濾波裝置的噪聲聲壓級為56.1 dB(A)。

(3)

顯然,按式(3)計算得到的被測濾波裝置的噪聲聲壓級低于環(huán)境噪聲值,與被測濾波裝置的實際不符合,所計算的數(shù)值明顯受到背景噪聲值的影響,因此測試環(huán)境的背景噪聲不能滿足要求。

K1=-10lg(1-10-0.1ΔLp)

(4)

按照式(4)計算得到K1=4.2 dB(A),該背景噪聲修正值大于標準限值3 dB的要求。這也正是測試方法標準要求“被測聲源噪聲與測試環(huán)境背景噪聲的差值ΔL≥3 dB”的主要原因。

4.2 實證2:反射噪聲對測試的影響

試驗狀態(tài):濾波裝置在試驗大廳(測試時間在晚上)內(nèi)進行噪聲測量。試驗大廳的背景噪聲測量值為48.2 dB(A),被測濾波裝置在穩(wěn)定工況下運行時,測得聲壓級分別為:正面60.3 dB(A)、左面61.5 dB(A)、背面63.3 dB(A)、右面64.3 dB(A)。大廳部分空且墻壁平滑,平均吸聲系數(shù)α取0.10。

分析過程:

(1) 計算背景噪聲K1對噪聲測量的影響值。被測濾波裝置與背景噪聲的差值ΔL=12.1 dB(A)、13.3 dB(A)、15.1 dB(A)、16.1 dB(A),按式(4)計算,得到K1=0.28 dB(A)、0.21 dB(A)、0.14 dB(A)、0.11 dB(A)。顯然背景噪聲K1滿足測試標準的要求。

(2) 計算大廳的總面積S=2×(4.2×3.8+4.2×4.0+4.0×3.8) m2=95.92m2。按式(5)計算大廳的房間系數(shù)R=10.66。

R=Sα/(1-α)

(5)

(3) 按式(6)計算自由場的半徑r,得到r=0.46 m,則該測試場地的自由場半徑理論值為0.46 m。

(6)

(4) 按式(7)計算大廳的吸聲量A,得到A=9.592。

A=Sα

(7)

(5) 按式(8)計算反射噪聲修正值K2對噪聲測量的影響值,則K2=3.01 dB(A)[長高面]和2.22 dB(A)[寬高面]。反射噪聲修正值K2≤7 dB,滿足測試標準的要求。

(8)

式中:S——被試濾波器的測量表面面積;

A——大廳的吸聲量。

(6)按式(1)計算修正后4個測點的聲壓級分別為:正面57.01 dB(A)、左面59.07 dB(A)、背面60.15 dB(A)、右面61.97 dB(A)。

(7)依據(jù)JB/T 11067—2011《低壓有源電力濾波裝置》的規(guī)定,低壓有源電力濾波裝置的噪聲值為61.97 dB(A)。

5 結(jié) 語

結(jié)合上述分析,4項低壓有源電力濾波裝置噪聲測試的注意事項匯總?cè)缦?供參考。

(1)測試時需要優(yōu)先對測試環(huán)境進行選擇,被測聲源與環(huán)境噪聲的差值ΔL≥3 dB,反射噪聲的修正值K2≤7 dB。

(2)測試在周圍2 m內(nèi)沒有聲音反射面的場所進行,如果條件允許,測試空間越大越好,反射面距離被測聲源的距離越大越好。

(3)聲級計的傳聲器正對被測低壓有源電力濾波裝置的外表面,測試時間保持1 s以上。

(4)嚴格選擇被測低壓有源電力濾波裝置的測點位置。