低压有源电力滤波装置噪声测试准确度研究

周 大 俊

[上海电器科学研究所(集团)有限公司,上海 200063]

0 引 言

低压有源电力滤波装置是指应用在低压电力领域内通过产生谐波电流与电网谐波电流实时抵消,从而实现滤波功能的电流装置[1-4]。低压有源电力滤波装置一般采用并联型电源逆变的结构型式,使用IGBT作为开关器件,通过产生与负载谐波电流次数相等、幅值相等但相位相反的补偿电流注入电网,降低电网侧的谐波含量,并减少谐波源负载对相邻设备的高频电磁干扰,同时补偿一定的无功功率[5-7]。

依据JB/T 11067—2011《低压有源电力滤波装置》[8]的规定,低压有源电力滤波装置的噪声限值≤65 dB(A),同时还规定了噪声测试依据的方法为GB/T 3768—1996 《声学 声压法测定噪声源声功率级 反射面上方采用包络测量表面的简易法》[9]。由于噪声测试准确度与测试的环境、测试设备、测试方法和噪声数据处理存在较强的关联性,因此选择合适的测试环境和测试设备、采用符合标准要求的测试和数据处理方法对于提高噪声测试的准确度具有现实的意义。

本文就低压有源滤波装置噪声测试方法、测试原理模型、测试准确度影响因素进行分析,通过对噪声测试准确度理论与验证结果的对比,得出适用于在反射面上方采用包络表面的简易法测试测量低压有源滤波装置噪声的具体措施和关键控制因素。

1 噪声测试方法概述

依据JB/T 11067—2011《低压有源电力滤波装置》标准要求,噪声测量的主要规定如下:

(1) 低压有源电力滤波装置处于额定工作状态。

(2) 滤波装置的前、后、左、右4个方向,在距离滤波装置各表面的距离1 m、高度1 m处,选取4个测点。噪声测试测点布局图(正视图)如图1所示,其中左右测点用a、b表示。

(3) 采用A声级分贝声级计测量,测量时应正对设备操作面。

(4) 在周围2 m内没有声音反射面的场所进行。

依据GB/T 3768—1996规定,测量低压有源电力滤波装置噪声应采用3级(即简易法)测试。反射面上的包络表面简易法的参数说明如表1所示。

注:①偏差:K2<5 dB时,δR≤3 dB;5 dB≤K2≤7 dB时,δR≤4 dB;离散纯音占主要成分时,δR增加1 dB;②K1为由背景噪声对表面声压级的影响而引入的一个修正值;③K2为由声反射或声吸收对表面声压级的影响而引入的一个修正值;④ΔL为被测声源噪声与测试环境背景噪声的差值。

由表1可知,低压有源电力滤波装置噪声测试环境的主要要求为:被测声源噪声与测试环境背景噪声的差值ΔL≥3 dB、背景噪声修正值K1≤3 dB、发射噪声修正值K2≤7 dB。

在采用反射面上的包络表面简易法对低压有源电力滤波装置进行噪声测试后,按照式(1)对4个测点的声压级Lp进行修正,选择4个测点修正后的最大值即为被测滤波装置的声压级[10-11]。

Lp修正=Lp-K1-K2

(1)

式中:Lp——测点测量的声压级;

K1——背景噪声修正值;

K2——反射噪声修正值。

2 噪声测试原理模型分析

假设低压有源电力滤波装置为点声源,在背景噪声和反射噪声符合测试环境的条件下,根据声源传播的理论,被测声源将会在测试环境中传播。声波传播的区域分为自由声场区域和混响声场区域,声波传播路径(俯视图)如图2所示。

如果声源对各方向的辐射强度相等,则室内离声源r处的声压级Lp按式(2)计算:

(2)

式中:r——噪声测试环境自由场半径;

Ws——声源的声功率;

R——房间常数,R=Sα/(1-α);

α——室内表面的平均吸声系数;

S——室内总表面积。

3 噪声测试准确度影响因素

从上述分析来看,低压有源电力滤波装置噪声测试的影响因素主要来自两个方面,一个方面为噪声测试场地的影响,具体表现为图2中混响声场对测点声压级的影响,理论上,测点位置要求放置在自由声场中。另一个方面为噪声测试和数据处理中背景噪声修正值K1和反射噪声修正值K2对最终测试噪声声压级的影响。

低压有源电力滤波装置的结构形式和外形尺寸存在较大的差异,所以其等效声源可能为点声源、线声源或面声源。假如滤波装置为线声源或面声源,则噪声测试的准确度就变得非常差。另外,假如被测滤波装置的尺寸较大,噪声测试空间虽然满足“在周围2 m内没有声音反射面的场所进行”的规定,但测试环境的自由场半径r超过测试环境的边界,则噪声测试的准确度也会成为一个比较大的问题。

4 噪声测试准确度理论与实证

忽略气候环境的影响,为了说明测试场地和背景噪声修正值K1与反射噪声修正值K2对最终测试噪声声压级的影响,本文采用理论计算和实测验证的方法对噪声测试准确度的影响因素进行进一步的说明。

选取的低压有源电力滤波装置声功率级为68.6 dB(A),声源性质等效为点声源。进行噪声测试时,低压有源电力滤波装置放置在4.2 m(长)×3.8 m(宽)×4.0 m(高)的试验大厅进行。声级计为2型。噪声测试时滤波装置处于额定工况点运行。测试的布局图如图3所示。

4.1 实证1:背景噪声对测试的影响

试验状态:滤波装置在试验大厅(测试时间在白天,参见图4)内进行噪声测量。试验大厅的背景噪声测试采用慢速时间计权模式,计权时间为1 s,测试周期为1 min,测量值为58.2 dB(A),被测滤波装置在稳定工况运行时测量,按标准规定要求

测量并选取其中的最大噪声值为60.3 dB(A)。

分析过程:被测滤波装置在稳定工况运行时,测量的噪声值实际为滤波装置本身的噪声和背景噪声的叠加值;由于白天试验大厅内也可能混有外界其他声源的噪声,故背景噪声值会偏大。

合成噪声的测量值为Lp1+2=60.3 dB(A),背景噪声为Lp2=58.2 dB(A),则被测滤波装置的噪声测量值Lp2按式(4-1)计算。计算得到的被测滤波装置的噪声声压级为56.1 dB(A)。

(3)

显然,按式(3)计算得到的被测滤波装置的噪声声压级低于环境噪声值,与被测滤波装置的实际不符合,所计算的数值明显受到背景噪声值的影响,因此测试环境的背景噪声不能满足要求。

K1=-10lg(1-10-0.1ΔLp)

(4)

按照式(4)计算得到K1=4.2 dB(A),该背景噪声修正值大于标准限值3 dB的要求。这也正是测试方法标准要求“被测声源噪声与测试环境背景噪声的差值ΔL≥3 dB”的主要原因。

4.2 实证2:反射噪声对测试的影响

试验状态:滤波装置在试验大厅(测试时间在晚上)内进行噪声测量。试验大厅的背景噪声测量值为48.2 dB(A),被测滤波装置在稳定工况下运行时,测得声压级分别为:正面60.3 dB(A)、左面61.5 dB(A)、背面63.3 dB(A)、右面64.3 dB(A)。大厅部分空且墙壁平滑,平均吸声系数α取0.10。

分析过程:

(1) 计算背景噪声K1对噪声测量的影响值。被测滤波装置与背景噪声的差值ΔL=12.1 dB(A)、13.3 dB(A)、15.1 dB(A)、16.1 dB(A),按式(4)计算,得到K1=0.28 dB(A)、0.21 dB(A)、0.14 dB(A)、0.11 dB(A)。显然背景噪声K1满足测试标准的要求。

(2) 计算大厅的总面积S=2×(4.2×3.8+4.2×4.0+4.0×3.8) m2=95.92m2。按式(5)计算大厅的房间系数R=10.66。

R=Sα/(1-α)

(5)

(3) 按式(6)计算自由场的半径r,得到r=0.46 m,则该测试场地的自由场半径理论值为0.46 m。

(6)

(4) 按式(7)计算大厅的吸声量A,得到A=9.592。

A=Sα

(7)

(5) 按式(8)计算反射噪声修正值K2对噪声测量的影响值,则K2=3.01 dB(A)[长高面]和2.22 dB(A)[宽高面]。反射噪声修正值K2≤7 dB,满足测试标准的要求。

(8)

式中:S——被试滤波器的测量表面面积;

A——大厅的吸声量。

(6)按式(1)计算修正后4个测点的声压级分别为: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)依据JB/T 11067—2011《低压有源电力滤波装置》的规定,低压有源电力滤波装置的噪声值为61.97 dB(A)。

5 结 语

结合上述分析,4项低压有源电力滤波装置噪声测试的注意事项汇总如下,供参考。

(1)测试时需要优先对测试环境进行选择,被测声源与环境噪声的差值ΔL≥3 dB,反射噪声的修正值K2≤7 dB。

(2)测试在周围2 m内没有声音反射面的场所进行,如果条件允许,测试空间越大越好,反射面距离被测声源的距离越大越好。

(3)声级计的传声器正对被测低压有源电力滤波装置的外表面,测试时间保持1 s以上。

(4)严格选择被测低压有源电力滤波装置的测点位置。