陈海涛，钟 庆，张 尧

（华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640）

电压暂降是指供电电压有效值在短时间内突然下降之后又恢复到正常运行状态的现象，其持续时间大多为0.01～0.6s.对于电压暂降的指标，国际上至今尚未有统一标准定义，国际电气与电子工程师协会（IEEE）将电压暂降定义为供电电压有效值快速下降到额定值的90%～10%，持续时间为0.5周波至1min；而国际电工委员会（IEC）则将其定义为下降到额定值的90%～1%，持续时间为0.5周波至1min.

随着经济的快速发展和用户对敏感设备使用的增多，在保证供电安全性和可靠性的同时，用户对供电质量的要求越加严格［1］.引起电压暂降的原因主要有线路短路故障、雷击，大型感应电动机启动，开关操作、变压器或电容器组投切，电弧炉、轧钢机等冲击性负荷的投运等［2－3］.电压暂降会造成计算机系统瘫痪、冷却装置跳闸、变频调速器退出运行，引起交流接触器脱扣、电梯停顿、测试仪器芯片烧毁以及导致交通信号灯、气体放电灯熄灭，研究结果表明：在所有的电能质量问题中，90%以上是由电压暂降或短时中断引起的.

国内外对敏感设备的电压暂降免疫度评估做了大量的研究，现行评估方法有测量统计法［4］、模糊评估法［5－6］和概率估计法［7］等，模糊评估法和概率评估法属于不确定性评估方法.用测量统计法可直接确定敏感设备电压暂降免疫度，结果可靠，但缺乏可移植性和预测性.基于概率模型的随机建模方法是根据免疫特性对敏感设备进行分级，并用正态、均匀、指数、负指数分布来描述不同敏感度等级，但一旦出现分级错误，将会对评估结果产生很大的误差.文献［8］提出建立VTC曲线分布的概率模型，它能客观地描述敏感设备免疫度的随机性.

计算机电源对电压暂降比较敏感，如果出现电压暂降并持续到一定时间，快速旋转的磁盘会立即停止，导致磁头与盘片之间发生猛烈的摩擦，从而使硬盘损坏；如果供电电压过低或者突然中断，计算机内存里的数据得不到及时的动态刷新，就会造成程序破坏或数据丢失，严重情况下将导致计算机电源跳闸.

笔者利用Simplis/Simtrix软件搭建典型的计算机电源模型，利用该软件对计算机电源电压暂降的免疫度进行仿真和分析，绘制典型计算机电源的电压暂降免疫度曲线.

1 电压暂降特征值分析

电压暂降的特征值可以用暂降幅值、持续时间以及暂降频次来描述.

1）暂降幅值.

暂降幅值是指电压暂降期间电压的均方根值与额定电压的均方根值的比值，即暂降之后电压值.暂降幅值越低对设备的影响越大，如三相短路故障比单相短路故障引起的电压暂降程度更大.

2）持续时间.

持续时间是指从电力系统发生电压暂降到结束所经历的时间，具有很大的随机性.按照持续时间，IEEE将暂降分为瞬时、暂时和短时3种类型，具体如表1所示.设备一般都有储能元件，当发生电压暂降时，设备还可以维持一段工作时间，但持续时间都较短.

表1 电压暂降和短时中断分类Table 1 Classification of voltage sag and short supply interruption

3）暂降频次.

暂降频次是指电压暂降所发生的频繁程度，暂降频次越高，对设备的影响越大，很多暂降是连续重复发生的，敏感设备可能躲过第1次暂降，但是可能承受不住第2次电压暂降.

2 免疫度研究

电压暂降免疫度是指设备对电压暂降问题的敏感程度，即提供给设备的供电电压发生电压暂降问题时，对设备造成一定程度的干扰仍能正常运行的能力.按免疫程度可以分为普通设备、敏感设备和重要设备，其中，计算机电源属于敏感设备，它对电压暂降的要求比较严格.有研究表明：当计算机电压低于60%且持续时间超过240ms时，计算机工作将会受到影响.计算机电源的本身特性、电压暂降发生特征和计算机电源的运行状态等因素都对电压暂降免疫度有一定的影响.比较典型的计算机电源免疫度曲线有CBEMA和ITIC曲线.

2.1 CBEMA曲线

CBEMA曲线是美国计算机商业设备制造者协会（CBEMA）根据大型计算机的历史数据和实验数据绘制，其目的是防止电压扰动造成计算机等装置误动作或损坏.CBEMA曲线如图1所示，该曲线描述了计算机耐受电压与持续时间的关系，曲线的上、下部分分别代表高电压与低电压，是不可接受区间.由图1可知，允许电压中断的时间在8.33ms左右，中间部分为合格电压，是可接受区间.

图1 CBEMA曲线Figure 1 CBEMA curve

2.2 ITIC曲线

ITIC曲线是在CBEMA曲线的基础上进行修订绘制，使电压幅值与持续时间有了明确的对应关系，如图2所示，稳态电压限制从原来上限106%和下限87%改为上限110%和下限90%，允许电压中断的时间从8.33ms改为20ms.包络线外的部分为不可接受区，上部分为损坏区，下部分为无损区；包络线内的电压为合格电压，是正常工作区.

图2 ITIC曲线Figure 2 ITIC curve

3 计算机电源模型

3.1 UC3842电流型脉宽调制器

UC3842是Unitorde公司生产的电流型脉宽调制器［9－10］，它能直接驱动双极型功率管或场效应晶体管，其主要优点是管脚数量少、外围电路简单；采用单端隔离技术，可利用高频变压器实现与电网隔离；电压调整率高，其工作频率高达500kHz，启动电流小于1mA.其内部结构示意如图3所示.

图3 UC3842内部结构示意Figure 3 UC3842internal structure

UC3842有8个引脚：引脚1是误差放大器输出端，用于改善误差放大器的增益和频率特性；引脚2反馈电压输入端，作用是控制脉冲电压调制电路，保持开关电源的输出电压稳定；引脚3电流检测输入端，其作用是过流保护；引脚4为RC振荡端，用来确定内部振荡器的工作频率；引脚5为公共接地端；引脚6为推挽输出端，也就是开关脉冲输出端，内部为图腾柱式；引脚7是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能；引脚8为URef＝5V基准电压输出端.

3.2 仿真模型

计算机电源仿真模型如图4所示，其工作原理为220V交流电压通过桥式整流和滤波变成直流电压，并在滤波电容C1作用下，保持直流电压为300 V左右，然后通过电阻R1降压，当供电电压达到UC3842的启动电压16V时，UC3842开始工作并提供脉冲；自馈线圈P2对降压后的直流输出电压采样，经过UC3842的误差放大器、PWM锁存器以及反馈信号控制MOS管的导通和关断，以决定高频变压器的通断状态，再通过降压变压器P1－S1变成交流电压；交流电压通过低压滤波电路的整流和滤波，得到稳定的5V直流输出电压.其中，R2，C2，D5和R11，C13，D9构成两级吸收回路，作用是吸收尖峰电压.

UC3842由整流和滤波降压后的直流电压供电，其中，R6＝2.2kΩ，C9＝10nF，由f＝1.8/（RT·CT）计算频率为80kHz，其作用是维持负荷端输出电压不变，相当于电压稳压器.当直流供电电压高于16V时，UC3842开始导通，稳定工作电压在15V左右，若启动后直流供电电压低于10V、电压稳压器不能维持输出电压恒定值时，将导致数字电子设备内部发生错误，或导致计算机电源跳闸.

图4 计算机电源仿真模型Figure 4 Simulation model of computer power supply source

4 仿真分析

4.1 电压暂降免疫度分析

保持负荷功率和滤波电容容量（2 600μF）等其他变量不变，只改变供电交流电压，分析输出电压的变化情况，笔者对各个阶段电压暂降进行具体仿真试验，具有代表性的仿真实验如图5，6所示.正常运行情况下（图5），计算机电源输出电压为5V，当发生30%的电压暂降（电压试验等级为70%）时，计算机电源输出电压降至4.4V左右，但不影响计算机电源正常工作.当电压试验等级下降时，直流输出电压降至4.3V以下（图6），此时电压控制芯片将停止工作，电源中断.针对计算机电源对电压暂降的免疫度不同，其持续时间也不相同，具体测试结果如表2所示，免疫度曲线如图7所示.

图5 电压暂降30%计算机电源输出电压（2 600μF）Figure 5 Computer power supply source output voltage of voltage sag 30%（2 600μF）

图6 电压暂降35%计算机电源输出电压（2 600μF）Figure 6 Computer power supply source output voltage of voltage sag 35%（2 600μF）

一般情况下，计算机电源能承受参与电压为70%左右的电压暂降，随着电压暂降程度的加深，计算机电源维持系统运行时间逐渐减少.当电压试验等级为65%、持续时间为350ms时，计算机电源开始逐渐停止工作；当电压试验等级为50%时，维持系统运行时间为55ms；当电压试验等级为0%时，也能维持系统运行25ms.

表2 电压暂降和短时中断测试结果（2 600μF）Table 2 Testing result of voltage sag and short supply interruption（2 600μF）

图7 电压暂降免疫度曲线（2 600μF）Figure 7 Immune degree curve of voltage sag（2 600μF）

4.2 滤波电容对电压暂降免疫度的影响

保持负荷功率等其他变量不变，在不同电压暂降程度下改变滤波电容容量，分析计算机电源的整流电压，仿真结果如图8，9所示，为供电电压220V在40ms时发生30%的电压暂降、滤波电容容量分别为2 600和4 700μF的供电电压整流波形.

通过对比图8，9，可以看出：滤波电容容量为4 700μF的供电电压波形比2 600μF的更为平稳，图9比图8的整流电压幅值下降的慢，维持时间也比图8多45ms左右，最低电压分别为208和203V，这将直接影响计算机电源的输出端直流电压.

图8 供电电压整流波形（2 600μF）Figure 8 Rectification wave of power supply voltage（2 600μF）

图9 供电电压整流波形（4 700μF）Figure 9 Rectification wave of power supply voltage（4 700μF）

滤波电容容量为4 700μF，改变供电电压，分析输出电压的变化情况，如图10所示，输出电压波形与图6输出电压波形进行对比，可以看出：电压波形更加平稳、下降速度更为缓慢；当电压暂降35%时，计算机电源还能保持正常工作，其维持系统运行的效果比图6所示的更好.

图10 电压暂降35%计算机电源输出电压（4 700μF）Figure 10 Computer power supply source output voltage of voltage sag 35%（4 700μF）

滤波电容容量为4 700μF的电压暂降测试结果如表3所示，免疫度曲线如图11所示.通过表3可以看出：当电压试验等级为65%时，计算机电源还能正常运行工作；当电压试验等级为60%、持续时间为250ms时，计算机电源开始逐渐停止工作；当电压试验等级为50%时，维持系统运行时间为60ms；当电压试验等级为0%时，也能维持系统运行32ms.

对比表2，3可以看出：同样的试验电压等级，滤波电容容量为4 700μF比滤波电容容量为2 600μF的计算机电源维持系统运行时间长.从表3中可以看出，电压试验等级为65%时计算机电源还能维持正常工作，而从表2可以看出，其在持续一定时间的电压暂降之后，计算机电源已不能正常工作，表3计算机电源电压暂降免疫度曲线的工作区间也比表2的工作区间范围大.

表3 电压暂降和短时中断测试结果（4 700μF）Table 3 Testing results of voltage sag and short supply interruption（4 700μF）

图11 电压暂降免疫度曲线（4 700μF）Figure 11 Immune degree curve of voltage sag（4 700μF）

5 结论

笔者利用Simplis/Simtrix软件搭建了典型的计算机电源模型，通过对该计算机电源模型进行仿真，得出结论：

1）利用Simplis/Simtrix软件设计了比较典型的计算机电源模型，从电压暂降的仿真结果来看，该模型也比较符合真实计算机电源.

2）电压暂降的幅值不同，维持计算机电源持续运行的时间也不同，针对计算机电源对电压暂降的免疫度，绘制了典型计算机电源的电压暂降免疫度曲线.

3）当正常运行的计算机电源发生相同程度的电压暂降事件时，采用4 700μF的滤波电容比采用2 600μF滤波电容的供电电压整流波形和输出电压波形更为平稳，维持计算机电源系统持续运行时间更长，其电压暂降免疫度曲线的工作区间范围也更大.

［1］钟庆，易杨，武志刚，等.电力用户电压暂降问题分析与仿真［J］.电力系统及其自动化学报，2008，20（6）：102－106.ZHONG Qing，YI Yang，WU Zhi－gang，et al.Analysis and simulations of the voltage sags in power customer［J］.Proceedings of the CSU－EPSA，2008，20（6）：102－106.

［2］林涛，王思源，郑洁.基于ETAP的电力系统电能质量问题研究与分析［J］.电力科学与技术学报，2010，25（1）：27－34.LIN Tao，WANG Si－yuan，ZHENG Jie.Power quality analysis based on ETAP software［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2010，25（1）：27－34.

［3］徐育福，蔡金锭，李天友.钢铁厂电弧炉对配电网电能质量影响的预测与治理［J］.电力科学与技术学报，2008，23（4）：83－88.XU Yu－fu，CAI Jin－ding，LI Tian－you.Prediction and suppression for steel mill arc furnace influence to distribution networks power quality［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2008，23（4）：83－88.

［4］陈平，杨洪耕.敏感设备电压暂降敏感度模糊评估方法［J］.电网与清洁能源，2009，25（6）：23－27.CHEN Ping，YANG Hong－geng.Sensitivity evaluation of sensitive equipment based on fuzzy theory due to voltage sags［J］.Power System and Clean Energy ，2009，25（6）：23－27.

［5］Wang J，Chen S，Lie T T.Estimating economic impact of voltage sags［C］.International Conference on Power System Technology，Singapore，2004.

［6］Milanovic J V，Gupta C P.Probabilistic assessment of financial losses due to interruptions and voltagesags part II：Practical implementation［J］.IEEE Transations on Power Delivery，2006，21（2）：932－935.

［7］陈平，杨洪耕，肖先勇.基于模糊失效准则的敏感设备电压凹陷敏感度评估［J］.电力系统保护与控制，2010，38（6）：8－11.CHEN Ping，YANG Hong－geng，XIAO Xian－yong.Sensitivity evaluation of sensitive equipment based on fuzzy failure criterion due to voltage sags［J］.Power System Protection and Control，2010，38（6）：8－11.

［8］肖先勇，王希宝，薛丽丽，等.敏感负荷电压凹陷敏感度的随机估计方法［J］.电网技术，2007，31（22）：30－33.XIAO Xian－yong，WANG Xi－bao，XUE Li－li，et al.A method to stochastically estimate voltage sag sensitivity of sensitive equipments［J］.Power System Technology，2007，31（22）：30－33.

［9］谢晔源，钱照明，彭方正.UC3842控制芯片在反激电源上的新用法［J］.电力电子技术，2009，39（3）：98－99.XIE Ye－yuan，QIAN Zhao－ming.A novel method of UC3842used in flyback switching power supply［J］.Power Electronics，2009，39（3）：98－99.

［10］夏泽中，王彬，李军.基于UC3842的单端反激式开关电源的设计与分析［J］.电源技术应用，2008，11（6）：6－10.XIA Ze－zhong，WANG Bin，LI Jun.Design and analysis of a single flyback switching power supply based on UC3842［J］.Power Supply Technologies and Applications，2008，11（6）：6－10.