Kompatybilność elektromagnetyczna 2

Politechnika
Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia:
GENERATORY UDAROWE
Część 2: Badania odporności udarowej urządzeń
Ćwiczenie nr 8.
Laboratorium z przedmiotu:
Kompatybilność elektromagnetyczna 2
Kod: TZ2C200034
Opracowali:
Dr inŜ. Renata Markowska
Dr inŜ. Leszek Augustyniak
Prof. dr hab. inŜ. Andrzej Sowa
Białystok 2013
Generatory udarowe: część II – 2
1. WSTĘP
Generatory udarowe napięciowe i prądowe wykorzystywane są do symulacji zagroŜeń
stwarzanych przez zakłócenia impulsowe docierające do urządzeń i systemów elektrycznych i
elektronicznych. Podstawowe informacje o zachowaniu się tych urządzeń w warunkach zakłóceń
impulsowych uzyskuje się badając ich odporność na udary napięciowe i prądowe docierające z sieci
zasilającej i torów sygnałowych.
Badania odporności udarowej urządzeń elektronicznych wykazały, Ŝe znaczna ich część zmienia
swoje impedancje wejściowe od bardzo wysokich do niskich, np. podczas przebicia izolacji czy po
zadziałaniu elementów zabezpieczających. Stosowanie w takich przypadkach do badań oddzielnych
generatorów napięciowych i prądowych nie odzwierciedla rzeczywistego zagroŜenia. Normy
przewidują w takich przypadkach stosowanie generatorów napięciowo-prądowych wytwarzających
jednocześnie udary napięciowy i prądowy. Kształty udarów testujących wytwarzanych przez róŜne
typy generatorów odwzorowują zakłócenia występujące w rzeczywistości.
Celem ćwiczenia jest poznanie zasad wytwarzania róŜnorodnych udarów stosowanych w
badaniach odporności udarowej urządzeń oraz obserwacja zachowania się generatorów
udarowych przy róŜnym obciąŜeniu.
2. GENERATORY NAPIĘĆ UDAROWYCH
Podstawową częścią generatora napięć udarowych jest układ formujący zawierający najczęściej
połączenie kilku pojemności i rezystancji (rys. 1).
Rład
U
W
C1
R1
R2
R3
R4
C2
R5
Rys. 1. Typowy schemat uniwersalnego generatora udarów napięciowych.
Wartości rezystancji i pojemności dobiera się odpowiednio do wymaganego kształtu napięcia
udarowego. Do badań wytrzymałości izolacji oraz odporności udarowej stosowane są najczęściej
napięcia udarowe o kształtach 1,2/50 µs, 10/700 µs, 100/700 µs lub 10/1000 µs.
Zalecane przez normy wartości poszczególnych elementów generatora w układzie z rys. 1 w
zaleŜności od wymaganego kształtu napięcia zestawiono w tablicy 1.
3. GENERATORY PRĄDÓW UDAROWYCH
Do badania urządzeń, które charakteryzuje niewielka wartość impedancji wejściowej,
wykorzystywane są generatory wytwarzające prądy udarowe o ściśle określonych parametrach.
(rys. 2).
Generatory udarowe: część II – 3
Tablica 1. Wartości elementów generatora (rys. 1) potrzebne do uzyskania Ŝądanych kształtów
napięcia udarowego.
Normy
Kształt
CCITT Reck K-17
IECpubl. No.60-2
CCITT-38812
10/700 µs
100/700 µs
0,5/700 µs
100/700 µs
20
20
20
40
200
2000
15
2000
VDE 0845
DIN 57 845
1,2/50 µs
20
1
1,4
IEEE P-587
1,2/50 µs
OVE-FT 845
1,2/50 µs
100/700 µs
CCITT IX-Ree.12
CCITT 38550
C1[µF] C2[nF] R1[Ω]
R2[Ω]
R3[Ω]
R4[Ω]
R5[Ω]
–
–
–
–
50
50
3
50
15
15
15
15
25
2,5
–
25
–
–
–
–
25
33
24
–
–
–
2,8
76
50
15
13
15
–
25
25
–
–
–
0,025
2
–
–
250
5
3000
1
10
10
470
–
–
75
110
11
13
27
27
–
–
0,1
5
1000
10∗106
–
50
–
b)
a)
Rτ
R1
L
R1
L
Rc
U
Robc
U
C1
C1
C1
C1
Cc
Rb
do oscyloskopu
c) I
Im
0,9
Rys. 2. Generator udarów prądowych: a) układ;
b) obwód obliczeniowy; c) udar prądowy.
0,5
0,1
0
T1
t
T2
Układ generatora udarów prądowych (rys. 2) jest podobny do układu jednostopniowego
generatora udarów napięciowych, ale nie występuje w nim ani rezystancja rozładowcza, ani
pojemność kształtująca czoło, a pojemność główna C1 jest znacznie większa. Rozładowanie
pojemności C1 przez iskiernik I, rezystancję R1, indukcyjność L i rezystancję obiektu badanego R0
następuje przy silnie tłumionym przebiegu oscylacyjnym.
Najczęściej stosowany udar pełny ma kształt T1/T2 = 8/20 µs. Innym przykładem generatora
unipolarnego jest generator wytwarzający udar prądowy 10/700 µs lub 100/700 µs (udary
stosowane do badań sprzętu telekomunikacyjnego). Generatory te, zgodnie z zaleceniami CCITT,
stosowane są do badania odporności na działanie zakłóceń występujących w torach sygnałowych.
Generatory udarowe: część II – 4
4. GENERATORY NAPIĘCIOWO – PRĄDOWE
Generator napięciowo-prądowy umoŜliwia wytwarzanie eksponencjalnego napięcia udarowego
przy otwartych zaciskach wyjściowych oraz prądu udarowego przy zwartych zaciskach
wyjściowych generatora. Stosunek wartości szczytowych tych udarów, tj. napięciowego na
zaciskach otwartych do prądowego na zaciskach zwartych nazywany jest impedancją wewnętrzną
generatora. Wynosi ona zwykle kilka Ω (zalecana w normach wartość to 2 Ω).
Najczęściej wykorzystywanym generatorem napięciowo-prądowym jest generator wytwarzający:
• napięcie udarowe 1,2/50 µs/µs o wartości szczytowej napięcia regulowanej od 500 V do
4 kV (rys. 3a) w przypadku otwartego wyjścia generatora,
• prąd udarowy 8/20 µs/µs o wartości szczytowej prądu od 0,25 kA do 2 kA (rys. 3b) na
wyjściu zwartym.
a)
b)
Tc = 1,67 ⋅ T1 = 1,2µs±30%
Tc = 1,25 ⋅ T1 = 8µs±20%
T p = 50µs±20%
T p = 20µs±20%
Rys. 3. Udary: a) napięciowy 1,2/50 µs/µs, b) prądowy 8/20 µs/µs.
Rysunek 4 przedstawia schematy generatorów udarów napięciowo-prądowych, a w tablicach 2 i
3 podano wartości elementów pozwalających na uzyskanie udarów napięciowych i prądowych o
parametrach: udar napięciowy 1,2/50 µs na zaciskach otwartych i udar prądowy 8/20 µs na
zaciskach zwartych.
L1
R2
a)
C1
R1
R2
b)
C2
C1
L1
R1
R3
Rys. 4. Schematy generatorów udarów napięciowo-prądowych.
Tablica 2. Wartości elementów generatora z rys. 4a potrzebne do uzyskania udarów napięciowoprądowych (udar napięciowy 1,2/50 µs na zaciskach otwartych i udar prądowy 8/20 µs na
zaciskach zwartych).
Normy
C1 [µF]
C2 [nF]
L1 [µH]
R1 [Ω]
R2 [Ω]
IEEE Std. 587
16
340
8
4
1,3
Generatory udarowe: część II – 5
Tablica 3. Wartości elementów generatora z rys. 4b potrzebne do uzyskania udarów napięciowoprądowych (udar napięciowy 1,2/50 µs na zaciskach otwartych i udar prądowy 8/20 µs na
zaciskach zwartych).
Normy
IEC 664
VDE 0185
14.76/DIN 57 845
IEEE P587-1F
FTZ 477 71 TV 1
VDE 0845
14.76/DIN57 845
VDE 0845
14.76/DIN 57 845
C1 [µF]
L1 [µH]
R1 [Ω]
R2 [Ω]
R3 [Ω]
5,75
11
21
0,78
26
11,5
5,5
10,5
0,39
13
30
2,2
–
0,2
–
30
200
1000
–
1000
40
1
–
0,21
–
10
5,5
–
1,5
–
5. BADANIA ODPORNOŚCI UDAROWEJ URZĄDZEŃ
W trakcie badań laboratoryjnych odporności urządzeń stwarzane są warunki zbliŜone do
najbardziej niekorzystnych występujących w czasie eksploatacji. Badane urządzenie jest zasilane
napięciem znamionowych i dodatkowo do wybranych punktów doprowadzane są napięcia lub
prądy udarowe. Źródłem udarów jest generator podłączany do wybranych punktów układu za
pomocą obwodów sprzęgających, umoŜliwiających przekazanie energii od generatora do badanego
układu. Ogólny schemat blokowy układu do badania odporności udarowej przedstawia rys. 5.
GENERATOR
PROBIERCZY
WPROWADZANE
UDARU
ZASILENIE
URZĄDZENIA
OBWÓD
SPRZĘGAJĄCY
POZOSTAŁA
CZĘŚĆ
SYSTEMU
URZĄDZENIE
BADANE
URZĄDZENIE
SEPARUJĄCE
Rys. 5. Ogólny schemat blokowy układu do badania odporności urządzenia na udary dochodzące
z sieci zasilającej.
Obwody sprzęgające są najczęściej obwodami pojemnościowymi (rys. 6a) lub indukcyjnymi
(rys. 6b), rzadziej wykorzystujące iskierniki (rys. 6c).
a)
b)
c)
Rys. 6. Podstawowe elementy sprzęgające.
Generatory udarowe: część II – 6
W układzie badawczym stosowane są równieŜ obwody odsprzęgające (oddzielające), które
uniemoŜliwiają przechodzenie udarów testujących do instalacji elektrycznej. Dzięki temu inne
urządzenia zasilane z danej instalacji nie są zagroŜone. Do odsprzęgania wykorzystywane są:
transformatory separujące (rys. 7a),
dławiki (rys. 7b),
mieszane układy LC lub RC (rys. 7c).
a)
b)
c)
Rys. 7. Podstawowe układy odsprzęgające.
W podobny sposób bada się równieŜ odporność urządzeń na udary dochodzące z linii przesyłu
sygnałów. Ogólny schemat blokowy typowego układu do badania odporności urządzeń na udary
dochodzące do portów sygnałowych przedstawia rys. 8.
GENERATOR
PROBIERCZY
WPROWADZANIE
UDARU
SYGNAŁZE SPRZĘTU
DODATKOWEGO
OBWÓD
SPRZĘGAJĄCY
SPRZĘT
DODATKOWY
SPRZĘT
ZABEZPIECZAJĄCY
UKŁAD
ODSPRZĘGAJĄCY
URZĄDZENIE
BADANE
Rys. 8. Ogólny schemat blokowy układu do badania odporności urządzenia na udary dochodzące
z linii przesyłu sygnałów.
6. GENERATORY NAPIĘĆ OSCYLACYJNYCH GASNĄCYCH
Umowne impulsy testujące o postaci gasnącej fali oscylacyjnej dzielimy, ze względu na ich fazę
początkową, na udary o charakterze sinusoidalnym i kosinusoidalnym. W praktyce moŜna wyróŜnić
dwa sposoby generacji impulsów o postaci gasnących fal oscylacyjnych.
Pierwszy z nich polega na wykorzystaniu energii zgromadzonej w elemencie reaktancyjnym.
Wytwarzany udar jest kształtowany w obwodzie formującym, podobnie jak w przedstawionych
generatorach unipolarnych. Schematy obwodów formujących zalecanych przez obowiązujące
normy przedstawiono na rys. 9. Przedstawione obwody zaprojektowano do uzyskania udarów o
określonych kształtach. Zalety takiego rozwiązania to wysokie poziomy wytwarzanych napięć i
prądów. Generatory tego rodzaju charakteryzują się ograniczonymi moŜliwościami zmiany
parametrów wytwarzanych impulsów.
Drugim sposobem jest wytwarzanie wymaganych kształtów impulsów w układzie niskiego
napięcia, a następnie ich wzmacnianie do poziomów wymaganych do badań odporności udarowej.
Generatory udarowe: część II – 7
300 Ω
a)
0,015uF
f = 500 kHz
300 Ω
0,75uH
ANSI C 3790a (1974), IEEE 472 (1974)
2,5 Ω
b)
0,5 uF
6 uH
5 nF
f = 100 kHz
IEEE Std. 587 (1980)
2,5 Ω
c)
0,5uF
25 Ω
5 uH
25 Ω
5 nF
10 nF
f = 500 kHz
IEEE P 587 1/F (1979)
Rys. 9. Schematy typowych układów formujących wykorzystywanych do generacji gasnących
impulsów oscylacyjnych. Układy zgodnie z: ANSI-C-3790A (a), IEEE-587 (b), IEEE-D 587 (c).
7. METODYKA BADAŃ.
Program badań obejmuje badanie wybranych przez prowadzącego generatorów:
• napięć lub prądów udarowych,
• napięciowo-prądowych,
• gasnących impulsów oscylacyjnych.
Do badań wykorzystany zostanie program PSPICE. NaleŜy zamodelować badane układy
generatorów dla róŜnych obwodów obciąŜeń: R, LC i RLC, przy róŜnych wartościach
poszczególnych elementów R, L i C.
Następnym etapem jest zamodelowanie w programie kompletnego układu do badań odporności
udarowej przyłączy zasilania róŜnych urządzeń elektronicznych (rys. 10), zasilanych z sieci prądu
przemiennego AC 230 V wraz z układami sprzęgającymi i odsprzęgającymi. W najprostszym
przypadku jako zasilanie AC moŜna przyjąć źródło napięcia sinusoidalnie zmiennego 230 V, 50 Hz.
W dalszej kolejności układ naleŜy stopniowo rozbudować dołączając transformator energetyczny w
sieci zasilającej budynek oraz linię zasilającą (w postaci linii długiej) pomiędzy transformatorem a
układem odsprzęgającym. Jako badane urządzenie naleŜy kolejno włączać obwody zastępcze
reprezentujące przyłącza zasilania typowych urządzeń AGD/RTV (rys. 11).
Generatory udarowe: część II – 8
Generator
napięciowo-prądowy
R = 10Ω
układ odsprzęgający
C = 9µF
L
Źródło
zasilania
AC 230 V
L=1,5mH
Badane
urządzenie
N
PE
ziemia odniesienia
Rys. 10. Schemat układu do badania odporności udarowej przyłącza zasilania urządzenia.
Odbiornik telewizyjny
80 Ω
Magnetowid
5 kΩ
50 Ω
1Ω
100 nF
20 nF
2 µH
300 nF
200 µH
WieŜa stereo
40 µH
1 kΩ
10 Ω
3 nF
20 Ω 200 pF
1 nF
20 µH
Komputer osobisty
100 Ω
Monitor
200 Ω
20 Ω
25 nF
200 nF
20 µH
Lodówka
2 µH
10 Ω 1,5 nF
10 Ω
40 µH 70 nF
5Ω
1 µH
1 kΩ
Kuchenka mikrofalowa
20 kΩ
Zmywarka
1Ω
0,5 nF
0,5 nF
250 nF
5 µH
Rys. 11. Schematy zastępcze reprezentujące impedancje przyłączy zasilania pomiędzy zaciskami L-N
typowych urządzeń AGD/RTV
Protokół pomiarów powinien zawierać wyniki obliczeń charakterystycznych parametrów
wytwarzanych udarów napięciowych i prądowych (wartość szczytową, czas narastania czoła, czas
do półszczytu na grzbiecie udaru, częstotliwość oscylacji itp.) oraz wydruki komputerowe
wybranych przebiegów udarów napięciowych i prądowych wytwarzanych w badanych układach.
W szczególności naleŜy zbadać:
• wpływ rodzaju i wartości elementów obwodu obciąŜenia generatora na kształty udarów
napięciowych i prądowych wytwarzanych w badanych układach generatora napięciowoprądowego oraz kształty udarów napięciowych i prądowych w róŜnych miejscach całego układu
do badania odporności udarowej urządzeń,
Generatory udarowe: część II – 9
•
wpływ wartości elementów obwodu obciąŜenia na kształty udarów dla wybranych generatorów
napięciowych (10/700 µs, 100/700 µs, 1,2/50 µs) lub gasnących impulsów oscylacyjnych.
7.1. Opracowanie wyników badań
W sprawozdaniu naleŜy zamieścić wykresy zaleŜności podstawowych parametrów udarów (czas
narastania czoła, czas do połowy wartości szczytowej, sprawność generatora itp.) od impedancji lub
wartości elementów obwodu obciąŜenia oraz przykładowe przebiegi wytwarzanych udarów.
Przedyskutować wpływ zmian typu i wartości obciąŜenia na kształty wytwarzanych udarów.
PRZEPISY BHP
Podczas badań naleŜy przestrzegać zasad i przepisów bezpieczeństwa pracy omówionych
podczas zająć wstępnych w laboratorium, zawartych w „Regulaminie porządkowym laboratorium
Kompatybilności Elektromagnetycznej i Ochrony Przeciwzakłóceniowej z uwzględnieniem
przepisów BHP”. Regulamin dostępny jest w pomieszczeniu laboratoryjnym w widocznym
miejscu.
LITERATURA
1. Augustyniak L.: Laboratorium kompatybilności elektromagnetycznej. Oficyna Wydawnicza
Politechniki Białostockiej, Białystok, 2010.
2. Więckowski T. W.: Badania kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń elektrycznych i
elektronicznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2001.
3. Więckowski Tadeusz Wiesław: Badanie odporności urządzeń elektronicznych na impulsowe
naraŜenia elektromagnetyczne; Wrocław: Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, 1993.
4. Flisowski Z.: Technika Wysokich napięć. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa
2009.
5. Machczyński W.: Wprowadzenie do kompatybilności elektromagnetycznej. Wydaw.
Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2010.
6. Alain Charoy: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych: zasady i porady instalacyjne, tomy
1, 2 3 i 4; Warszawa: WNT, 1999, 2000.