Analýza generátorů tlumených oscilačních vln na základě normy IEC 61000-4-18 Pomalá a rychlá tlumená oscilační vlna: Případová studie LISUN DOW61000-18 Série

Abstraktní
S rychlým rozvojem průmyslové elektroniky a energetických systémů se elektromagnetická kompatibilita (EMC) stala kritickým kritériem pro zajištění stabilního provozu elektrických a elektronických zařízení. Tlumené oscilační vlny, běžné elektromagnetické rušení v elektrických sítích a průmyslovém prostředí, mohou způsobit poruchy nebo dokonce poškození citlivých zařízení. IEC 61000-4-18 Pomalá a rychlá tlumená oscilační vlna Norma specifikuje testovací a měřicí techniky pro hodnocení odolnosti zařízení vůči takovému rušení. Tento dokument se zabývá LISUN DOW61000-18 Tester imunity tlumených oscilačních vln jako případová studie, systematicky analyzující technické pozadí normy IEC 61000-4-18 (včetně požadavků na pomalé a rychlé tlumené oscilační vlny), konstrukční principy generátorů tlumených oscilačních vln a technické specifikace a aplikační scénáře LISUN DOW61000-18 série. Prostřednictvím podrobného srovnání parametrů a vysvětlení principu tento článek demonstruje, jak LISUN Produkt splňuje požadavky normy IEC 61000-4-18 pro pomalé a rychlé tlumené oscilační vlny a poskytuje spolehlivá řešení pro testování EMC pro odvětví, jako je energetika, průmyslová automatizace a přístrojová technika.

1. Úvod
V energetických systémech (např. ve vysokonapěťových (VN) rozvodnách) a průmyslových areálech spínací operace odpojovačů, jističů nebo jiných výkonových elektronických zařízení často generují přechodné elektromagnetické rušení. Mezi nimi se tlumené oscilační vlny vyznačují vysokou amplitudou, širokým frekvenčním rozsahem a postupným útlumem amplitudy, které se může prolínat do signálu nebo silového vedení blízkých zařízení, což vede k chybám v přenosu dat, selháním řídicího systému nebo trvalému poškození hardwaru (IEC 61000-4-18:2022). Pro standardizaci hodnocení odolnosti zařízení vůči takovému rušení vyvinula Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC) normu IEC 61000-4-18, která jasně definuje dva typy testovacích scénářů: Pomalá tlumená oscilační vlna (kapitola 4.2) a Rychlá tlumená oscilační vlna (kapitola 4.3).

Na tomto pozadí LISUN GROUP, přední výrobce zařízení pro testování EMC, uvedl na trh DOW61000-18 Tester imunity tlumených oscilačních vln, který plně splňuje nejnovější požadavky normy IEC 61000-4-18 pro pomalé a rychlé tlumené oscilační vlny a také ekvivalentní regionální normy, jako jsou EN 61000-4-18 a GB/T 17626.18. Cílem tohoto článku je: (1) interpretovat základní technické požadavky normy IEC 61000-4-18 pro pomalé a rychlé tlumené oscilační vlny; (2) představit principy konstrukce generátorů tlumených oscilačních vln; (3) podrobně popsat technické specifikace a výkonnostní výhody LISUN DOW61000-18 série; a (4) diskutovat o jejím použití v průmyslovém testování EMC.

2. Interpretace normy IEC 61000-4-18 Pomalé a rychlé tlumené oscilační vlny

Norma IEC 61000-4-18 s názvem „Elektromagnetická kompatibilita (EMC) – Část 4-18: Zkušební a měřicí techniky – Zkouška imunity vůči tlumeným oscilačním vlnám“ klasifikuje rušení tlumených oscilačních vln do dvou kategorií na základě mechanismu jejich generování a frekvenčních charakteristik: Pomalá tlumená oscilační vlna (kapitola 4.2) a Rychlá tlumená oscilační vlna (kapitola 4.3). Každá kategorie má odlišné technické parametry pro simulaci reálných scénářů rušení.

2.1 Pomalá tlumená oscilační vlna (kapitola 4.2)

Fenomén pomalé tlumené oscilační vlny je primárně způsoben spínacími operacemi odpojovačů v otevřených rozvodnách vvn/středního napětí (vn), zejména spínáním vvn přípojnic (IEC 61000-4-18, kapitola 4.2). Při otevírání nebo zapínání vvn odpojovačů vznikají ostré přechodové jevy čelní vlny s dobou náběhu přibližně desítek nanosekund. Tyto přechodové jevy podléhají mnohonásobným odrazům v důsledku impedančních nesouladů v obvodech vvn (např. mezi přípojnicemi, transformátory a kabely), což má za následek tlumené oscilační napětí a proudy na přípojnicích.

Základní parametry pomalých tlumených oscilačních vln specifikované v normě jsou následující:

• Oscilační frekvence: Určena délkou vysokonapěťových přípojnic (v rozmezí od desítek do stovek metrů) a dobou šíření signálu, typicky mezi 100 kHz a několika MHz. Z nich je 100 kHz považováno za reprezentativní pro velké vysokonapěťové rozvodny, zatímco 1 MHz platí pro menší rozvodny nebo kratší přípojnice.
• Opakovací frekvence: Liší se v závislosti na vzdálenosti mezi spínacími kontakty a pohybuje se od několika Hz do několika kHz. Pro praktické testování se jako kompromisní hodnoty používají hodnoty 40 pulzů za sekundu (40/s) a 400 pulzů za sekundu (400/s), které vyvažují dobu trvání skutečného rušení, frekvenční pokrytí a energetické zatížení testovaného zařízení (EUT).
• Útlum napětí: Pro simulaci přirozeného útlumu oscilačních vln norma vyžaduje, aby napětí 5. špičky (Vₚₖ₅) bylo větší než 50 % napětí 1. špičky (Vₚₖ₁) a napětí 10. špičky (Vₚₖ₁₀) bylo menší než 50 % Vₚₖ₁.

2.2 Rychlá tlumená oscilační vlna (kapitola 4.3)

Ve srovnání s pomalými tlumenými oscilačními vlnami vznikají rychlé tlumené oscilační vlny z rychlejších spínacích událostí (např. vysokofrekvenční výkonové elektronické spínače) nebo z kratších přenosových vedení, což má za následek vyšší frekvence oscilací a kratší doby náběhu. Norma IEC 61000-4-18, článek 4.3, specifikuje parametry pro rychlé tlumené oscilační vlny pro vyhodnocení imunity zařízení vůči vysokofrekvenčnímu přechodovému rušení, které je běžnější v moderních průmyslových automatizačních systémech (např. měniče kmitočtu, servopohony) a komunikačních zařízeních.

Mezi klíčové parametry rychlých tlumených oscilačních vln patří:

• Oscilační frekvence: Výrazně vyšší než u pomalých vln, typicky 3 MHz, 10 MHz a 30 MHz, pokrývající frekvenční rozsah vysokorychlostních digitálních obvodů a rádiového (RF) rušení.
• Doba náběhu: Mnohem kratší než u pomalých vln (≤5 ns), což odráží rychlé přechodové charakteristiky vysokofrekvenčních spínacích událostí.
• Opakovací frekvence: Až 5,000 5,000 pulzů za sekundu (XNUMX XNUMX/s), simulující nepřetržité vysokofrekvenční rušení v hustém spínacím prostředí.
• Frekvence oscilací proudu: Konzistentní s frekvencí oscilací napětí (3 MHz, 10 MHz, 30 MHz), což zajišťuje přesnou simulaci poruch napětí i proudu u zkoušených zařízení citlivých na proudovou vazbu.

3. Principy návrhu generátorů tlumených oscilačních vln

Generátor tlumených oscilačních vln je klíčovou součástí testeru imunity a je zodpovědný za generování přechodových signálů, které splňují požadavky normy IEC 61000-4-18 pro pomalé a rychlé tlumené oscilační vlny. Jeho konstrukce je založena na principu oscilačního obvodu RLC (rezistor-induktor-kondenzátor) s úpravami parametrů součástek (R, L, C) pro dosažení různých frekvencí oscilace a tlumících charakteristik.

3.1 Základní princip oscilace

Jádro generátoru se skládá ze zdroje stejnosměrného vysokého napětí, kondenzátoru pro ukládání energie (C), cívky (L), tlumicího odporu (R) a vysokorychlostního spínače (např. křemíkový usměrňovač (SCR) nebo MOSFET). Pracovní proces je následující:

• Akumulace energie: Zdroj stejnosměrného vysokého napětí nabíjí kondenzátor C na předem nastavené napětí (určující výstupní špičkové napětí).
• Iniciace oscilace: Vysokorychlostní spínač je aktivován a vybíjí C přes sériový obvod LR. Interakce mezi C (akumulace energie v elektrickém poli) a L (akumulace energie v magnetickém poli) generuje sinusové kmitání.
• Tlumení: Tlumicí rezistor R spotřebovává energii během kmitání, což způsobuje postupné snižování amplitudy sinusové vlny a vzniká tlumená oscilační vlna.

3.2 Rozdíly mezi konstrukcemi s pomalými a rychlými vlnami

Aby byly splněny specifické parametry normy IEC 61000-4-18 Pomalá a rychlá tlumená oscilační vlna, jsou parametry RLC generátoru a konstrukce spínače optimalizovány odlišně:

Pomalá tlumená oscilační vlna (např. LISUN DOW61000-18):
• Používá větší L a C pro dosažení nižších frekvencí oscilace (100 kHz, 1 MHz). Například oscilace 100 kHz vyžaduje kombinaci LC s rezonanční frekvencí f₀ = 1/(2π√(LC)) ≈ 100 kHz.
• Používá vnitřní odpor 200 Ω k řízení tlumení, čímž zajišťuje shodu s požadavky na útlum Vₚₖ₅ > 50 % Vₚₖ₁ a Vₚₖ₁₀ < 50 % Vₚₖ₁.
• Používá středně rychlý spínač (doba náběhu ≈75 ns), který odpovídá době náběhu pomalých vln v řádu desítek nanosekund.

Rychlá tlumená oscilační vlna (např. LISUN DOW61000-18F):
• Používá menší hodnoty L a C k dosažení vysokých frekvencí oscilace (3 MHz, 10 MHz, 30 MHz). Například oscilace 30 MHz vyžaduje kombinaci LC s f₀ ≈ 30 MHz.
• Vybaven vnitřním odporem 50 Ω (odpovídajícím charakteristické impedanci vysokofrekvenčních koaxiálních kabelů) pro minimalizaci odrazů signálu a zajištění stabilního vysokofrekvenčního přenosu.
• Obsahuje vysokorychlostní spínač (doba náběhu ≈5 ns) pro generování rychlé přední hrany rychlých tlumených oscilačních vln.

DOW61000 18_Tester odolnosti tlumených oscilačních vln

4. Technické specifikace LISUN DOW61000-18 Řada (v souladu s normou IEC 61000-4-18 Pomalá a rychlá tlumená oscilační vlna)

LISUN GROUPJe DOW61000-18 Série obsahuje dva modely: DOW61000-18 (pro testování pomalých tlumených oscilačních vln podle IEC 61000-4-18) a DOW61000-18F (pro testování rychlých tlumených oscilačních vln podle IEC 61000-4-18). Oba modely jsou kalibrovány podle norem CNAS ISO 17025, což zajišťuje sledovatelnost a přesnost. Tabulka 1 shrnuje jejich klíčové technické specifikace.

Tabulka 1: Technické specifikace LISUN DOW61000-18 Série

4.1 Výhody výkonu LISUN DOW61000-18 Série

• Plná shoda s mezinárodními normami: Oba modely striktně dodržují požadavky normy IEC 61000-4-18 pro pomalé a rychlé tlumené oscilační vlny a také ekvivalenty norem EN a GB, což zajišťuje celosvětové uznávání výsledků testů.
• Široké pokrytí parametrů: DOW61000-18 pokrývá kmitací frekvence 100 kHz/1 MHz pro testování pomalých vln, zatímco DOW61000-18F podporuje frekvence 3 MHz/10 MHz/30 MHz pro testování rychlými vlnami, což splňuje potřeby různých testovaných zařízení (EUT).
• Flexibilní provoz: Vestavěné standardní testovací úrovně IEC eliminují potřebu ruční konfigurace parametrů a funkce krokového napětí umožňuje uživatelům postupně zvyšovat testovací napětí a identifikovat tak prahovou hodnotu imunity zkoušeného zařízení. Velký dotykový LCD displej zjednodušuje ovládání a vizualizaci dat.
• Vysoký výkon zdroje napájení pro zkoušené zařízení: DOW61000-18 poskytuje střídavé napětí 600 V/32 A a stejnosměrné napětí 1000 V/32 A pro zkoušené zařízení, vhodné pro vysoce výkonná průmyslová zařízení (např. měřiče vysokého napětí, regulátory motorů), zatímco DOW61000-18F je určen pro zařízení se středním výkonem, jako jsou komunikační moduly.

5. Scénáře použití LISUN DOW61000-18 Série

Jedno LISUN DOW61000-18 Řada 61000, jako profesionální nástroj pro testování pomalých a rychlých tlumených oscilačních vln podle IEC 4-18-XNUMX, je široce používána v odvětvích, kde je kritická odolnost vůči elektromagnetickému rušení (EMC). Mezi typické scénáře použití patří:

5.1 Zařízení energetické soustavy

• Zařízení pro rozvodny vvn/vn: Testování odpojovačů, transformátorů a ochranných relé na odolnost vůči pomalým tlumeným oscilačním vlnám generovaným spínacími operacemi. DOW61000-18Jeho oscilační frekvence 100 kHz/1 MHz přesně simulují rušení v reálné rozvodně.
• Inteligentní měřiče a zařízení pro monitorování energie: Tato zařízení jsou často instalována v blízkosti elektrického vedení a jsou náchylná k tlumeným oscilačním vlnám. Tester vyhodnocuje jejich schopnost udržovat přesné měření a přenos dat za takového rušení.

5.2 Průmyslová automatizace

• Frekvenční měniče a servopohony: Moderní systémy průmyslové automatizace používají vysokorychlostní výkonové elektronické spínače, které generují rychlé tlumené oscilační vlny (3 MHz~30 MHz). DOW61000-18F testuje imunitu těchto zařízení, aby byla zajištěna stabilní regulace motoru.
• Programovatelné logické automaty (PLC): PLC jsou jádrem průmyslových řídicích systémů. Pomalé vlnové rušení (z vysokonapěťových přípojnic) nebo rychlé vlnové rušení (z blízkých spínačů) může způsobit logické chyby. DOW61000-18 série ověřuje jejich schopnost odrušovat.

5.3 Přístrojové vybavení a zdravotnické vybavení

• Přesné přístroje: Laboratorní zařízení (např. osciloskopy, generátory signálů) a přístroje pro řízení procesů (např. tlakové snímače) vyžadují vysokou stabilitu. Tester zajišťuje, že nejsou ovlivněny tlumenými oscilačními vlnami v průmyslovém prostředí.
• Zdravotnické přístroje: Zařízení, jako jsou pacientské monitory a diagnostická zařízení, musí v nemocnicích, kde přepínání elektrické sítě může generovat tlumené oscilační vlny, fungovat spolehlivě. Testování podle IEC 61000-4-18 (s využitím LISUN(tester) je povinným krokem pro certifikaci zdravotnických prostředků.

6. závěr
Jedno IEC 61000-4-18 Pomalá a rychlá tlumená oscilační vlna Tato norma hraje zásadní roli v zajištění elektromagnetické imunity elektrických a elektronických zařízení a řeší rizika, která představuje tlumené rušení oscilačními vlnami v energetických systémech a průmyslovém prostředí. LISUN DOW61000-18 Řada Damped Oscilatory Wave Immunity Tester s přísným dodržováním standardů, širokým rozsahem parametrů a uživatelsky přívětivým designem poskytuje spolehlivé testovací řešení pro průmyslová odvětví po celém světě.

Jedno DOW61000-18 Model efektivně simuluje pomalé tlumené oscilační vlny (100 kHz/1 MHz) pro zařízení vvn rozvoden, zatímco DOW61000-18Model F je zaměřen na rychlé tlumené oscilační vlny (3 MHz/10 MHz/30 MHz) pro vysokofrekvenční průmyslová a komunikační zařízení. Oba modely nejen splňují technické požadavky normy IEC 61000-4-18, ale také zvyšují efektivitu testování díky inteligentním funkcím, jako jsou vestavěné standardní úrovně a krokové nastavení napětí.

S postupující elektrifikací a digitalizací průmyslu bude poptávka po testování EMC dále růst. LISUN DOW61000-18 Řada, díky souladu s globálními standardy a potřebami praktických aplikací, zůstane klíčovým nástrojem pro zajištění spolehlivosti zařízení a podporu vývoje produktů splňujících normy EMC.