Role a aplikace principu fungování generátoru přepětí při hodnocení tolerance zařízení vůči vysokoenergetickému přechodovému rušení

Abstraktní

1. Úvod

S rychlým rozvojem průmyslové automatizace, komunikačních technologií a spotřební elektroniky mají elektrická a elektronická zařízení stále vyšší požadavky na stabilitu provozního prostředí. Přirozené blesky však generují okamžité vysoké napětí a velký proud v napájecích kabelech a signálních vedeních zařízení v důsledku elektromagnetické indukce; zároveň provoz velkokapacitních indukčních a kapacitních zátěží, jako je spouštění a zastavování velkých motorů v továrních dílnách a spínání kompenzačních skříní kondenzátorů v energetických systémech, také způsobuje přechodné rušení, jako je náhlý nárůst a pokles napětí v elektrické síti. Pokud takové rušení překročí toleranční limit zařízení, může v mírných případech způsobit havárii zařízení a ztrátu dat, v závažných případech vyhoření součástí a paralýzu systému.

Aby se tento problém vyřešil, Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC) formulovala normu IEC61000-4-5 „Elektromagnetická kompatibilita – Část 4-5: Zkušební a měřicí techniky – Zkouška odolnosti vůči přepětí (nárazům)“, která sjednocuje zkušební metody a ukazatele hodnocení pro vysokoenergetické přechodové rušení. Generátor přepětí, který splňuje tuto normu, dokáže přesně simulovat přechodové průběhy generované indukcí blesku a přepínáním zátěže a poskytuje společný základ pro toleranční testování napájecích kabelů a vnitřních propojovacích vodičů různých typů zařízení (jako jsou komunikační základnové stanice, domácí spotřebiče, automobilové elektronické součástky atd.), čímž se stává nepostradatelným nástrojem ve výzkumu a vývoji zařízení, výrobě a kontrole kvality.

2. Princip činnosti generátoru přepětí Princip činnosti a požadavky normy IEC61000-4-5

2.1 Princip činnosti generátoru přepětí Princip činnosti

Hlavní funkcí generátoru přepětí je generování přechodových pulzních průběhů, které splňují normy, a jeho pracovní proces je rozdělen do tří fází: akumulace energie, modulace průběhů a vstřikování pulzů:

• Fáze skladování energieZařízení nabíjí interní velkokapacitní kondenzátor pomocí vysokonapěťového stejnosměrného zdroje a upravuje nabíjecí napětí podle testovacích požadavků, aby se dosáhlo ukládání různých úrovní energie (vzorec pro výpočet energie je

kde $C$ je hodnota kapacity a $V$ je nabíjecí napětí).

• Fáze modulace tvaru vlny: Když se kondenzátor vybíjí, tlumicí obvod RLC složený z induktorů a rezistorů se používá k modulaci doby náběhu, trvání špičky a útlumových charakteristik impulsu, aby se zajistilo, že výstupní průběh splňuje ustanovení normy IEC61000-4-5. Například průběh napětí 1.2/50 μs (doba náběhu 1.2 μs, doba poloviny špičky 50 μs) a průběh proudu 8/20 μs (doba náběhu 8 μs, doba poloviny špičky 20 μs) pro testování napájecího kabelu jsou realizovány přesným sladěním parametrů obvodu.

• Fáze pulzního vstřikováníModulovaný přechodový impuls je vstřikován do napájecího kabelu nebo vnitřního připojovacího vodiče testovaného zařízení (EUT) prostřednictvím vazební/oddělovací sítě (CDN), čímž se zabrání rušení impulsu elektrickou sítí nebo jiným testovacím zařízením.

2.2 Základní požadavky normy IEC61000-4-5

Norma IEC61000-4-5 poskytuje jasné technické specifikace pro zkoušky přepětím, které zahrnují zejména následující tři aspekty:

• Požadavky na tvar vlnyNorma specifikuje dva základní typy průběhů. Jedním je průběh napětí 1.2/50 μs (stav otevřeného obvodu) a průběh proudu 8/20 μs (stav zkratu) používaný k simulaci indukce blesku; druhým je průběh napětí 10/700 μs a průběh proudu 5/320 μs pro rušení na dálkových přenosových vedeních. Princip fungování generátoru přepětí by měl být schopen přesně generovat tyto průběhy a chyba parametrů průběhů by měla být řízena v rozmezí ±20 %.

• Úrovně testováníPodle intenzity elektromagnetického rušení prostředí, v němž je zařízení používáno, norma rozděluje testovací úrovně na úrovně 1–4 a úrovně X (speciální úprava). Odpovídající napěťové a proudové špičky každé úrovně jsou uvedeny v následující tabulce:

Úroveň testování	Napěťová špička (kV)	Proudová špička (kA)	Aplikační prostředí
Level 1	0.5 - 1	0.25 - 0.5	Dobře stíněné řídicí místnosti, laboratoře
Level 2	1 - 2	0.5 - 1	Všeobecné průmyslové prostředí, vnitřní vybavení
Level 3	2 - 4	1 - 2	Venkovní zařízení, nestíněné průmyslové prostředí
Level 4	4 - 6	2 - 3	Oblasti náchylné k bleskům, nestíněné venkovní zařízení
Úroveň X	Na míru	Na míru	Speciální scénáře (například letecké a kosmické vybavení)

• Testovací konfiguraceNorma vyžaduje, aby testovací systém zahrnoval princip fungování generátoru přepětí, vazební/oddělovací síť (CDN), uzemňovací systém a monitorovací zařízení. CDN by mimo jiné měla realizovat efektivní vazbu mezi impulzem a zkoušeným zařízením a izolovat zkoušené zařízení od elektrické sítě, aby se zabránilo šíření rušení; uzemňovací systém by měl splňovat impedanci ≤ 0.5 Ω, aby se zajistilo bezpečné vypouštění energie impulzu.

3. Technické vlastnosti a výhody LISUN SG61000-5 Princip fungování generátoru přepětí

Jedno LISUN SG61000-5  Generátor přepětí je vysoce výkonné testovací zařízení, které plně splňuje normu IEC61000-4-5 a jeho technické parametry a funkční provedení plně splňují požadavky na testování tolerancí zařízení v různých průmyslových odvětvích.

3.1 Základní technické parametry

Klíčové technické parametry tohoto zařízení jsou uvedeny v následující tabulce. Jeho výstupní rozsah pokrývá testovací požadavky úrovně 1-4 s vysokou přesností tvaru vlny a silnou stabilitou:

Technické parametry	Rozsah indexu	Požadavek na přesnost
Napěťový průběh (otevřený obvod)	1.2 / 50μs	± 20%
Proudový průběh (zkrat)	8 / 20μs	± 20%
Rozsah výstupního napětí	0 – 10 kV (0 – 20 kV volitelné)	± 5%
Rozsah výstupního proudu	0 – 5 kA (0 – 10 kA volitelné)	± 5%
Pulzní polarita	Pozitivní/Negativní/Střídavý	-
Pulzní interval	10 ms – 100 s	Nastavitelný
Uložené testovací programy	100 skupiny	-
komunikační rozhraní	RS232/Ethernet	Podpora dálkového ovládání

3.2 Funkční výhody

• Přizpůsobivost více scénářůmZařízení podporuje tři výstupní impedance 2 Ω, 12 Ω a 500 Ω, které odpovídají požadavkům na testování napájecích kabelů (2 Ω/12 Ω) a signálních vodičů (500 Ω). Není nutná žádná další výměna hardwaru, což snižuje náklady na testování.

• Inteligentní provozní prostředíJe vybaven 7palcovou dotykovou obrazovkou, která podporuje nastavení parametrů jedním kliknutím, zobrazení průběhu v reálném čase a ukládání testovacích dat; zároveň poskytuje software pro ovládání na straně počítače, který umožňuje propojení více zařízení a automatické generování testovacích protokolů, čímž se zvyšuje efektivita testování.

• Bezpečnostní návrhMá vestavěné obvody ochrany proti přepětí, nadproudu a přehřátí, které automaticky odpojí napájení, když je zařízení v abnormálním stavu; plášť je vyroben z nehořlavých materiálů a uzemňovací svorka splňuje bezpečnostní normy, čímž je zajištěna bezpečnost obsluhy a zařízení.

4. Proces testování tolerance zařízení založený na principu fungování generátoru přepětí

Přijetí LISUN SG61000-5 Princip fungování generátoru přepětí Jako příklad v kombinaci s normou IEC61000-4-5 lze proces testování tolerance napájecích kabelů zařízení a vnitřních připojovacích vodičů rozdělit do následujících pěti kroků:

4.1 Příprava na testování
Připojení zařízení: Připojte generátor přepětí k napájecímu kabelu testovaného zařízení (EUT) pomocí vazební/oddělovací sítě (CDN) a připojte EUT k zátěži podle aktuálního provozního stavu; současně připojte monitorovací zařízení (například osciloskopy, analyzátory výkonu) pro sledování napětí, proudové odezvy a provozního stavu EUT.
Nastavení parametrů: Určete úroveň testování podle prostředí použití zkoušeného zařízení (například vyberte úroveň 3 pro venkovní komunikační zařízení) a nastavte odpovídající špičku napětí/proudu (například napětí 2 kV a proud 1 kA pro úroveň 3), polaritu pulzů (5 testů pro kladný a záporný pól) a interval pulzů (1 minuta na test, aby se zabránilo přehřátí zkoušeného zařízení) na generátoru.

4.2 Předběžné testování
Vstříkněte 1–2 nízkoenergetické impulsy (například 50 % testovací úrovně) pro kontrolu, zda je připojení testovacího systému normální, zda monitorovací zařízení dokáže přesně shromažďovat data a zda je zkoušené zařízení v normálním provozním stavu. Pokud dojde k uvolněnému připojení nebo abnormalitám v datech, je třeba před restartem včas provést úpravy.

4.3 Formální testování
Vstřikujte přechodové impulzy podle nastavených parametrů a po každém impulzu sledujte provozní stav zkoušeného zařízení:
Normální funkce: U zkoušeného zařízení se nevyskytují žádné jevy, jako jsou havárie, ztráta dat a snížení výkonu;
Dočasné zhoršení výkonu: Testované zařízení má dočasné funkční abnormality, ale po ukončení pulzu se automaticky obnoví;
Funkční selhání: EUT má trvalé závady, jako je vyhoření součástek a neschopnost se spustit.

4.4 Záznam a analýza dat
Zaznamenejte stav zkoušeného zařízení (EUT) po každém pulzním vstřikování, získejte pomocí monitorovacího zařízení napěťovou špičku, proudovou špičku napájecího kabelu a data o přechodové odezvě vnitřních připojovacích vodičů a porovnejte je s indikátory „normálního provozu zařízení“ v normě IEC61000-4-5 (jako je kolísání napětí ≤ 10 %, žádné trvalé poškození) pro vyhodnocení úrovně tolerance zkoušeného zařízení.

4.5 Generování testovací zprávy
Uspořádejte testovací data a vygenerujte zprávu obsahující model testovacího zařízení, standardní základnu, nastavení parametrů, záznamy o stavu testovaného zařízení a závěry o tolerancích, která poskytne základ pro výzkum a vývoj zařízení nebo certifikaci kvality.

5. Praktické aplikační případy
5.1 Zkouška tolerance napájecích kabelů pro zařízení komunikačních základnových stanic
Výrobce komunikačních zařízení použil LISUN SG61000-5 Princip fungování generátoru přepětí pro provedení tolerančních testů na nově vyvinutém napájecím modulu základnové stanice 5G. Testovací úroveň byla úroveň 3 (splňující požadavky venkovního prostředí) a konkrétní data jsou uvedena v následující tabulce:

Testování položky	Testování parametrů	Stát EUT	Proč investovat do čističky vzduchu?
Testování pulzů s pozitivní polaritou	Napětí 2 kV, proud 1 kA, 5krát	Normální po první 3 pokusy, po čtvrtý pokus dočasný výpadek proudu	Potřeba optimalizovat obvod ochrany proti přepětí
Testování pulzů s negativní polaritou	Napětí 2 kV, proud 1 kA, 5krát	Všechno normální	Dobrá tolerance k negativní polaritě
Opakované otestování po optimalizaci (kladná polarita)	Napětí 2 kV, proud 1 kA, 5krát	Všechno normální	Tolerance odpovídá normě

Analýza: V počáteční fázi testování došlo u zkoušeného zařízení k dočasnému výpadku napájení. Po prošetření bylo zjištěno, že spouštěcí práh obvodu ochrany proti přepětí v napájecím modulu byl příliš nízký. Po úpravě parametrů ochranného obvodu bylo zařízení schopno stabilně odolat přechodnému rušení úrovně 3 a splňovat tak požadavky základnové stanice na venkovní provoz.

5.2 Testování vnitřních propojovacích vodičů domácích spotřebičů
Společnost vyrábějící domácí spotřebiče použila tento generátor k provedení testů úrovně 2 (vnitřní prostředí) na vnitřních připojovacích vodičích motoru praček. Výsledky testů jsou uvedeny v následující tabulce:

Časy testování	Pulzní polarita	Napěťová špička (kV)	Proudová špička (kA)	Stav připojovacích vodičů
1	Pozitivní	1.5	0.75	Normální
2	Pozitivní	1.5	0.75	Normální
3	Negativní	1.5	0.75	Normální
4	Negativní	1.5	0.75	Normální
5	Střídání	1.5	0.75	Normální

Závěr: Vnitřní připojovací vodiče pračky odolávají vysokoenergetickému přechodovému rušení úrovně 2 a není nutné žádné konstrukční vylepšení.

6. Závěr a perspektiva
Jakožto klíčový nástroj pro hodnocení tolerance napájecích kabelů zařízení a vnitřních propojovacích vodičů vůči vysokoenergetickému přechodovému rušení poskytuje princip fungování generátoru přepětí jednotný základ pro hodnocení výkonu zařízení v různých odvětvích a typech se svými standardizovanými testovacími možnostmi. LISUN SG61000-5 Princip fungování generátoru přepětí vykazuje významné výhody při testování komunikace, domácích spotřebičů, automobilové elektroniky a dalších oblastí díky svým technickým parametrům splňujícím normu IEC61000-4-5, adaptabilitě na více scénářů a inteligentnímu návrhu provozu.

Tagy:SG61000-5