Рекомендации по проверке испытательных систем на электромагнитную совместимость

Как известно, все электротехнические изделия, которые представлены на рынках многих стран, должны отвечать стандартам IEC, которые определяют максимальный уровень допустимого электромагнитного излучения, а также защищенность, или помехоустойчивость. В Европе у стандартов IEC имеются эквивалентные версии EN, а в Китае, Японии, других странах — собственные модификации национальных стандартов. Например, стандарт EN 61000-3-2 является европейским эквивалентом исходного стандарта IEC 61000-3-2 по электромагнитной совместимости. Этот же стандарт в Японии носит название JIS C 61000-3-2, а в Китае он известен как GB/T 14549-93 и был выпущен Организацией по стандартизации при Китайском техническом комитете 246 (SAC/TC246).

Несколько производителей выпускают системы для тестирования электротехнической продукции на электромагнитное излучение и помехоустойчивость. Как правило, встраиваемые системы проходят типовые испытания у производителя, а такое функциональное оборудование, как анализаторы мощности и программируемые источники питания, тестируется у своих производителей. Эти системы нуждаются в калибровке и периодической проверке, которые подтверждают правильность функционирования. Кроме того, при установке оборудования и программного обеспечения часто бывает необходимо проверять корректность функционирования системы, особенно сертифицированного испытательного оборудования. За последние несколько лет было выпущено несколько протоколов для калибровки и проверки, среди которых — IEC TR 61000-4-37 (гармонический анализ) и IEC TR 61000-4-38 (протокол испытания, верификации и калибровки систем проверки флуктуации напряжения и фликкер-шума для определения их соответствия требованиям IEC).

Стандарты IEC 61000-3-2 и IEC 61000-3-12

К стандартам IEC, которые определяют уровни излучения гармонических составляющих тока, относятся IEC 61000-3-2 (токи не более 16 А в одной фазе) и IEC 61000-3-12 (токи не более 75 А в одной фазе). Стандарты IEC 61000-3-3 и IEC 61000-3-11 ограничивают колебания напряжения и фликкер-шум изделий до 16 и 75 А соответственно. Процедуры и методы измерения гармонических составляющих описаны в стандарте IEC 61000-4-7, а методы измерения колебаний напряжения и фликкер-шума — в IEC 61000-4-15. Конфигурация типовой системы для измерения гармонических составляющих и фликкер-шума представлена на рис. 1.

Рис. 1. Типовая система для измерения гармонических составляющих и фликкер-шума

Основными компонентами установки на рис. 1 являются программируемый источник питания, один или несколько блоков стандартного полного сопротивления, анализатор мощности и испытуемое оборудование (ИО). В некоторых случаях дополнительные средства или измерительные приборы являются частью системы. Мы их рассмотрим в следующем разделе. Несколько национальных лабораторий разработали методы калибровки и порядок проведения для калибровки анализаторов мощности.

Хорошо откалиброванный анализатор мощности не гарантирует, однако, соответствие анализа гармонических составляющих или фликкер-шума требованиям стандартов. Программируемый источник питания и блоки стандартного полного сопротивления тоже могут влиять на точность системы, а в некоторых случаях проводка системы или интеграция блоков вызывают определенные проблемы.

Например, источник питания с избыточным выходным импедансом (индуктивностью) оказывает влияние на измерение гармонических составляющих и фликкер-шума. Неправильно реализованный блок стандартного полного сопротивления может повлиять на измерение фликкер-шума. В отдельных случаях возникают проблемы с проводкой системы, если нейтральный провод заземлен на источник питания или на испытуемое оборудование, в результате чего шунтируется часть нейтрального провода блока стандартного полного сопротивления. В других случаях источник питания, который успешно управляет напряжением при медленно меняющихся нагрузках, не справляется с их внезапным изменением, что приводит к увеличению колебаний напряжения и фликкер-шума.

В протоколе IEC TR 61000-4-37 (калибровка и верификация испытательных систем на соответствие эмиссии синусоидального тока) описаны методы испытаний всей системы и проверки точности измерения гармонического тока, которая должна отвечать требованиям IEC 61000-4-7 и IEC 61000-3-2/12. Протокол IEC TR 61000-4-38 описывает методы измерения полного фликкер-шума системы. В обоих случаях точно контролируемый блок нагрузки моделирует реальные электротехнические изделия. Другими словами, источник питания обязан поставлять в нагрузку неискаженную мощность.

Рис. 2. Испытательная установка согласно протоколам IEC TR 61000-4-37 и IEC TR 61000-4-38

В схеме испытаний, представленной на рис. 2, осуществляется моделирование нескольких испытуемых устройств. Таким образом, имеется возможность проверить правильность функционирования системы при использовании многих испытуемых электротехнических устройств. Например, временная развертка сигнала на рис. 3 моделирует характеристику изделия, которое успешно прошло испытание на соответствие требованиям стандарта IEC 61000-3-2 (Class A).

Рис. 3. Вид сигнала и спектр тока соответствуют требованиям стандарта IEC 61000-3-2 Class A (синяя кривая на левом рисунке — сигнал тока; желтые полоски на рисунке справа — гармоники, которые отвечают требованиям по амплитудам кривых желтого и красного цветов)

Тестирование токовых гармоник с помощью IEC 61000-3-2 и 61000-3-12

Как видно из рис. 3, нагрузку с управляемой фазой (C1–C4) можно включать и выключать в моменты времени, определенные пользователем. Управление током с помощью точно известной резистивной нагрузки позволяет получить точно определенный гармонический спектр. Например, включение 80‑Ом нагрузки при фазе 45° и отключение при 135° (почти как на рис. 3) позволяет получить спектр и значения гармонических составляющих (рис. 4).

Рис. 4. Спектр из 40 гармоник для 80-Ом нагрузки при фазе 45–135°

Величина допуска, например 5%, рассчитывается согласно требованиям стандарта IEC 61000-4-7. Кроме того, п. 6.2.3.2 стандарта IEC 61000-3-2 определяет воспроизводимость результатов как ±(1% + 10 мА) при испытаниях одного и того же оборудования на разных системах. Если в качестве такового оборудования рассматривать калибровочную нагрузку на рис. 2, можно воспользоваться условиями п. 6.2.3.2, но выбрать более жесткий допуск, чем тот, который применяется при тестировании гармонических составляющих в системе.

Например, допуск ±(0,3% + 5 мА) обеспечивает запас около 3:1, чего вполне достаточно, чтобы проверить и сертифицировать систему при условии, что она отвечает указанным более жестким допускам. Стандарт IEC61000-3-2/12 определяет разные тестовые комбинации для испытания технических средств каждого отдельного класса. На рис. 5 показана тестовая комбинация Class-C, в которой уровень гармоник составляет 99,2% от предельного значения.

Рис. 5. Вид сигнала и гармоники в тестовой комбинации Class-C, уровень которых достигает 99% от предельного

При использовании стандарта IEC 61000-4-37 можно воспользоваться таблицей для расчета гармоник для каждой выбранной тестовой комбинации и калибровочной нагрузки. IEC 61000-4-37 определяет 12 разных комбинаций, но у пользователя всегда имеется возможность выбрать собственную комбинацию.

После того как пользователь введет величину нагрузки, выберет фазовые углы, соответствующие началу и концу тестирования (при измерении электропроводности), таблица выполнит преобразование Фурье, рассчитав (идеальные) гармоники с разрешением 0,1 мА. Таким образом, имеется возможность последовательно сравнить результаты прохождения теста системой с расчетными уровнями гармоник, мощностью, коэффициентом нелинейных искажений (THD), суммарным коэффициентом гармонических составляющих тока (THC), а также с уровнями отдельных нечетных гармоник тока (POHC). Стандарт IEC TR 61000-4-37 описывает применение методологических принципов в отношении конкретных комбинаций.

Измерение фликкер-шума согласно IEC 61000-3-3 и IEC 61000-3-11

Схожий подход, что и рассмотренный выше, применяется для проверки системы на фликкер-шум в соответствии со стандартами IEC 61000-3-3/11 и IEC TR 61000-4-38. Методом включения и выключения нагрузки можно получить известную тестовую комбинацию, поскольку ток, протекающий через блок стандартного полного сопротивления, вызывает точно известное падение напряжения. Например, модуляция нагрузки с частотой 8,77 Гц позволяет получить комбинацию, представленную на рис. 6.

Рис. 6. Модуляция тестовой комбинации для проверки систем на фликкер-шум

Желтая кривая на рисунке 6 описывает ток, который включается на 57 мс, а затем выключается еще на 57 мс, т. е. с частотой 8,77 Гц. Известное нагрузочное сопротивление позволяет точно рассчитать падение напряжения на блоке стандартного полного сопротивления, соответствующем требованию IEC TR 60725, и, таким образом, проверить систему на фликкер-шум и откалибровать ее. Путем измерения сгенерированного напряжения можно также проверить правильность конфигурации источника питания и блока стандартного полного сопротивления. Другими словами, при необходимости можно настроить компоненты системы.

В ряде случаев коррекция оказывается необходимой. Например, если стандартное полное сопротивление в точности соответствует требованиям IEC TR 60725, то при суммарном импедансе, равном (0,400 +  0,250 Ом), суммарное полное сопротивление между источником и выходом часто оказывается завышенным, достигая 25–40 мОм. К этому значению следует прибавить индуктивность проводов около 100 мкГн, что приводит к погрешности в 10%.

Проблема такого рода не наблюдается, если откалибровать анализатор мощности и проверить блок стандартного полного сопротивления. Эта проблема возникает только при использовании реальной нагрузки, которую представляет собой испытуемое устройство. Временной режим модуляции легко проверяется (рис. 7). Зная величину нагрузки (т. е. уровня тока) и проверяя параметры временного режима, можно получить тестовую комбинацию, которая отвечает калибровочным требованиям таблицы 5 из описания стандарта IEC 61000-4-15.

Рис. 7. Тестовая комбинация для модуляции (0,325 Гц) нагрузки из таблицы 5 стандарта IEC 61000-4-15 по измерению фликкер-шума. Желтые и красные линии описывают ток и напряжение соответственно. Цена деления развертки задана равной 500 мс, что позволяет регистрировать данные в течение нескольких секунд

Испытания на помехоустойчивость с помощью стандартов IEC 61000-4-11 и 61000-4-13

К двум наиболее известным стандартам, устанавливающим методы испытаний технических средств, подключаемых к низковольтным (не выше 1000 В) электрическим сетям переменного тока, относятся IEC 61000-4-11 (провалы, кратковременные прерывания и изменения напряжения электропитания) и IEC 61000-4-13 (устойчивость к искажениям синусоидальности напряжения электропитания, включая передачу сигналов по электрическим сетям). Эти изменения возникают при включении больших нагрузок (электродвигателей или крупных электрических систем), коротких замыканиях в зданиях и жилых массивах, при коммутации энергораспределяющего оборудования и во многих других случаях.

Искажения (возмущения), вносимые гармониками или интергармониками, которые появляются при взаимодействии двух синусоидальных сигналов с частотой, не кратной частоте основной гармоники, всегда возникают в системах электроснабжения при эксплуатации большого количества бытовой техники и приборов, в системах управления производственными процессами и т. д. Поскольку эти возмущения могут произойти в любой момент, электрооборудование должно обладать соответствующей помехоустойчивостью.

Рис. 8. а) Обнуление напряжения на один цикл; б) провал напряжения до 40% уровня от исходной величины в течение 10 циклов

Необходимо, чтобы испытуемое устройство в автоматическом режиме или с помощью оператора справлялось с указанными проблемами. На рис. 8 показан пример пропадания напряжения на один период и провал напряжения до 40% уровня от исходной величины на 10 периодов. Стандарт IEC 61000-4-11 определяет испытания генераторов прерываний и провалов с помощью 100‑Ом резистивной нагрузки. Блок нагрузки, схематично показанный на рис. 2, применяется в качестве соответствующей нагрузки во всех испытаниях. И хотя стандарт IEC 61000-4-11 в настоящее время пересматривается и может измениться, его нынешняя версия требует, чтобы изменения напряжения происходили в интервале 1–5 мкс при тестировании с помощью 100‑Ом нагрузки. Поскольку при изменениях, которые начинаются или заканчиваются при нулевом напряжении, понятие о времени нарастания или спада импульсов утрачивает смысл, длительность переходного процесса, как правило, проверяется при 90 или 270°. Из рис. 9 видно, как быстро спадает сигнал напряжения с фазой 90° с 230 В/50 Гц (325 В_пик) до 0 В, а также время нарастания сигнала напряжения с фазой 90° через один цикл.

Рис. 9. Время нарастания/спада сигнала в диапазоне 1–5 мкс (голубая кривая)

Таким образом, соответствие требованиям стандарта IEC 61000-4-11 проверяется с помощью рекомендуемых уровней тестирования, представленных в таблице 1 этого документа. При этом уровни напряжения и длительность провалов измеряются с использованием высококачественного цифрового осциллографа и 100‑Ом нагрузки. Проверка устойчивости к искажениям синусоидальности напряжения электропитания в соответствии со стандартом IEC 61000-4-13 —более сложный процесс. Этот стандарт определяет последовательность комбинаций с искаженными гармониками и интергармониками, которые воздействуют на напряжение электрических сетей общего пользования. Доля нелинейных искажений, которые практически всегда присутствуют в этих сетях, в ночное время (при малой нагрузке) составляет 1–2%, а в дневное время (особенно в часы пикового потребления) этот показатель может превысить 5%.

Европейский стандарт EN 50160 определяет качество электроэнергии, которое должны обеспечивать энергетические предприятия. Так, например, уровень нелинейных искажений не должен превышать 5% в течение 95% всего времени и не может быть более 8% в любой момент времени. В других регионах мира действуют либо официальные законы, регулирующие качество электроэнергии, либо общепринятые спецификации (например, IEEESTD 519 в США). Таким образом, поскольку гармонические искажения всегда присутствуют в электросетях, электрооборудование должно сохранять работоспособность в таких условиях эксплуатации.

Class 2 стандарта 61000-4-13, который, как и IEC 61000-4-11, предусматривает разные категории испытаний, применяется в отношении большей части электрооборудования. Этот стандарт определяет испытания для гармоник и интергармоник, а также т. н. «кривую Мейстера» (рис. 10). По сути, эта кривая моделирует сигналы «управления пульсациями», которое возлагается на предприятие, контролирующее энергораспределительное оборудование. Амплитуда сигналов по управлению пульсациями достигает 5% на частотах интергармоник.

Рис. 10. Испытание развертки с помощью кривой Мейстера в диапазоне 16–2000 Гц согласно Class 2 стандарта 61000-4-13

На рис. 11а показана тестовая комбинация с гармоническим искажением, которое возникает при эксплуатации однофазного (бытового) электрического оборудования. На рисунке 11б представлено тестовое перенапряжение, возникающее, как правило, при использовании трехфазного оборудования в промышленных системах.

Рис. 11. Тестовые комбинации согласно IEC 61000-4-13:
а) плоская вершина сигнала;
б) перенапряжение

Выводы

Проверку систем испытания на соответствие стандартам можно выполнять для сертификации по местонахождению пользователя с помощью соответствующего нагрузочного блока, высокоточных цифровых мультиметров, токовых шунтов и цифровых осциллографов с достаточной памятью и точностью синхронизации.

Технический документ IEC 61000-4-37 дает рекомендации и указания по верификации и калибровке систем для испытания уровня излучения гармоник в соответствии со стандартами IEC 61000-3-2 и 61000-3-12. Технический отчет IEC 61000-4-38 дает рекомендации, как проверять и калибровать системы для испытания флуктуаций напряжения и фликкер-шума согласно стандартам IEC 61000-3-3 и 61000-3-11.

Испытания в соответствии со стандартами IEC 61000-4-11 и IEC 61000-4-13 осуществляются с помощью подходящей нагрузки и соответствующих осциллографов. В таблицах испытаний в обоих стандартах даются рекомендации по выбору наиболее распространенных тестовых комбинаций.